好氧修復條件下填埋場沉降模型研究*

厲江鋒，陳朱蕾，胡朝輝，曹 麗，唐 睿，趙文閥

（1.深圳市中蘭環保科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

好氧修復條件下填埋場沉降模型研究*

厲江鋒1，陳朱蕾2，胡朝輝2，曹 麗1，唐 睿1，趙文閥1

（1.深圳市中蘭環保科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

通過武漢市金口生活垃圾填埋場好氧修復工程案例研究，對比分析Sower模型、Park生物降解沉降模型、Ling雙曲線模型和Yen對數沉降模型的適用性，采用模型參數擬合的方式分析比較了各沉降模型的參數，并采用適宜的沉降模型對本工程案例沉降進行預測。結果表明：生物降解沉降模型相對于其他模型更適用于好氧修復過程沉降預測；Sower模型中Cae參數在好氧修復區為0.004～0.0013，封場區為0.002～0.003。生物降解沉降模型中k參數在好氧修復區范圍為0.6～2.1，封場區為0.15～0.45；填埋各區動態沉降速率達到小于5 cm/a需要的時間分別為1.52、1.54、0.15 a，滿足場地利用標準。

填埋場；好氧修復；沉降模型；沉降預測；參數擬合

近幾年好氧修復技術得到了廣泛的關注，學者也對其進行了廣泛的研究，但是對修復過程中產生的沉降行為的相關系統研究尚未開展。沉降是導致填埋場修復工程安全的主要原因之一，是評判場地修復后利用途徑的限制因素之一，也是衡量場地修復是否達到穩定化的技術指標之一。現有的沉降模型大多是基于不同的沉降理論或者假設的情況下建立的，其模型的適用性具有較大的填埋場類型的選擇性［1］，需要對不同類型的填埋場進行模型比較研究，以確定沉降模型和模型參數的選取。在沉降模型的比較研究中，已有學者進行了很好的探索，Fadel等［2］、Park等［1］、Ling等［3］、張蓮等［4］均對沉降模型進行了比較研究，并取得一定的成果。現有的降解沉降模型建立方法或是借鑒傳統土力學沉降模型建立方法或是先從有機質降解機理出發得到有機質質量降解規律，然后通過質量損失與體積損失關系計算到沉降，或是直接以經驗公式形式給出沉降與時間的數學關系式。如：Sower（1973）首次提出了基于土壤動力學基礎的填埋場次壓縮沉降模型；Park和Lee提出了生物降解沉降模型［5］；Ling等提出了預測填埋場長期沉降的雙曲線模型［4］；Yen和Canlon等建立了一個對數沉降模型［6］。常用的沉降模型如表1所示。

表1 常用的填埋場沉降模型

在研究沉降機理的基礎上，對上述4個典型的沉降模型進行分析和比較，依據本工程案例對模型的適用性進行比較，并得出模型的相關參數，并對工程案例的沉降進行預測，分析和比較各模型的預測結果。

1 材料和方法

1.1 工程背景介紹

2012年，金口垃圾填埋場所在區域被選定為2015年武漢第10屆中國國際園林博覽會主會場。金口垃圾填埋場生態修復治理的目標是達到GB/T 25179—2010生活垃圾填埋場穩定化場地利用技術要求［7］中規定的高度利用要求，其中對堆體沉降的要求是：沉降速率＜5 cm/a。

1.2 場地概況

金口垃圾場位于漢口西北郊張公堤外側，1989年啟用，2000年重新進行設計并擴大處理規模，于2005年6月關閉。截至封場時填埋垃圾量累計約為5.0×106m3，填埋場使用期間主要填埋的是生活垃圾和少量的建筑垃圾，

根據填埋場各區域的垃圾填埋時間、堆體特征、堆體穩定化程度等，將垃圾填埋場分成了4個邊界明確的區域。分區情況如圖1所示。填埋場各區域的基本情況如表2所示。各填埋區垃圾的理化性質如表3所示。

圖1 金口垃圾填埋場分區情況

表2 填埋場分區基本情況

表3 各填埋區垃圾的理化性質

1.3 修復工程介紹

本工程中一區和二區采用的是原位好氧修復技術，四區采用的是封場修復技術。其中好氧修復區相關工程建設與運行如表4所示。

表4 好氧修復區相關工程實施建設與運行

1.4 監測數據

在好氧修復區各項指標的監測通過檢測井內設置專用儀器儀表，監測井中安裝有溫度傳感器和氣體采樣接口。主要的監測項目有：垃圾填埋場的溫度、垃圾填埋氣中氧氣濃度、甲烷濃度、二氧化碳等。監測期間共得到有效表面沉降監測點33個，其中一區15個，二區11個，四區7個。

