微生物堵塞对单井注抽试验的影响机理_阳畅.pdf

引用格式：阳畅，刘洋，刘世强，等微生物堵塞对单井注抽试验的影响机理安全与环境工程，（）：，（）：微生物堵塞对单井注抽试验的影响机理阳畅，刘洋，刘世强，陈思，王全荣（重庆地质矿产研究院，重庆 ；山东省地质科学研究院，山东 济南 ；山东正元建设工程有限责任公司，山东 临沂 ；中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 ）摘要：在石油污染的含水层中，污染物和微生物种类多样，为了提高修复效率和降低修复成本，首先需要查明受污染含水层的弥散度、孔隙度、吸附与解吸系数等溶质运移相关的生物地球化学参数。单井注抽（，）试验作为一种高效的方法已经被广泛用于获取含水层的生物地球化学参数，其中微生物堵塞作用在 试验中起着非常重要的作用，但目前已有的 试验数值模型对微生物堵塞过程的模拟过于简化。采用指数衰减模型刻画微生物堵塞作用，利用有限差分法建立同时考虑混合效应和微生物堵塞作用的 试验数值模型，研究微生物堵塞作用对 试验的影响机理，并通过将该数值模型在特定条件下的数值解与前人模型的数值解进行对比，验证了模型的合理性。结果表明：微生物堵塞作用对 试验结果的影响不能忽视，微生物堵塞作用越显著，含水层渗透系数的衰减系数越大，井壁处溶质穿透曲线（，）在 试验抽取阶段晚期的拖尾现象越明显；随着微生物堵塞作用范围的增加，井壁处溶质 在 试验抽取阶段的拖尾现象越严重；参数敏感性分析结果显示，在 试验初期，混合效应对井壁处溶质 的影响较大，随着 试验的进行，微生物堵塞作用对井壁处溶质 的影响逐渐变大。关键词：微生物堵塞；混合效应；有限差分法；单井注抽（）试验中图分类号：文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：重庆市自然科学基金面上项目（）作者简介：阳畅（），男，中级工程师，主要从事地下水流动及污染物迁移规律的数值模拟研究。：通讯作者：陈思（），男，高级工程师，主要从事地下水流动及污染物迁移规律的数值模拟研究。：，（，；，；，；，（），）：，（），第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，（），：；（）随着工业化进程的加快，水资源短缺和地下水生态环境恶化等水环境问题日益严峻。与地表水不同，地下水赋存于孔隙介质中，其循环周期长、吸附性强，一旦受到污染，在短时间内很难得到修复。其中石油污染物是含水层中比较常见的污染物类型，其主要来源于地下油藏的泄漏，或石油勘探时产生的污水，或从运输管道中溢出的石油。在被石油污染的含水层中，污染物和微生物种类多样，为了提高修复效率和降低修复成本，首先需要查明受污染含水层的弥散度、孔隙度、吸附与解吸系数等溶质运移相关的生物地球化学参数。目前，单井注抽（，）试验作为一种高效的方法被广泛用于获取含水层的生物地球化学参数。试验首先将示踪剂通过单井注入含水层，经过一段时间以后，再通过该井抽出含水层中的溶液，并采用适当的数学模型分析抽出液的穿透曲线（，），从而获取含水层的生物地球化学参数。在污染场地进行 试验之前，含水层中的微生物因为缺乏溶解氧（，电子受体）导致数量较少，随着 试验的展开，注入的示踪剂会将大量的溶解氧带入井筒附近含水层，附着在含水介质颗粒表面的微生物利用 进行呼吸作用以及石油污染物中的有机物质进行新陈代谢，进而导致微生物的大量繁殖。这种微生物的繁殖逐渐堵塞含水介质中的孔隙，含水介质的有效孔隙度随时间和空间发生改变，进而使井筒附近含水介质的渗透系数发生变化，这种影响叫作生物堵塞作用。随着注入时间的增加，微生物堵塞作用将逐渐显著。忽略微生物堵塞作用可能会导致现有的 试验数值模型无法准确地解释野外试验数据，从而影响含水层测试中的参数估计。