, 叶淑君
, 吴吉春南京大学, 表生地球化学教育部重点实验室, 地球科学与工程学院水科学系, 南京 210046
收稿日期: 2016-12-08; 修回日期: 2017-03-04; 录用日期: 2017-03-04
基金项目: 国家自然科学基金（No.41472212，41602258）
作者简介: 章艳红(1985-), 女, 博士, E-mail: yhzhang618@gmail.com
通讯作者（责任作者）: 叶淑君, E-mail:sjye@nju.edu.cn
摘要: 重非水相液体（DNAPLs）的污染和治理问题是国内外研究热点，由地下水曝气技术注入的人工气体或生物作用等产生的气体必然对DNAPL在地下水系统中的运移及修复产生影响.采用CCD实时监测系统，以TCE为目标污染物，通过3个二维砂箱试验，以饱水条件下DNAPL的运移为对照，研究了人工注气及生物产气对DNAPL在孔隙介质中运移的影响.结果表明：①基于CCD相机的透射光监测系统是一种研究二维孔隙介质中多相流迁移规律的有效非侵入式监测方法，应用于实时监测水/NAPL，水/气，水/NAPL/气多相系统中流体渗流过程.②人工注气和生物产气两种条件下，气体在多孔介质中的分布特征有差异，前一条件下气体连续分布，后一条件下则以非连续分布的气泡为主.③在水/气两相系统中，气体的存在使得DNAPL污染羽的整体形状更加不规则；同时缩短了TCE污染羽前缘整体平均垂向下迁距离；也导致迁移路径上孔隙中TCE的截留量变小.DNAPL的入渗过程受重力影响以垂向渗流为主，垂向渗流时易于驱替孔隙中的水分，然而水平渗流时优先驱替孔隙中的空气.
关键词:重非水相液体人工注气生物产气透射光系统
The impact of aeration or biogenic gas on DNAPL's migration in porous media
ZHANG Yanhong
, YE Shujun , WU Jichun Key Laboratory of Surficial Geochemistry, Ministry of Education; School of Earth Sciences and Engineering, Department of Hydrosciences, Nanjing University, Nanjing 210046
Received 8 December 2016; received in revised from 4 March 2017; accepted 4 March 2017
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41472212, 41602258)
Biography: ZHANG Yanhong(1985—), female, Ph.D., E-mail: yhzhang618@gmail.com
*Corresponding author: YE Shujun, E-mail:sjye@nju.edu.cn
Abstract: Research on the contamination and remediation of Dense Non-Aqueous Phase Liquids(DNAPLs) has become the hot field. The aeration or biogenic gas produced by microbes has an impact on the migration and remediation of DNAPL in the groundwater system. Using a CCD real-time monitoring technology, TCE was selected as the target pollutant and then three two-dimensional sandbox experiments were carried out. In comparison to the migration of DNAPL in the saturated porous media, the migration under air and biogenic gas condition have been studied. The results show that:① The transmission light monitoring system based on a CCD camera is an effective and non intrusive method to study multi-phase flow in 2-D porous media, and real-time monitoring of the fluid infiltration process in multiphase system including Water/NAPL, Water/Gas, Water/NAPL/Gas. ② gas distribution in porous media is different between air and biogenic gas condition:air was mainly continuously distributed, while biogenic gas was mainly existed in the form of discontinuous bubbles. ③ In Water/Gas system, the overall shapes of the DNAPL plume become more irregular under two gas conditions; while the overall average distance of TCE plume front was shorten by the air; the intercepted amount of TCE during the migration also became smaller under both two gas conditions. The infiltration of DNAPL is mainly influenced by gravity in the three-phase system. TCE is more prone to displace water of the pores towards the vertical direction, while TCE displaces air in priority towards the horizontal direction.
Key words: dense non-aqueous phase liquidsairbiogenic gaslight transmission system
1 引言(Introduction)地下水中非水相液体(Non-aqueous Phase Liquids，NAPLs)的污染和治理问题是国内外研究热点(韩占涛等，2013；陈余道等，2004；刘汉乐等，2014；李卉等，2015；赵勇胜等，2015).重非水相液体(Dense Non-Aqueous Phase Liquids，DNAPLs)密度比水大，常见的DNAPL包括三氯乙烯(Trichloroethylene，TCE)、四氯乙烯(Perchloroethylene，PCE)等氯代烃，在世界各地地下水中被频繁检出(National Research Council, 1994; Harwell et al., 1999; Vogan et al., 1999; 马长文等，2007).由于低水溶性、弱迁移性、难降解性并能穿透含水层而滞留在含水层底部，形成长期的污染源，其迁移和修复比一般的污染物甚至是LNAPLs(Light Non-Aqueous Phase Liquids)更加复杂.
