城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究

项目名称：城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究首席科学家：起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部 浙江省科技厅一、关键科学问题及研究内容（一）本项目研究拟解决以下三个关键科学问题（1）城市固废物-化-生相变及固液气相互作用我国城市固废组成复杂、有机物及含水量高，填埋体生化、液气环境多变，导致生化相变过程十分复杂，这是产生城市环境灾害的根源。通过液气运移改善生化降解环境是实现污染物减量化、填埋气资源化的关键途径。因此，城市固废物生化相变及固液气相互作用是实现城市环境灾害源有效调控的关键科学问题。在填埋场复杂环境下，城市固废可降解有机物和可溶态无机物会发生耦联的生物、化学反应，部分固相转化为可迁移的液相和气相，引起骨架结构变化及力学、液气传导等工程特性衰变，并产生富含重金属、有机污染物的渗沥液及富含温室气体CH4、CO2的填埋气，生化相变产生的液气在填埋体内固-液-气-化-热耦合作用下相互驱替、耦合运移。通过该科学问题的研究，揭示城市固废生化相变机理及效应，获得最佳降解环境，建立生化相变过程动力学模型，揭示液气运移规律，发展液气调控降解环境的方法，科学描述力、液、气、热时空分布，是填埋体快速降解及城市环境灾害源主动调控的基础。（2）填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化为节约土地资源，我国填埋场将向高、大、陡和大型集约化方向发展，现有填埋场高度已超过100m，一旦发生失稳流滑灾害，将造成严重的生命财产损失。而且，流滑灾害同时致使有毒性渗沥液和填埋体大面积泄露，直接造成严重的城市区域地表环境污染。我国城市固废组成松散、容重较低、生化相变导致工程性质随时空变化显著；另一方面，我国是多地震国家，近年来极端气候频发，地震、强降雨及液气调控均可能导致填埋场失稳流滑。因此，开展填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化的研究，是城市固体废弃物安全填埋亟待解决的关键科学问题。填埋体局部处于高液气压力下，在外界因素（如强降雨、渗沥液回灌、地震等）作用下，极易引起液气压力的进一步上升而造成局部灾变（包括液化、塑性破坏、物理和化学爆炸、管涌等），由此引起的应力场、渗流场重分布导致灾变渐进演化，并最终诱发填埋体发生滑坡，在一定场地条件下，甚至演化为流滑。通过该科学问题的研究，建立典型城市固废静、动力本构模型，揭示不同触发因素和高液气压力条件下填埋场的破坏机理及演化机制，揭示流滑产生机理，建立基于破坏模式的稳定评价和流滑灾害评估方法，为填埋体失稳预警预报和灾害评估、安全防控提供科学依据。（3）填埋场液、气和污染物击穿屏障机理我国城市固体废弃物填埋场渗沥液渗漏事故屡次发生甚至长期污染周边地下水土环境，填埋气及其携带的痕量污染物可能在城市大气环境中扩散造成城市空气污染，加剧温室效应。填埋场防污屏障和覆盖屏障是阻隔污染源（渗沥液、填埋气）向周围环境传播的最重要防线。液气污染物在渗流场、浓度场作用下击穿屏障过程中，产生渗流-扩散、吸附-解吸、氧化-还原及降解等作用，当屏障在长期服役过程中产生薄弱环节（粘土开裂，土工膜破洞）时，产生优势流击穿屏障。污染物击穿屏障后，将在城市地下环境和大气环境中迁移扩散。