前人已经对微生物菌落的生长是如何影响多孔介质的水力参数进行了大量的研究，如：等 通过宏观试验观察提出一种新的生物堵塞模型，该模型假设微生物优先填充大孔隙，且孔径分布不发生改变，推测多孔介质水力参数的 改 变 与 微 生 物 量 的 平 均 浓 度 有 关；等 提出一种生物堵塞模型，该模型假设微生物以生物膜形式均匀覆盖于含水介质颗粒表面；提出了一种新的生物堵塞模型，该模型假设微生物以群落形式生长，细胞堵塞在饱和多孔介质的孔隙内壁，并假设模型内孔隙大小一致，形成的生物堵塞趋向于横向发展；等 考虑微生物分布的非均一性建立了菌落模型，该模型假设生物膜厚度为最大群落厚度，随生物量的增多，孔隙空间会被填充得更加均匀；等在 试验过程中考虑活性剂与污染物之间的生物及化学反应；等 基于经典理论开展了一系列的砂柱试验，用来研究微生物生长与地下水水流及溶质运移之间的相互作用。目前关于孔隙尺度下的生物膜生长与含水介质中的溶质运移研究，以及生物生长造成的含水相关水力参数改变也有一些研究，如：等 和 等 研究了一维土柱和砂槽试验中微生物堵塞作用对流场和溶质场的影响，比如孔隙尺度的生物膜降解对溶质运移的影响以及生物量改变对含水介质水力参数的影响；等 将生物堵塞作用运用到单井示踪试验中，研究了微生物堵塞作用对含水层参数反演的影响，但相比 试验，单井示踪试验容易受到示踪剂投入量的控制，导致试验周期短，生物堵塞作用对试验结果的影响较弱。尽管目前关于 试验的研究成果已经十分丰富，但是由于生物堵塞作用造成的井筒附近含水介质渗透系数的变化量是一个随时空改变的变量，该变化不同于表皮效应，但目前尚未有考虑生物堵塞作用对 试验结果的影响研究。为了准确地获取含水层的生物地球化学参数，有必要对近井筒附近微生物堵塞作用进行系统性深入解。由于 试验中生物堵塞作用的形成与其他情况下微生物的生长机理具有相似性，因此本文将采用 指数 衰 减 模 型 建立考虑 生 物 堵 塞 作 用 的 试验数值模型，研究了生物堵塞作用对安全与环境工程 ：第 卷 试验结果的影响。试验数值模型的建立与求解 试验示意图如图所示，假定含水层是等厚且水平分布的承压含水层，不考虑垂向入渗补给，井是完整井，渗流服从达西定律，初始水位水平，注入的示踪剂为氯化钠（），在井筒附近范围内受污染的含水层有足够的有机物为微生物提供营养物质，在 试验之前，井筒附近由于 浓度图 试验示意图（据 等 修改）（）较低、微生物的数量较少，在 试验注入阶段和抽取阶段的初期，假设地下水流场为稳定流场。试验中溶质运移的数学模型基于以上假定条件，采用如图所示的坐标系统建立承压含水层中考虑生物堵塞作用的 试验数值模型，试验中溶质运移动力学方程表示如下：（）（）式中：为井筒内示踪剂的浓度（）；为径向距离（）；为井半径（）；为时间（）；为阻滞因子（无量纲）；为含水层弥散度（）；为一阶化学反应系数（）；为地下水实际流速（），其中为达西流速（），为微生物堵塞作用下含水层的孔隙度（无量纲）。基于本文的假定条件，初始条件为（）（）井壁与含水层之间采用第三类边界条件，即：（，）（，）（）（）（，）（，）（）（）类似于 等 和 等 的研究，对井筒内的示踪剂浓度随时间的变化采用混合效应进行刻画：，（）（）（）（）（）（），（）（）（）（）（）（，）（）式中：，和，分别为 试验注入阶段和抽取阶段井筒内地下水的体积（）；为井壁滤水管面积，其中为含水层厚度；（）和 （）分别为井筒内注入阶段和抽取阶段示踪剂的浓度（）；（）和 （）分别为井壁处注入阶段和抽取阶段示踪剂的初始浓度（）；为井筒内注入示踪剂的浓度（）。外边界条件为（，）（）试验中地下水流动的数学模型基于如图所示的概念模型，考虑井筒储存的第期阳畅等：微生物堵塞对单井注抽试验的影响机理地下水流动的数学模型如下：（）（）（，）（）（，）（）（）式中：为地下水降深（）；为井筒内降深（）；为地下水流量（），在 试验的注入阶段为正数（记为 ），在 试验的抽取阶段为负数（记为 ）；为储水系数（无量纲）；为承压含水层的厚度（）；达西流速采用下式计算：（）（）其中：（）表示含水层的渗透系数（），受生物堵塞作用的影响，（）采用下式计算：（）（）（）（）其中：和分别表示含水层的初始渗透系数和最终渗透系数（）；表示含水层渗透系数的衰减系数（）。