【摘要】 土層中污染物運(yùn)移已成為環(huán)境巖土工程的研究重點(diǎn)之一。而地下水位不是穩(wěn)定不變的，尤其在巖土工程建設(shè)中常常導(dǎo)致地下水位上升和下降，如：基坑降水引起水位下降；地下隧道建設(shè)導(dǎo)致地下水位抬升，地下水位升降必然會(huì)引起土層中水分和溶質(zhì)變化。因此考慮地下水位升降對(duì)土層中污染物運(yùn)移規(guī)律影響，大大提高污染物運(yùn)移分布預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，對(duì)于環(huán)境安全評(píng)價(jià)以及地下水污染防治有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。選取典型污染物硝酸鹽和重金屬鎘為研究對(duì)象，基于國(guó)內(nèi)外土層中污染物運(yùn)移研究成果，模擬土層中地下水位升降的室內(nèi)模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)研究了水位升降條件下飽和-非飽和土層中兩種污染物運(yùn)移規(guī)律；最后選取河南洛陽(yáng)地區(qū)為現(xiàn)實(shí)案例，考慮現(xiàn)實(shí)情景，根據(jù)搜集的場(chǎng)地水文地質(zhì)、地下水動(dòng)態(tài)指標(biāo)等資料，分析該研究區(qū)水位升降對(duì)含水層中地下水硝酸鹽運(yùn)移規(guī)律影響。室內(nèi)試驗(yàn)包括兩部分，即試驗(yàn)一：水位升降條件下土層中重金屬鎘運(yùn)移規(guī)律及土壤顆粒級(jí)配對(duì)重金屬鎘吸附-解吸規(guī)律影響；試驗(yàn)二：分別將水位升降、降水條件和不同土壤介質(zhì)作為主要因子，考察土層中硝酸鹽運(yùn)移的試驗(yàn)研究。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析得出以下主要結(jié)論。（1）土壤顆粒級(jí)配對(duì)鎘吸附、解吸有顯著影響。少量鎘離子在土層中主要以吸附作用為主，水位升降對(duì)土層中鎘離子運(yùn)移影響不明顯；大量鎘離子在土層內(nèi)，水位升降主要通過(guò)對(duì)流作用對(duì)鎘離子運(yùn)移產(chǎn)生影響。（2）無(wú)降水條件時(shí)水位升降能夠顯著影響土層中硝酸鹽運(yùn)移。水位下降，飽和土層及非飽和土層中硝態(tài)氮含量增大，銨態(tài)氮含量減�。凰簧仙鯌B(tài)氮含量減小，銨態(tài)氮含量增大；亞硝態(tài)氮含量變化規(guī)律不明顯；同時(shí)，水位升降促使土層中硝酸鹽的縱向遷移，加重地下水硝酸鹽污染，但促進(jìn)銨態(tài)氮去除，其對(duì)硝酸鹽污染的影響不容忽視；水位升降條件下，中砂土層較粉土土層更易造成硝酸鹽污染；考慮降水條件時(shí)，水位穩(wěn)定相對(duì)上升更易造成硝酸鹽污染，而水位上升較易造成氨氮污染；（3）實(shí)際場(chǎng)地中，水位升降對(duì)地下水特征指標(biāo)有一定程度影響，且對(duì)飽和土層地下水銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變化有顯著影響規(guī)律。因此在野外地下水研究中，需將地下水位變化作為重要影響因素考慮在內(nèi)。此外，在地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，控制及修復(fù)硝酸鹽污染地下水的工作中，也應(yīng)將地下水位變化考慮其中。 還原