通过该科学问题的研究，揭示土颗粒与污染物间界面的物理、化学及生物相互作用机理，揭示液、气和污染物击穿屏障及优势流产生机理，建立填埋场屏障长期服役性能的评价方法，为填埋场污染城市环境预警预报奠定基础。（二）项目主要研究内容围绕上述关键科学问题，展开三个层面的研究：(1) 机理层面：城市固废生化相变效应、不同触发因素和高液气压条件下填埋场的失稳和流滑机理、土颗粒与污染物间界面的多因素相互作用机理及液、气和污染物击穿填埋场屏障机理；(2) 理论与方法体系层面：建立营造填埋体最优降解条件的液气运移系统化调控方法，发展各种失稳破坏模式的分析方法，建立填埋场屏障长期服役性能分析方法，建立填埋体城市环境灾害的预警和预报方法；(3) 应用层面：以北京、上海和成都等不同地理区域和不同阶段填埋场为示范工程和试验基地，现场验证并完善填埋场城市环境灾害机理和可持续防控体系。具体研究内容如下：（1）城市固废物-化-生相变及填埋体多场相互作用针对我国城市固废的特点，研究不同降解环境下城市固废生化相变机理，测试与分析相变过程中微生物、物化条件与固相质量损失的交互关系，揭示液、气和污染物产生规律，建立生化相变全过程动力学模型；研究相变过程中城市固废工程特性的衰变规律，建立降解龄相关的液气传导本构模型及应力-应变本构模型。研究多场耦合作用下填埋体内渗沥液、填埋气运移与分布规律，建立填埋体非线性固-液-气-化-热相互作用瞬态模型，揭示液气时空分布对填埋体污染物运移及演变与沉降的影响规律，建立营造填埋体最优降解条件的液气运移系统化主动调控方法。（2）填埋场失稳流滑机理及灾害评估方法研究不同生化相变状态下城市固废静动力特性、多场环境下典型屏障界面的强度特性，建立静、动力本构模型。研究高液气压条件下填埋场失稳模拟方法，综合运用模型试验及数值模拟的手段，揭示不同触发因素（地震、渗沥液回灌等）下填埋场的破坏机理及演化机制，建立填埋场渐进失稳破坏过程的分析理论和方法；研究填埋体从失稳破坏演变为流滑的机制，建立典型城市固废的流态化本构模型和边界效应的表征方法，揭示流滑机理、气涌对失稳和流滑机制的影响及城市地貌条件下的场地效应。发展填埋场库容最大化的稳定控制措施与分析方法，建立城市固废稳定安全评价及流滑灾害评估体系，提出填埋体失稳流滑的液气压力预警标准。（3）液、气和污染物击穿屏障机理及液气污染控制在颗粒尺度研究液气污染物（如重金属及有毒有机物）在填埋场屏障中的渗流-扩散、吸附-解吸、氧化-还原及降解等机理；研究应力、温度、水头及浓度等多场耦合作用下重金属和有机污染物在土质防污屏障中的击穿机理，获得基于击穿时间、渗漏量及底部浓度等指标的屏障长期服役性能评价方法，研究重金属及持久性有机污染物在区域地质环境中的迁移转化规律。研究极端气候条件及长期气候条件下土质覆盖屏障液气击穿机理，建立非饱和土液气热耦合模型，提出填埋场屏障性能评价指标（液气污染物击穿时间、雨水入渗量及填埋气逸出量）及其计算方法。（4）填埋场服役性能模拟、灾害评估及可持续防控研究填埋场覆盖屏障、填埋体、导排系统、防污屏障、近场城市环境（地质、地貌和空间环境）等系统之间的液、气、热、污染物的传递过程，揭示各系统之间的协同工作机理，建立填埋场城市环境灾害过程仿真平台；研究填埋场失稳流滑过程中城市地貌和空间环境引起的场地效应和城市水文地质条件对填埋场渗沥液在地下环境中运移的影响规律，明确填埋场灾害的城市效应。研究填埋体失稳流滑和城市区域环境污染的控制标准及动态监测方法，建立填埋场环境灾害的预警和预报系统；研究液气调控、覆盖屏障和防污屏障三位一体的主被动控制方法，实现增容节地、渗沥液及有害气体减量。将研究成果应用于地域和气候跨度明显的多个新建和在役填埋场工程，实现在役填埋场的城市环境灾害评估及有效治理和新建填埋场的可持续填埋。