地下水曝气技术(Air Sparging, AS)被认为是去除饱和土壤和地下水中可挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)的最有效方法(Rabideau and Blayden, 2003; Lesson et al., 2005).它是一项将空气注入到含水层饱和区中通过空气流的吹脱作用去除VOCs并增强微生物降解效果的创新性原位修复技术(Kim and Annable, 2006)，具有低成本、高效率和原位操作的突出优势.国内外众多专家和****的实验和应用研究表明AS技术对于地下水NAPLs污染物的去除效果非常明显，已成为地下水NAPLs修复技术的首选.
生物修复技术治理地下有机污染不仅费用低而且效果好，没有或很少有二次污染.大量原位生物修复的研究工作证明，在微生物降解污染物的过程中会产生难溶于水的气体，比如厌氧菌中的产甲烷菌在修复氯代烃所产生的甲烷气体(Strack et al., 2005; Ye et al., 2009)，反硝化菌在生物脱氮时产生的氮气(Soares, 1989, 1991; Soares, 2000)等.采用地下水曝气技术或生物修复方法修复土壤和地下水中DNAPL污染时，会使含水层介质中出现大量人工注入的或生物作用产生的气体.这些气体的存在变化了原来的饱水地下水系统，形成了更加复杂的多相流地下水系统，气体的存在必然对DNAPL在新的复杂多相流系统中的运移产生影响.
相关****通过建立二维砂箱来定性或定量研究NAPL在非饱和区域的运移行为(Pantazidou and Sitar, 1993; Van Geel and Sykes, 1994; Illangasekare et al., 1995; Oostrom et al., 2003).其中光透法作为一种无损，非侵入的监测方法被广泛用于二维砂箱的室内监测(Tidwell and Glass, 1994; Niemet and Selker, 2001; O'Carroll and Sleep, 2007; Mumford et al., 2009; Ye et al., 2009).CCD相机的应用更是极大地提高了监测时间的即时性和空间的高密度性，其中时间分辨率可达到1 s，空间分辨率小于1 mm2.基于以上研究基础和科学问题，采用光透法电荷耦合装置(Charge Coupled Device, CCD)监测技术，通过室内二维砂箱试验，选择TCE为目标污染物，以饱水条件下DNAPL的运移作为对照，研究人工注气和生物产气条件下DNAPL在孔隙介质中的运移，探讨气体存在对于DNAPL运移的影响，这一研究对于DNAPL运移及修复研究尤其是修复策略制定有重要的参考意义.然而，国内外却未见相关研究报道.
2 光透法原理(The theory of light transmission method)光透法原理主要基于比尔-朗伯定律，又称比尔定律、布格-朗伯-比尔定律，是光吸收的基本定律，适用于所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子.当光照射于某一吸收介质的表面，在通过一定厚度的介质后，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度减弱，吸收介质的浓度愈大，介质的厚度愈大，则光强度的减弱愈显著.比尔-朗伯定律可表达为：
 | (1) |
当光穿过一个多相系统时，结合菲涅耳定律(Fresnel's law)，比尔-朗伯定律亦可表达为：
 | (2) |
 | (3) |
3 材料与方法(Materials and methods)3.1 实验装置在室内建立了透射光系统来监测DNAPL的运移形态，其中透射光监测系统主要包括3个部分：二维砂箱，灯箱和CCD相机.实验系统的示意图见图 1.实验装置的具体细节和参数可以参考Ye等(2009)，杨靖等(2011)，简单介绍如下：二维砂箱尺寸为：55 cm宽×45 cm高×1.28 cm厚，由两块厚度为10 mm的钢化玻璃内夹一个厚度为12.8 mm的中心铝框组成，并利用两个铝质边框在外部进行固定，铝质边框的大小略大于玻璃.玻璃与中心框之间利用橡胶条和玻璃胶(GE Silicone Ⅱ)进行密封.