盐度对多孔介质中DNAPL运移和分布的影响

程 洲，徐红霞，孙媛媛，施小清，廖朋辉，吴吉春

(南京大学地球科学与工程学院水科学系/污染控制与资源化国家重点实验室，江苏 南京 210023)



盐度对多孔介质中DNAPL运移和分布的影响

程 洲，徐红霞，孙媛媛，施小清，廖朋辉，吴吉春

(南京大学地球科学与工程学院水科学系/污染控制与资源化国家重点实验室，江苏 南京 210023)

选用四氯乙烯(PCE)作为典型DNAPL污染物，以NaCl作为地下水中溶解盐代表，研究盐度对DNAPL在饱和多孔介质中运移和分布的影响。通过批次实验测定NaCl水溶液/石英砂/PCE三相体系下的接触角和界面张力，结果表明，PCE在石英砂表面的接触角随着水中NaCl浓度的增大而减小，而PCE和NaCl水溶液的界面张力随着NaCl浓度的增大而增大，尤其当氯化钠浓度较高时(>0.1 mol/L)，影响程度更为显著。在此基础上，采用透射光法监测不同介质情景下DNAPL在二维砂箱中的运移和分布，定量测定DNAPL在介质中的饱和度。实验结果表明，地下水盐度的增加将促进DNAPL的垂向入渗，减少被截留在运移路径上的DNAPL量，使得DNAPL运移路径及累积形成的池状DNAPL(pool)向水流方向偏移。在均质多孔介质和含有透镜体的非均质多孔介质中，随着盐度的增加，DNAPL在横向和垂向上的展布均呈现出增加趋势，导致污染源区变大，且介质中以离散状存在的DNAPL量明显增加。

四氯乙烯； 多孔介质；透射光法； 盐度；运移；重非水相液体；饱和度

在多孔介质中，毛细力、粘滞力和重力等主要作用力控制着重非水相液体(dense non- aqueous phase liquid，DNAPL)的运移和分布[1～3]，这些作用力受DNAPL的理化性质、地下水化学性质、岩性等因素的影响。其中毛细力由界面张力和接触角(含水层介质润湿性的衡量指标)确定。润湿性是指一种流体在另一种不相溶流体存在时优先铺展于固体介质表面的趋势[4]，通常用接触角(θ)表示，当θ在0°～70°时为水相润湿，当接触角为70°～120°时为中间润湿状态，当接触角大于120°时为油相润湿状态。一般情况下，含水层的介质是水润湿的，但是近些年的研究表明润湿性可以随着DNAPL化学性质、孔隙结构、含水层中矿物的性质和地下水化学性质等因素的改变而发生改变[5]。地下水化学性质包括pH、离子强度等，这些因素由于自然和人类的影响而发生很大的改变，这些改变会影响粘滞力以及界面张力和润湿性，进而影响DNAPL的运移和分布[6]。由于这些物理化学因素的复杂性，使得精确描述DNAPL在地下环境中的形态变得非常困难，然而，精确描述DNAPL在地下水环境中运移和分布又是极其重要的。