由于微生物堵塞作用会造成井筒附近含水层的渗透系数持续衰减，因此本文采用方程（）来刻画生物堵塞作用对井筒附近含水层渗透系数的影响是合理的，一些研究已经采用室内试验和数值模拟的手段证明该模型的科学性 。但需要注意的是，方程（）中的含水层渗透系数只是一个随时间变化的函数，其计算结果为生物堵塞作用范围内（）的一个平均值。试验数值模型方程（）（）构成了刻画 试验中溶质运移的数学模型，方程（）（）构成了考虑生物堵塞作用的 试验中地下水动力学数学模型。由于受生物堵塞作用的影响，含水层渗透系数（）是一个随时间变化的函数，从而导致 试验数值模型很难导出其解析解。因此，本文采用有限差分法构建了考虑混合效应和生物堵塞作用的 试验数值模型。在构建的 试验数值模型中，采用一个相对较大的值代替无穷远的外边界，同时为了减小数值弥散或者数值波动等计算误差，首先采用对数网格系统来对时间和空间进行离散，将含水层区域（，采用对数离散化为个节点：（，）（）（）在上述空间离散化条件下，试验数学模型的有限差分格式为（）（）（）（，）（）式中：为节点处的示踪剂浓度（）；表示在节点处的径向距离（）。该数 值 模 型 可 以 采 用 软 件 中 的 进行求解，本文已经建立了考虑混合效应和生物堵塞作用下 试验数值模型的计算机程序。为了检验本文构建的 试验数值模型计算结果的精度，将构建的 试验数值模型在没有生物堵塞作用下的数值解与 等 的模型的数值解进行了对比，模型参数设置为：，分别选取 、和 。模型参数的选取主要源于 等 和 等 的研究。图为本文在不考虑生物堵塞作用下构建的 试验数值模型的数值解与 等 模型数值解的对比，见图。图本文井壁处溶质穿透曲线（）与 等 溶质穿透曲线的对比 由图可知：本文模型与 等 模型得到的井 壁 处 溶 质 穿 透 曲 线（，）能够很好地拟合，从而说明本文模型的计算精度是可靠的。安全与环境工程 ：第 卷结果分析与讨论 不同对 试验结果的影响注入示踪剂时携带的 会刺激微生物的生长，导致地下水流动以及溶质运移规律发生变化，尽管 等 已经采用方程（）研究了生物堵塞作用对含水层水力参数反演结果的影响，但忽略了微生物堵塞作用可能导致现有的 试验数值模型不能准确地解释野外试验数据，从而精确地获取含水层的生物地球化学参数。因此，为了研究生物堵塞作用对 试验中井筒附近溶质迁移转化过程的影响，本文采用新建立的 试验数值模型计算了不同含水层渗透系数衰减系数情况下井壁处溶质的穿透曲线（），具体参数设置为：，。分别选取、和。不同情况下井壁处溶质 的计算结果，见图。图不同含水层渗透系数的衰减系数下井壁处溶质的穿透曲线（）由图可知，微生物堵塞作用控制着井筒内 试验抽取阶段溶质 的变化，随着值的增加，井壁处 在抽取阶段的拖尾现象较为明显。不同生物堵塞作用范围对 试验结果的影响 等 建立了考虑表皮效应的径向弥散试验解析解，并研究了不同表皮厚度对注入井附近溶质运移的影响，该模型中表皮效应采用两区模型来刻画，即表皮区和含水层区域采用不同的弥散度来表示不同的表皮属性。与表皮效应不同，生物堵塞作用是微生物作用下改变井筒附近含水层孔隙度并使井筒附近含水层渗透系数随时间发生变化，从而影响井筒附近溶质迁移转化的过程。类似于表皮效应对溶质运移的影响，本文将研究不同生物堵塞作用范围对井筒附近溶质迁移转化过程的影响，主要采用个不同的微生物堵塞作用范围（、和）进行计算，除了以外，其他参数设置与图相同，不同微生物堵塞作用范围下井壁处溶质的穿透曲线，见图。图不同微生物堵塞作用范围下井壁处溶质的穿透曲线（）由图可知：随着微生物堵塞作用范围的增加，井壁处溶质的 在 试验抽取阶段的拖尾现象愈加严重。