砂箱具体示意图见图 2，孔14~16作为进水口，出水口(孔1~3)在实验过程中固定在略高于砂箱顶部的高度，孔17和26连接水压管测量砂箱内水压，其它孔作为取样口或注样口使用.灯箱作为砂箱的唯一光源，位于砂箱的一侧12.5 cm处，由六根平行的日光灯管(Panasonic，YZ18RR6500K)发光经过扩散板后保证光源的均匀性.CCD相机(AP2E，Apogee Instruments，Auburn，CA)连接到一台计算机并位于砂箱另一侧1.8 m处，置于与砂箱一体的木质暗箱内，用来接收透过砂箱的光照，并通过软件Maxim DL(Ottawa，ON)记录其光强值.孔隙介质为半透明石英砂(C190 Accusand，20/30 mesh，Unimin-Le Sueur，MN，USA)，平均粒径为0.73 mm，颗粒均匀性指数为1.21，孔隙度约为0.338.采用分层填充的方式将石英砂湿装填入砂箱内，约2 cm为一层，每层间充分搅拌均匀后并压实.三氯乙烯(TCE)作为此次研究DNAPL代表污染物，实验中利用油红O(Oil Red O，购于Sigma公司)对TCE染色，染色浓度为100 mg·L-1.实验中统一使用相同染色浓度的TCE，因此染色后的TCE在下文中亦简称为TCE.实验过程中利用注射泵(LSP01-2A，保定兰格恒流泵有限公司)或蠕动泵(L/S便携式，Cole Parmer公司)将目标物质(空气或TCE)注入砂箱内.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 透射光系统示意图 Fig. 1Schematic of the light transmission system |
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 砂箱示意图 (数字'1'等代表孔号) Fig. 2Schematic of the sand chamber (numbers "1" et al. represent the port number) |
3.2 二维砂箱试验3.2.1 饱水条件下DNAPL注入实验首先，在饱水的砂箱(C1)中进行TCE注入试验.在完全饱水砂箱中，通过孔8垂直插入的不锈钢注样针注入TCE，注入点位置位于砂箱顶部下部约7 cm处.通过蠕动泵向砂箱注入TCE，整个TCE注入过程持续34 min，0~5 min的注入速度为15 mL·min-1，6~34 min的注入速度为5 mL·min-1，TCE注入过程中只有出水口孔1处于打开状态.TCE注入完成后，关闭注入口和出水口，砂箱静置7 d.注入TCE前，利用CCD相机记录饱和砂箱(C1)饱水时光强值(I01-w).TCE注入过程中利用CCD相机实时监测砂箱的光强值(I1)，在TCE注入过程中CCD相机的拍照间隔设为1 min，在砂箱静置过程中则设为1 h.
3.2.2 人工注气条件下DNAPL注入实验其次，在砂箱(C2)中分别先后进行了人工注气和TCE注入试验.在完全饱水的砂箱中，通过孔9垂直插入不锈钢注样针，在砂箱顶部往下约27 cm处注入空气.为了不考虑气体的溶解，保证在气体的注入过程中气体不会溶解在水中，注气前利用经过充分曝气(空气，曝气时间达24 h以上)的水充分驱替(约5个砂箱体积)砂箱中的水.本实验中，采用了手动、注射泵和蠕动泵3种不同的注入方式，具体过程见表 1.气体注入结束后，称量排出水的体积为223.54 mL.注气过程完成后，砂箱静置24 h，箱内气体分布未发现有明显变化，气体分布达到稳定.在人工注气分布稳定的砂箱中，与饱水条件下类似，通过在孔8垂直插入不锈钢注样针，注入点位于砂箱顶部往下约7 cm处，利用蠕动泵以5 mL·min-1的速度往砂箱(C2)注入TCE，共计注入194.37 mL TCE，TCE注入完成后砂箱静置6 d.在整个注入及静置实验过程中，CCD相机实时监测砂箱内的光强变化.在人工注入气体(空气，购于南京五十五研究所)前，CCD相机记录砂箱(C2)饱水时的光强值(I02-w).在注入TCE前，CCD相机记录砂箱(C2)人工注气完成时的光强值(I02-g).TCE注入过程中利用CCD相机实时监测砂箱的光强值(I2)，在TCE注入和砂箱静置过程中CCD相机的拍照间隔都设为3 min.
