（岩土工程专业论文）污染物在大变形固结粘土防渗层中运移和转化规律的研究.pdf

-_-_一i ， ，_ j 中图分类号： u d c ： 学校代码： 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 污染物在大变形固结粘土防渗层 中运移和转化规律的研究 i n v e s t i g a t i o no nt h er e g u l a r i t yo fc o n t a m i n a n tt r a n s p o r ta n d t r a n s f o r m a t i o nt h r o u g hl a r g e - d e f o r m a t i o nc l a yb a r r i e r s 作者姓名：刘利 导师姓名：李涛 学号：0 8 1 2 1 5 2 2 职称：副教授 学位类别：工学硕士学位级别：硕士 学科专业：岩土工程研究方向：环境岩土工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ，一 ，；，u 致谢 本论文的工作是在我的导师李涛副教授的悉心指导和关怀下完成的，从论文 的选题、文献的采集、框架的设计、结构的布局到最终的论文定稿，从宏观研究 方向的把握到细节问题的处理，从内容到格式，从标题到标点，李老师都给了我 悉心的指导，一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此 我表示衷心感谢。恩师博学多闻的学识、精益求精的治学态度、宽容博大的胸怀 和对学生从学习到生活的谆谆教诲，使我由衷的敬佩和感激，他不拘一格的思路 给予我无尽的启迪。在此，向您及您的家人致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 我还要感谢我的副导师丁洲祥副教授，丁老师在理论方面给了我全面扎实的 辅导，在研究的每个瓶颈阶段都为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、 热忱鼓励。丁老师在承担繁忙的教学和工程任务的同时，仍然笃学不倦追求精益 求精，我多次看到他在办公室挑灯钻研到深夜，而感慨不己。他一丝不苟的作风， 严谨求实的态度，踏踏实实的精神，滴水穿石的毅力，是我学习、生活中的榜样， 他不仅教会了我专业知识，教会了我如何学习，更教会了我如何做人。在此谨向 丁老师及您的夫人表达最真诚的感谢和敬意，并祝他培养出越来越多的优秀人才， 桃李满天下! 在此，我要感谢已经毕业的师姐张志红博士，本文是在她的研究基础上完成 的，感谢她提供的关于试验的参数数据，使得本文的理论验证工作得以顺利进行。 我还要感谢在一起愉快的度过研究生生活的岩土专业的各位同门，6 1 3 宿舍的可爱 舍友，正是由于你们的鼓励和支持，关怀和帮助，我才能顺利的克服一个个的困 难，快乐的度过这短暂而美好的研究生生活，希望你们都有一个美好的前程。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完 成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的 谢意! 我还要感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报， 你们永远健康快乐是我最大的心愿。 最后衷心感谢在百忙之中评阅本文和出席论文答辩的各位专家和教授。 谨以此文献给所有关心、帮助和支持过我的人! 刘利 2 0 1 0 年5 于北京交大红果园 、 r ；，量 、 j 湖泊疏浚污染底泥堆场及城市简易垃圾填埋场一般以较厚的粘土层作为主要 的防渗层，在上覆垃圾及盖层的作用下，粘土层会发生较大的固结变形，因此在 研究污染物在粘土防渗层中的运移和转化规律时，必须要考虑土体的同结变形。 本文通过考虑土体大变形固结与污染物运移和转化的耦合作用，首先建立了大变 形固结方程与污染物运移转化方程相耦合的可变形多孔介质一维污染物运移转化 模型，其中考虑了土体自重及生物降解项的耦合作用，然后求出了该模型的数值 解，并据此研究了污染物在可变形粘土防渗层中的运移和转化规律及模型各个参 数的影响，取得的主要结论如下： 1 、土壤对污染物的吸附作用对土体阻隔污染物的能力影响很大，在考虑吸附 作用时污染物穿透土体的时间是不考虑吸附作用时的数倍之多。在不考虑吸附作 用时，土体的同结可以减小污染物的穿透时间，而在考虑吸附作用时，土体的固 结则会延迟污染物的穿透时间，对污染物的运移有一定的阻滞作用，这对粘土衬 垫层的设计有重要影响。 2 、随着土体厚度的增加污染物的穿透时间不断变大，可见，随着污染物在土 体中穿透路径的增长，土层若增加6 7 ，则穿透时间可以增加一倍以上，当然穿 透时间不会以这种比例增长，但是可以证明稍厚的土层对污染物的阻滞作用明显。 3 、随着孔隙比的减小，污染物的穿透时间相应的增长。