溶解盐在地下水中普遍存在，其中以氯化钠最为常见。受人类和自然因素的影响，这些溶解盐在地下水中的浓度变化范围较大。关于化学物质对DNAPL在多孔介质中运移的影响，前人已经有相关的研究[5,7～10]。Lord 等[7]探讨了在NAPL/水/石英三相体系下化学条件的改变对界面张力和接触角的影响。Ondovcin等[8]和Boufadel等[9]的理论研究表明水相中盐浓度的升高会使地下水的密度和粘度升高。Molnar等[5]研究了在DNAPL存在条件下，介质润湿性的改变对DNAPL运移的影响。Chen等[10]通过一维砂柱实验研究了离子强度对饱和多孔介质中有机污染物运移的影响。这些研究大多数都是基于理论的研究以及在溶液、石英玻璃表面或者一维砂柱中进行的实验。本文选用在地下环境中普遍存在的四氯乙烯(PCE)为典型DNAPL污染物，以NaCl为地下水中溶解盐代表，通过接触角和界面张力的测定，结合室内二维砂箱实验，采用透射光法定量研究地下水盐度的变化对PCE在饱和多孔介质中迁移和分布的影响。本文的研究结果可以拓展对DNAPL在地下水中迁移的认识，尤其是为地下水盐度较高地区的相关重非水相污染物研究提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本文选用纯度为99.5%的四氯乙烯(PCE)(分析纯)作为DNAPL的典型代表物，PCE购于Sigma- Aldrich化学品公司。PCE的密度为1.625 g/mL (25 ℃)，分子量为165.82 g/mol，水中溶解度约224 mg/L (25 ℃)，PCE和水的界面张力为44.4 mN/m[11]。用溶于有机物而不溶于水的染色剂油红-O(Fisher Scientific，Fair Lawn，NJ) 将无色的PCE染成红色，染色浓度为0.05 g/L，以便于观察和透射光法分析，染色后PCE的理化性质无显著改变[11]。氯化钠为分析纯，购于中东化玻有限公司。用超纯水配制不同浓度的氯化钠溶液备用，设置氯化钠的浓度范围为0.005 85 ～58.5 g/L，这与地下水中盐度的变化范围类似。选择0.005 85 g/L和32 g/L的NaCl溶液作为四组砂箱实验的背景溶液，研究盐度对DNAPL迁移和分布的影响。本实验所用流体的物理化学性质见表1。

表1 实验中所用流体的物理化学性质

A=Air; l=W (water) or N (NAPL); n.a.=not applicable 。

a来源于 Taylor 等[11]，在 25 ℃条件下测定；b在 22 ℃条件下测定。

砂箱中填充介质为半透明石英砂，实验选用六种规格的美国Vnimin公司生产的Accusand(表2)。Accusand具有较高的纯度，有机物含量极低，并且具有较好的透光性，适用于在透射光法中使用。石英砂的清洗方法和装填方法参见文献[12]。

1.2 界面张力和接触角的测定

接触角测定采用悬滴法[7]，利用2 mL的测微注射器将PCE滴到浸没在水相溶液中的石英玻璃平板表面，待其稳定后，利用接触角测定仪(DSA 100, Kruss, Germany)测定，采用轴对称形状分析法(axisymmetric drop shape analysis，ADSA)测算接触角。DNAPL和不同浓度NaCl溶液的界面张力用ADSA方法测定，仪器为旋转滴界面张力仪(Model 500, Kino Industry,USA)，样品准备与接触角测定一样。实验在室温条件下进行。

表2 所用石英砂的相关性质

1.3 二维砂箱实验

采用一种玻璃与铝合金材料构建的二维砂箱对DNAPL在多孔介质中的运移进行物理模拟(图 1)。砂箱尺寸为60 cm (长)×45 cm (高)×1.4 cm (厚)，砂箱由三个铝制框和两片钢化玻璃组成，有利于DNAPL运移的可视化观察。两个U型井位于砂箱的两侧，以便于实现均匀流流场。井在整个深度上都被不锈钢钢网包裹。砂箱顶端采用可拆卸的顶盖实现承压含水层状态，利用橡胶条密封铝制框与钢化玻璃之间的间隙。外部铝框用螺丝固定，确保内框与玻璃间的牢固，同时通过挤压橡胶条达到隔水的目的。水流通过蠕动泵从左侧三个均匀分布的流入口流入砂箱，出水从三个流出口流出进入废液瓶。在砂箱中间位置的上端设置注入点模拟DNAPL从污染源区的泄漏。

本实验共设置四组砂箱。两组砂箱装填20～30目的石英砂模拟均质背景介质(图1a)，分别标记为Fw- 1和Sw- 1；另两组砂箱，以20～30 目的石英砂作为背景介质，设置不同粒径组成的层状透镜体模拟非均质介质(图1b)，标记为Fw- 2和Sw- 2。在所有四组砂箱中，底部和顶部均设置1 cm厚的细砂层(70～80目)以防止PCE从砂箱顶部或底部溢出。Fw- 1、Sw- 1和Fw- 2、Sw- 2四组砂箱的孔隙度分别为0.278、0.269、0.302和0.298。

图1 实验砂箱示意图Fig.1 Schematic diagram of the 2- D sandboxa—70～100目; b—70～80目; c—40～50目; d—50～70目; e—30～40目

