环境水文地球化学

Partitioning Tracer Test for SN
2.多相流
Measured BTC for PTT with bromide Time difference between different chemicals allows calculation of SN Bromide n-pentanol 2,2 DMP
0.06 0.04 0.02 0.01
I DNAPL Flow
0.20
III W ater Flow II Mixed Flow
0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.01
K r = r elative per meabi lity
Incr easi ng DNAPL Saturation
2.多相流
Partitioning Tracer Test for SN
Chemicals are introduced consisting of conservative and partitioning tracers (PTT) NAPL - Water Partition Coefficient KN. KN = CN/Cw where CN is the conc. in NAPL and Cw is water conc. At steady state, the effect is to delay or retard the PT transport rate according to a retardation factor R = 1 + (KN SN)/(1 - SN) = tp/tn
氧化还原
氧还原 NO3-还原 锰还原 铁还原 SO42-还原 产甲烷
反应方程
CH2O + O2 → CO2 + H2O 5 CH2O+4NO3- →2N2+4HCO3- +CO2+3H2O CH2O+3CO2+H2O+2MnO2→Mn2++4HCO3CH2O+7CO2+4Fe(OH)3→Fe2++8HCO3-+3H2O CH2O+SO42-→H2S+2HCO3CH2O→CO2+CH4 O2>NO3- >Mn4+>Fe3+>SO42-