二、预期目标针对我国城镇化快速推进过程中城市固体废弃物无害化、减量化、资源化填埋的重大战略需求，通过本项目研究，积累我国城市固废工程特性及填埋场灾变调控的基础数据，揭示填埋场城市环境灾害孕育机理和时空演化规律，建立环境土工学理论，提出填埋场灾变从被动控制到主动调控的可持续防控理论体系和方法，为新建填埋场的选址、设计、运营提供关键理论和方法，为在役填埋场城市环境灾害评估和治理、渗沥液减排和填埋气利用提供科学决策依据。本项目拟在三个基础理论上取得突破：（1）突破岩土力学中仅考虑固、液、气三者相互作用的经典理论，建立城市固体废弃物固-液-气-化-热相互作用及工程效应理论；（2）建立液气诱发填埋体静动力失稳流滑理论，实现填埋体失稳流滑灾变研究从单一水力诱发到液气耦合诱发的突破，为失稳流滑灾害的液气压力联合调控方法提供理论支撑；（3）建立多场作用下污染物在土质屏障中长期传导理论，揭示其击穿机理，促进创新型屏障的研发。通过基础理论的突破，提出填埋场城市环境灾害评估和可持续防控方法，包括：渗沥液减量、填埋气高效收集、填埋量显著增加的液气调控方法；大型集约化填埋场失稳流滑评价方法及控制标准；填埋场覆盖屏障、填埋体、导排系统、防污屏障及其与城市环境等多系统之间的协同作用分析方法；填埋场城市环境灾害预警方法及相应的生化环境、液气压力和全寿命服役屏障的调控方法。利用上述方法缩短填埋场灾变负荷持续时间、降低渗沥液浓度和产量、提高填埋气收集率及单位土地面积填埋量，显著提高填埋场三大城市环境灾害防控水平。通过示范工程验证，总体指标达到发达国家水平。通过项目的实施，在固体废弃物填埋研究领域取得一批具有国际影响的研究成果，培养博士后、博士生和硕士生100名，为国家培养一批从事固体废弃物填埋处置的青年学术带头人和研究骨干，凝聚和培育国内一批高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队，争取培养国家杰出青年基金获得者1人、培养国家优秀博士学位论文或提名论文获得者1人以上。建立以单元体试验、大型多场耦合模型试验和超重力离心模拟试验为特色的环境土工研究创新基地，为我国填埋场城市环境灾害研究的持续发展奠定基础。在国内外核心学术期刊发表论文200篇以上，其中SCI收录论文80篇以上、有重要国际影响的论文40篇以上、科普论文2篇以上，出版著作6部，组织高水平国际会议12次，编写填埋场城市环境灾害防控相关的国家标准或指南1部，申请发明专利20项，申请软件著作权5项。三、研究方案1. 学术思路本项目紧密围绕城市固体废弃物填埋场环境灾害致灾机理、灾害评估及可持续防控这一核心问题，从基本理论与方法、关键科学问题、创新理论与方法、科学体系四个层次开展研究工作。基于多学科交叉与系统的研究手段和方法，深入研究城市固体废弃物生化相变动力学等基本机理与填埋场液气调控等基本方法，解决城市固体废弃物生化相变及固液气相互作用、填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化、填埋场液、气和污染物击穿屏障机理三大关键科学问题，进而提出填埋场城市环境灾害创新理论与可持续防控方法，最终建立城市固体废弃物填埋场环境灾害孕育机理与可持续防控理论体系，为我国在役填埋场环境城市灾害评估与治理和新建填埋场可持续防控提供科学依据。2. 技术途径及可行性本项目采用室内实验、模型试验、理论分析、数值仿真和现场试验等多研究手段相结合，在填埋场覆盖屏障液气传导与填埋气污染控制、固体废弃物生化相变及填埋体多场相互作用、填埋场失稳流滑机理及灾害评估方法、填埋场渗沥液污染地下环境及防污屏障四个基本方面开展深入研究并取得突破，为城市固体废弃物填埋场环境灾害有效防控和可持续填埋技术实现提供坚实基础。