在每组实验开始前，先从左端流入口泵入背景溶液对整个砂箱进行水力冲刷，流速恒定在1.5 m/d，该流速值与自然环境中常见的地下水流速相一致。其中，在Fw- 1和Fw- 2实验中泵入的是0.005 85 g/L的 NaCl溶液，在Sw- 1和Sw- 2实验中泵入的是32 g/L 的NaCl溶液。利用气密注射泵(Cole Palmer 74900 series, Anjou, QC)将一定量的染色PCE以0.5 mL/min的恒定速度通过注入孔注入到砂箱中，PCE在砂箱中充分运移分布直至达到稳定(24 h)。在这个过程中按照预设的时间间隔，利用透射光监测系统记录砂箱中PCE的运移和分布。

1.4 分析方法

本文使用一种改进的透射光法(light trans- mission method，LTM)分析染色PCE在砂箱中的迁移和再分布行为[13]。该透射光监测系统主要包含二维砂箱、光源和一个CCD (AP2E, Apogee Instrumnets, Auburn, CA)相机以及相关的控制软件(Maxim DL, Ottawa, ON)。砂箱的一侧为由6根日光灯管组成的灯箱，作为光源，CCD相机放在砂箱的另一侧，相机镜头(Nikon D90)对准砂箱中间位置，距离砂箱大约1.8 m。实验基于染色PCE的光吸附峰值，选择543 nm的带通滤波器，滤波器安装在相机镜头的前面。砂箱与相机之间的空间以遮光板封闭，以保证位于砂箱另一侧的 CCD 相机所接受的光线皆来自灯箱发出穿过砂箱后的光线。在实验期间，CCD相机设置为每隔一定时间拍照一次记录光强变化，对DNAPL的入渗过程和再分布过程进行动态监测。采集的图像使用MATLAB R2012a 软件分析图像和计算饱和度。实验过程的室内温度保持在22 ℃±1.0 ℃。

砂箱中PCE的饱和度通过透射光光强值计算转换而来，之前的研究已经表明了两者的函数关系[13]。本次实验是模拟饱和含水层，只有水油两相，DNAPL的饱和度(So)计算利用Bob等[13]建立的模型，两相系统内的油相饱和度计算公式为:

(1)

式中：Is与Ioil——在完全饱水和与完全饱油条件下的每一个计算单元的光强值；

So——油相的饱和度；

I——透射光光强。

2 结果及讨论

2.1 界面张力和接触角分析

在饱和多孔介质中，相与相之间的界面特性对油相(DNAPL)在地下水环境中的运移和最终形态有着重要影响。图2显示的是在不同氯化钠浓度条件下，PCE/NaCl溶液界面张力以及PCE在石英表面上的接触角(θ)。当水相中无NaCl存在时，PCE/水的界面张力及接触角分别为47.5 mN/m 和44.4°，这与Molnar等[5]报道的结果一致。从图中可以看出，在由水相(NaCl水溶液)、油相(PCE)和固相(石英玻璃)组成的三相体系中，随着水相中NaCl浓度的增大，水/油两相之间的界面张力表现为增大的趋势，PCE在石英玻璃表面的接触角呈现出减小的趋势。当氯化钠的浓度从1×10-4mol/L增加至1 mol/L时，PCE/NaCl溶液的界面张力从47.5 mN/m增加到55.5 mN/m(图2a)，接触角从44.4°降低至36°(图2b)。当氯化钠的浓度变化范围为1×10-4～0.01 mol/L时，界面张力和接触角的改变幅度均较小；当氯化钠的浓度超过0.1 mol/L时，界面张力急剧增加；当氯化钠的浓度超过0.01 mol/L时，接触角的变化显著。上述实验结果表明，当地下水盐度在较低范围内变化时(NaCl浓度< 0.1 mol/L)，对DNAPL/水/石英砂三相之间的界面特性产生的影响较小；当地下水盐度较高时(>0.1 mol/L)，对上述三相体系的接触角尤其是液液界面张力影响显著，从而可能进一步影响到DNAPL在多孔介质中的运移和分布。

图2 氯化钠浓度对DNAPL/(NaCl溶液/石英砂体系中)界面张力和接触角的影响Fig.2 Effects of NaCl concentration on interfacial tension and advancing contact angle in the PCE/(NaCl solution/quartz) system

