（环境工程专业论文）生活垃圾渗滤液运移的温度—渗流耦合作用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 卫生填埋法是我国目前城市生活垃圾处理的主要手段。填埋法处理城市 生活垃圾会产生大量污染物浓度高的渗滤液，这些渗滤液如不加处理则会对 周围环境水体产生二次污染，危害极大。为了控制和治理垃圾渗滤液，就需 要对垃圾渗滤液的运移规律进行研究。本文以垃圾降解的生化反应机理为基 础，综合考虑对流、弥散、扩散、吸附和有机物生物降解等作用，建立了垃 圾渗滤液溶质运移的对流一弥散模型，并对其一维数学模型进行解析求解。 在垃圾渗滤液溶质运移的基础上，开展室内模拟垃圾柱实验，分析了温 度对垃圾渗滤液运移的影响，并得出了由此而引起的污染物化学指标的变 化。 根据多孔介质渗流力学和热力学理论，对垃圾填埋场内的渗流理论和热 效应进行了分析。从填埋场内非等温角度出发，理论上分析了填埋场内水分 运移与温度变化之间相互作用的机理。温度变化对渗流场的影响表现为两方 面：一方面，温度通过影响填埋体的渗透系数张量而影响渗流场；另一方面， 温度梯度本身也影响水流的运动，而且温度梯度越大，对渗流场的影响也越 大，并在此基础上建立了温度影响条件下的渗流场控制方程。通过分析渗滤 液运移对温度场的影响，建立了渗流影响条件下的温度场控制方程，结果表 明，垃圾填埋体温度场的分布与渗流水头分布有密切的关系，水头梯度越大， 对温度场的影响也越大。 在综合考虑垃圾填埋体温度场与渗流场耦合的基础上，建立了垃圾渗滤 液运移的双场耦合连续介质数学模型，并给出了求解该数学模型的有限元方 法，并对该模型进行了一维简化求解。通过对一维简化数学模型的分析，得 出结论：随着渗透系数的增大，渗流场对温度场的影响增强；而温度场对渗 流场的影响减弱。且渗流由高温向低温流动时，使温度场温度普遍升高，但 使渗流场水头普遍减小；渗流由低温向高温流动时，使温度场温度普遍降低， 但使渗流场水头普遍增大。 关键词：垃圾填埋场；渗滤液；运移：温度场；渗流场；耦合 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s tr a c t l a n d f i l li st h em a i nm e t h o do fm s wd i s p o s a li nc h i n a m s w1 a n d f i l l g e n e r a t e sh i g hc o n c e n t r a t i o no fl e a c h a t e ，w h i c hc a ni n d u c es e c o n d a r yp o l l u t a n t s t os u r r o u n d i n gw a t e rb o d y , w h e nt r e a t e di m p r o p e r l y i no r d e rt oc o n t r o ll a n d f i l l l e a c h a t e ，i t sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho nl a n d f i l ll e a c h a t et r a n s p o r t b a s e d o nb i o c h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s m so fl a n d f i l lb i o d e g r a d a t i o na n di nv i e wo f c o n v e c t i o n ，d i s p e r s i o n ，d i f f u s i o n , a d s o r p t i o na n do r g a n i cb i o d e g r a d a t i o n ，t h ea u t h o r e s t a b l i s h e da d v e c t i o n d i s p e r s i o nt r a n s p o r tm o d e lo fl a n d f i l ll e a c h a t e ，f u r t h e r m o r e ， t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fo n e - d i m e n s i o n a l m i g r a t i o ne q u a t i o nw a s s o l v e d b a s e do nt h et h e o r yo fs o l u t et r a n s p o r ti nl a n d f i l l ，t h ea u t h o rd i dt h es i m u l a t e d e x p e r i m e n ti n d o o r i nt h i sf o u n d a t i o n , t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r