垃圾填埋場封頂系統的設計與水分平衡

陸海軍,欒茂田,張金利

(1.武漢工業學院 多孔介質力學研究所,武漢 430023;2.大連理工大學土木水利學院巖土工程研究所,遼寧 大連 116024）

為了控制垃圾填埋對周圍土壤與地下水環境的長期影響,在垃圾填埋場的上面通常建有封頂系統,已達到把垃圾與外界環境隔離的目的。封頂系統的主要作用是阻止水分進入到垃圾體中,減小滲濾液產量,降低填埋場運行成本。如果水分一旦進入垃圾體中,就可能攜帶污染物質穿透底部的襯墊層滲透到周圍的土壤與地下水中,造成環境的污染,進而威脅人類的生活[1-3]。

至今為止,國內外垃圾填埋場的封頂大多采用傳統的壓實黏土封頂系統,這種封頂主要由頂層的植物生長層和下面的壓實粘土層組成。Khire、Benson、Dwyer等許多研究者對垃圾填埋場壓實黏土封頂系統進行了現場的監測與研究,結果發現這種傳統的壓實黏土封頂在干旱與半干旱地區不能達到工程期望的效果,并出現透水的現象[4-8]。研究者經現場觀測還發現,在第一次干濕循環過程中穿透傳統封頂壓實黏土層的水分明顯增加[9]。為了解決傳統壓實黏土封頂系統的缺陷,一些研究者和機構開始研究新型的封頂系統去代替傳統封頂。美國愛達荷州國家工程與環境試驗室(INEEL)于1993年建成了一種蒸發傳輸(ET)封頂,并在相同的氣候條件下與壓實黏土封頂的運行進行了比較[6];Dwyer對壓實黏土封頂系統和新型封頂系統的運行情況進行了現場模型試驗研究[7];Schnabel和Wayllace等人對在不同氣候條件下建造ET封頂系統的可行性進行了數值分析研究[10-11]。ET封頂系統的土壤在降水過程中作為一個儲水庫來儲存降水時來不及蒸發掉的水分,然后通過蒸發與植物蒸騰作用從土壤中吸取水分然后釋放到大氣中[12-14]。ET封頂系統不但具有比較大的抗干燥開裂的能力,同時還具有造價低、服務年限長和效果好等優點,估計這種垃圾填埋場的封頂系統將逐步取代現有的壓實黏土的封頂系統[15]。

基于壓實黏土封頂和ET封頂系統的工作機理,在考慮降水和蒸發循環作用的邊界條件下,建立了一維非飽和土水汽運移的數值模型,并結合大連市實際氣象統計資料,比較分析了傳統壓實黏土封頂與3種新型ET封頂系統的水分平衡規律,以此評價新型ET封頂系統在干旱與半干旱地區的適用性。

1 數學模型

1.1 水汽在非飽和土壤中運移的數學模型

假設垃圾填埋場封頂系統的各層土壤為均質、各向同性的多孔介質,建立了水汽在垃圾填埋場壓實黏土封頂與新型蒸發傳輸(ET)封頂中運移的數學模型[16],

式中,θ為體積含水量;h為基質壓力勢;K為滲透系數;t為時間;z為土壤的剖面縱向深度坐標,以向下為正;Q為源匯項。

土水特征函數采用Van Genuchten(1978)模型定義[16],當h＜0,

式中,Se為有效飽和度;θr為殘余含水率;θs為飽和含水率;Ks為飽和滲透系數;Kr為相對滲透系數;α,β,γ為土水特性參數,且β,γ滿足γ=1-1/β。

1.2 定解條件

模型的初始條件假定封頂系統各層土壤的初始含水率是均勻的,

式中,θi為植物生長層土壤、排水層、生物阻隔層、壓實黏土層和阻隔土壤層的初始體積含水率。

邊界條件為[17]:

