近年来，随着石油化工和交通运输业发展迅猛，由此产生的污染也越来越严重.大部分石油类污染物是微溶于水或不溶于水的，研究中常被称为非水相液体(Non-Aqueous Phase Liquid，简称NAPL).其中密度比水小的称为轻非水相液体(Light Non-Aqueous Phase Liquid，简称LNAPL)(Mayer et al., 1996).柴油和汽油就是很常见的轻非水相液体.它们一旦泄漏将导致地下水和土壤的污染，给人类的生存环境带来巨大的危害(Borden et al., 1995；Kao et al., 1997).因此，对其运移特性、监测方法和治理方法等方面的研究已经成为地下水环境领域的前沿课题(武晓峰等，2000；Huntley et al., 2002).钻孔取样和现场开挖是对轻非水相液体污染进行监测和评价的传统方法，这两种方法对介质都有损坏性，并且很难在相同的条件下重复进行，不能进行长期的动态监测.如今，很多学者利用地球物理的方法对土壤和地下水污染进行调查，该方法具有快速、无损性、全方位显示等优点(Meju，2000).Cassidy(2007)通过探地雷达信号衰减和电特性对LNAPL的饱和度进行分析.Deceuster和Kaufmann(2012)在一个被工业废弃物污染的土地上，使用激发极化成像法描述了被碳氢化合物污染的水和土壤的范围.Vaudelet等(2011)运用电磁感应法、电阻率成像法、时间域激发极化法和谱激发极化法四种方法对城市污染进行研究，确定了研究区内的主要污染区域，并通过对比发现用电磁感应法和电阻率成像法布置设备与采集数据耗时最短.

高密度电阻率成像法是一种新的地球物理勘探方法，它是通过布设大量的电极测定介质的电阻率差异以达到对介质进行勘察的目的.在国内外已经有很多学者对高密度成像法进行了研究(Huntley et al., 2002；底青云等，2003；冯锐等，2004；Oldenborger et al., 2005；黄俊革等，2006；Pidlisecky et al., 2006).目前，该方法在地下水研究领域中得到了广泛的应用(Singha et al., 2005；V and erborght et al., 2005；Nyquist et al., 2008).在国外，Kaufman等(2007)利用三维电阻率层析成像法对加油站附近区域进行监测，发现靠近油罐的区域比未污染区域的电阻率值高，并根据监测结果划定了加油站附近的LNAPL羽.在国内，郭秀军和王玉等运用高密度电阻率法、自然电位法和探地雷对污染区进行了探测，通过异常区的分布特征确定了渗漏点的分布位置(郭秀军等，2007；王玉等，2009).刘汉乐等(2008a，2008b，2010)在室内建立物理模型，得到了电阻率和含水量、颗粒粒径及LNAPL饱和度等参数之间的变化关系，并通过三维电阻率相对值的时间变化看出了轻非水相液体在均质多孔介质中的污染过程，说明运用高密度电阻率成像法对监测均质多孔介质中轻非水相液体的运移过程是可行的.对于非均质条件下利用高密度电阻率成像法监测轻非水相液体的运移尚未有人研究.

为了更全面更准确的对非均质条件下轻非水相液体的入渗过程进行监测，本文在实验室内建立三维的非均质砂槽模型，运用高密度电阻率成像法对轻非水相液体在非均质多孔介质中的运移进行动态监测，探讨运用高密度电阻率成像法监测轻非水相液体在非介质多孔介质中的运移是可行和有效的，并根据监测结果研究轻非水相液体在非均质多孔介质中的分布特征和运移特性，为获取渗透系数、饱和度等参数奠定基础.