ec h a n g eo nl e a c h a t e t r a n s p o r tw a sa n a l y z e d , w h i c hc a u s e dt h ec h a n g eo fc h e m i c a li n d e x o fl a n d f i l l l e a c h a t e a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fp e r m e a t i o nf l u i dm e c h a n i c sa n dt h e r m o d y n a m i c so f p o r o u sm e d i u m , t h e r m a le f f e c ta n ds e e p a g et h e o r yi nl a n d f i l ls i t e w e r ea n a l y z e d f r o mt h en o n - i s o t h e r m a la n g l e ，t h e i n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e n ，t h em o i s t u r e t r a n s f e ra n d t e m p e r a t u r ec h a n g e i nl a n d f i l ls i t ew a s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t e m p e r a t u r ec h a n g eh a sa ne f f e c to ns e e p a g ef i e l d , w h i c hm a n i f e s t st w oa s p e c t s ：o n e t h eo n eh a n d ，t e m p e r a t u r ec h a n g ei n f l u e n c e ss e e p a g ef i e l db yh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y t e n s o ri nt h el a n d f i l lb o d y ；o n et h eo t h e rh a n d ，t e m p e r a t u r eg r a d st h e m s e l v e sa l s o i n f l u e n c es e e p a g ef i e l d , m o r e o v e r ，t h eh i g h e rt e m p e r a t u r eg r a d i e n ti s ，t h es t r o n g e r t h ee f f e c ti th a so ns e e p a g ef i e l di s ，o nt h i sb a s i st h ea u t h o re s t a b l i s h e dt h eg o v e r n i n g e q u a t i o no fs e e p a g ef i e l dw h i c hw a sa f f e c t e db yt e m p e r a t u r ec h a n g e b ya n a l y z i n g t h ee f f e c tt h a t1 e a c h a t et r a n s p o r th a do nt e m p e r a t u r ef i e l d , t h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h e g o v e r n i n ge q u a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d , t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ed i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h ed i s t r i b u t i o no fs e e p a g ef i e l d a r e c l o s e l y r e l a t e d i nt h e l a n d f i l l b o d y ，t h eh i g h e rh y d r a u l i cg r a d i e n ti s ，t h es t r o n g e rt h e e f f e c t i th a so n t e m p e r a t u r ef i e l d b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o u p l i n ga c t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n