表 1(Table 1)
| 表 1 空气注入过程表 Table 1 The process of air injection | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 空气注入过程表 Table 1 The process of air injection
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3.2.3 生物产气条件下DNAPL注入实验最后，在砂箱(C3)内分别先后进行了生物产气和TCE注入试验.本试验中采用的微生物是KB-1(SiREM公司免费提供)，是一种从三氯乙烯(TCE)甲醇污染场的土壤和地下水中提取的复合菌群，可用于降解所有的氯代乙烯，如四氯乙烯(PCE)，三氯乙烯(TCE)等.通过底部孔21、22、23接种KB-1菌液250 mL，通过砂箱底部各孔注入150 mL的500 mg·L-1甲醇溶液/3 d.微生物生长约3个月后，砂箱内有明显的气体分布，累计共有263 mL的水排出砂箱.此时通过孔9不锈钢注样针，注入点位于砂箱顶部以下约5 cm处，以1.3 mL·min-1的速度注入TCE，持续122 min，注入结束后称量排出水的体积为173.38 mL，TCE注入结束后砂箱静置7 d.砂箱(C3)接种KB-1前，利用CCD相机记录砂箱(C3)饱水时的光强值(I03-w).在注入TCE前，CCD相机记录砂箱(C3)生物产气完成时的光强值(I03-g).TCE注入过程中利用CCD相机实时监测砂箱的光强值(I3)，在TCE注入过程中CCD拍摄间隔设为1 min，在砂箱静置的过程中则设为1 h.
4 结果与讨论(Results and discussions)4.1 系统误差分析由于透射光系统的稳定性和外界因素的干扰造成光强测量值的误差，所以选取参照区域(area of reference，AOR)进行系统误差分析.AOR选取标准为：实验过程中该区域砂箱内介质状态保持恒定，即光强信息理论上应保持不变，AOR位置见图 3.此外，对AOR不同时刻光强变化进行统计分析：选择饱水条件下的两个不同时刻，简称为饱水状态；选择TCE注入前和注入后两个时刻，简称为注入状态，用以研究TCE注入时AOR光强情况.AOR光强变化统计结果见表 2和图 4.据图 4知：对于饱水状态(饱水时两个不同时刻)的光强变化量统计，不同试验(饱水条件，人工注气和生物产气)系统误差分布特点为中间集中，两端较少，整体近似为正态分布；表 2中的统计参数却不相同且均值都不为零，甚至与零值偏差较大.说明了透射光监测系统的系统误差在不同时刻均服从正态分布(Bob et al., 2008, Tidwell and Glass, 1994, Niemet and Selker, 2001)，但参数具有一定的随机性.对于试验1-饱水条件下，饱水状态和注入状态理论上AOR介质都是完全饱水的，但是统计参数却相差较大(均值分别为-2357和-244)，说明透射光监测系统的系统误差与时间有关.相关研究亦表明：系统误差与实验过程中光源和CCD监测系统的开、关有关，同时灯光的输出强度与室温也相关(Niemet and Selker, 2001).
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 不同条件下TCE注入完成后CCD图片 (a.饱水条件，b.人工注气和c.生物产气, 其中虚线框指AOR：区域大小为10 cm×30 cm，与上边界和左边界对齐；白线框指AOI：区域大小均为10 cm×10 cm，均距下边界2 cm，其中图a和b中距右边界25 cm，图c中距右边界20 cm) Fig. 3CCD pictures after TCE injection under various conditions (a.saturated, b.air and c.biogenic gas) |
表 2(Table 2)
| 表 2 指定区域(AOR和AOI)光强变化量统计分析表 Table 2 Statistical analysis of the change of light intensities in areas(AOR and AOI) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 指定区域(AOR和AOI)光强变化量统计分析表 Table 2 Statistical analysis of the change of light intensities in areas(AOR and AOI)
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图 4(Fig. 4)
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| 图 4 饱水状态AOR(按表 2顺序)光强变化量统计直方图 Fig. 4histograms of the change of light intensities in AOR for water saturated situation (sequenced by Table 2) |
为了进一步研究系统误差并验证透射光系统监测技术的有效性，选取一个特定区域，选取标准为：TCE注入完成时该区域发生了明显的光强变化，称之为影响区域(area of impact，AOI)，位置见图 3，光强变化量统计参数见表 2.据表 2知，饱水状态同一试验中AOR和AOI的统计参数也表现出了差异(如试验1-饱水条件下：AOR的均值为：-1059.3；AOI的均值为：-1547.3)，这说明系统误差与空间位置相关.对于注入状态，3组试验中AOI光强变化量均值均远远大于AOR(以试验2-人工注气为例：AOI的均值为5192.3；AOR的均值为：117.8)，同时AOI的95%置信下限亦远大于AOR区域的95%置信上限(以试验2-人工注气为例：AOI的95%置信下限为5183.7；AOR的置信上限为：121.3)，说明透射光监测系统虽然具有一定的误差，但仍可有效地监测多相流系统中流体的运移.