本次试验的主要装置为无机玻璃制成的三维砂槽(图 1)，长、宽、高依次为50 cm、40 cm和30 cm.砂槽左部上侧打有一小孔，用于注水；右侧底部有一小孔，用于排水.本试验用于装填的介质有砾石(粒径为>0.9 mm，容重为2.05 g/cm³)、粗砂(粒径为0.45～0.9 mm，容重为2.37 g/cm³)和细砂(粒径为<0.3 mm，容重为2.45 g/cm³).装填前，在介质与用于排水的有机玻璃板之间加上绝缘的过滤网，防止砂土将排水孔堵住，影响排水效果.砂槽底部装填2 cm的砾石作为透水层，保持砂槽内与外界水力联系良好.具体的透镜体分布如图 2所示.

图 1

Fig. 1

图 1 试验装置示意图 Fig. 1 A sketch map of the test equipment

图 2

Fig. 2

图 2 透镜体分布图 Fig. 2 Distribution of lens

在介质表面布置120个高0.5 cm、直径为0.4 cm的圆柱状铅质电极.这些电极行成一个10×12、电极水平间距为4 cm的网格，并通过多芯电缆与一个216频道的高密度电法勘探系统(Next-400，日本兴和株式会社制)连接.通过向两个电流电极供应电流为1 mA、电压范围为10～150 V、频率为2 Hz 的交替直流电流，测定另外两个电位电极之间的电位差.因此，每四个电极可以获得一个电位差数据.所使用的勘探系统可以按照给定的电极组合依次扫描测定，并且自动记录测定的结果.本试验测定采用四极法，并在X、Y和XY三个方向上进行.每次扫描测定大约需要20 min，可以获得414个数据.获取电压电流数据之后须进行电阻率反演计算，反演方法参见Zhou等(1999)及刘汉乐等(2008b).

实验过程中，实验室的平均温度控制在25 ℃.在试验进行之前，先通过注水管向砂槽注入自来水，至砂槽饱和，打开排水管排水，直到水排干为止，再将砂槽静置5小时，以便在砂槽内形成稳定的非饱和带.本试验使用柴油作为LNAPL的代表物，密度为0.82 g/mL.LNAPL 通过注入管从砂槽的中心部位注入，图 3为注入速度随时间的变化图.在注油前，使用高密度电法勘探系统进行一次扫描作为初始值，注油的过程中，每20 min扫描一次.

图 3

Fig. 3

图 3 LNAPL注入速度图 Fig. 3 The inputrate of LNAPL

为了观察LNAPL入渗的变化过程，本文对三维方向上电阻率值随时间的变化过程进行分析.首先是在x、y方向上LNAPL运移过程电阻率值随时间的变化图(图 4)，此图将砂槽中的多孔介质从上到下分为5层，每层厚度为2 cm，第三层到达所设置的细砂透镜体表面.通过图可以观察到被轻非水相液体污染的中心区域近似为圆形.注油初期，仅中心的浅部区域被轻非水相液体污染，污染区域的面积较小，电阻率值也较低；随着LNAPL的注入量不断增加，被污染区域的面积不断地增大，中心区域的电阻率值也不断地升高.体现了LNAPL在水平方向上由中心向外围均匀扩散的规律.对于同一时间来说，电阻率值的空间分布是不均匀的，浅部区域的电阻率值高于深部区域的电阻率值，并且电阻率值随着深度的增大而不断地减小，被污染区域的面积也不断地减小，此现象反映了轻非水相液体由浅到深不断减少的迁移规律.

图 4

Fig. 4

图 4 x、y方向电阻率值变化图 Fig. 4 The variation of x，y direction resistivity

图 5显示了x、z方向的电阻率值随时间的变化过程.其中剖面3在y坐标的中心，此剖面顶部的中心点为LNAPL的注入位置.其余4个剖面对称地分布在剖面03的两侧，即剖面01与剖面05对称，剖面02与剖面04对称.其中，每两个相邻剖面的间距为2 cm.从图中可观察到注入初期，被LNAPL污染的区域比较小，电阻率值也比较低，但随着LNAPL的不断注入，污染区域的范围不断扩大，中心区域的电阻率值也不断升高.在整个注油过程中，剖面01和剖面05以及剖面02和剖面04中污染区域的形状和范围也基本相似，体现了对称剖面污染区域的形状和范围有较好的对称性.剖面上位于中心浅部的污染区域都呈现比较规则的半圆形，介质突变面附近的污染区域近似为半椭圆形，反映了细砂透镜体对LNAPL的运移具有阻滞作用.起初LNAPL在自身重力作用下垂直向下运移，纵向运移速度和横向运移速度几乎相同.当运移到细砂透镜体时，LNAPL 的横向运移速度大于纵向运移速度.说明细砂透镜体阻碍了LNAPL的纵向运移.