2.2 PCE在砂箱中的运移

选择0.005 85 g/L(1×10-4mol/L)和32 g/L(0.55 mol/L)的NaCl溶液作为背景溶液进行实验，定量研究盐度对DNAPL运移和分布的影响。图3为不同时刻PCE的饱和度分布结果。PCE泄漏到砂箱中以后，PCE快速的垂向入渗，同时伴随一定的侧向迁移。实验结束后，在运移路径上存在一定量截留PCE，在由细砂构成的透镜体和砂箱底端细砂层上方有累积形成的DNAPL污染池(pool)。本次运移实验的地下水流速为1.5 m/d，该侧向水流对DNAPL污染羽向水流方向移动有一定的影响，但影响较弱，与课题组前期研究成果一致[14]。

在均质介质中(图3a，3b)，注入的PCE在重力作用下快速向下运移，形成一个边缘较尖锐的污染羽。在Fw- 1和Sw- 1两组实验中，均可以观察到较为明显的优先流(finger flow)现象，这是由装砂过程中人为因素导致的局部非均质造成的，表明即使是很微小的非均质环境也会对DNAPL的移动产生很强的影响[15]。在非均质介质中，地下水盐度较低时(Fw- 2)，PCE向下迁移到达了其中4个透镜体(a，c，d，e)(图3 c)，在116 min时运移到底端形成三个pool，并在148 min时融为一个pool；而在Sw- 2实验中，DNAPL运移到达所有的透镜体(图3 d)，且实验进行80 min后，PCE即到达砂箱底端形成两个污染池，并在128 min时两个pool融为一个pool。

对DNAPL在砂箱底端细砂层上污染池(pool)的起始位置和长度进行分析，同时计算PCE污染羽的平均饱和度和底端pool的最大饱和度。在Fw- 1中(图 3a)，PCE污染羽几乎均匀地分布在注入点的两侧，当PCE分布达到稳定后(T= 24 h)，pool的起始位置开始于X=15.27 cm，即注入点所在位置的上游14.73 cm，整个pool的长度为34.28 cm (表 3)；而在Sw- 1中(图 3b)，DNAPL污染池开始于10.19 cm处，整个pool的长度达到48.75 cm，表明地下水盐度的增大促进DNAPL污染池的长度增加。高盐度地下水的粘滞性比低盐度大，水流粘滞力的作用促进了DNAPL污染池的移动[16]，因此在高盐度组Sw- 1中所形成的pool池较长。在Fw- 1和Sw- 1两组实验中，运移达到稳定后被截留在运移路径上(计算区域为图中的虚线框区域)的DNAPL量分别为15.72 mL和12.26 mL。界面张力的增大和接触角的减小(图2)，将导致毛管阻力的增加[17]，不利于DNAPL的向下运移。盐度的增加会增加地下水粘滞性(表1)，从而促进DNAPL迁移。综合分析，盐度变化造成的粘滞性改变在本研究中起主要作用，最终表现为促进DNAPL的向下运移并减小DNAPL在运移路径上的截留量。非均质情形下，当DNAPL分布稳定后，Fw- 2和Sw- 2实验中砂箱底部污染池的起始位置分别为12.76 cm和 21.7 cm，长度分别为40.85 和 37.02 cm，污染池长度缩短，这与Fw- 1和Sw- 1实验中得到的结果不一致。这是因为在Sw- 2中PCE到达了每一个透镜体，使得相较于Fw- 2情况下的到达底部的DNAPL的总量减小。Fw- 2和Sw- 2实验中底部污染池的中心位置分别位于X=33.7 cm 和X=43.5 cm，表明非均质介质中地下水盐度的增加也会促进DNAPL污染池向水流方向移动。

