毛细带中轻非水相液体(LNAPL)侧向迁移定量模型的构建与应用研究

针对毛细带中轻非水相液体(LNAPL)侧向迁移范围难以量化的问题，研究人员通过二维砂箱实验构建了耦合迁移速度(v)与浓度变化率(VC)的LNAPL-LMDM模型，揭示其迁移过程分为初始扩散区、前缘扩展区、突变区和侧向扩张区，并建立关键环境因子(θ/EC/pH/ORP)与迁移参数的函数关系，为大规模污染场地的快速评估提供了技术支撑。

　　

石油类污染物在土壤中的迁移扩散一直是环境领域的重大挑战。当轻非水相液体(LNAPL)从地表渗入地下后，会在毛细带这个介于包气带和含水层之间的关键区域发生复杂的迁移行为。传统研究多关注LNAPL的垂向迁移，但实际观测表明，毛细带的高含水量会显著阻滞LNAPL下渗，促使其侧向扩散，从而扩大污染范围。然而，现有技术对LNAPL侧向迁移距离的定量表征存在明显不足，这严重制约了污染范围的准确界定和修复方案的制定。

针对这一科学难题，中国国家自然科学基金资助项目团队在《Journal of Hazardous Materials》发表了创新性研究成果。研究通过设计二维砂箱实验系统，采用染色示踪和图像分析技术，首次将LNAPL迁移前缘划分为四个特征区域：初始扩散区、前缘扩展区、突变区和侧向扩张区。在实验观测基础上，研究人员构建了LNAPL侧向迁移速度(v)与时间(t)的幂函数关系v=b×t^a，以及浓度变化率(V_C)与时间的对数函数关系V_C=d×ln(t)+e。更关键的是，研究发现系数a和d分别与关键环境因子(含水量θ、电导率EC、pH值和氧化还原电位ORP)存在三角函数关系，从而建立了首个耦合环境因子的LNAPL侧向迁移距离模型(LNAPL-LMDM)。

技术方法上，研究采用200cm×130cm的透明有机玻璃砂箱模拟毛细带环境，通过143个采样点监测LNAPL迁移过程。利用CorelDraw软件处理染色LNAPL的时空分布图像，结合土壤采样分析，量化了迁移速度和浓度变化。模型验证阶段，研究团队进一步在8m×6m的大型三维实验平台上模拟实际污染场景，证实了模型的适用性。

研究结果显示：在二维实验中，LNAPL在侧向扩张区的迁移速度最快(0.0214cm/min)，迁移距离最大；四个特征区的侧向迁移范围经模型计算分别为70.16-86.84cm、84.63-107.24cm、75.51-86.28cm和164.53-246.59cm。三维实验验证表明，模型在采样数据有限的大尺度场景中仍能准确预测污染范围。

这项研究的创新性在于突破了传统垂向迁移研究的局限，首次建立了量化LNAPL毛细带侧向迁移的数学模型。LNAPL-LMDM模型通过关联易获取的环境参数(θ、EC、pH、ORP)，实现了在有限采样条件下对污染范围的快速评估，为污染场地的精准修复提供了关键技术支撑。该成果对石油泄漏等突发环境事件的应急响应具有重要实践价值，也为复杂介质中多相流迁移理论研究提供了新思路。