为区分光强变化量是由系统误差造成还是由TCE注入引起，此处引入一个阈值(Threshold Value，ThV)：系统误差引起光强变化的95%置信上限.在TCE注入过程中，当光强变化量高于ThV时则认为是由TCE注入引起的，是有效的光强变化量.反之，当光强变化量低于或等于ThV时则认为是由于系统误差造成的，是无效的光强变化量.
4.2 气体分布及饱和度计算3个砂箱中TCE注入前的光强分布如图 5所示.其中图 5a是砂箱(C1)饱水时的光强分布情况，显示受填砂方式等人为因素的影响介质表现出一定的非均质性和成层性，实验中难以保证绝对均质.图 5b显示了TCE注入砂箱(C2)前单点人工注气产生的气体分布情形.在人工注气的过程中，气体以垂直向上运动为主，最终在砂箱顶部形成约8~10 cm的人工气体连续分布，图 5b中实线勾勒了人工注气形成气体分布的外部轮廓.单点的注气方式，使得连续气体分布下方形成一个类似'倒三角'的迁移路径，可见气体迁移的'指状'通道.图 5c是菌群KB-1接种到砂箱(C3)约3个月以后，形成的最终气体分布情况.气体随机不连续地分布于整个砂箱(C3)中，未能形成大范围的连续气体分布，在砂箱顶部形成了局部小范围的连续气体分布区域."指状"通道现象与人工注气(图 5b)相比更加明显，图中红点代表了被水包裹的封闭性气泡.从图 5c中亦可以看出八根长短不一的取样针位置，这些取样针用于实验过程中采集水样进行测试分析.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 光强分布图 Fig. 5the distribution of the light intensities |
Niemet和Selker(2001)基于光透法原理建立了关于如何利用光强值求解流体饱和度的5个水/气模型，根据本实验条件，选择水/气模型(模型C具体表达式见文献(Niemet and Selker, 2001)中的方程(11)，此处不详细介绍.章艳红等(2014)为了简化模型，引入了新的参数C1(C1=Ires/Iw，其中Ires是指当砂箱只有残余水时穿过的光强值，Iw是指砂箱完全饱水时穿过的光强值)，利用公式Sg=ln(I/Iw)/ln(C1)计算气体饱和度，根据实验具体得到参数取值为0.10，计算得到气体饱和度分布如图 6所示.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 砂箱气体饱和度分布图 Fig. 6the distribution of gas saturation in the sandboxes |
4.3 DNAPL入渗和再分布将TCE的运移分为入渗和再分布两个阶段，其中TCE注入阶段为入渗期，TCE停止注入后砂箱进入再分布期.3组试验中由TCE入渗和再分布引起光强值的变化如图 7所示.相关研究表明：如果DNAPL的量足够多，可以克服毛管压力和驱逐孔隙中的水，DNAPL在重力作用下将继续往下迁移直到到达弱透水层(Fetter，2011).在饱水条件下，TCE主要是在自身重力的影响下以垂向渗流为主，垂向渗流的同时存在一定的水平渗流(图 7 d中污染羽对称轴-红色实线是一条曲线)，局部存在明显的水平渗流(图 7d中x方向约15 cm，depth方向约5 cm处).这可能与前面提到的介质局部非均质性有关，砂箱内出现局部相对较松散或密实的情形.5~15 min内，TCE污染羽前缘以蠕动泵5 mL·min-1的注入速度下10 min内在饱水砂箱(C1)中向下迁移的距离是20.47 cm，平均垂向下迁速度是2.05 cm·min-1.
