近年来地下水中重非水相液体(DNAPL)有机污染物的治理问题成为国内外研究的热点。DNAPL如杂酚油、柏油、氯化烃等，由于比水重，通过非饱和土层后会一直往含水层底部渗透，遇到基岩等渗透性低的岩层停止运移，聚集起来。由于DNAPL溶解度较小，在含水层中滞留的污染物形成潜在污染源，对环境和人类健康构成很大的威胁。目前在众多治理地下水DNAPL污染的方法中，生物降解是一种经济有效而广为采用的治理方法。地下水中DNAPL污染生物降解的效率受多种因素的影响，其中生物堵塞是重要因素之一。生物堵塞主要由微生物降解过程中在土壤颗粒表面形成生物膜和难溶气体在土壤中形成的气泡引起的。生物膜和气泡的存在占据了多孔介质中的空隙，改变介质的渗透性，使局部介质的渗透性降低，堵塞地下水流动，改变地下水流的速度、方向以及DNAPL的运移和分布。这种生物堵塞往往使地下水流和DNAPL污染物的运移绕过微生物富集和活跃区，从而降低了修复效率。　　本文以二维多孔介质中的水流和重非水相液体(DNAPL)作为研究对象，利用光透法监测砂箱中的水以及DNAPL流动及空间分布。应用相应的数学模型确定多孔介质在不同情况下饱和度、渗透性的变化，分析气泡对水流及DNAPL的影响。通过测量砂箱中不同位置的生物量，分析生物膜对水流的影响。这一机理问题的研究对地下水中DNAPL的生物修复技术的应用具有重要理论指导意义。　　论文研究内容包括两个部分，第一部分包括第二章与第三章，研究生物膜及气泡对均质饱和多孔介质中地下水流动的影响。在实验过程中使用CCD相机进行拍照，将气泡形成和运移过程以图像的形式记录下来;通过蛋白分析测定水中生物量;利用共聚焦激光扫描电镜技术分析颗粒表面生物膜分布。其结果表明不论是固体颗粒表面附着的生物量还是水中悬浮的生物量，越接近营养液与碳源的地方，微生物越多。颗粒表面形成的生物膜不是等厚的，其厚度为随机变量，近似服从正态分布。研究生物膜的空间分布规律，有助于了解生物膜堵塞的机理，有助于更准确地刻画生物膜对多孔介质渗透率的影响。KB-1混合菌接种到二维砂箱120天后，砂箱的平均渗透率与渗透系数比实验前降低了约一个数量级。　　笔者选用三种不同的模型模拟砂箱中多孔介质渗透率的空间分布。模型的计算结果显示，砂箱中渗透率的空间分布特征与固体颗粒表面附着的生物量具有相似的空间分布特征。Taylor模型预测的渗透率减小了2～5个数量级;Clement模型预测的渗透率为初始渗透率的3％～98％。Seki模型不适用于本次实验，该模型适用于生物量较少的情况。所以，模型的选用影响着模拟结果。应根据实验的具体情况选用恰当的模型。　　细菌加入砂箱后120天内，将甲醇转化为甲烷与二氧化碳，当产生的气体浓度高于砂箱溶液的溶解度时，在砂箱中形成气泡，接着因自身浮力的作用，会从砂箱底部沿不规则的指状通道向顶部运动，在砂箱顶部堆积。气泡在砂箱中运动的过程中，会有一部分残留在“通道”内。实验中，砂箱顶部的渗透率下降了80％，其中99％是由堆积的气泡造成的。而对于砂箱底部微生物生长活跃区，气体饱和度达40％-50％，根据推算，此处生物膜对水流的阻塞作用大于气泡的影响。　　这部分研究说明在对DNAPL污染带进行生物修复时，污染物上方的含水层中因微生物生长产生的生物膜和大量的气泡，会导致生物修复所需的营养液绕过污染区，从而限制生物修复的效果。　　第二部分为第四章，在同样的二维砂箱中以光透法研究DNAPL在饱和与非饱和多孔介质中的运移特征和空间分布。在饱和与非饱和多孔介质中，DNAPL都以垂直方向上的运动为主，主要原因是DNAPL的密度比水大，在自身重力的作用下会向下运动，在砂箱底部形成DNAPL池。在多孔介质中DNAPL会因介质局部密实，而出现横向运动，直至绕过密实部分，继续向下运动，这主要是因为该区域横向的渗透系数大于纵向渗透系数。　　实验中为了模拟微生物生长产生的气泡，而通过取样针向饱和多孔介质中通入气体，形成非饱和多孔介质。实验中注入砂箱中的气泡不会被液体溶解，因为饱和多孔介质中的液体经充分曝气达到所注入气体的溶解平衡。与饱和多孔介质相比，DNAPL在非饱和多孔介质中运移速度较慢，这说明砂箱中的气泡对DNAPL的运移起着阻碍作用。在实验过程中还观察到一部分DNAPL附着在气泡表面，残留在砂箱中部。　　使用光透法圈定的DNAPL污染区域在范围与形状上与实际的结果基本一致，并可以通过光强的时间变化明显地看出重非水相液体的入渗过程。在整个实验过程中该方法不接触不破坏砂箱，保持砂箱良好的完整性。结果说明使用光透法对饱和与非饱和多孔介质中重非水相液体的空间分布范围进行圈定并检测其迁移过程是完全可行。　　对于饱和与非饱和介质中DNAPL的饱和度估算，采用了同样的数学模型。通过获得的光强值估算入渗DNAPL的体积以及饱和度。模拟结果与实测结果之间呈良好的线性相关，模拟结果的空间分布与实际图片中相似，说明该模型是有效的。但初期的模拟结果与实测值之间相对误差很大，后期的模拟结果较好，相对误差仅1％。虽然该模型适用于本次实验，但仍需对其中的各个参数根据实验的具体情况进行校正，才能达到较好的模拟结果。对于饱和与非饱和的情况下，本文分别对产生误差的原因进行分析，使用光透法研究介质的饱和度时，发射光源的稳定性是影响模拟结果的重要因素之一。含有DNAPL的非饱和介质是一个“水-油-气”三相体系，这个体系比较复杂，在计算DNAPL饱和度时将其概化为“水-油”二相体系，会为模拟结果带来误差。