污染物在二層非飽和土中運移過程綜合分析

張金利， 楊 慶， 李志剛， 王麗燕

（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024；2.大連理工大學土木工程學院巖土工程研究所，遼寧大連 116024；3.大連水泥集團有限公司，遼寧大連 116033；4.大連大學信息工程學院，遼寧大連 116622）

0 引 言

研究與分析垃圾填埋場污染物運移問題，一般假設防滲襯里及其下臥土層處于飽和.對氣候條件屬于干旱與半干旱地區，地下水埋藏較深，在地表與地下水位間存在一定厚度的非飽和土層，因此，基于上述假設所進行的污染物運移分析，高估了污染物運移能力.考慮到垃圾填埋場使用年限相對于垃圾生物降解所需時間較短的實際，一般對封閉填埋場中的污染物運移進行分析.處于干旱與半干旱地區封閉后的填埋場，可忽略降雨入滲對垃圾含水量的影響.因此，垃圾含水量僅與初始填埋時的含水量有關.采用壓實黏土襯里進行防滲的填埋場（實際上，復合防滲結構也包含有一層壓實黏土層，本文僅考慮單一壓實黏土襯里），黏土襯里處于非飽和土層與垃圾堆體間，在垃圾自重作用下，發生固結排水，由此可推斷，黏土襯里長期處于非飽和狀態.由此可見，填埋場污染物將通過非飽和黏土襯里、非飽和下臥土層，最后進入含水層.一般認為，污染物在非飽和土層中的運移機制包括對流、彌散及地球化學反應，由此建立的污染物運移控制方程因包含有非飽和滲流，為非線性方程，其中參數確定較復雜.大量研究表明，黏土礦物可吸附污染物，相應的吸附參數可采用間歇試驗或土柱試驗確定.然而，非飽和黏土礦物對污染物的吸附參數無法采用常規試驗確定，一般假設非飽和土對污染物的吸附與飽和土相同.

本文假設填埋場下部包含有非飽和壓實黏土襯里（CCL，compacted clay liner）、下臥土層、含水層三層結構體系，在穩態滲流條件下，基于污染物在非飽和土中的運移機制，建立污染物在包含有兩層非飽和土層與含水層的三層結構體系中的一維運移計算模型.在計算模型中分別考慮CCL與非飽和土層的非線性吸附特性、生物降解特性、非飽和特性等因素.以所建立的一維計算模型，對某一假想填埋場污染物運移問題進行具體計算與分析，通過變動參數分析，探討各種因素對污染物運移過程的影響.

1 非飽和土滲流

基本假設：（1）填埋場下部具有層狀土層，分別為非飽和CCL、非飽和下臥土層、含水層等，如圖1所示；（2）各土層均為均質、各向同性.采用Richards方程描述非飽和滲流，對于一維非穩態問題可表示為

圖1 填埋場下部結構示意圖

Fig.1 Schematic cross section of soil layers beneath landfill

非飽和土的滲透系數可表示為

當滲流達到穩態時，式（1）可簡化為

分別將式（2）、（3）代入式（4），可得到

式（5）為常微分方程，其通解為

假設CCL和下臥土層的體積含水率均服從上述方程，并分別以下標1、2表示，則體積含水率可表示為

式中：c1、c2、c3、c4為待定常數；α1、α2為CCL和下臥土層參數，可由試驗確定.

為確定式（7）中的待定常數，需要給出相應的邊界條件.當給定CCL的頂部含水率θ1t，下臥土層的底部含水率為θ2b.CCL與下臥土層在z＝h1處接觸，在接觸面上需要滿足流量與吸力連續條件，可表示為

將式（8）代入式（7）中，可確定待定參數c1、c2、c3、c4為

式中H可用隱函數表示為

由此可得到兩層土在穩態滲流條件下的含水率在空間上的分布函數.

當采用圖1所示的坐標系時，Darcy速度可表示為

將式（7a）、（7b）代入式（10），可得到

2 污染物運移控制方程

污染物在非飽和土中運移機理為對流、彌散和地球化學反應.假設非飽和土層中的滲流為穩態條件，依據質量守恒可得到污染物在非飽和土中運移的控制方程：

式中：ci為污染物濃度；ρi為土的密度；Si為土顆粒吸附污染物的濃度；B（c）為生物降解反應函數；i＝1，2，分別表示CCL和下臥土層.

土顆粒對污染物的吸附特性可分為線性與非線性［1～9］，當采用Langmuir等溫吸附線方程表示非線性吸附時，可表示為

污染物運移過程中可發生生物降解反應，并假設反應為一級時，可表示為

式中：k1、k2、λ分別為吸附強度、吸附能力、降解參數.