图3 运移过程中PCE的饱和度分布Fig.3 Infiltration and redistribution of PCE

在所有4组砂箱实验中，随着地下水盐度的增加，DNAPL污染羽的平均饱和度以及砂箱底部细砂层上的DNAPL污染池的最大饱和度均随之降低(表3)。对砂箱中运移达到稳定的PCE污染羽偏移角(注入点与质量中心点所在直线与注入点所在垂直线形成的角度)进行分析计算。计算得到的数据(表3)表明，高盐度水流促进DNAPL向水流方向偏移。均质条件下，两组实验的偏移角分别为1.92°(Fw- 1)和 3.97°(Sw- 1)；在非均质条件下，两组实验的偏移角为18.7°(Fw- 2)和 29.5°(Sw- 2)。以上这些实验结果均表明，地下水盐度对饱和多孔介质中DNAPL的迁移和形态分布有较大影响，地下水盐度的增加将促进DNAPL的垂向入渗，并使得DNAPL运移路径及累积形成的池状DNAPL向水流方向偏移。

表3 DNAPL污染羽在介质中的分布特征

为了进一步说明地下水盐度变化对DNAPL在多孔介质运移的影响，本文计算并分析了不同实验条件下PCE入渗锋面的运移速率，结果如图4所示。盐度对DNAPL入渗锋面的运移有明显影响，32 g/L NaCl水流条件下PCE入渗锋面的运移速率明显加快。在Fw- 1/Sw- 1和Fw- 2/Sw- 2四组实验中，PCE到达砂箱底端细砂层的时间分别为30、14.0、92和56 min。结合不同浓度氯化钠浓度条件下的接触角和界面张力的测定，地下水盐度增大时，界面张力随之增大，同时接触角减小使得石英砂润湿性从水润湿状态变为强水润湿状态。一般地，根据Young- Laplace方程，随着界面张力的增大和接触角的减小，PCE需要克服更大的毛管阻力向下运移，而本实验结果显示在高盐度的地下水流条件下，PCE的下渗锋面运移的更快。这进一步说明，本研究中地下水盐度变化所导致的粘滞性改变主要影响着DNAPL在多孔介质中的运移行为。

图4 PCE入渗锋面平均运移速率Fig.4 Average advancing velocities of the PCE fronts

2.3 DNAPL污染羽的形态特征

2.3.1 展布范围

本文对DNAPL污染羽在水平和垂直方向上的展布范围(二阶矩)随时间的变化规律进行了分析，如图5所示。在前期注入过程中，由于存在注入压力，污染羽快速扩展，表现为水平和垂直的展布范围快速增大，随着时间的延长，扩展逐渐减慢，最后达到稳定。图5a显示的是在20～30目均质条件下的展布范围，在32 g/L NaCl的高盐度地下水流条件下，由于增加的粘滞性起主要作用，无论是在垂直方向还是水平方向的展布范围与0.005 85 g/L NaCl水流条件下相比均明显增大。在水平方向上的展布随着盐度的增加，其增加幅度尤为显著，主要是由地下水盐度的增加促进砂箱底部的污染池向水流方向移动使得其长度和面积变大造成的。在非均质条件下，PCE污染羽展布范围的变化规律呈现出与均质条件下相似的变化规律(图5b)，并且透镜体的存在使得PCE横向和纵向展布在注入期内的增加趋势表现得更加明显。

图5 PCE在砂箱中的展布范围Fig.5 Horizontal spread ) and vertical

2.3.2 DNAPL污染羽的饱和度分布

图6显示的是每一组砂箱实验中不同时刻(与图3中的时间对应)的PCE饱和度直方图，横坐标表示饱和度(饱和度间隔0.01)，纵坐标为该饱和度区间PCE的体积分数。从图中可以看出，和0.005 85 g/L NaCl水流条件下相比，PCE饱和度峰值在高盐度地下水流条件下均向左移动，即无论是在均质还是在非均质条件下，盐度的增加都会导致砂箱中被截留PCE的饱和度降低，饱和度直方图中峰值对应的饱和度区间也相应减小，还表现为DNAPL饱和度均值的降低(表3)。这进一步表明，即使是在较低地下水流速条件下(1.5 m/d)，高盐度地下水同样会促进DNAPL迁移，使得DNAPL以较小的饱和度残留。

图6 PCE四组实验中PCE在不同时刻的饱和度直方图Fig.6 Histograms of PCE saturation of the four experiments at different times

2.3.3 “GTP”