形成一套城市固体废弃物填埋场灾害评估、预警和调控，以及长期服役性能模拟和评价结合的科学方法和理论体系，为实现“无害化、减量化、资源化”填埋技术提供理论基础和科学依据。实现上述重大突破的技术途径和可行性如下：（1）自主研发填埋体大型多场耦合模型试验装置，为突破填埋体固-液-气-化-热相互作用及填埋体全时空最优降解环境液气调控方法的研究提供创新性试验手段。填埋体固-液-气-化-热相互作用研究是掌握填埋场灾害机理和实施有效防控的基础，是项目的核心研究内容之一。项目组自主研发的大型多场相互作用模型试验系统（15米长、5米宽、6米高），拥有完备的力、液、气相互作用控制模拟装置（包括降雨入渗装置、内部气压产生装置等）和多物理量监测系统（应力、应变、液气压力等），已成功应用于土木工程多个复杂问题研究。利用该模型系统研究填埋体多场相互作用的最大优势是可模拟填埋体内导排设施（如立体导排系统）调控渗沥液与填埋气分布。在原试验系统基础上，结合TDR含水量测试技术、稳定同位素示踪技术等现代测试方法，开发填埋体固-液-气-化-热相互作用模拟与测试系统，可实现填埋体多场相互作用及液气系统化调控研究的重大突破。（2）利用多尺度的试验与数值模拟技术，实现填埋体失稳流滑灾变全过程研究的突破。从不同尺度揭示填埋体失稳灾变机理及破坏模式的时空演化规律是填埋孕育城市环境灾害研究的关键。在单元体尺度，采用大尺寸静动力三轴试验仪研究填埋体材料静、动力本构模型与灾变触发机制。在填埋体尺度，基于填埋体材料的静、动力本构模型建立大型数值仿真模型，结合超重力离心模拟开展研究。在流滑体尺度，无网格粒子追踪法等模拟技术能有效模拟土体的大变形流动。这些先进试验和模拟手段为实现填埋体失稳流滑灾变全过程研究的重大突破提供了有力保障。（3）利用超重力离心模拟，突破常重力条件下难以在短时间内重现填埋场防污屏障和覆盖屏障击穿行为及长期服役性能的研究困境，使得新型屏障的科学设计和快速验证成为可能。防污屏障和覆盖屏障是阻隔填埋场污染源（渗沥液、填埋气）向周围环境传播的最重要防线，液、气和污染物击穿屏障过程历时长达几十年，常规室内试验难以全时程模拟该过程，因此得到的试验结果难以反映填埋场全生命周期中屏障的全局特性。超重力离心模拟通过高速旋转，产生ng超重力场，具有“缩尺”和“缩时”效应，使研究长历时渗流污染灾害成为可能。研发气候与环境致灾超重力机载模拟装置，包括气候与环境致灾系统（可模拟温度、水位和污染物浓度及干湿、冷热、冻融等变化）和灾变监测系统（微型TDR、弯曲元和粒子速度图像技术），不仅可观测污染物击穿屏障的过程，更为污染物击穿屏障前的界面行为特性以及污染物击穿屏障后在地下水土体中扩散提供了全过程的再现。从而为实现防污屏障和覆盖屏障击穿行为及长期服役性能研究的重大突破提供了有力保障。3. 创新点和特色（1）通过多学科交叉研究固-液-气-化-热相互作用理论以及灾变源产生、演变规律及系统化主动调控，提出填埋场灾变从被动控制到主动调控的可持续防控理论体系，为填埋场城市环境灾害可持续防控提供科学基础。（2）提出液气诱发填埋体失稳流滑理论，实现填埋体失稳流滑灾变研究从单一水力诱发到液气耦合诱发的突破，为填埋体失稳流滑灾害预警及大型集约化填埋提供关键理论与方法。（3）提出长历时屏障服役性能的离心模型试验方法，建立多场作用下污染物在屏障中长期传导理论，为屏障材料改性、结构优化及全寿命服役提供评价理论和方法。4. 