好氧修復區在第8周左右開始沉降，為了進行比較，封場區沉降開始時間設置為第8周。各填埋區沉降量比較如圖2所示，從沉降曲線的斜率可知在沉降開始階段填埋體沉降的速度較快，隨后逐步變慢。好氧修復區沉降量明顯大于厭氧封場區，而且對于同樣處于好氧修復區的一區和二區的沉降過程也是有差異的。填埋一區在監測時間內沉降了38.68 mm，約占堆高的0.42%；填埋二區在監測時間內沉降了237.29mm，約占堆高的1.58%；填埋四區在監測時間內沉降了97.83 mm，約占堆高的0.75%。

圖2 各填埋區在監測期間的沉降過程

2 結果與討論

2.1 沉降模型的研究

通過參數擬合對填埋一區、二區、四區平均沉降數據進行擬合，擬合效果如圖3～5所示。

圖3 填埋一區模型擬合

圖4 填埋二區模型擬合

圖5 填埋四區模型擬合

對各模型的擬合參數及模型擬合的相關系數整理如表5所示。從表5可以看出，各模型的擬合程度都比較高，各填埋區擬合的參數相對來說差距不大。從各模型擬合過程的相關系數比較來分析各模型的適用性可得到：按不同填埋區對比可知，生物降解沉降模型對各填埋區擬合效果最好；按不同模型對填埋區的總體擬合參數比較也得出生物降解沉降模型優于其他模型。按各模型對各填埋場沉降擬合效果比較可知，各模型的適用性從大到小為生物降解沉降模型＞雙曲線模型＞對數沉降模型模擬＞Sower模型。

表5 各模型擬合數據及對應相關系數

然而生物降解沉降模型在擬合填埋四區的沉降數據時得到的k值大于一、二區，k的物理意義是降解沉降系數，生物降解高的區域k值越大，而表5呈現相反的情況，所以填埋四區的沉降過程需要重新進行分析。因為四區的沉降是有應力壓縮沉降和降解沉降共同組成，所以得到的降解沉降系數含有應力壓縮的沉降系數。而在利用Sower時Cae沒有出現上述的現象，可見Sower模型既可作為降解沉降模型，也比較適用于應力壓縮情況下的沉降過程。將填埋四區的沉降分為應力壓縮沉降和降解沉降2個部分，并對后半段采用生物降解沉降模型進行擬合，如圖6所示。得到相應的參數和相關系數。

圖6 填埋四區沉降修正擬合

2.2 模型參數的研究

由于雙曲線模型和對數沉降模型都屬于經驗模型，而且模型的參數設置沒有考慮到填埋場的基本屬性如堆體的高度，所以對不同堆高的填埋場其模型的參數沒有參考價值，故不對其進行比較研究。

對各填埋區不同沉降觀測點的數據擬合得到的模型參數值進行統計分析，得到可信度較高的取值范圍。修正后的擬合參數范圍如表6所示。

表6 修正后擬合參數值與文獻參考值比較

從表6可以看出，本文推薦的參考值范圍較小，且參數符合生物降解的規律。從表6還可以看出，其他學者在對模型的參數進行研究得到的參數范圍較廣，而且各學者得到的參數范圍相差較大，從而可知針對不同類型的填埋場其參數值有很大的差異，所以有必要對不同類型填埋場的典型參數值進行研究。

2.3 沉降預測

利用上述4個模型分別對本工程填埋場的沉降進行預測，預測的時間至沉降開始第5年，以分析各模型在沉降預測上存在的差異，并根據預測結果的分析得出填埋場可能的預測沉降值。

填埋一區、二區和四區的沉降結果預測如圖7所示。

圖7 各填埋區沉降預測

從圖7a可以看出，各模型對沉降的預測結果差異較大，其中對數沉降模型預測的值最大，且預測的沉降趨勢不符合有機質生物降解規律，故該模型對沉降的預測誤差較大。雙曲線模型、Sower模型和生物降解沉降模型預測的沉降預算均符合有機質生物降解規律，且預測的沉降值從大到小分別是雙曲線模型＞Sower模型＞生物降解沉降模型。從模型預測的沉降達到穩定的時間來看，生物降解沉降模型用時最短，該模型預測的結果顯示填埋一區在沉降開始的第2年就趨于穩定，最終沉降在0.148 m左右。

從圖7b中可以看出，各模型預測的沉降趨勢均符合有機質的生物降解規律，而且沉降預測的結果差距較小。其中對數沉降模型在第4年沉降量為0.55 m并趨于穩定，生物降解沉降模型在第2年沉降預測值為0.32 m并趨于穩定，而雙曲線模型和Sower模型對沉降的預測值還呈上升趨勢。