孔隙比是渗透系数、 压缩系数、预固结压力这些参数中的基本参数，其他的参数对穿透时间的影响都 是通过影响孔隙比的变化或者由于孔隙比的变化而引起的，但是孔隙比和压缩系 数并不是越小越好，经过计算，一定大小的孔隙比与相应的压缩系数，初始渗透 系数组合才能达到最好的阻滞效果。 4 、扩散系数对运移规律的影响很大，当扩散系数以级数比例减小的时候，穿 透时间以级数的比例增长，可见，扩散项在污染物运移和转化方程中发挥着主要 的作用。有效控制扩散系数对研究污染物的运移和转化规律及粘土层的穿透时间 有重要意义。 5 、生物降解作用在初期的影响几乎不可见，但是在以后的较长时间内，降解 作用会大大降低土体中污染物浓度的增长速度，这对评价粘土沉淀层对污染物的 长期阻隔效应有重要的意义。 本文的研究结果表明，大变形土体的几何非线性对粘土防渗层中污染物运移 时间的影响很大，土体的变形作用不可以忽略，以上结论对分析天然粘土防渗层 对污染物的阻隔作用有重要意义。 关键词：污染物：大变形固结；运移；粘土；防渗层；生物降解；耦合作用。 i i i ， i ， a bs t r a c t i nc o n s t r u c t i o no ft h ed r e d g e ds l u d g eh e a ps i t ea n dt h es i m p l ew a s t el a n d f i l ls i t e ，i t i su s u a l l yc h o s et h et h i c kc l a yl a y e ra st h en a t u r a li m p e r v i o u sb a r r i e r a st h ei n c r e a s i n g h e i g h to fw a s t el o a d i n go nt h es u r f a c e ，t h ec l a yl a y e rw i l lu n d e r g oal a r g e - d e f o r m a t i o n c o n s o l i d a t i o n , s oi th a st ot a k et h ed e f o r m a t i o no ft h et h i c kc l a yl a y e ri n t oa c c o u n ti nt h e i n v e s t i g a t i o no f t h er e g u l a r i t yo ft h ec o n t a m i n a t i o nt r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o nt h r o u g h t h e c l a yb a r r i e r , i n t h i s p a p e r , w et h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e t h i s p r o p o s i t i o n , a o n e d i m e n s i o n a l ，n o n l i n e a rl a r g e - d e f o r m a t i o nt r a n s p o r t - t r a n s f o r m a t i o n m o d e lo f c o u p l e dc o n s o l i d a t i o na n dc o n t a m i n a n tt r a n s p o r t t r a n s f o r m a t i o nm o d e li sd e r i v e d t h e i n n o v a t i o no ft h em o d e li st h ec o n s i d e r a t i o no ft h ec o u p l e df u n c t i o no ft h ec l a y s e l f - w e i g h ta n dt h ef u n c t i o no fb i o d e g r a d a t i o n , t h e nt h ep a p e rg i v e st h en u m e r i c a l s o l u t i o no ft h em o d e le q u a t i o n s ，s t u d i e st h et r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o nr e g u l a r i t yo f t h ec o n t a m i n a n tt h r o u g ht h ed e f o r m i n gc l a yb a r r i e ra n dt h er o l eo fe a c hp a r a m e t e r p l a y e di nt h ee q u a t i o n , a n dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n ： l 、1 1 1 es o r p t i o no ft h ec o n t a m i n a n to nt h es o i lp a r t i c l e sp l a y sam a i nr o l ei nt h e o b s t r u c t i n gc a p a c i t yo ft h eb a r r i e r t h eb r e a k t h r o u g ht i m eo ft h eb a r r i e rw i t h c o n s i d e r a t i o no ft h es o l u t es o r p t i o ni ss e v e r a lt i m e sl o n g e rt h a nt h a tw i t h o u t t a k e nt h e s o l u t es o r p t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n , t h ec o n s o l i d a t i o nw i l lr e d u c et h eb r e a k t h r o u g ht i m e o ft h ec o n t a m i n a n ta c r o s st h el i n e ra n da c c e l e r a t i o nt h et r a n s p o r t , w h i l ei nt h ea b s e n c e o fs o r p t i o n , t h ec o n s o l i d a t i o nw i l ll e n g t h e nt h et r a n s i tt i m e ，a n dr e t a r dt h ep r o c e s so ft h e c o n t a m i n a n tt r a n s p o r t t h i sc o n c l u s i o nw o u l dh a v eal a r g ee f f e c to nt h ed e s i g no ft h e c l a yb a r r i e r 2 、w i t ht h et h i c k n e s so ft h ec l a yb a r r i e ri n c r e a s i n g ，t h eb r e a k t h r o u g ht i m ea n d t r a n s i tl e n g t ho ft h ec o n t a m i n a n ta c r o s st h el i n e ri sl e n g t h e n e dt o o i ft h ec l a yl a y e ri s t h i c k e r6 7 ，t h et r a n s i tt i m ec a ni n c r e a s em o r et h a no n et i m e ，t h et r a n s i tt i m ew o u l dn o t l e n g t h e ni nt h i s r a t i oo fc o u r s e ，b u ti ti sp r o v e dt h a tal i t t l ei n c r e a s eo ft h e l a y e r t h i c k n e s sw i l lp r o d u c er e m a r k a b l ei n c r e a s eo nt h eb r e a k t h r o u g ht i m e 3 、t h et r a n s i tt i m eo ft h ec o n t a m i n a n tg r o w sw i t ht h ed e c r e a s i n go ft h ev o i dr a t i o ， i ti sp r o v e dt h a tv o i dr a t i oi st h eb a s i cp a r a m e t e ra m o n gt h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y , t h e c o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n t ，t h ep r e c o n s o l i d a t i o n s t r e s s ，t h eo t h e rp a r a m e t e r sh a v e i n f l u e n c eo nt h eb r e a k t h r o u g ht i m et h r o u g ht a k i n ge f f e c to nt h ev o i dr a t i o b