ds e e p a g ef i e l d i nt h el a n d f i l ls i t e t h ec o u p l e dd o u b l e f i e l dm o d e lf o rl e a c h a t et r a n s p o r tw a s e s t a b l i s h e d t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o do ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第| il 页 w a sp r e s e n t e d ，a l s ot h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fo n e d i m e n s i o n a ls i m p l i f ym o d e lw a s s o l v e d b ya n a l y z i n gs i m p l i f ym o d e l ，i tw a ss h o w nt h a t ：t h eh i g h e rh y d r a u l i c g r a d i e n tw a s ，t h em o r eo b v i o u st h ee f f e c to fs e e p a g eo nt e m p e r a t u r ew a s ，a n dt h e l e s so b v i o u st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e0 1 1s e e p a g ew a s w h e ns e e p a g ef l o w sf r o m w h e r et h et e m p e r a t u r ei sh i g ht ow h e r et h et e m p e r a t u r ei s l o w ，t h et e m p e r a t u r e i n c r e a s e sa n dt h eh y d r a u l i ch e a dd e c r e a s e s ；w h e ns e e p a g ef l o w sf r o mw h e r et h e t e m p e r a t u r ei sl o wt ow h e r et h et e m p e r a t u r ei sh i g h , t h et e m p e r a t u r ed e c r e a s e sa n d t h eh y d r a u l i ch e a di n c r e a s e s k e y w o r d s ：l a n d f i l l s i t e ；l e a c h a t e ；t r a n s p o r t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s e e p a g ef i e l d ； c o u p l i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 虢嘞龋：恕 日期：加8 ，6 、2 。日期：如护，l 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 通过对垃圾填埋场内热效应和渗透性能的分析，进行垃圾渗滤液运移的 温度场与渗流场耦合作用的定性、定量研究。 2 通过对垃圾填埋场中渗滤液运移的温度场与渗流场耦合作用分析，建立 垃圾填埋体中温度场与渗流场耦合的连续介质数学模型，并对该模型进行一维简 化求解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 城市生活垃圾( m u n i c i p a ls o li dw a s t e ，简称m s w ) 是在城市日常生 活及为城市生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，是城市环境的主要污 染物之一。世界各国都遇到了垃圾成灾、污染环境的挑战。随着我国社会经 济的发展，城市数量、城市人口的增加以及人民生活水平的提高，城市生活 垃圾的产量也迅速地增加。城市生活垃圾污染问题已成为一个十分严峻的社 会问题，如何实现城市生活垃圾的减量化、资源化和无害化，有效控制其对 环境的污染，已成为我国城市化进程中迫切需要解决的一个重大课题。垃圾 处理常见的方法包括卫生填埋、焚烧、堆肥和资源化综合利用等。卫生填埋 由于运输管理方便、处理费用低、技术成熟，因而成为我国处理垃圾的主要 方式，我国几乎9 0 以上的城市生活垃圾是采用填埋法处理的。填埋法处理 城市生活垃圾会产生大量水质成分复杂、污染物浓度高、水质变化大、且持 续时间长的渗滤液，这些渗滤液如不加处理则会对周围环境水体产生二次污 染，危害极大。为了控制和治理垃圾渗滤液，就需要对垃圾渗滤液的运移规 律进行研究。