课题设置所设置的六个课题围绕关键科学问题从不同层面、不同角度开展研究工作，各课题间既有一定的独立性，又联系紧密，实现研究内容和工作方式相辅相成，保证了项目的科学性和系统性（见下图）。课题设置及相互之间的联系示意图课题1和课题2是本项目的研究基础。课题1在单元体尺度研究城市固体废弃物生化相变及污染物产生，得到城市固废稳定化水平表征方法、液气污释放规律和最佳降解条件，建立液气传导本构模型及应力-应变本构模型，为课题2液气运移系统化调控提供准则，为课题3稳定分析提供力学模型和参数。课题2在填埋体尺度研究多场相互作用及液气调控，建立填埋体固-液-气-化-热相互作用模型，揭示填埋体内渗沥液、填埋气运移与分布规律，建立液气运移系统化调控方法，实现加速沉降、加速产气、减少渗沥液与污染物产量、促进填埋气资源化的技术目标。课题1和课题2联合解决“城市固废物-化-生相变及固液气相互作用”这一关键科学问题。在课题1、课题2的研究基础上，课题3至课题5分别针对稳定流滑、渗沥液污染、填埋气污染城市环境灾害开展基础性研究，揭示填埋场的城市环境灾变机理和时空演化规律。课题3研究填埋场失稳流滑机理及灾害评估，提出不同破坏模式的触发条件和警戒液气阀值，开展稳定性评价、流滑灾害评估及控制研究，建立基于稳定控制的库容优化理论，提高单位面积填埋量。课题1为该课题提供填埋材料力学模型和参数，课题2为该课题提供力、液、气以及城市固废工程特性的时空分布，支撑考虑填埋龄期的填埋场稳定分析。课题3为课题2年提供警戒水位和气压控制阀值，确保液气运移调控的安全性。课题3解决“填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化”这一关键科学问题。课题4研究填埋场防污屏障击穿机理与服役性能，研发高性能防污屏障材料，建立防污屏障长期服役性能的评价方法及优势流控制方法，实现渗沥液减排，为填埋场选址提供科学依据。课题5研究覆盖屏障液气传导与填埋气污染控制，揭示覆盖屏障击穿机理，提出多功能覆盖屏障设计方法和覆盖屏障服役性能评价方法，实现填埋气减排、渗沥液减产。课题5为课题2提供降雨入渗量，间接影响课题4的水力环境。课题2为课题4提供填埋体稳定化时间，以及界面污染、水力、应力和温度负荷定量依据，并为课题5提供填埋体稳定化时间，以及界面污染、气压与变形负荷定量依据。课题4和课题5联合解决科学问题三“填埋场液、气和污染物击穿屏障机理”。课题6研究填埋场服役性能模拟、灾害评价及可持续防控。通过研究城市固体废弃物填埋场覆盖屏障、填埋体、导排系统、防污屏障及其与城市地质、地貌和空间环境等子系统之间的协同工作机理，对课题1至课题5的研究成果进行系统化集成，建立填埋场服役和灾害仿真平台；实现填埋场各阶段服役状态的动态评估和失稳流滑、渗沥液和填埋气扩散及其导致环境灾害的模拟；建立填埋场多目标的安全服役评价体系和多层次的实时预警系统；基于课题2、课题4和课题5开发填埋场城市环境灾害液气调控、覆盖屏障和防污屏障相结合的主被动控制技术。课题6的研究成果能指导和反馈检验课题1-5的研究。最后将项目研究成果应用于新建和在役填埋场，实现工程验证。课题1：城市固废物-化-生相变及污染物产生 研究内容：(1) 城市固废物-化-生相变全过程动力学机理与稳定化水平表征(2) 城市固体废弃物液、气和污染物释放规律与最佳生化相变条件(3) 城市固体废弃物液气传导特性及其与降解龄的相关性(4) 基于降解龄的城市固体废弃物应力-应变本构模型研究目标：针对我国城市固体废弃物高有机质、高含水量的组分特点，揭示不同环境条件下城市固体废弃物生化相变机理，建立生化相变过程动力学模型，提出城市固体废弃物稳定化水平表征方法（“降解龄”）及指标；从单元体层面揭示城市固体废弃物生化相变所引起效应：渗沥液、填埋气、污染物的释放规律、城市固体废弃物工程特性衰变；提出与降解龄相关联的最佳生化相变条件（加速产气与压缩变形、减少渗沥液和污染物产量）及液气传导和力学本构特性。