u tt h ev o i d r a t i oa n dc o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n ta r en o tt h el o w e rt h eb e t t e r b yc a l c u l a t i o n ，t h ep r o p e r i v m a g n i t u d e o fv o i dr a t i om a t c h e dw i t ht h er e l e v a n tc o n s o l i d a t i o nc o e f f i c i e n tc a n p l a yt h e b e s tp e r f o r m a n c eo ft h eo b s t r u c t i o n 4 、t h ec o e f f i c i e n to fh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o na f f e c tal o to nt h er e g u l a r i t yo ft h e t r a n s p o r t ，w h i l et h ed i s p e r s i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s i n gi nt h es e r i e sr a t et h et r a n s i tt i m e w i l li n c r e a s ei nt h ep r o g r e s s i o nr a t i o ，i ts h o u l db en o t e dt h a tt h ed i f f u s i o nt e r mp l a yt h e m a i nr o l ei nt h ec o n t a m i n a n tt r a n s p o r te q u a t i o n t h ep r o p e rc o n t r o lo nd i s p e r s i o n c o e f f i c i e n tw i l lo b v i o u s l yi n f l u e n c et h er e s u l to f b r e a k t h r o u g ht i m eo ft h ec o n t a m i n a n t 5 、t h eb i o d e g r a d a t i o ne f f e c tw i l ln o tb es e e na tt h eb e g i n n i n go ft h et r a n s f o r m a t i o n r u l e ：b u ti nt h el o n gt e r m ，t h eb i o d e g r a d eo ft h ec o n t a m i n a n tw i l li n c r e d i b l yr e d u c et h e g r o w t hr o t eo ft h ec o n t a m i n a n tc o n c e n t r a t i o n i tm e a n sal o ti ne v a l u a t i n gt h el o n gt e r m o b s t r u c t i n gc a p a c i t yo ft h eb a r r i e r t h er e s u l t so ft h ei n v e s t i g a t i o ns h o wt h a tt h en o n - l i n e a rl a r g e - d e f o r m a t i o no ft h e t h i c kc l a yl a y e rc a n tb en e g l e c t e di nt h er e g u l a r i t yo ft h et r a n s p o r ta n dt r a n s f o r m a t i o n o ft h ec o n t a m i n a n tt h r o u g ht h en a t u r a lt h i c kc l a yl a y e r t h i sc o n c l u s i o nw o u l d p r o v i d e g o o ds u g g e s t i o no nt h es t u d yo f t h eo b s t r u c t i n gc a p a c i t yo ft h en a t u r a lt h i c kc l a yb a r r i e r k e y w o r d s ：c o n t a m i n a n t ，l a r g e d e f o r m i n gc o n s o l i d