对于这一领域的研究，传统的研究方法只是单纯从垃圾的降 解、垃圾体内水分运移或垃圾体内温度变化等方面进行，在研究方法上忽略 了渗滤液的运移是垃圾体内水分运移和温度变化相互作用、相互影响的结 果。因此，从温度场与渗流场耦合的角度出发，分析城市生活垃圾降解过程 中渗滤液的运移规律，为制定控制和减少垃圾渗滤液对环境造成二次污染的 措施提供理论依据，同时也能促使环境工程、环境地质、地下水水力学及工 程热力学等各学科之间相互交叉和渗透，具有重要的理论意义和一定的实用 价值。 1 2 城市生活垃圾的处理方法 我国城市生活垃圾处理起步于8 0 年代后期。在1 9 9 0 年前，全国城市垃 圾、处理率还不足2 。目前，国内能够得到无害化处理的垃圾尚不足加2 0 ， 与欧美国家7 0 - 9 0 的处理率相比，我国城市生活垃圾处理的形势依然严峻。 我国城市卫生基础设施的发展远远滞后于城市的发展，这些得不到无害化处 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 理的垃圾经常被运到城市的郊区或城乡结合部随便堆放或简单填埋，以至于 我国三分之二的大中城市已处于垃圾的包围之中。这些城市生活垃圾不仅占 用了大量的良田或可供开发和利用的宝贵国土资源，而且污染着人们赖以生 存的土壤、水、大气等环境，它的渗滤液会污染地下水或附近的民用水源， 排出的有害气体污染了大气环境，传播疾病，威胁城市居民的健康安全。由 于垃圾污染的严重性和垃圾无害化处理的紧迫性，从八十年代末、九十年代 初，我国开始在经济增长较快的大中城市中试行垃圾处理的推广项目，探索 符合国情和地区条件的垃圾处理方法，包括卫生填埋法、焚烧法、堆肥法、 热处理法以及回收利用等处理方法。表1 1 列出中国和主要欧美国家的m s w 处理方法所占的比例。从表1 1 中可以看出，中国和许多欧美国家的城市生 活垃圾处理以卫生填埋为主，同时填埋法作为城市生活垃圾处置的最终方法 将长期存在。 表1 1 各国m s w 处理方法所占的比例( ) 卫生填埋法就是环卫部门将所收集的城市生活垃圾运输到填埋场，将垃 圾以每层2 5 3 m 的厚度在日填埋区域内加以摊铺，然后进行机械压密，最 终在城市生活垃圾的上部再铺以2 0 3 0 c m 的粘土层，并再次压实，形成一个 完整的日填埋单元。具有同样高度的一系列相互衔接的填埋单元构成一个填 埋层。一个完整的卫生填埋场就是由多个填埋层组成。当填埋到最终设计高 度之后，再在该填埋层之上覆盖一层9 0 1 2 0 c m 的土壤( 或土工织物) ，压实 后就得到一个完整的封场了的卫生填埋场。从某种意义上说，垃圾填埋场是 城市化发展产生的新型基础设施和土工构筑物。 城市生活垃圾填埋场在机理上可看作是生物化学反应堆，在长期填埋过 程中，由于压实、降雨和微生物的分解作用，以及其他生物化学反应等，将 产生填埋气体和渗滤液等二次污染物。垃圾填埋场产生的污染主要是由渗滤 液的渗漏和填埋气体的逸散引起的，卫生填埋场设计的目的是阻断渗滤液、 填埋气体和固体有害物质同周围环境的联系。为此，对渗滤液和有毒有害气 体采取防、堵、排、治的控制措施。“防”是要防止降雨、地表径流和地下 水侵入填埋场，以免增大渗滤液的产量和抬高填埋场中渗滤液的水头，增加 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 渗滤液处理系统的负荷和渗滤液的渗透扩散等渗漏污染，以及降低填埋体的 稳定性；“堵 是封堵场内的渗滤液，以免其向填埋场外扩散，污染地下水 源；“排 是及时排出场内的渗滤液和疏导有害气体，降低渗滤液渗漏污染 的潜在危险，并避免填埋在场内的阻塞或无序迁移，。消除爆炸隐患；“治” 是对渗滤液和填埋气体进行无害化处理，做到达标排放或实现资源化利用。 这些要求的关键是如何采取有效的隔离措施，保证不发生填埋场污染物向周 围环境的迁移扩散。为了达到此目的，各种型式的填埋场都需要由垃圾体、 底部衬垫系统、渗滤液收集和排放系统、气体控制系统以及封项系统等五个 部分组成，如图1 1 所示【2 1 。 图1 1 城市生活垃圾填埋场组成示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 根据填埋场址的不同，城市生活垃圾的填埋可分为山谷填埋、平原填埋、 海岸及滨海滩涂填埋等( 如图1 2 ) 。山谷型填埋场在我国南方地区较为常见， 大多建在工程地质和水文地质条件较好的三面环山盆地或山谷中，如成都长 安垃圾填埋场、杭州天子岭垃圾填埋场、苏州七子山填埋场和深圳下坪垃圾 填埋场。在平原地区，通常利用城郊天然的坑地或进行挖坑填埋，如北京阿 苏卫垃圾卫生填埋场。一些沿海城市，则利用海边滩涂堆填埋垃圾，如上海 老港垃圾填埋场。此外，也有一些城市利用采矿遗留的场地作为填埋场的场 址，如在建的湖州市填埋场；或利用高原的天然沟壑，如西安的江村沟填埋 场；以及山谷中的废水库等。 工作面 、釜芡单夕 罐藿蒌螂 。口：皇：封：革= = = 兰：= 士： = 崔 渗瓣渗滤液收集管一一鞠岁 ( a ) 山谷填埋 隔离系统 收集系统 海平面 渗滤液收集管 ( b ) 平原填埋 ( c ) 海岸及滨海滩涂填埋 图1 2 城市生活垃圾填埋场的类型 经过二十来年的发展，我国城市生活垃圾填埋处理的重点正在从渗滤液 和填埋气体等二次污染物的处理方面，向填埋场防渗、液气疏导及终场覆盖 等控制污染产生和加速填埋场稳定化的工程措施方面转移。