聯立式（12）～（14）可建立污染物在包含有多層非飽和土結構體系中運移的控制方程.在控制方程中分別考慮土顆粒的不同吸附特性及污染物運移過程中的生物降解特性.

為求解上述控制方程，需要依據特定問題給出相應的初邊值條件及層間連續條件.

填埋后的垃圾，在一定條件下，可發生生物降解反應而生成各種污染成分，垃圾填埋場相當于一個生化反應器.考慮到CCL與滲濾液直接接觸，該面（圖1所示坐標，z＝0）為污染物入口邊界，為應用所建立的多層體系模型，在該面上，需給出邊界條件與初始條件.由于該面上的污染物分布與填埋場垃圾生物降解有關，且隨時間變化，而且由于垃圾成分復雜，生物降解生成污染物的種類、數量等受多種因素控制，準確預測滲濾液中某種污染物濃度變化較為困難.試驗研究表明，滲濾液中某種污染物的濃度變化基本符合隨時間的指數衰減規律［10～13］，在z＝0處的邊界條件可表示為

式中：c0、k、m為垃圾降解參數，由試驗確定.

假設所分析的填埋場在計算時刻尚未對環境產生污染，同時不考慮污染物的環境背景值，初始條件可表示為

CCL與下臥土層交接面（z＝h1）為層間接觸面，該面需保證流量與污染物質量通量連續條件，可表示為

對于所建立的污染物一維運移計算模型，需要給出相應的底部邊界條件.這里將含水層作為一個邊界條件給出，上述處理方法，實際上隱含含水層底部為隔水邊界.采用這種方法處理，高估污染物對含水層的影響，計算結果偏于安全.設含水層厚度與孔隙率分別為ha與na，含水層中污染物濃度為ca.由下臥土層進入含水層的污染物質量通量為fin，填埋場平均長度與寬度分別為L和W.在含水層僅考慮污染物的對流傳質，忽略其他機制的影響，在含水層應用質量守恒定律可得到

3 計算結果與討論

應用所建立的計算模型，對某一假想填埋場進行具體計算.假設填埋場長度為200 m，垃圾降解參數分別為c0＝1.342 886 97，k＝0.999 86，m＝50.填埋場底部為CCL、下臥土層、含水層三層結構，其厚度分別為h1＝2 m，h2＝8 m，ha＝1 m.含水層地下水滲流速度va＝10 m／a.所給出的計算結果為污染物運移時程曲線，并以相對濃度給出，以c、ct、ca表示.

3.1 生物降解影響分析

在考慮CCL與下臥土層具有非線性吸附與非飽和特性下，分以下3種情況進行具體計算.（1）考慮污染物在運移過程中存在生物降解反應，相應降解參數分別取λ1＝0.5，λ2＝0.5；（2）不考慮污染物運移過程中的生物降解反應，即λ1＝0，λ2＝0；（3）僅考慮污染物在CCL運移的生物降解反應，即λ1＝0.5，λ2＝0.計算結果如圖2所示.

圖2 生物降解對污染物運移影響Fig.2 Effect of bio－degradation on contaminant migration

由圖可見，當同時考慮污染物在CCL與下臥土層運移過程中存在生物降解反應時，因土顆粒吸附一定數量的污染物，同時因生物降解而消耗一定數量污染物，使得液相中的污染物濃度下降，因而表現為污染物穿透CCL的能力顯著下降.在污染物運移中，考慮生物降解僅存在于CCL中，忽略下臥土層的生物降解反應，污染物穿透能力反而增強，表明吸附與生物降解降低液相污染物濃度，導致液相污染物濃度梯度增加，因此，彌散傳質能力增強.彌散傳質的一個顯著特點為污染物穿透能力較強，即穿透曲線峰值前移，曲線尖銳，所給出的計算結果符合上述特征.當僅考慮下臥土層的生物降解特性時，生物降解反應不僅可顯著降低污染物在下臥土層與含水層中的濃度，而且可降低CCL中的污染物濃度，表明下臥土層的生物降解特性對污染物在三層體系中運移起控制作用.由圖可見，在具有CCL、下臥土層及含水層三層結構體系中，且CCL與下臥土層處于非飽和狀態下，當同時考慮吸附與生物降解兩種效應時，污染物經CCL與下臥土層而進入含水層中的能力顯著下降，表明3種效應的共同作用，可有效控制填埋場污染物對地下水的影響.