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 不同饱水条件下TCE入渗和重分布过程中光强变化量分布 Fig. 7Images of light intensity change during TCE infiltration and redistribution process at varying water saturated condition |
与饱水条件下TCE迁移相比，人工注气试验中NAPL/水/气三相系统中TCE的迁移仍是受自身重力影响以垂直向下运动为主，然而气体的存在使得TCE的迁移更为复杂，污染羽整体形状更加不规则，尤其是水/气界面和气体迁移通道处.实验结果表明，在depth约5 cm，x方向10~20 cm处存在明显的水平运动.在注入点附近，污染羽形状呈"宽口"型，相对于饱水条件横向扩散更加活跃，这可能与TCE的挥发有关，大范围的连续分布气体使得TCE能够以气态形式的存在.从图 7b可以看出，TCE在饱水区域(左侧)向下迁移的距离明显大于非饱水区域(右侧)，在本试验中DNAPL在饱和区向下迁移速度更快，说明下迁过程优先驱替孔隙中的水.但是图 7b中非饱和区域(右侧)的横向迁移比饱水区域(左侧)更加明显，说明TCE在进行横向迁移时时更倾向于驱替孔隙中的空气.DNAPL在横向迁移时，当有足够大的可利用的压力使自由相的NAPL通过毛孔时，NAPL便会取代曾经占据的空气或水.所需压力的大小取决于作用在毛孔两边不同流体的毛细作用力的大小.毛细力作用在这两个流体单元的方式在某种程度上可以解释为可湿润性的作用：即能进入毛孔的归类为可湿润流体.在空气/NAPL/水的系统中，可湿润性流体的湿润性为：水 > NAPL > 空气.因此，NAPL在进行横向迁移时优先驱替孔隙中的空气，占据空气的孔隙空间.人工注气条件下，在5 mL·min-1的注入速度下TCE污染羽前缘9 min内在砂箱(C2)中向下迁移的距离是15.57 cm，得到平均垂向下迁速度是1.72 cm·min-1.然而，在饱水条件TCE平均垂向下迁速度是2.05 cm·min-1，这说明气体的存在对TCE的垂向向下迁移具有阻碍作用，与图 7b中TCE在气体内更易进行横向迁移现象吻合.在TCE重分布的过程中连续气体分布的界面处存在较明显的光强变化(图 7h和7k)，造成这一变化可能有以下原因：①TCE进入重分布时期由于连续气体分布的存在使得TCE易以挥发态的形式存在，从而引起水/气界面的下移；②TCE入渗过程中气体被TCE驱替出来后由于出水口的设计不易排出砂箱而且TCE的注入阻碍了气体的向上迁移，静置过程中气体通过原有的迁移通道开始向上迁移并在顶部累积造成水/气界面下移；③试验中通过注射泵或蠕动泵的外部压力将TCE注入砂箱内而且注入点位于气体分布内，TCE入渗过程中由于增加的外力影响使得气体压力变大，从而引起气体体积压缩；在重分布过程中这个外力的影响消失，气体压力变小，从而体积变大，造成水/气界面下移.
在生物产气的条件下，污染羽形状整体呈"狭长"型，TCE的入渗过程还是受重力影响下的垂向下迁为主，迁移过程中横向扩散却弱于人工注气和饱水的情况下，可能与大范围的不连续气体分布和TCE注入速度有关(图 7c，7f).因为本实验中的生物产气在砂箱顶部未能形成大范围的连续气体分布，所以在注入点附近未发现人工注气中出现的"宽口"型的污染羽形态，TCE在注入点附近的横向迁移弱于人工注气条件.对比图 6b和7f，TCE注入结束后，污染池底部(Depth方向约0~5 cm处)光强值变化比较明显的区域位于x方向约10~30 cm和40~50 cm处，然而生物产气气体饱和度分布图(图 6b)中这些区域的气体饱和度却相对较低.相反地，图 7f中污染池底部(Depth方向约0~5 cm处)光强值变化较弱的区域(x方向约0~10 cm和30~40 cm处)生物产气气体饱和度却相对较高.根据光透法原理可知，水/气两相系统中气体饱和度和由气体引起的光强变化量(ΔI1)存在正相关的关系(如图 5c和6b).在污染池底部区域，由生物产气引起的光强变化量(ΔI1)越大，气体饱和度越大，但是由TCE注入引起的光强变化量(ΔI2)却越小.因此说明TCE在水平渗流时，由TCE注入引起的光强变化量(ΔI2)和由生物产气引起的光强变化量(ΔI1)存在负相关的关系.这是因为非饱和带中TCE残余饱和度更低从而引起的光强变化量较小，而且出水口的设计更利于砂箱系统排水导致气体可能会滞留在TCE污染羽内部.在TCE重分布过程中污染羽形态整体没有明显变化，但上部TCE受重力影响继续向下迁移，上部光强值有所降低，未发现人工注气条件下的水/气界面处明显光强变化的现象，可见砂箱内若干离散光强变化点.这可能与重分布期内TCE的局部迁移引起气体的重新分布有关.