對圖7c中對數沉降模型預測出現的錯誤進行分析，因為該模型擬合得到的m、n參數分別為0.0115和0.0764，而該模型的應用要求t≤10n，代入上式中可知在時間t應小于1.414，所以該模型在預測沉降時發生錯誤。雙曲線模型和生物降解沉降模型預測的沉降值趨于穩定，并分別在第3年達到0.056 m和第2年達到0.042 m。而Sower模型預測的沉降值依然成增大的趨勢。根據修正后的沉降數據擬合得到的修正生物降解沉降模型預測結果可以看出，雙曲線模型預測的趨勢與修正生物降解沉降模型預測的趨勢基本一致。

以生物降解沉降模型預測的沉降值為標準，對另外幾個模型預測值進行分析。可知在好氧修復區，沉降主要是由有機質降解引起的，對數沉降模型、Sower模型和雙曲線模型預測的沉降值偏大。而對于填埋四區，即應力沉降和生物降解沉降同時發生的區域，雙曲線模型對預測的表現最好。以生物降解沉降模型預測值為參考，填埋一區的最終沉降為0.192 m，填埋二區的最終沉降為0.33 m，填埋四區的最終沉降為0.057 m。

采用生物降解沉降模型對各填埋區的動態沉降速率進行預測，預測結果如圖8所示。

根據本項目中要求達到的修復目標，即沉降速率＜5 cm/a。根據圖8所示，可知各填埋區達到此修復目標的時間分別是1.52、1.54、0.15 a。

圖8 填埋各區動態沉降速率

3 結論

3.1 不同條件沉降比較研究

通過工程案例中好氧修復區與傳統厭氧封場區沉降過程比較研究，發現在好氧修復區（一區、二區） 的沉降主要是由于生物降解引起的，而傳統厭氧封場區（四區）的沉降主要是由瞬時壓縮沉降和生物降解沉降組成的，前者沉降量明顯大于后者，好氧修復區沉降量為封場區的3～6倍。

3.2 不同生物降解沉降模型比較及沉降預測研究

通過對現有沉降模型進行定性和定量對比研究，定性研究結果表明生物降解沉降模型為最適宜的生物降解沉降模型；定量研究結果表明，各模型的擬合效果都較高（R2＞0.97），按模型擬合得到的相關系數表示模型適用性，其適用性如下排列：生物降解沉降模型＞雙曲線模型＞對數沉降模型＞Sower模型。

3.3 參數范圍確定

通過對沉降數據進行擬合，得到沉降模型的參數范圍，其中Sower模型Cae在好氧修復區為0.004～0.001 3，封場區為0.002～0.003。生物降解沉降模型k值在好氧修復區范圍為0.6～2.1，封場區為0.15～0.45。根據以上參數，可以使用沉降模型準確地預測填埋場修復達到要求所需要的時間。

3.4 沉降結果預測

根據模型對本工程案例沉降進行預測，結果表明：填埋一區的最終沉降為0.192 m，填埋二區的最終沉降為0.33 m，填埋四區的最終沉降為0.057 m。填埋各區動態沉降速率達到＜5 cm/a時間分別是1.52、1.54、0.15 a。

致謝

感謝長江勘測規劃設計研究有限責任公司和第10屆園博會堆山工程安全監測項目部提供本論文數據。

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Landfill Settlement Model under Aerobic Restoration

Li Jiangfeng1，Chen Zhulei2，Hu Chaohui2，Cao Li1，Tang Rui1，Zhao Wenfa1
（1.Shenzhen GAD Environmental Technology Co.Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000；2.School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074）

Base on case studies of Jinkou aerobic landfill restoration project in Wuhan，we compared and analyzed the applicability of Park model（biodegradation settlement model），Ling model（hyperbolic model），Yen model（Logarithmic sedimentation model）and Sower model by parameter fitting，then selected the most suitable model to predict the landfill settlement in thisproject.The main resultswere asfollows:biodegradation settlement model ismore applicable than others.In Sower model，Caeparameter was0.004～0.001 3 in aerobic remediation site，0.002～0.003 in closure site separately.In biodegradation settlement model，parameter k was 0.6～2.1 in aerobic remediation site，0.15～0.45 in closure site correspondingly.The time of dynamic settlement rate from background rate to less than 5 cm/a was 1.52，1.54 and 0.15 years in different subarea in Jinkou landfill respectively and they all satisfied with the requirementsofarea utilization.

landfill；aerobic restoration；settlement model；settlement prediction；parameter fitting

X705

A

1005-8206（2017）01-0012-05

厲江鋒（1984—），市政工程工程師與建造師，主要從事廢物管理與填埋場生態修復。

E-mail：lijiangfeng@gad.net.cn。

陳朱琦（1975—），副教授，博士生導師，研究方向為環境污染物控制與治理，固廢處置與資源化的研究。

E-mail：zqchen@hust.edu.cn。

深圳市科技研發資金（CXZZ20140827140608183）；老生活垃圾填埋場生態修復技術規范編制研究（建標【2012】5號第115項）

2016-11-22