经费比例：13.2% 承担单位：同济大学、浙江大学课题负责人：邵立明 主要学术骨干：柯瀚、吕凡、周燕国课题2：填埋体多场相互作用及液气调控研究内容：(1) 填埋体固-液-气-化-热相互作用 (2) 填埋体多场耦合作用下液、气、污染物运移与演化规律 (3) 液气时空分布对填埋体沉降影响规律 (4) 填埋场最优生化环境的液气运移调控方法研究目标：获得我国典型城市固废填埋体在不同类型生化环境条件下各灾变源稳定化过程曲线测试数据，提出填埋场稳定化时间计算方法；建立填埋体固-液-气-化-热相互作用理论与数值模拟方法，揭示填埋体内液、气及污染物运移及时空演化规律，提出渗沥液产量、填埋气收集量、填埋体与屏障界面处液、气压力及污染负荷定量分析方法；揭示不同类型生化环境条件下填埋体工程特性衰变规律及填埋体沉降发展规律，提出考虑生化相变效应的填埋场沉降和容量计算方法，获得能加速填埋体沉降的生化环境条件；提出营造填埋体最优生化环境的液气运移调控方法，实现缩短稳定化时间、控制液气压力、降低污染负荷、减小工后沉降的目标。经费比例：16.7% 承担单位：浙江大学、中国科学院武汉岩土工程研究所课题负责人：詹良通 主要学术骨干：薛强、李育超、林伟岸、刘磊课题3：填埋场失稳流滑机理及灾害评估研究内容：(1) 城市固体废弃物静动力学特性及填埋场防污屏障界面软化特征的时变性(2) 液气诱发填埋场失稳机制及控制方法(3) 地震诱发高水位填埋场失稳的机制及分析方法 (4) 填埋场失稳机制的超重力离心模拟(5) 填埋体失稳流滑灾害评估与控制方法研究目标：基于不同降解龄和应力状态，建立城市固体废弃物材料和防污屏障界面的静、动力本构模型，提出填埋体和防污屏障界面灾变（液化、渐进累积破坏）诱发准则；揭示降雨入渗、渗沥液回灌和地震等不同触发因素作用下填埋场破坏模式及其演化机制，实现填埋体失稳流滑灾变研究从单一水力诱发到液气耦合诱发的突破，提出不同破坏模式的填埋场警戒水位、警戒气压，构建基于填埋体稳定控制的库容优化理论和分析方法；揭示填埋体流滑机理；建立描述城市固废流滑运动的本构模型，分析流滑灾害的时空演化规律及近场城市地貌场地效应；提出基于失稳模式的实用稳定评价和流滑灾害评估方法、失稳控制标准及失稳控制对策。经费比例：16.7% 承担单位：同济大学、中国水利水电科学研究院课题负责人：黄茂松主要学术骨干：侯瑜京、黄雨、冯世进、吕玺琳课题4：填埋场渗沥液污染地下环境及防污屏障研究内容：(1) 土颗粒与污染物界面行为及高性能防污屏障材料(2) 多场作用下防污屏障击穿机理及服役性能评价方法(3) 防污屏障长期服役性能及离心模型试验验证(4) 填埋场城市地下环境的污染灾害评估及控制研究目标： 揭示土颗粒与污染物间界面的物理、化学及生物行为，提出改良土体微观孔隙结构与环境土工特性的关联性，为研发高性能防污屏障材料提供科学依据；揭示多场作用下重金属和有机污染物击穿防污屏障机理，提出应力、温度、水头及浓度耦合作用下污染物通过防污屏障的运移模型，获得基于击穿时间、渗漏量及击穿浓度等指标的屏障长期服役性能评价方法，并利用超重力离心模型试验验证；根据填埋场稳定化时间及填埋场近场城市地质环境容量，提出防污屏障击穿时间、渗漏量和底部浓度控制标准，以及满足控制标准的防污屏障设计方法。