机械过滤 吸附交替作用 溶解、沉淀作用 生物作用


对流、弥散作用
生物地球化学作用
第一讲 污染物的生物地球化学降解
Biogeochemical Degradation of Pollutants
1. 污染物生物地球化学降解原理
（1）地下环境中的主要氧化还原物质
地下环境氧化还原系统中主要包括气体（O2、N2、CH4、CO2）、 溶解性组分（NO3-、NH4+、CH2O、Fe2+、Mn2+、SO42-、HS-、H+）、 固体（FeOOH、MnO2、FeCO3、MnCO3）和存在于固体中的离子交 换态组分（Fe2+、Mn2+、NH4+）。
第二讲 多相流
Multiphase Flow
2.多相流
（1）基本概念
非水相液体（Nonaqueous Phase Liquids, NAPL）
不与水发生混合的液体称为NAPL; 重非水相液体（Dense Nonaqueous Phase Liquids，DNAPL）
比水重的非水相液体；
轻非水相液体（Light Nonaqueous Phase Liquids，LNAPLs） 比水轻的非水相液体
Water SOLID
Testing fluid: NAPL Background fluid: air
> 110?
NAPL is Non wetting Conclusion: NAPL is the w etting fluid fluid
AIR NAPL
SOLID
= Contact Angle General Wetting Relationships for Air, Water, NAPL: System air:w ater air: NAPL w ater:NAPL air:NAPL:w ater Wetting Fluid w ater NAPL w ater w ater>organic>air Non-Wetting Fluid air air NAPL air
NAPL包气带和含水层中相分布示意图
Residual Phase NAPL is trapped in the pore spaces between the soil particles, and cannot be easily moved hydraulically
2.多相流
饱和度：指流体充填体积占总孔隙体积的比例。 剩余饱和度：因毛细作用使其固定不变时的饱和度
束缚饱和度 在没有任何附加水流动时的含水量。 在油-水两相流系统，若含水量小于束缚饱和度，油能够流动，水被毛细作用 力控制；若含油量小于油的残余饱和度时，水能够流动，而油不能。
Incr easi ng Water Saturation
2.多相流
（2）NAPL迁移的概念模型
Residual Saturation of NAPL in Vadose Zone Infil tration, Leaching Vadose Zone Ground Water Flow Dissolved Contaminant Plume From NAPL Resi dual Saturation
LNAPL Release to Vadose Zone
Residual Satur ation of LNAPL in soil
Vadose Zone
Infiltration and Leac hing
LNAPL at the Water Table
Dissolved Contaminant Plume Fr ee- Phase Pr oduct Lay er in Saturated Zone
2. 氧化还原带中物质变化特征
3. 氧化还原带动态发展演化过程
c 污染源泄漏 还原性物质 a b c d e t a
b MGZ/SRZ IRZ NRZ/ORZ 低活性带 铁氧化物＋ORZ 低铁带 低铁＋还原性S 丰铁带 好氧 图7.10 氧化还原带动态发展理想模型 氧化还原带发展演化的理论模型 e d c
0 0 100%
Re s idual Satur ation of NAPL
Wate r Satur ation NAPL Saturation
Sor
100% 0
2.多相流
1.00 0.80 0.60 0.40 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20
Kr = r elative 0.10 per meabi lity0.08
Where: rb = soil bulk density [g/cm3] rn = NAPL bulk density[g/cm3] n = porosity TPH = Total Petroleum Hydrocarbons [mgNAPL/kgdry soil]
rb TPH rn n 10 6
θ应在密度大的液体中测出。如果θ小 于90°，液体L将优先湿润固体；如果θ 大于90°，液体G将优先湿润固体。也 就是两种液体争夺一固体表面，其中 一种占主导地位，覆盖固体表面。
2.多相流
Testing fluid: water Background fluid: NAPL
< 70?
Conclusion: Water is the w etting fluid NAPL
自由相（Free Phase）
在水动力条件下可流动的连续NAPL。 残余相（Residual Phase）
“困”在孔隙中，在水动力条件下不易流动的NAPL 。
2.多相流
Mobile Phase NAPL or (FreePhase NAPL) is a continuous mass of NAPL that can flow under a hydraulic gradient
2.多相流
相对渗透率 当两种不相混溶的流体同时流动时，共同占有了有效孔隙。在给定饱和 度的情况下，流体的固有渗透率与岩石总的固有渗透率之比。
100% 80%
NAPL
Wate r
60%
Re lative Pe r m e ability
40%源自文库
Ir r e ver s ible Satur ation20% of Wate r
（2）氧化还原带形成的原理 生物地球化学原理 微生物在利用O2、NO3-、铁锰氧化物和氢氧化物、SO42-等最终 电子受体并通过好氧呼吸、硝酸盐还原、铁锰还原、硫酸盐还原和产 甲烷等代谢途径对有机污染物进行降解，在此过程中，由于最终电子 受体争夺最终电子能力大小的不同，导致氧化还原反应发生的难易程 度也不同，所以在污染晕中形成了一系列不同的氧化还原环境，或者 氧化还原梯度，也就是顺序氧化还原带，即产甲烷带、 硫酸盐还原 带、铁还原带、锰还原带、硝酸盐还原带、氧还原带等。其实质也是 由于地下环境中的各种最终电子受体争夺电子能力的不同所致。 热力学原理 O2、NO3- 、Mn4+、Fe3+和SO42-发生氧化还原反应所需要能量不 同，造成了在不同的氧化还原环境中发生不同的氧化还原反应的难易 程度和次序的不同，从而导致污染晕在时间和空间上依次出现不同的 氧化还原环境，也就是顺序氧化还原带。
C/C0
500
1000
1500
2000
Effluent Volume (L)
2.多相流
表面张力：液体与其他物质接触（如固体、不想混合的液体或气体）将 会产生界面能。这种能量是由于界面与内部分子吸引力不同而引起的， 这种现象称为表面张力，定义为分子离开单位面积界面需要做的功，单 位为达因/cm。 湿润性：一种或另一种液体会优先蔓延或湿润整个固体表面。界面 角θ和表面张力之间的关系如下：
KJ/molCH2O
-475 -448 -349 -114 -77 -58
1. 污染物生物地球化学降解原理
1. 污染物生物地球化学降解原理
垃圾填埋场
1. 污染物生物地球化学降解原理
包气带 地下水位
产甲烷带
SO42-还原带 铁锰还原带
NO3-还原
含水层
带
地下水流向
氧还原带
1. 污染物生物地球化学降解原理
• • • • Tp is travel time for the Partitioning tracer Tn is the travel time for the conservative tracer (Br-) Sorption is assumed insignificant PT compounds often used include alcohols such as ethanol， npentanol (1.4)，n-hexanol ，2,2 dimethyl-3-pentanol ，n-heptanol
2.多相流
毛细压力（毛管压力） 当两种不相混合的流体接触时，接触面发生弯曲。每相靠近界面的孔隙压 力不一样，这种压力差就叫毛细管压力。毛细管压力在包气带为负值，当 视为张力时为正值。 球形空气-水界面的曲率半径r’、毛细压力Pc、表面张力σ之间的关系为：
毛细管压力与表面张力成正比，和曲 率半径成反比。曲率半径取决于孔径 以及所填充溶液的量。 毛细管压力是两种不想混溶的流体特性 函数，即使在同一种介质中，毛细管压 力也会由于水和NAPL比例的不同而不同。
Principles of Contaminant Hydrogeology
专题讲座
吉林大学环境工程系
2014年5月
水文地质学系统结构
含水层性质
岩性
水动力性质
补给 重 力 径流 水压力 应 力 排泄
地层
地貌 构造
水文地球化学
孔隙介质
裂隙介质
岩溶介质
双重介质
环境水文地球化学
污染质在地下环境中的主要衰减作用
Continuous Individual Slug of NAPL NAPL "Blobs" Wate r Solid Volume of NAPL VNAPL
SN
V NAPL V Pore
Can be estimated in the lab via the following:
SN
Volume of Open Pore Space (Effective Porosity) VPore