为进一步研究入渗和重分布期间光强随时间的变化，选择了6个研究单元，每个研究单元大小为10×10个栅格(空间大小约为：0.5 cm×0.5 cm)，研究单元中心点具体坐标位置见表 3.其中：Up代表污染羽中心上部研究单元，Mi代表污染羽中心中部研究单元，Bo代表污染羽中心下部研究单元，In则是为了研究水/气界面处光强变化而设定的研究单元，为了研究TCE底部污染羽而设定了分别代表污染羽左下，右下研究单元Bl和Br.同时，为了便于对比分析不同空间位置的光强变化，引入光强比例(Light ratio)这一统计参数，定义为目标物质引起的光强变化量(ΔI2)与对应饱水条件下光强值(I1)的比值.3组试验中6个研究单元光强比例随时间变化的关系见图 8.水/气界面研究单元(In)光强比例历时曲线在饱水和生物产气条件下近似为一条光强比例为0的直线，只有在人工注气条件下该历时曲线在TCE注入过程(入渗时期)中出现了较小程度的抬升，在静置(TCE重分布)时期光强比例发生了较大的抬升，这一现象与图 7h，7k现象一致，说明入渗过程中主要是以TCE的垂向下迁为主，下迁过程中优先驱替孔隙中的水，同时非饱和区域也发生少量横向迁移从而驱替气体；然而人工注气条件下重分布期气体的重分布现象十分明显不可忽略.污染羽左下，右下的研究单元(Bl和Br)光强比例历时曲线结果表明：在饱水条件和人工注气条件下，TCE在底部堆积成污染池时左右横向迁移没明显的选择性(突破时间：tBl≈tBr)，两者砂箱底部污染羽形态整体接近，左右对称性良好.然而，在生物产气条件下，TCE在底部堆积成污染池时优先向右横向迁移然后再向左边横向迁移(突破时间：tBr= 41 min，tBl=92 min).在生物产气条件下，图 6b底部右侧(x方向30~40 cm)处较之于左侧(20~30 cm)聚集较明显的气体分布，TCE污染池优先向右(气体分布明显区域)迁移，这也说明了TCE横向迁移时优先驱替气体，这一现象与人工注气条件下的图 7b一致，而且与地下水流流向无关(注入过程中图 2中孔1作为排水口，即地下水流向大致为底部向左).
表 3(Table 3)
| 表 3 研究单元中心点坐标((x，depth)；单位：cm) Table 3 the coordinates of the central points for study units ((x, depth); Unit:cm) | ||||||||||||||||||||||||||||
表 3 研究单元中心点坐标((x，depth)；单位：cm) Table 3 the coordinates of the central points for study units ((x, depth); Unit:cm)
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图 8(Fig. 8)
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| 图 8 不同饱水条件下TCE入渗和再分布过程中光强比例变化历时曲线 Fig. 8Images of light intensity change versus time during TCE infiltration and redistribution at varying water saturated condition |
TCE注入完成后进入重新分布期，NAPL补给不足时，作用在自由DNAPL上的压力就会消失，形成不定形的或者渗透到原来连续流体的NAPL，在毛细力作用下，NAPL会被截留在单独的毛孔或成组的毛孔中(菲利普·B·贝迪恩特等，2010).在试验①中，Up，Mi和Bo3个研究单元在TCE注入结束后，光强比例在重分布期先下降后稳定，表明这些研究单元重分布前期(1d)存在NAPL自由态的下迁，后期则是被截留在单独的毛孔或成组的毛孔中不易移动.Bl和Br光强比例在重分布前期上升是由于接受来自上部的自由态NAPL的补给，后期下降则是由实验误差造成的，试验中观测到底部TCE污染池有部分进入下部取样孔内.在试验②中人工注气条件下，Up，Mi和Bo(除Up外)也表现出和饱水条件下相似的变化，但是Bo下降幅度较之于Mi大，是因为Mi受到了气体的影响(Mi偏大的原因)，Up主要是受气体的影响导致TCE可能以挥发态形式存在.Bl和Br在重分布期光强比例有了小幅的抬升，然后保持稳定.在试验3)中，Up，Mi和Bo光强比例在重分布期表现出下降趋势，Br重分布期基本保持稳定，Bl却表现出先升后降的变化，这是与研究单元对应的气体饱和度有关，Bl研究单元的气体饱和度较高(0.36)利于挥发，而Br则处于气体低饱和度区域(0.18).