DNAPL饱和度低于残余饱和度时称为不连续的离散状DNAPL(ganglia)，相应地，高于残余饱和度的称为pool。“GTP”(ganglia to pool)即为离散状DNAPL和池状DNAPL的比值，本文采用该比值来表征PCE污染羽的结构特征[1]。本文所用20～30目石英砂的残留饱和度为0.11[18]。四组实验(Fw- 1，Sw- 1，Fw- 2，Sw- 2)均达到稳定后，对应的GTP值分别为0.046，0.083，0.076和0.13。在Fw- 1实验中，GTP值为0.046即表明有1.41 mL(4.4%)的PCE以ganglia离散状形式存在。分别比较均质和非均质介质中在不同盐度条件下的GTP值，可以看出地下水盐度的变化对多孔介质中PCE污染羽的结构特征具有非常显著的影响。地下水盐度的增加不仅能够减少残留在运移路径上的DNAPL总量，还使得污染区域中以离散状(ganglia)存在的DNAPL量明显增加。

3 结论

(1)地下水中溶解盐(NaCl)的存在会对不同相之间的界面特性产生影响。在石英砂/水/PCE三相体系里，PCE和水之间的界面张力随着水中NaCl浓度的增大而增大，PCE在石英砂表面的接触角随着NaCl浓度的增大而减小，尤其当NaCl浓度高于0.1 mol/L时，影响显著。

(2)无论是在均质还是在含有层状透镜体的非均质介质中，地下水盐度的增加都会促进DNAPL入渗锋面的垂直运移，使得截留在运移路径上的残留DNAPL总量减少。此外，地下水盐度的增加还会使得DNAPL运移路径及累积形成的连续池状DNAPL(pool)向水流方向偏移。

(3)在粗砂介质(20～30目石英砂)中，地下水盐度的增加直接影响DNAPL污染羽的形态特征。DNAPL在水平方向和垂直方向上的展布范围均随着地下水盐度的增加而变大，污染羽的GTP值也随之增加，介质中以不连续离散状(ganglia)形式存在的DNAPL量明显增加。

[ 1] 郑菲,高燕维,徐红霞,等.非均质介质性对DNAPL污染区结构特征影响的实验研究[J].水文地质工程地质, 2016,43(5):140-148. [ZHENG F, GAO Y W, XU H X,etal. A experimental study of the influence heterogeneity on the source- zone architecture[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2016, 43(5): 140-148.(in Chinese)]

[ 2] 张烨,施小清,邓亚平,等.结合蒸汽和空气注入修复多孔介质中的DNAPL污染物的多目标多相流模拟优化[J].水文地质工程地质,2015,42(5):141-148. [ZHANG Y, SHI X Q, DENG Y P,etal. Multi- objective multi- phase optimization with steam and air co- injection for DNAPL contaminant remediation in porous media[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2015,42(5):141-148.(in Chinese)]

[ 3] LANHSU H, DEMOND A. Influence of organic acid and organic base interactions on interfacial properties in napl- water systems[J]. Environmental Science and Technology, 2007,41(3): 897-902.

[ 4] CRAIG F F. The reservoir engineering aspects of water flooding. Monograph Series[J]. Society of Petroleum Engineers, Richardson, 1971,3.

[ 5] MOLNAR I L, O’CARROL D M,etal. Impact of surfactant- induced wettability alterations on DNAPL invasion in quartz and iron oxidecoated sand systems [J]. Journal of Contaminant Hydrology , 2011,119(4): 1-12.

[ 6] XING L, GUO H M, ZHAN Y H. Groundwater hydrochemical characteristics and processes alongow paths in the North China Plain [J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2013, 70: 250-264.

[ 7] LORD D, DEMOND A, HAYES K. Effects of organic base chemistry on interfacial tension, wettability, and capillary pressure in multiphase subsurface waste systems [J]. Transport in Porous Media , 2000,38:79-92.

[ 8] ONDOVCIN T, MLS J. Relation Between Phase Density And Componene concentration in groundwater Flow Modeling [J]. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2007, 55(4):236-245.

[ 9] BOUFADEL M C, SUIDAN M T. A numerical model for density and viscosity dependent flows in two- dimensional variably saturated porous media [J]. Journal of Contamiant Hydrology , 1999,40(2):285-296.

[10] CHEN H, GAO B, LI H. Effects of pH and ionic strength on sulfamethoxazole and ciprooxacin transport in saturated porous media [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2011,126(2): 29-36.