a t i o n , t r a n s p o r t , t r a n s f o r m a t i o n , c l a yb a r r i e r , b i o d e g r a d a t i o n , c o u p l i n ge f f e c t v 2 2 基于b i o t d x 变形固结理论的模型1 5 2 2 1 模型建立的基本假设1 5 2 2 2 建立模型的基本方程15 2 3s m i t h 大变形污染物运移模型1 7 2 3 1 模型建立的基本假设一1 7 2 3 2 模型建立的基本方程1 7 第3 章污染物在变形多孔介质中的运移和转化模型19 3 1 一维大应变g i b s o n 固结的基本理论1 9 3 1 1 基本假设1 9 3 1 2 基本方程1 9 3 2 多孔介质中的污染物运移扩散理论2 l 3 2 1 含水层中溶质运移理论2 1 3 2 2 变形多孔介质中污染物运移和转化理论2 6 3 3 污染物在大变形多孔介质中的运移和转化模型2 9 3 3 1 模型建立的基本假设2 9 3 3 2 污染物运移和转化模型推导2 9 目录 3 4 小结3 3 第4 章大变形多孔介质中污染物运移和转化模型有限差分法求解3 5 4 1 有限差分法的基本概念一3 5 4 1 1 显式差分格式一3 5 4 1 2 差分格式的稳定性与收敛性3 7 4 1 3 一类非线性抛物型方程的简化差分格式3 9 4 2 变形多孔介质中污染物运移和转化模型的差分法求解4 4 4 2 1 一维大变形固结方程的解法4 4 4 2 2 物质坐标系下的污染物运移和转化方程的解法4 7 4 3 应用有限差分软件求解5 0 4 3 1m a t l a b 软件介绍5 0 4 3 2 污染物运移和转化模型的求解：5 1 第5 章污染物在粘土防渗层中渗透、阻隔和运移规律的试验研究一5 3 5 1 粘土防渗层土层的工程性质测定5 3 5 2 渗透与阻隔试验5 5 5 2 1 渗透试验原理及试验方法一5 5 5 2 2 静态等温吸附试验研究5 9 5 2 3 动态土柱试验研究：6 l 5 3 堆场底部污染状况调查“ 5 4 小结6 5 第6 章模型数值模拟结果及试验对比。6 7 6 1 模型对比讨论6 7 6 2 模型数值计算结果讨论6 8 6 2 1 模型参数6 8 6 2 2 各简化模型之间的结果对比6 9 6 2 3 模型各个参数的影响作用7 3 6 2 4 模型中各项在污染物运移和方程中发挥的作用8 0 6 3 小结8 2 第7 章结论与展望8 3 7 1 结论8 3 7 2 下一步工作展望8 4 参考文献8 5 附录9 l 独创性声明9 7 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 湖泊的污染问题，一直以来都是困扰我国乃至世界的难题。随着研究的不断 深入，底泥污染控制技术也日益得到关注。湖泊底泥是太湖生态系统的重要组成 部分，是湖泊营养物质循环的中心环节，也是水土界面物质( 物理的、化学的、 生物的) 积极交替带【l 】。污染底泥是湖泊潜在的污染源，湖泊底泥中累积了大量的 有毒、有害的有机和无机污染物，在湖泊环境发生变化时，通过与上覆水体间的 物理、化学和生物交换作用，底泥中的污染物在适当条件下会重新释放，成为影 响和制约上覆水质的主要二次污染源。在湖外污染源得到控制后，底泥可能成为 首要污染源，其季节性的营养盐释放可使富营养化状态维持数十年。因此，在湖 泊污染治理过程中，底泥污染与整治一直是主要的难点之，是从根本上解决湖 泊污染问题的重要途径之一。 太湖底泥疏浚是改善太湖水质的重要工作之一，总的清淤量达到1 6 亿立方 米，对如此大量的含有污染物的疏浚底泥如何进行处理已成为太湖污染治理能否 成功的关键之一。疏浚出的底泥目前限于经济与技术条件的原因，只能排放到就 近的底泥堆场中加以处理，随着时间的推移，排放到堆场的污染底泥中含有的污 染物会下渗到堆场下部的土层及含水层中，会对地下水及周围环境造成二次污染。 底泥堆场一般选用较厚的天然粘土层稍作处理后作为防渗层，随着底泥的不断堆 积，上部荷载的增大会使粘土防渗层产生大的压缩变形，影响污染物的运移情况。 一般来说，疏浚底泥堆场的环境安全性要求要低于城市垃圾卫生填埋场，但是由 于底泥堆场的占地面积大、污染底泥的处置量也大，加上污染物的绝对量很大， 一旦发生污染物外泄，对堆场周围自然环境和生态的影响将是大范围的和长期的。 因此研究污染物在堆场下部天然粘土防渗层中的运移转化规律以及粘土层对污染 物的阻隔与防渗效果就具有十分重要的意义。 另一方面，城市固体废弃物是城市居民及其他生产和服务系统所产生的固体 生活垃圾的统称，近些年来，固体废弃物的处置在我国日益受到政府和民众的高 度重视。固体废弃物的处置方法包括焚烧、堆肥、海洋排放和陆地填埋等，焚烧 成本高，堆肥占地大，海洋排放无法满足环境保护的要求，因而均被禁止。当今 在陆地固体废弃物填埋中需要严格控制填埋场生成的污染物对环境所造成的影 响，称为现代卫生填埋【2 】。