第一章  緒  論

根據(jù)研究場(chǎng)地鉆孔揭露的不同埋深介質(zhì)的 TPH 測(cè)試結(jié)果顯示，在污染源區(qū)附近，水位變動(dòng)帶上部帶富集了較高含量的石油烴污染物，而含水層中石油烴含量則相對(duì)較低，并且通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，地下水中石油烴含量，并非隨時(shí)間呈現(xiàn)單純降低趨勢(shì)，而是與地下水水位升降呈正相關(guān)關(guān)系。相比之下，在遠(yuǎn)離污染源的區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)TPH含量和地下水TPH含量并無(wú)這種規(guī)律。該場(chǎng)地漏油井于2009年進(jìn)行注漿封堵，污染源切斷后，原本處于連續(xù)態(tài)的 LNAPL在運(yùn)移的過(guò)程中會(huì)由于壓力的消失逐漸分解為孤立的島狀體或小球，并逐漸成為相對(duì)不可流動(dòng)的物質(zhì)殘留在細(xì)顆粒介質(zhì)中。隨著地下水水位體現(xiàn)出年際變動(dòng)與季節(jié)性變動(dòng)，在低水位期，地下水與上部污染嚴(yán)重的粉質(zhì)粘土層接觸減少，稀釋、吸附占主導(dǎo)作用，同時(shí)水位變動(dòng)帶通氣量增加，促進(jìn)微生物降解反應(yīng)的發(fā)生，筆耕文化推薦期刊，也使得地下水中 TPH含量降低；而在高水位期，地下水與上部污染嚴(yán)重的粉質(zhì)粘土層接觸，以介質(zhì)中污染物的解吸作用為主，污染物再次進(jìn)入地下水，同時(shí)形成厭氧環(huán)境，微生物作用受到抑制，導(dǎo)致地下水中 TPH 含量升高�？梢�(jiàn)，水位變動(dòng)帶的存在及其中石油烴污染物的遷移轉(zhuǎn)化影響著整個(gè)地下水系統(tǒng)中的污染物分布，是多個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程的組合。
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第二章   研究區(qū)概況

2.1   自然地理位置
研究場(chǎng)地所在區(qū)域隸屬于我國(guó)東北某油田區(qū)，場(chǎng)地長(zhǎng)約 100m，寬約 80m，面積為 8000m2。場(chǎng)地以外東南、西北部各有 1 口作業(yè)采油井，相距約 110m。公路將場(chǎng)地分為南北兩部分，北部為耕地，東北部為加壓泵房，場(chǎng)地內(nèi)分布有民房三座，民井兩眼。東南部另有一口廢棄的采油井，由于采油井油水分離器破壞（圖2.1），導(dǎo)致原油進(jìn)入含水層系統(tǒng)，直接污染地下水，并且在該油井西南側(cè)地勢(shì)較低地帶形成一個(gè)面積約  100m2的石油坑。受廢棄井冒油泄漏、污油坑滲漏、人類活動(dòng)及石油開(kāi)采區(qū)域背景等影響，研究場(chǎng)地的地下水土環(huán)境中存在石油類組分超標(biāo)的現(xiàn)象，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活及生態(tài)環(huán)境健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，亟待對(duì)環(huán)境污染開(kāi)展評(píng)價(jià)與修復(fù)方面的科學(xué)研究。

 

2.2   地形地貌
研究區(qū)所在區(qū)域地形較為平坦，自東南向西北略有降低，海拔高程范圍在 130.18~132.46 m。按照地貌成因劃分，污染場(chǎng)地處于河流的河谷沖積平原上，并位于沖積平原一級(jí)階地與沖洪積高平原微波狀崗地的交界處的陡坎附近，陡坎高差約15~20 m。研究場(chǎng)地所在區(qū)域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽早霜，冬季寒冷漫長(zhǎng)，多年平均氣溫 4.7℃，1 月份最冷，月平均氣溫-17.4℃，極端最低氣溫-37.8℃；7 月份最熱，月平均氣溫 23.3℃，極端最高氣溫37.5℃。年平均日照數(shù) 2879.8 小時(shí)，無(wú)霜期 142 天左右，凍結(jié)期 11 月初至翌年4 月中旬，長(zhǎng)達(dá) 150 天以上，凍結(jié)厚度 2m 左右。多年平均相對(duì)濕度為 64%，其中 4 月份最小為 47%，8 月份最大為 77%。多年平均降雨量 437.82mm，年際變化較大，達(dá)150-350mm，且年內(nèi)分配不均勻，6-8月占全年降水量的 70%。年蒸發(fā)量1694mm，5月最大，為318.5mm[29]。研究區(qū)內(nèi)無(wú)地表水系發(fā)育。

第三章  地下水位變動(dòng)帶介質(zhì)中石油烴的吸附/解吸 ..................... 19
3.1  地下水位變動(dòng)帶石油烴吸附實(shí)驗(yàn) .............................. 19
3.2  地下水位變動(dòng)帶石油烴解吸實(shí)驗(yàn) .............................. 24
第四章  地下水位變動(dòng)影響下含水層介質(zhì)中石油烴土著微生物降解 ........ 30
4.1  實(shí)驗(yàn)?zāi)康?............................. 30
4.2  實(shí)驗(yàn)環(huán)境 ............................ 30
4.3  實(shí)驗(yàn)方法 ............................. 30
4.4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .............. 31
第五章  地下水位變動(dòng)對(duì)石油烴垂向遷移的影響 ....................... 35
5.1  毛細(xì)作用對(duì)石油烴垂向遷移的影響 ............................ 35
5.2  地下水位波動(dòng)對(duì)石油烴垂向遷移的影響 ........................ 41