[11] TAYLOR T P, PENNELL K D. Surfactant enhanced recovery of tetrachloroethylene from a porous medium containing low permeability lenses 1. Experimental studies [J]. Journal of Contaminant Hydrology , 2001, 48(3): 325-350.

[12] YE S J, SLEEP B E, CHIEN C. The impact of methanogenesis onow and transport in coarse sand [J]. Journal of Contaminant Hydrology , 2009,103(2): 48-57.

[13] BOB M M, BROOKS M C, WOOD A L. A modified light transmission visualization method for DNAPL saturation measurements in 2- D models [J]. Advances in Water Resources, 2008, 31(5):727-742.

[14] 高燕维, 徐红霞,吴吉春,等. 基于透射光法探讨水流流速对DNAPL运移分布的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(7): 209-216.[GAO Y W, XU H X, WU J C,etal. Laboratory investigation of DNAPL migration behavior and distribution at varying flow velocities based on light transmission method [J]. Environmental Science, 2015, 36(7):209-216.(in Chinese)]

[15] ZHENG F, GAO B, SUN Y,etal. Removal of tetrachloroethylene from homogeneous and heterogeneous porous media: Combined effects of surfactant solubilization and oxidant degradation[J]. Chemical Engineering Journal, 2016,283(1):595-603.

[16] PADGEET P K, HAYDEN N J. Mobilization of residual tetrachloroethylene during alcohol flusing of clay- containing porous media. [J]. Journal of Contaminant Hydrology , 1999, 40(3): 285-296.

[17] DONG J, CHOWDHRY B, LEHARNE S. Investigation of the wetting behavior of coal tar in three phase systems and its modification by poloxamine block copolymeric surfactants[J]. Environmental Science and Technology, 2004, 38(8): 594-602.

[18] SUCHOMEL E J, PENNELL K D. Reductions in contaminant mass discharge following partial mass removal from DNAPL source zones [J]. Environmental Science and Technology, 2006, 40(19): 6110-6116.

责任编辑：张若琳

Effect of salinity on DNAPL migration and distribution in saturated porous media

CHENG Zhou, XU Hongxia, SUN Yuanyuan, SHI Xiaoqing, LIAO Penghui, WU Jichun

(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,DepartmentofHydrosciences/SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210023,China)

In this work the effect of salinity on the migration and distribution of DNAPL in saturated porous media was investigated. Tetrachloroethylene (PCE) was selected as the representative DNAPL (Dense Non- aqueous Phase liquid), and sodium chloride (NaCl) was used as the typical dissolved salt in groundwater. Batch experiments were first conducted to measure the contact angles and interfacial tensions (IFTs) of the NaCl solutions/PCE/quartz system. The results show that the contact angles of PCE decrease and IFTs between PCE and NaCl solution increase with the increasing concentration of NaCl, and the effects are more obvious at high concentrations of NaCl (>0.1 mol/L). Four 2- D flow cell experiments were then conducted, and the light transmission method was used to monitor the migration process of PCE and quantitatively measure the PCE saturation distribution in the porous media. The experimental results show that the increasing salinity in groundwater promotes the vertical migration of DNAPL, decreases the volumes of DNAPL entrapped along the migration path, and leads to the inclination of the migration path and pooled DNAPL towards the water flow direction. Moreover, in both homogeneous and heterogeneous (lenses) porous media, the horizontal and vertical spreading of DNAPL increases with the increasing salinity, resulting in a larger source- zone and the increasing PCE ganglia.

PCE; porous media; light transmission method; salinity; migration； DNAPL; Saturation distribution

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.20

2016- 08- 15;

2016- 10- 17

国家自然科学基金(U1503282、41030746和41172207)；教育部博士点基金(20110091110039); 南京大学研究生跨学科科研创新基金(2014CL10)

程洲(1986- )，男，博士研究生，主要从事土壤及地下水中有机污染物迁移及修复研究。E- mail：czhounju@ 126.com

吴吉春(1968- )，男，教授，主要从事水文地质学、土壤和地下水污染研究。E- mail: jcwu@nju.edu.cn

P641.3

A

1000- 3665(2017)04- 0129- 08