城市多采用此法，现代卫生填埋有处理量大，成本低， 工艺简单等优点，特别适合中国国情，但是，填埋后固体垃圾所产生的渗滤液是 北京交通大学硕士论文 一种有毒有害的高度浓缩的液体，一旦大量进入地下水系统，将使地下水水质恶 化，危及生产和人民生活，因此必须对填埋场的底部及周围进行严格的防渗处理， 减少和避免污染物的泄露。近些年来，我国城市新建的垃圾填埋场，主要采用水 平防渗和垂直防渗等防渗措施，水平防渗一般采用压缩粘土衬垫层和土t 膜的复 合防渗层，垂直防渗一般采用防渗帷幕等。在选用防渗层类型时，不仅需要探明 场地的水文地质和工程地质条件，还必须科学地了解污染物在不同防渗层中的运 移机理及其运移过程。但是，在一些小城市特别是不太发达的县城中，垃圾填埋 场的建设还达不到做双层防渗甚至三层防渗的标准，一般都选用较厚的天然粘土 层稍作处理就做为防渗层，一般的枯土只能延缓污染物渗滤液的渗漏，而不能阻 止渗漏，因此就很有必要对所选的天然防渗层的防渗能力做综合评估，评价粘土 防渗层是否能在使用年限内能达到阻止污染物向下渗透的作用。 另外，随着我国社会经济的快速发展，城市化进程的加速，人民生活水平的 提高，城市生活垃圾日生产量快速增加，而大部分城市的垃圾填埋场都是在以前 低水平的生活垃圾日处理量基础上设计的，设计填埋库容提前告罄，很多垃圾填 埋场都已接近填满封场状态，需要填埋的垃圾无法处理，寻找新的填埋场地重新 规划设计更是困难。为了使环卫最终设施布置相对集中以最大程度上减少对周围 环境的污染，最大程度发挥环境工程的社会效益和环境效益，在原有的垃圾填埋 场基础上进行扩建工程势在必行。扩建的垃圾填埋场必然要增加垃圾的处理量， 填埋高度等，加大上覆荷载的作用，将对下部粘土防渗层的承载能力要求更高， 较厚的粘土防 的运移和转化 综上所述 市的简易垃圾 固结压缩变形 物会随土颗粒 生孔隙比变小 个互逆的作用 物在含水层的 估污染物的运 的限度和危害 意义。因此研 形粘土层防渗 题 污 受 范围的环境热点问题。例如，针对五大湖流域水体底泥普遍存在的重金属和有机 污染物污染，加拿大和美国分别开展了受污染底泥综合整治项目c s t t p ( c o n t a m i n a t e ds e d i m e n t s t r e a t m e n tt e c h n o l o g yp r o g r a m ) 和a r c s ( a s s e s s m e n t a n dr e m e d i a t i o no fc o n t a m i n a t e ds e d i m e n t sp r o g r a m ) ：其他如比利时、日本 等国家也为处理、处置和利用受污染底泥开展了大量的研究和实践工作【3 】。在国内， 目前对湖泊污染底泥进行环保疏浚的规模还比较小，底泥的处置一般都采用简单 的吹填堆放的方式。 总的来看，国外发达国家非常重视环保疏浚方案的制定，包括疏浚区的位置 和面积、有效疏浚深度等重要疏浚参数的确定、疏浚底泥的处置方法、疏浚区水 体生态系统的重建方法等都要进行长期和仔细的论证，同时还要对疏浚工程可能 带来的生态变化进行风险评价。如果采用封闭堆存的方式处置疏浚底泥，则底泥 堆场的设计和安全性关系到整个疏浚工程的成败，其中堆场的工程地质调查与评 价及污染物在防渗层中的扩散与阻隔都是堆场设计和环保安全性评价中必不可少 的重要内容。国内外在关于粘土介质对污染物的阻隔作用以及污染物在粘土防渗 层中的运移转化规律方面已做了大量的研究工作。 1 2 1 污染物运移理论 对污染物在粘土层运移的数值模拟一直是研究的重点，研究的基础是多孔介 质的流体力学理论，大部分的研究是针对饱和的多孔介质。用建立数学模型的方 法来模拟污染物在粘土层中的运移、扩散、累积等过程，可以对土层质量作出更 为明确的科学评价，同时还可以为地下水污染预测预报、污染防治提供科学依据 和途径。 1 ) 污染物在粘土介质中的运移模型 r o w e 4 1 等介绍了一种新的、简单的半分析技术，用于为污染物穿过裂隙土( 或 岩石) 下面无裂隙粘土垫层建立运移模型，模型考虑了对流一弥散和吸附作用。 w o o d b u r y 5 l 介绍了裂隙粘土层中污染物运移的裂隙随机模型，与污染物运移模型中 所使用的参数平均值的确定方法不同。h e n d r i k s 6 】等应用修正的f l o c r a n i m o 联 北京交通大学硕士论文 合模型对溴化物在裂隙粘土中的运移进行了模拟，模型可模拟溴化物在水中和土 中的浓度。j o r g e n s e n 7 】等研究了非反应性溶质在裂隙粘土冰碛中的运移，从4 个 大型未扰动土柱获得的实验数据表明，离散裂隙扩散模型可以模拟非反应性溶质 在变化流速中的运移特性。 s e g a l l f 8 蝽研究了电渗污染物运移过程，实验室土柱和二维模型研究把电渗作 为污染物穿过饱和粘土运移的方法，营养物运移研究表明了氮运移的可行性，磷 不能穿过土体介质。j a c o b s 9 1 等提出了模拟电场作用下污染物在土体中运移的数学 模型，运移机理包括电渗、对流、电运移和扩散。