参数敏感性分析根据本文考虑混合效应和生物堵塞作用建立的 试验数值模型可知，影响井壁处溶质 的主要参数为、和。为了研究这些参数对 试验结果的敏感性，本文采用局部敏感性分析方法对影响井筒内溶质 的主要参数进 行 了 敏 感 性 分 析。敏 感 性 系 数 采 用 下 式 计算 ：，（）（）（）式中：，表示第个参数在时刻的敏感性系数；表示第时刻含水层溶质的浓度值（）；第期阳畅等：微生物堵塞对单井注抽试验的影响机理表示第个参数。，值越大，参数的敏感性越大。上述主要参数对井壁处溶质 的敏感性系数，见图。图不同参数对井壁处溶质穿透曲线（）的敏感性系数 由图可知：在 试验初期，井筒内溶液体积对溶质 最敏感，随着 试验的进行，含水层渗透系数的衰减系数对溶质 的敏感性逐渐增加，这说明在 试验初期混合效应对井壁处溶质 的影响较大，随着 试验的进行，微生物堵塞作用对井壁处溶质 的影响逐渐变大。结论 试验作为一种高效的方法已经被广泛用于获取含水层与溶质运移有关的生物地球化学参数，本文采用有限差分法建立了同时考虑混合效应和微生物堵塞作用的 试验数值模型，利用该数值模型分析了微生物堵塞作用对 试验结果的影响机理，并将该数值模型在特定条件下的数值解与前人模型的数值解进行了对比，验证了该数值模型的正确性，得到的主要结论如下：（）在 试验中，微生物堵塞作用对径向弥散的影响不能忽视，微生物堵塞作用越显著，含水层渗透系数的衰减系数越大，井壁处溶质穿透曲线（）在 试验抽取阶段晚期的拖尾现象越明显。（）微生物堵塞作用范围越大，井壁处溶质 在 试验抽取阶段的拖尾现象越严重。（）敏感性分析结果显示，在 试验初期，混合效应对井壁处溶质 的影响较大，随着 试验的进行，微生物堵塞作用对井壁处溶质 的影响逐渐变大。参考文献：薛禹群，吴吉春面临 世纪的中国地下水模拟问题水文地质工程地质，（）：，（）：，（）：，（）：顾昊琛，王全荣，詹红兵 非完整井下单井注抽试验数值模拟方法改进 地球科学，（）：文章，李旭 考虑表皮效应的径向溶质迁移模型以及半解析解地质科技通报，（）：，“”，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：（下转第 页）安全与环境工程 ：第 卷 ，（）：冯炎鹏，张军科，黄小娟，等成都夏冬季 中水溶性无机离子污染特征 环境科学，（）：王惠祥泉州市冬季 中水溶性离子污染特征及来源解析 环境与发展，（）：魏欣，毕晓辉，董海燕，等 天津市夏季灰霾与非灰霾天气下颗粒物污染特征与来源解析环境科学研究，（）：，（）：贺瑶，韩秀秀，黄晓虎，等 南京市不同功能区冬季大气 分布特征及其来源解析环境科学学报，（）：曹宁，黄学敏，祝颖，等 西安冬季重污染过程 理化特征及来源解析 中 国 环 境 科 学，（）：张云峰，于瑞莲，胡恭任，等泉州市大气 中水溶性离子季节变化特 征 及 来 源 解 析 环 境 科 学，（）：杨春雪，阚海东，陈仁杰我国大气细颗粒物水平、成分、来源及污染特征环境与健康杂志，（）：，：皮帅帅，程金平，刘淑娟，等上海市霾与非霾期间 中水溶性阳离子污染特征对比 上海交通大学学报（农业科学版），（）：丁铭，郁建桥，程真，等南京市 颗粒物来源探析环境科 技，（）：刘军，陈耿，柯钊跃，等燃煤电厂周边大气重金属污染特征及来源解析 中国环境监测，（）：吴丹，王跃思，潘月鹏，等 被动采样法观测研究京津冀区域大气中气态污染物环境科学，（）：，：，：郝吉明，贺克斌中国燃煤二氧化硫污染控制战略中国环境科学，（）：，：，（）：朱珠，谭成好，吴惬，等 深圳市龙华区 污染与减排过程模拟分析安全与环 境工程，（）：檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵 （上接第 页），（）：，：，：，：，（）：，（）：，：，（）：（）（）：（），：，：，：，（）：，（）：（）安全与环境工程 ：第 卷