经费比例：16.7% 承担单位：河海大学、清华大学课题负责人：朱伟 主要学术骨干：胡黎明、钱学德、赵仲辉、李磊、温庆博课题5：覆盖屏障液气传导与填埋气污染控制研究内容：(1) 土质覆盖屏障液气击穿机理 (2) 土质覆盖屏障裂隙优势流产生机理 (3) 多功能覆盖屏障设计方法(4) 覆盖屏障长期服役性能评价与优化研究目标： 揭示填埋场不同结构型式土质覆盖屏障液气击穿机理，建立非饱和覆盖屏障与液、气、植被相互作用模型，提出覆盖屏障性能评价指标（主要包括液气击穿时间、降雨入渗量、填埋气逸出量、甲烷氧化率）及其计算方法；揭示典型气候干湿循环与冻融循环、不均匀沉降情况下覆盖屏障优势流产生机理，建立液气优势流运移模型及理论；建立覆盖屏障的长期服役性能评估方法，并利用超重力离心模型试验验证，提出兼有防渗和减排的多功能覆盖屏障设计方法，实现填埋气污染控制。经费比例：20% 承担单位：香港科大霍英东研究院、浙江大学课题负责人：吴宏伟 主要学术骨干：凌道盛、朱斌、孔令刚、谢海建课题6：填埋场服役性能模拟、灾害评价及可持续防控研究内容：(1) 填埋场服役性能与城市环境灾害仿真平台(2) 复杂环境下填埋场安全服役评价和预警体系(3) 填埋场可持续服役性能及实现(4) 典型固体废弃物填埋场城市环境灾变重演与预测研究目标： 通过对固体废物填埋场覆盖屏障、填埋体、导排系统、防污屏障及其与城市地质、地貌和空间环境等子系统之间的协同工作机理的研究，建立填埋场的城市环境灾害过程仿真平台和灾害评估理论，开发填埋场灾害的预警系统，实现填埋场污染的减排和填埋气高效收集。经费比例：16.7%承担单位：浙江大学、北京市勘察设计研究院有限公司课题负责人：陈云敏主要学术骨干：周宏磊、鲍亦兴、边学成、黄博四、年度计划研究内容预期目标第一年(1) 开展深入细致的资料收集、检索和整理分析，制定详细的项目和课题实施方案、理论研究框架和试验研究大纲；(2) 分析我国填埋场典型渗沥液和填埋气成分；(3) 开展城市固废单元体试验，填埋体固-液-气-化-热相互作用的大型模型试验，复杂环境下典型防污屏障界面软化特征时效性试验，城市固废静动力特性试验，土颗粒-污染物界面物理和化学试验，重金属在土壤屏障中形态转化的迁移扩散试验，防污屏障中污染物迁移扩散的离心机试验；(4) 研究典型城市固体废弃物可降解有机物和可溶态无机物生化相变过程，以及多场耦合作用下填埋体生化降解及其产生的各灾变源稳定化过程；(5) 研究典型土质覆盖材料和土工合成材料的渗透与扩散、持水及热传导特性，典型雨型下覆盖屏障的地表径流及液气传导过程；(6) 建立非饱和土液-气-热耦合运移理论模型，研究填埋场各个子系统，包括填埋体、封顶覆盖系统、导排系统、防污屏障系统、城市地质、地貌和空间环境等之间液、气、热、污染物传递规律。(1) 提出城市固体废弃物稳定化水平表征指标及方法，基于降解龄的城市固体废弃物水气传导特性模型，填埋场稳定化时间计算方法，描述多场环境下、考虑时变效应的界面力学本构模型，城市固废固-液-气耦合的静动力本构模型，非饱和土液-气-热耦合运移模型；(2) 获得渗沥液和填埋气污染物成分数据，城市固废及其与防污屏障界面的静、动力特性数据，土质覆盖材料和土工合成材料的液、气、热传导特性数据，建立典型填埋场关键参数数据库管理系统；(3) 为课题6提供填埋场渗沥液产量计算程序；(4) 提出填埋场各子系统之间协同工作的量化表达式。