将该模型用于模拟苯酚在高岭 粘土中的运移，试验结果验证了理论模型的正确性。k i m 1 0 】等根据描述污染物在高 岭粘土中运移的一维对流扩散方程表示的数值模型模拟镉在电场下的运移，成功 的预测了土体p h 值及镉浓度分布。 y o n g 1 1 , 1 2 1 等应用不可逆热力学原理建立了分析和预测污染物在粘土层中运移 的模型，并进行了扩散系数对污染物在粘土中运移影响的实验研究，实验选择离 子是氯化物、钾、镁和钙离子。在预定的剖面采用变扩散系数，并与实际的实验 浓度剖面结果进行了对比，结果表明变扩散系数与实际结果吻合较好，浓度的变 化过程反映了物理化学相互作用，可控制污染物离子的运移和滞留，通过相关的 变扩散系数可以反映污染物运移规律。m c b r i d e 1 3 等研究了喹啉吸附解吸和生物 降解的动力学特性，将吸附和降解实验获得的系数数据用于吸附生物降解运移模 型来量化吸附和生物降解的相互作用。c h e u n g 1 4 】提出了高密度斑脱粘土中无机污 染物的运移模型，模型结果表明扩散系数与溶质种类、水化学、温度和土结构有， 关。对某些溶质模型预测的扩散系数与高密度斑脱粘土中实测值一致。g a r g a 【l 5 】 等通过室验室扩散实验，研究了污染物在粘土中的运移特性，结果表明溶质运移 的一维模型模拟结果与实测数据非常吻合。 l o 1 6 l 等的研究表明对流、扩散和吸附是控制有机污染物通过压实粘土填埋场 衬垫的主要过程，扩散过程主要与淋滤液和地下水之间的浓度梯度有关。用数学 模型讨论了分子扩散和对流，与污染物阻滞对扩散和对流产生影响的重要性。l o 【l 。刀 等发展了考虑对流、扩散和吸附的污染物运移随机模型，并应用此模型对填埋场 粘土衬垫中的污染物运移对地下水造成的影响进行了评估。s o l e r 1 8 j 等建立了考虑 对流和热渗透耦合以及流体质量守恒的二维有限差分模型，计算结果表明流体的 对流部分可以消除热渗透部分，热渗透耦合现象对放射性核废料在粘土层中运移 的影响非常小。k a r a p a n a g i o t i 1 9 】等提出了粒问扩散吸附、非线性吸附和生物降 解过程的耦合模型，研究表明为了准确预测生物降解和衰减过程，非线性吸附应 该与扩散吸附和生物降解模型相耦合。l i 2 0 】等指出可用含有l a n g m u i r 吸附等温 4 线的一维 出了在粘 吸附运移 b o u r 体积的修正扩散吸附模型，指出目前描述污染物穿过眶实粘土衬垫层的扩散运移 只是简单的与线性吸附系数肠耦合的扩散模型，并提出了含有吸附相体积的修正 扩散吸附模型。b a d e r 2 3 】等将基于非平衡热力学的化学溶质运移模型用于预测粘 土层土工膜中盐分和压力的变化，根据实际情况模型作了简化，试验结果表明模 型的数值解与实验结果一致性较好。d o m i n i j a n n i 2 4 1 等建立了通过粘土层中土工膜 衬垫的溶质运移和渗透模型，模型可以解释化学渗透效率系数与溶质浓度的关系， 也可以解释与化学渗透效率系数有关的其它实验参数的关系。 王红旗【2 5 2 6 】等以“污水土地处理条件下磷的运移转化模拟试验”为基础，根 据磷在土壤中的运移转化机理，提出了定量模拟磷在土壤中运移转化的联合模型。 联合模型包括水运动模型和溶质运动模型两部分，综合考虑了磷在土壤中运移、二 转化和沉淀等过程。薛强【2 7 】等基于多孔介质渗流力学理论，考虑可压缩挥发性气体 污染物密度与压力之间的变化关系，建立了挥发性有机污染物在土壤中运移数学 模型。薛强【2 8 l 等综合考虑有机污染物在土壤水环境体系中扩散、吸附解吸、分配 以及微生物降解条件，建立了土壤水环境中有机污染物运移耦合的动力学模型。模 型中包含了有机污染物非平衡吸附动力学过程及固相吸附污染物被微生物降解环 境行为，并采用分裂算符方法推导出了数学模型的有限元格式。栾茂田【2 9 】等对非平 衡吸附条件下污染物运移过程进行了数值计算与分析，结果表明考虑非平衡和非 线性吸附时，污染物穿透曲线尖锐而狭窄，峰值点前移，“拖长尾”现象不明显。 说明土颗粒对污染物的非平衡、非线性吸附使得污染物的穿透能力增强，滞留能 力下降。进一步的变动参数比较分析表明：l a n g m u i r 等温线方程中的参数 b ( s = b c ( 1 + b e ) ) 、压实粘土衬里的渗透性及地下水渗流速度对污染物运移过程 具有显著的影响。 张金利【2 j 等提出了分析固体废弃物填埋场污染物运移过程的一维计算模型，模 型中包含了污染物在饱和土中的对流、弥散和地球化学反应等运移机理。通过分 析表明：粘土垫层渗透速度及其吸附性是控制污染物运移过程的最重要因素，同 时粘土垫层厚度和含水层渗流速度的影响也不容忽略。谢海建和唐晓武1 3 0 为了准 确定义成层衬里系统底端边界条件，提出了考虑原始土层影响的成层介质污染物 一维扩散模型，采用两层介质之间污染物质量浓度连续和通量连续条件，处理衬 里系统底端边界条件。