图 9给出了3组试验中光强比例在不同时刻的饱和度分布，在注入体积45 mL时，饱水条件下为单峰，而在人工注气和生物产气条件则表现为双峰，存在一个光强比例接近零值的高峰，可能是挥发态的TCE引起的较小光强变化.在注入完成和静置时，零值峰同时出现在3组试验中，而且在人工注气和生物产气条件下的相对比例高于饱水条件.这是因为：除上面所述的挥发态TCE引起的较小光强变化外，随着TCE污染羽和水接触的表面积增大，此时以溶解态形式存在于砂箱中的TCE不容忽略，这一部分引起的光强变化表现出来.与注入体积(45 mL)相比，3组试验中注入完成时光强比例峰值更大，这是由于TCE的不断注入TCE并在砂箱内不断累积引起的光强变化.除近零值峰外，光强比例直方图随时间表现均为由单峰到双峰的变化规律.相对于饱水条件而言，人工注气和生物产气条件下两峰的间距较大.双峰中的光强比例较小峰可能对应迁移过程中截留TCE以残余态形式存在时引起的光强变化，然而光强比例较大峰则代表底部污染池NAPL态TCE引起的光强变化.由于气体的存在导致运移路径上孔隙中TCE的截留量变小，造成下迁过程中光强比例变小；然而更多自由态TCE在底部聚积形成高饱和度的污染池，造成该区域光强比例变大，从而使两峰的间距增大.饱和带中的NAPL的剩余饱和度(LNAPL或DNAPL)比非饱和度带的要高，有以下几个原因：①NAPL与空气密度比大于NAPL与水的密度比，有利于NAPL从非饱和区排出，②在饱和区，NAPL是不可湿润流体，并被束缚在较大的孔隙中，③在有利的毛细管条件下，NAPL在包气带中有尽可能向外围展开的趋势.
图 9(Fig. 9)
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| 图 9 不同条件下光强比例不同时刻直方图 Fig. 9Histograms of light intensity ratio of three experiments at a different time |
5 结论(Conclusions)1) 基于CCD相机的透射光系统是研究多相流迁移规律的一种有效的非侵入式监测方法，应用于实时监测包含水/NAPL, 水/气，水/NAPL/气多相系统中流体渗流过程，系统误差服从不同的正态分布，参数值具有一定的随机性.
2) 人工注气在砂箱内注入点附近形成一个类似'倒三角'的'指状'通道，最终在砂箱顶部形成了一个连续气体分布区；而生物产气在整个砂箱内形成多个随机的指状通道，同时很多气体以随机的不连续的气泡形式分布在砂箱内，最终在砂箱顶部形成连续气体分布区域.
3) DNAPL的入渗过程受重力影响以垂向向下迁移为主，垂向渗流时更易于驱替孔隙中的水份，然而横向渗流时优先驱替孔隙中的空气，与地下水流向无关.
4) 气体的存在阻碍了TCE的垂向下迁：本次研究中饱和条件下，5~15 min内，TCE污染羽前缘以蠕动泵5 mL·min-1的注入速度下10 min内在饱水砂箱(C1)中向下迁移的距离是20.47 cm，平均垂向下迁速度是：2.05 cm·min-1；人工注气条件下，在5 mL·min-1的注入速度下TCE污染羽前缘9 min内在砂箱(C2)中向下迁移的距离是15.57 cm，得到平均垂向下迁速度是1.72 cm·min-1.
5) 气体的存在使得DNAPL污染羽的形状更加不规则；气体的存在也导致迁移路径上孔隙中TCE的截留量变小.
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