(1)上邊界即是滲流邊界又是蒸發邊界

式中,KP為壓實黏土與ET封頂系統中植物生長層的水力傳導系數;q(t)為降水強度;e(t)為蒸發蒸騰強度。

(2)下邊界是自由排水邊界

式中,Kc和Kb分別為壓實黏土層和阻隔土壤層的水力傳導系數,H為整個封頂系統的厚度。

(3)兩層土壤的交界面必須保證水流的連續性

式中,Kt和Kl分別為上層和下層土壤的水力傳導系數,Ht和Hl分別為上層和下層土壤的厚度。

1.3 模擬區域與材料特性

1.3.1 模擬區域 壓實黏土封頂和ET封頂系統的模型如圖1所示。傳統的壓實黏土封頂由0.6 m厚的植物生長土層、0.3m厚的細沙排水層以及0.6 m厚的壓實黏土層組成。ET封頂系統設計方案1的基本結構由上層厚為1 m的植物生長土層和下層厚為1 m的阻隔土層構成;設計方案2由厚1 m的植物生長層、0.5 m厚的生物阻隔層(0.1 m的細沙層、0.3m的砂礫層和0.1 m的細沙層)以及1 m厚的阻隔土層構成;設計方案3由1 m厚植物生長土層,1 m厚的阻隔土層以及最下面的0.5 m厚的生物阻隔層構成。

圖1 垃圾填埋場封頂系統結構圖

1.3.2 材料與計算參數 土樣(A)、(B)、(C)分別取自大連本地的粉質粘土和黏土。通過室內土工試驗確定土壤的基本特性,包括土壤的液限WL、塑限WP、塑性指數IP、最大干密度ρdmax、最優含水量Wopt、孔隙比e、比重Gs、飽和滲透系數Ks。土水特征曲線SWCC采用壓力板儀測定。土特性參數與計算參數列于表1,土水特征曲線如圖2所示。

表1 土壤工程特性與計算參數

圖2 壓實黏土封頂和ET封頂的土水特征曲線

1.4 初始條件與邊界條件的確定

植物生長層、阻隔土層以及壓實黏土層的初始體積含水率分別為0.184、0.142和0.162;細沙與砂礫層的初始體積含水率為0.20。根據大連市氣象局資料顯示[18],1976年是大連市近48年來汛期降水強度最大的年份,短時間內的強降水對垃圾填埋場封頂系統的沖擊力比較大,其全年的日降水量分布如圖3所示。全年的日平均蒸發與蒸騰強度如表2所示,1個月內每天的蒸發與蒸騰強度均相同。

圖3 1976年大連日降水量直方圖

表2 日平均蒸發與蒸騰強度

2 數值計算結果與模型驗證

壓實黏土封頂系統與3種新型蒸發傳輸(ET)封頂系統中土壤水分隨時間的變化如圖4所示。

2.1 數值計算結果與分析

在1976年的降水和蒸發蒸騰循環作用下,傳統

圖4 垃圾填埋場封頂系統的含水率隨時間的波動

由圖4可以看到,封頂系統的土壤離降水和蒸發邊界越近,含水率對邊界變化的響應越靈敏,且隨著土層深度的增加,含水率的波動明顯減弱,說明土壤中的含水率對氣候條件的響應隨土層深度的增加出現了明顯的“峰值滯后”現象,造成這種現象的主要原因是由于土壤具有一定的持水能力。在傳統壓實黏土封頂系統中,Z=0.325 m和Z=0.525 m處,含水率并沒有受到最初蒸發邊界條件的影響而減小,反而出現了增加的趨勢,其主要原因是由于毛細作用引起細沙排水層中的水分向植物生長層土壤中擴散。壓實黏土層中Z=0.915 m處,由于此層滲透系數極低,含水率沒有受到氣候條件變化的影響,保持0.162不變。由于垃圾填埋場內部溫度較高,壓實黏土層中的水分在溫度剃度的作用下出現流失,引起土層開裂,致使壓實黏土封頂系統失效。

從4中還可以看到,與傳統壓實黏土封頂系統相比,蒸發傳輸(ET)封頂系統中阻隔土層的含水率也受到降水和蒸發邊界條件的影響,出現明顯的上升和下降趨勢。在ET封頂系統設計方案1中,在Z=1.19 m、Z=1.30 m和Z=1.42 m處,在夏季強降水到來前的很長一段時間內,含水率沒有受到氣候變化的影響而出現波動,在經過夏季降水補給后,含水率分別在T=223 d、T=237.1 d和T=263 d時出現了增加,且分別在T=239.9 d、T=348.4 d和T=360 d時達到0.343、0.321和0.241。在 ET封頂系統設計方案2中,Z=1.5421 m處的含水率持續增加到0.308;在Z=1.6797 m處,含水率在 T=30.3 d時開始持續增加直至T=360 d達到0.262;Z=1.88 m處的含水率沒有受到毛細作用以及氣候條件的影響,在整個模擬階段保持0.142不變。在ET封頂系統設計方案3中,不同深度的土壤含水率變化與ET封頂設計方案1比較相似,但值得注意的是降水與蒸發邊界沒有影響到深度為Z=1.7708 m以下的土壤層;Z=1.944m處的含水率由于接近底層的生物阻隔層,在毛細作用的影響下引起了此處水分的增加。