第二年(1) 开展不同稳定化水平下城市固废的压缩试验和三轴试验，典型城市固废材料流态化及非牛顿流体动力学试验，强降雨诱发填埋体及防污屏障界面典型失稳破坏的离心模型试验，防污屏障长期服役性能的离心模型试验，防污屏障渗透、扩散、吸附等宏观环境土工特性试验，典型气候干湿循环与冻融循环下覆盖屏障性能劣化的室内模型试验，填埋体不均匀沉降作用下覆盖屏障裂隙产生及发育模型试验；(2) 研究城市固废生化相变过程主导途径演化及中间代谢体再降解规律，填埋场液气耦合运移规律及相应的分析方法，不同生化环境条件下填埋体内渗沥液和填埋气的运移和演化规律及填埋体与屏障界面处液气压力负荷定量表征方法，液气通过裂隙的优势流行为及击穿过程，土颗粒与污染物界面行为及高性能防污屏障材料，重金属和有机污染物在近场城市地质环境中的迁移规律；(3) 建立液气耦合作用下松散固体废弃物失稳判别准则和失稳后工程特性弱化的合理理论描述，填埋场渐进失稳破坏过程的分析方法，多场作用下防污屏障击穿机理及服役性能评价方法，应力、温度、水头及浓度耦合作用下污染物通过防污屏障的运移模型，填埋场城市地下环境的污染灾害评估及控制方法，液气优势流运移过程分析方法，填埋场各系统灾害评价方法，填埋体失稳流滑和屏障失效后产生的城市环境灾害效应，基于模块化理论的填埋场服役和灾害仿真系统级平台。(1) 揭示填埋体内液、气压力时空分布及演化规律，液气压力诱发填埋场局部灾变及灾变空间渐进演化机制，考虑固-液-气耦合作用的填埋场渐近失稳破坏机理，强降雨诱发填埋体及防污屏障界面典型失稳破坏发生条件及其渐进演化机制，液气通过覆盖屏障裂隙的优势流击穿机理；(2) 提出液气优势流运移分析模型，建立城市固体废弃物生化相变动力学全过程模型，基于降解龄的城市固体废弃物应力-应变本构模型，提出填埋体与屏障界面处液、气压力计算方法，提出渗沥液产量和填埋气收集量计算方法，典型城市固废材料流态化数学描述及流滑本构模型，防污屏障的污染物运移过程分析方法，覆盖屏障性能评价指标及计算方法，填埋场各系统灾害评价子目标函数及相应的指标临界值，填埋场城市环境灾害的评价方法；(3) 为课题6提供防污屏障渗沥液渗漏量计算程序，渗沥液产量计算程序，填埋场液气压力分析程序，填埋场固液气耦合作用及渐进破坏分析程序；(4) 初步实现填埋场服役和灾害仿真平台。提交中期研究报告。第三年(1) 开展土柱试验研究，覆盖屏障含水量、温度、氨氮、盐度、植被等对降雨入渗量、填埋气逸出量、甲烷氧化率的影响规律，开展大型模型试验研究表层典型植被的蒸腾-蒸发特性对覆盖屏障液气分布的影响规律，开展渗沥液回灌诱发填埋体及防污屏障界面失稳破坏的离心模型试验；(2) 研究不同降解龄城市固体废弃物降解过程的渗沥液、填埋气、污染物的释放规律及气环境对其影响，填埋场填埋气收集量计算方法，填埋场地震响应分析理论，土颗粒与污染物界面行为及高性能防污屏障材料，防污屏障失效模式和失效机理，研究重金属和有机污染物在近场城市地质环境中的演化规律，研究考虑生物与化学作用的液气运移过程分析方法；(3) 提出考虑生化相变效应的填埋场沉降和容量计算方法，不同液气诱发破坏模式下实用稳定安全评价方法及保证填埋体稳定的安全控制标准，多场作用下防污屏障服役性能评价方法，基于填埋气渗漏量及稳定的填埋气压预警值，覆盖屏障性能评价指标及其计算方法，多功能覆盖屏障设计方法；(4) 建立填埋场服役和灾害仿真平台与各个分析模块的衔接，集成填埋体失稳与填埋气爆炸火灾的变形和液气压力、城市环境污染动态监测方法，开发填埋场城市环境灾变的预警和预报系统，开发填埋场生命期各阶段综合效益和填埋场可持续服役的评价方法。(1) 获得土质防污材料环境土工特性数据；(2) 揭示不同生化环境条件下填埋体工程特性衰变规律，多场耦合作用下填埋体沉降发展规律，地震作用下填埋场动力变形机制和动力响应的影响规律，填埋场典型失稳破坏机理及其液气诱发条件；(3) 提出考虑生化相变效应的填埋体沉降和容量计算方法，城市固体废弃物液、气和污染物释放规律