图 5

Fig. 5

图 5 x、z方向电阻率值变化图 Fig. 5 The variation of x，z direction resistivity

图 6显示了y、z方向的电阻率随时间的变化过程.其中剖面03在x坐标的中心.此剖面顶部的中心点为 LNAPL 注入位置.其余4个剖面对称地分布于该剖面的两侧，即剖面01与剖面05对称，剖面02与剖面04对称.其中，每两个相邻的剖面间距为2 cm.由结果图可以看出，LNAPL的污染区域近似为半椭圆形，说明轻非水相液体的横向运移速度比纵向运移速度大，更明显的体现了细砂透镜体对轻非水相液体运移的阻滞作用.剖面1和剖面5明显不对称，说明轻非水相液体在y、z方向上的扩散并不均匀；剖面3的电阻率等值线呈现出波状变化，说明轻非水相液体在垂直方向上的扩散不是完全的均匀，产生这种不均匀现象的主要原因是在人工装填介质时，无法使介质达到完全均匀，出现了局部密实的现象，影响了轻非水相液体的运移.

图 6

Fig. 6

图 6 y、z方向电阻率值变化图 Fig. 6 The variation of y，z direction resistivity

通过对试验结果的分析，可以得出以下结论：

(1)本文通过试验模拟了LNAPL在三维非均质砂槽中的运移，并使用高密度电阻率成像法得到了电阻率的变化图.由x、y方向、x、z方向、y、z方向的电阻率值在不同时刻的变化图像可直观的看出轻非水相液体在非均质多孔介质中的运移过程，可见，可以采用高密度电阻率成像法对轻非水相液体在非均质多孔介质中的运移过程进行三维动态的监测.

(2)通过注油过程的电阻率值变化图可知：在x、y方向上，LNAPL污染的中心区域近似为圆形，随着LNAPL的注入量不断增加，被污染区域的水平面积不断地增大，中心区域的电阻率值也不断地升高.对于同一时间来说，浅部的电阻率值明显高于深部的，并且随着深度的增大电阻率不断地减小；清晰地反映了轻非水相液体由中心向周围、由浅到深的迁移过程.在x、z方向上，起初LNAPL的污染区域近似为半圆形，随着 LNAPL运移到透镜体，污染区域近似为半椭圆形，说明轻非水相液体的横向运移速度大于纵向运移速度，这种现象表明了位于砂槽中间的细砂透镜体对轻非水相液体的纵向运移起了阻滞作用.y、z方向上电阻率值随时间的变化图更明显的体现了砂槽中间的细砂透镜体阻碍了轻非水相液体的纵向运移，并且由于装填介质不均匀导致轻非水相液体的扩散不均匀.

(3)本文虽然整体上清晰地反映了轻非水相液体在非均质多孔介质中的运移过程，但仍存在许多不足：首先，本文虽然在三个方向上对LNAPL的注入过程进行了监测，实现了三维空间的LNAPL 运移过程的可视化，但对在三维方向上的单个剖面进行了分析，未能将三个剖面的图形结合为一个统一的三维立体图形，若能将之结合在一起，则轻非水相液体的运移过程将更加直观.其次，由于砂槽是人工装填，介质会出现局部密实的现象，对污染物的运移产生影响.
致 谢 感谢国家自然科学基金(No.41102230)和广西自然科学基金(No. 2011GXNSFB018004)等对本文的资助，南京大学周启友教授在数据处理方面给予了帮助，在此表示感谢！