為了更明顯的說明封頂系統中含水率的變化情況 ,在 T=110 d 、T=216 d 、T=280 d和 T=360 d的壓實黏土封頂以及3種ET封頂系統的土壤剖面含水率變化如下圖5所示。

圖5 垃圾填埋場封頂系統土層剖面的含水率分布

由圖5可以看到,在傳統壓實黏土封頂系統中,在 T=110 d、T=360 d時,植物生長層土壤的含水率分別由Z=0.045 m處的0.175和0.192增加到Z=0.585 m處的0.256和0.263;在T=216 d、T=280 d,植物生長層土壤中的含水率隨深度的增加首先表現出了增加的趨勢,隨后出現了減小,造成這種現象的原因可能是由于壓實黏土層的毛細作用比較明顯,致使植物生長層下部的水分向細沙層擴散而損失;在細沙排水層中含水率變化趨勢基本一致,由于壓實黏土的毛細作用且滲透系數低,造成了細沙層上部的含水率下降,臨近壓實黏土層的位置水分積聚;邊界條件的變化對壓實黏土層的影響非常遲鈍,位于Z=0.915 m以下的土層水分沒有得到降水的補給。

由圖5還可以觀察到,對于ET封頂系統設計方案1,在深度為Z=1 m的植物生長土層中,含水率隨深度的延伸而逐漸增加;在深度為Z=1 m的阻隔土壤層中,隨著時間的延續降水對土層中水分的補給深度逐漸延伸。對于ET封頂系統設計方案2,植物生長土壤層中不同深度的含水率分布與壓實黏土封頂系統中植物生長層的分布規律基本一致;生物阻隔層中的水分在細沙層中出現了積聚,而砂礫層中的水分出現了大量流失,這種現象主要是由于毛細作用使得砂礫層中的水分分別向植物生長層和阻隔土壤層中運移;降水對ET封頂設計方案2中阻隔土壤層的補給程度不像ET封頂設計方案1那么明顯,造成這種現象的原因可能是由于中間的生物阻隔層起到了排水作用。ET封頂系統設計方案3中土層剖面的含水率分布與ET封頂設計方案1中基本類似,但由于底層的生物阻隔層的存在,毛細作用使得阻隔土壤層下部的土壤水分得到了來自生物阻隔層的補給。

2.2 模型的驗證

通過對計算結果和文獻[19]中的試驗數據進行對比,近而對模型的可靠性進行驗證。土壤的參數:Ks=5.56 ×10-4cm/s;α=0.015;β =1.875;γ=0.467;θr=0.08;θs=0.43 。降水強度為 192 mm/d,持續時間為T=0.83 d。初始體積含水率為0.12,邊界條件為上邊界是降水入滲邊界,下邊界是自由排水邊界。數值計算結果和試驗數據的對比如圖6所示。

圖6 計算值和試驗數據對比圖

從上圖可以觀察到,計算結果和試驗數據基本吻合,并且逐漸接近最大含水率值,數值未出現振蕩和彌散的現象,從而驗證了模型的可靠性。

3 結論

利用水汽在多層非飽和土壤中運移的數學模型,以大連市1976全年的實際降水與蒸發蒸騰強度為邊界條件,計算了水汽在傳統壓實黏土封頂與3種新型ET封頂系統中運移的情況。數值計算結果表明,土層中水分受邊界條件的補給隨土壤深度的增加表現出明顯的“峰值滯后”現象;傳統壓實黏土封頂系統中的壓實黏土層不能有效的得到降水的補給,新型的ET封頂系統能有效的儲存降水,并對阻隔土壤層進行水分補給;ET封頂系統完全可以抵御大連近48年以來的最大強降水的沖擊。值得注意的是,對于ET封頂系統設計方案2,由于在植物生長層與阻隔土壤層之間設置了生物阻隔層,不僅避免了動物對阻隔土壤層的破壞,而且在強降水的過程中起到了排水作用。這種新型ET封頂系統的設計方案在干旱及半干旱地區將得到推廣,并逐漸取代傳統的壓實黏土封頂系統。此研究成果為垃圾填埋場ET封頂系統的建造提供了理論依據。

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