3.2 生物降解與吸附影響分析

在CCL與下臥土層處于非飽和狀態下，針對以下情況進行對比分析.情況1：不考慮CCL與下臥土層的生物降解與吸附特性；情況2：不考慮CCL與下臥土層的生物降解特性，僅考慮CCL吸附特性；情況3：考慮CCL與下臥土層的吸附特性，不考慮兩層土的生物降解特性；情況4：考慮CCL與下臥土層的吸附特性與生物降解特性.對以上4種情況進行具體計算，計算結果見圖3.

對比分析情況1與情況4，由圖可見，當不考慮吸附與生物降解時，穿透曲線可在較短時間內達到峰值，穿透曲線尖銳，污染物的穿透能力較強.若在污染物運移過程中，同時考慮吸附與生物降解效應，在兩種機制的共同作用下，穿透曲線變得較為平緩，達到峰值所需時間較長，峰值較小，污染物的穿透能力顯著下降.兩種情況的穿透曲線峰值之比為8，相差較大，由此表明，吸附與生物降解為污染物在多層非飽和土層中運移的控制因素.對比情況1與情況2，CCL吸附所產生的遲滯效應與降低污染物濃度的能力較強，因此，CCL的吸附效應為控制污染物運移的重要因素.情況1、3、4穿透曲線峰值依次為0.8、0.4、0.1，吸附與生物降解可降低峰值0.7，吸附可降低峰值0.4，生物降解可降低峰值0.3，可見吸附與生物降解效應在污染物運移過程中所發揮的作用接近，相對而言，吸附降低污染物濃度的能力略大.需要指出，CCL的工程特性及理化特性可人為控制，特別是吸附特性可通過改良黏土而達到.由本文的數值算例可知，在包含有兩層非飽和土的三層結構體系中，吸附與生物降解可顯著降低污染物濃度，為污染物運移過程中的重要控制因素，而吸附的作用較生物降解更為明顯.

圖3 生物降解與吸附對污染物運移的影響Fig.3 Effect of both sorption and bio－degradation on contaminant migration

3.3 飽和度、吸附特性、生物降解影響分析

研究表明［14～17］，在多層結構體系中，非飽和土的飽和度對污染物運移過程具有顯著影響.前兩節已分別探討了生物降解與吸附對污染物運移過程的影響.為進一步比較非飽和土飽和度、吸附特性、生物降解三者對污染物運移的影響，在此將三者進行不同組合，分以下幾種情況進行分析.情況1′：取CCL頂部含水率θ1t＝0.3，下臥土層底部含水率θ2b＝0.3，不考慮CCL與下臥土層的吸附與生物降解特性；情況2′：取θ1t＝0.2，θ2b＝0.2，不考慮CCL與下臥土層的吸附與生物降解特性；情況3′：取θ1t＝0.3，θ2b＝0.3，考慮CCL與下臥土層的生物降解特性，取λ1＝λ2＝0.05，考慮CCL的非線性吸附特性（k11＝0.5，k12＝1.0），不考慮下臥土層的吸附特性；情況4′：取θ1t＝0.2，θ2b＝0.2，考慮CCL與下臥土層的生物降解特性，取λ1＝λ2＝0.05，考慮CCL的非線性吸附特性（k11＝0.5，k12＝10.0），不考慮下臥土層的吸附特性.針對以上4種情況進行具體計算，計算結果如圖4所示.

圖4 飽和度、生物降解與吸附對污染物運移的影響Fig.4 Effect of degree of saturation，bio－degradation and sorption on contaminant migration

對于處于非飽和狀態下的CCL與下臥土層，當同時降低CCL與下臥土層的含水率時，非飽和土含水率變化對污染物在多層結構體系中的運移影響不大，其主要原因在于，在計算參數選取時，考慮CCL含水率在最優含水率附近變動，因此，CCL含水率已接近飽和狀態.對比情況2′與4′發現，吸附與生物降解可顯著影響污染物在多層體系中的運移.當同時考慮非飽和土的飽和度、吸附與生物降解特性時，污染物穿透能力顯著降低，表明吸附與生物降解為污染物在多層結構體系中運移的控制因素.

4 結 論

（1）在包含有非飽和土的多層體系中，當下臥土層較厚時，在吸附與生物降解共同作用下，污染物對含水層影響較小，有利于控制填埋場污染物對地下水的影響.

（2）污染物在非飽和CCL與下臥土層運移過程中的生物降解反應，可有效降低污染物的穿透能力，特別是CCL的吸附與生物降解特性對于控制污染物運移具有顯著作用.

（3）在包含有非飽和CCL與下臥土層的多層體系，當體積含水率接近最優含水率時，非飽和土體積含水率變化對污染物運移影響較小.

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