第六章   水位變動(dòng)帶石油污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬實(shí)驗(yàn)

6.1   實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 確定實(shí)驗(yàn)室尺度內(nèi)，通過(guò)地下水、介質(zhì)中的 TPH 含量變化，輔以pH、Eh等指標(biāo)的測(cè)量，分析研究石油烴污染物在多重作用綜合影響下在水位變動(dòng)帶的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，以及水位升降過(guò)程中，各種作用對(duì)介質(zhì)中TPH 含量變化的貢獻(xiàn)比例。

6.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 
實(shí)驗(yàn)以污染場(chǎng)地含水層水位變動(dòng)帶粉質(zhì)粘土、粉砂為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，參考場(chǎng)地地下水環(huán)境特點(diǎn)以及實(shí)際測(cè)定結(jié)果，設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境為遮光、溫度 12℃，介質(zhì)經(jīng)過(guò)滅菌處理以排除微生物的影響，實(shí)驗(yàn)用水采用場(chǎng)地附近未受污染的地下水。實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)130mm，寬50mm，高100cm，上下通過(guò)法蘭和有機(jī)玻璃板封閉，左右兩側(cè)有進(jìn)出水槽，以保證地下水為水平層流狀態(tài)，進(jìn)、出水槽通過(guò)軟膠管和進(jìn)、出水箱連接，進(jìn)、出水箱可通過(guò)兩側(cè)滑道上下調(diào)整位置并固定，側(cè)面每間隔10cm 設(shè)置有用于監(jiān)測(cè)地下水 TPH 濃度的取樣口 1、2、3 如圖 6.1 所示。裝置外側(cè)纏有雙層不透光黑色塑膠袋。實(shí)驗(yàn)前用丙酮擦拭裝置進(jìn)行滅菌處理，通風(fēng)陰干。
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第七章 結(jié)論及建議

 

7.1 主要結(jié)論
通過(guò)研究粉質(zhì)粘土、粉砂兩種介質(zhì)的石油烴吸附/解吸實(shí)驗(yàn)，確定了粉質(zhì)粘土吸附石油烴的能力強(qiáng)于粉砂，而對(duì)石油烴的解吸能力弱于粉砂。吸附/解吸能力上的差異，導(dǎo)致了研究場(chǎng)地水位變動(dòng)帶粉質(zhì)粘土層TPH含量高于粉砂層。隨著地下水位上升，上部粉質(zhì)粘土中濃度較高的石油烴以解吸作用占主要地位，石油烴污染物進(jìn)入地下水，導(dǎo)致地下水TPH  含量升高；而隨著地下水位降低，地下水與上部污染的粉質(zhì)粘土接觸減少，地下水中的石油烴以下部粉砂介質(zhì)的吸附作用為主，導(dǎo)致了地下水中的TPH  含量降低。 

7.2 存在的問(wèn)題及建議
本文對(duì)石油烴污染物在水位變動(dòng)帶的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了初步的探索，取得了一定結(jié)論和成果，但由于作者研究水平和時(shí)間有限，研究中還存在著以下問(wèn)題有待改進(jìn)和進(jìn)一步深入研究。 石油烴污染物不僅可在好氧條件下發(fā)生微生物降解作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)厭氧條件下微生物降解菌亦能發(fā)生降解作用，下一步應(yīng)針對(duì)地下水水位變動(dòng)帶好氧—厭氧轉(zhuǎn)換條件下的微生物群落特征和生長(zhǎng)特征進(jìn)行研究，以求更加精確的刻畫(huà)水位變動(dòng)帶的微生物降解過(guò)程。   本文旨在探索水位變動(dòng)帶石油烴污染物遷移轉(zhuǎn)化各個(gè)作用過(guò)程特征和機(jī)理，雖然進(jìn)行了水位變動(dòng)帶綜合模擬實(shí)驗(yàn)，但由尺度有所差別，實(shí)際場(chǎng)地情況可能有所不同，并且實(shí)際場(chǎng)地由于多次水位變動(dòng)使污染物的時(shí)空規(guī)律可能更加復(fù)雜。
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