基于顶部边界污染物浓度恒定及平衡线性吸附假设，建立 了该模型，并采用与成层地基固结类似的分离变量解法得到了解析解，结果表明， 将会发生 染物的运 提出了污 的参数， 物的吸附 物运移问 题的解决办法，并对土体变形对污染物运移的重要性作了初步评估。s m i t h 和 p e t e r i 3 2 】扩展了s m i t h 在2 0 0 0 年提出的理论，在质量守恒的基础上，推导了在物质 坐标系和空间坐标系中与时间有关的大变形饱和多孔介质中溶质的运移规律模 型，其中，大变形固结模型是采用物质坐标下的g i b s o n 的理论模型。大变形固结 模型中忽略了土壤自重，机械扩散作用和孔隙吸力，引入了一个新的平流变量， 考虑了孔隙比随时间和空间的瞬时变化规律对溶质的运移的重要影响。通过工程 填埋场衬垫中的溶质运移研究表明，大变形多孔介质的溶质穿透时间比小变形和 刚性多孔介质的溶质穿透时间短，大变形分析中孔隙比随时间和空间的变化非常 重要，而且与环境工程师普遍采用的标准运移分析相比，非线性大变形模型可以 大大的缩短溶质穿透粘土衬垫层的时间。s m i t h 和p e t e r 【3 3 j 研究了溶质对流对粘土 化学固结和机械固结的影响。含盐溶质渗透到粘土层中会发生化学固结，但大多 数研究只考虑了溶质扩散，而忽略了对流扩散过程。研究结果表明，溶质对流对 计算溶质浓度、超孔隙水压力和沉降有很大影响，考虑溶质对流比不考虑溶质对 流的模型对粘土的影响要大一个数量级。s m i t h 和l e w i s 蚓进一步对软粘土大变形 介质进行研究，应用g i b s o n 的大变形固结理论，不仅考虑了几何的非线性，而且 通过引入了压缩系数和渗透系数的本构关系，从而考虑了材料的非线性。通过数 值解分析了土壤的压缩性对污染物运移的重要影响，计算结果表明，对于压缩性 较小的粘土，固结作用对污染物的运移的作用不大，但是对于压缩性较大的软粘 土，固结作用大大的加速了污染物的运移。 f o x 3 5 】在考虑耦合、一维大应变固结条件下，介绍了固结土层中污染物运移的 c c t l 数值模型，关键是分别考虑了液相和固相运动的两种拉格朗日元法。污染物 的运移包括对流、扩散和线性平衡吸附，对流扩散运移与固结土层中随时空变化 的孔隙率和渗透速度相一致，结果证明c c t l 数值模型与一般包括对流、扩散和 吸附的刚性土层的解析解吻合较好。f o x 3 6 3 7 】利用分段线性方法考虑大变形固结和 绪论 溶质运移方程的耦合，称为c s t l 数值模型。这是对他2 0 0 3 年提出的模型进行的 补充和扩展，这个模型考虑了二e 壤自重，液相和固相的相对速度，固结过程中的 渗透系数的变化，而且它可以模拟出随时间变化的增加或减少的外力作用和外部 施加的水力梯度。溶质运移方程是二维的，反映了纵向和横向的扩散作用，水平 对流作用，一阶衰减作用和线性平衡吸附作用，而且给出了这个模型的数值解。 f o x 和l e e 3 8 】又发展了上述模型，增加考虑了在固结过程中有效扩散系数的变化 和非线性不平衡状态下的吸附作用。在拉格朗日坐标系中分开考虑了液相和固相 的不同运动轨迹。说明了有效扩散系数的变化对溶质的运移有重要的影响，而吸 附作用的非线性则对溶质运移的影响不大。研究表明，新建的模型的解析解和数 值解都与实验中刚性多孔介质中溶质的运移状态吻合的很好。a l s h a w a b k e h ( 3 9 】等研 究了由于固结作用引起的粘土层体积变化对一维污染物溶质运移的影响，提出了 同时考虑固结作用和溶质扩散作用的方程。研究表明：双面排水固结作用影响污 染物的浓度，对扩散通量影响不大，但单面排水固结对扩散通量的影响较大。 在国内，防渗层的压缩变形对污染物运移规律的影响方面所做的工作还较少， 张志红，李涛m 4 l 】等针对太湖底泥污染物进行了大量的污染物的固结渗透、阻 隔及吸附试验，动态土柱试验，测定了不同固结压力作用下粘士的渗透系数和弥 散系数，在b i o t 小变形固结理论和污染物运移理论的基础上，提出了污染物通过 饱和小变形粘土介质运移的二维变系数运移模型，在多层地基固结理论与污染物 运移理论相结合的基础上，提出了污染物在成层弹性地基中运移的一维数学模型， 这两个模型的最大的特点是考虑了土体受力变形对污染物运移的影响，并给出了 模型的解析解，利用有限元程序对所建立的二维模型进行了数值模拟，与实测的 结果进行了比较，检验了所建立的污染物运移模型的适用性和正确性。 1 2 2 污染物运移试验 实验研究为定性分析和定量化研究污染物在多孔介质中运移提供了一个必要 的手段。近些年来，国内外学者对填埋场粘性土阻隔能力的研究，焦点集中在土 中污染质的运移、转化机制，运移速度、深度和距离及垫层土的密度、渗透性能 等方面。 国外学者主要针对粘土对重金属、挥发性有机物和反应性核废料等的吸附作 用及其阻滞系数和扩散系数进行了室内实验研究。阻隔系数和弥散系数是研究污 染物在粘土介质中运移转化规律的最重要参数，通常主要借助于室内土柱物理模 型试验和渗透实验来确定。 1 ) 重金属在粘土介质中的运移试验 7 北京交通人学硕士论文 w a g n e r 4 2 1 、c z u r d a