1 9 8 9 年建设部 颁布的城市生活垃圾卫生填埋技术标准( c j j l 7 8 8 ) 以及后来改进的城 市生活垃圾卫生填埋技术规范( c j j l 7 2 0 0 1 ) ，到最近修订生活垃圾卫生 填埋技术规范( c j j l 7 加2 0 0 4 ) 为各地的填埋场设计提供了标准和依据。目 前更多的城市正在建设更高标准的城市生活垃圾卫生填埋场，力求在底部防 渗和渗滤液控制以及填埋气体收集等方面取得更好的效果。但相对于欧、美、 日等发达国家，我国在城市生活垃圾卫生填埋处置方面的研究还有比较大的 差距，非常必要进一步加强该领域的研究。 1 3 垃圾填埋场内水分运移及相关的环境问题 1 3 1 渗滤液的产生和运移 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 渗滤液是入渗的雨水、地下水流经垃圾时，融解或携带了垃圾中某些成 分，与垃圾自身压缩、降解产生的水分一起形成的污液，渗滤液中包含一定 数量的溶解物质和悬浮物质，是一种高浓度污染物，故为防止污染，需要将 填埋场内产生的渗滤液收集并经过处理才能向环境中排放。垃圾填埋场渗滤 液产生量受下面因素影响：当地降雨量、蒸发量、蒸腾量、场地类型、地下 水补给量、地表水入渗量、垃圾本身的含水量、封顶覆盖、填埋作业方式等。 其中最主要的影响因素是填埋场区降雨入渗量。对于运行期的填埋场，若无 有效的雨污分流措施，由于垃圾的渗透系数较大，故降雨时填埋场表面不会 形成地表径流，降雨将全部入渗到填埋场中，大大增加渗滤液产出量。填埋 场封项后渗滤液产出量将大大降低，主要有三方面的原因，如图1 3 所示： 一是，封顶覆盖层具有一定坡度，降雨时其顶部饱和后，部分降雨转化为地 表径流流出场外；二是，封项覆盖层上植被的蒸腾作用可以大大降低入渗的 雨水量：三是，封顶系统中土工膜及压实粘土衬垫或复合衬垫大大减小了入 渗量。一个正确设计和施工的封顶系统可以彻底阻止降雨入渗。 为减小填埋期间的降雨入渗，在暂时不进行填埋作业的区域内进行中间 覆盖，由于中间覆盖层一般采用渗透系数较小的土料，故当上部再填埋垃圾 后，位于填埋场内的中间覆盖层上可能出现局部滞水p 训。如图1 3 所示， 渗滤液受水头驱动向下流动，当中间覆盖层上渗滤液产生量大于透过该中间 覆盖层的渗透量时，渗滤液便会积聚在中间覆盖层上，形成局部滞水。因此， 垃圾层在竖向可分为饱和区及非饱和区，渗滤液在垃圾中的流动属于饱和一 非饱和渗流。 渗滤液向下流动到达垃圾层底部的渗滤液收集排放系统或其下的渗漏 检测系统，在具有一定坡度的土工膜或粘土衬垫上积聚并向渗滤液收集管流 动，由渗滤液收集管排至填埋体外。渗滤液收集排放系统设计时，一般按照 美国环境保护局【5 】规定，限制其上的水头不大于3 0 c m ，而实际上，渗滤液 收集排放系统会随着运行年限的增长而发生不同程度的淤堵，导致渗滤液在 导排层上大量积聚，形成的水头可达几米或几十米，因此填埋体底部也不同 程度的存在饱和区。对于一个正确设计的填埋场，底部及侧面的土工膜和衬 垫系统可以将地下水隔绝，填埋场底部的地下水导排系统可以将之排至场 外，然而若无上述系统或上述系统发生破坏，地下水将成为增加渗滤液产出 量的一个重要因素。特别是对于山谷型填埋场，地下水来源于填埋场周边广 大的汇水区域，地下水的补给将使渗滤液产量大大增加，故应在填埋场周边 设置截洪沟截取地表水。而截洪沟不能截取汇水面积内的全部地表水，并且 雨水可能入渗形成地下水，因此汇水区域内的地下水补给不容忽视。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 沙砾层 医南排i 一 7 - = = = 兰兰 、 土工膜 粘土衬垫 2 x 一5 z 图1 3 填埋场中渗滤液的形成及运移 1 3 2 与水分运移相关的环境与稳定问题 从图1 3 可以看出，填埋场的每一个组成部分都与渗滤液的形成及运移 有关，水的问题是填埋场中的关键问题。由上面的分析可知，渗滤液运移过 程中填埋场内中间覆盖层上形成局部滞水；而渗滤液收集排放系统发生淤堵 时填埋场底部渗滤液水位将升高；当填埋作业时无有效的雨污分流措施、填 埋库区存在地下水补给时，局部滞水和底部饱和区规模会大大增加，填埋场 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 内出现较大的水头压力，由此将引发一系列的环境和稳定问题。 与渗滤液有关的环境问题主要是渗滤液渗漏及污染物扩散对填埋场周 边地表水和地下水的污染，这是环境工作者十分关心的问题。渗滤液中含有 机污染物( 氨氮、挥发酚等) 和无机污染物( 汞、铅、铬等重金属) ，如果填埋 场底部及周边衬垫系统存在缺陷，上述污染物很容易渗漏到填埋场周边的水 体和土体中：即使是完好的衬垫系统，上述污染物( 特别是有机污染物) 也可 能缓慢扩散出去【6 】。据美国环保局的统计，美国己有的7 5 0 0 个垃圾填埋场， 7 5 对周边土体或水体造成了明显的污染【7 】。国内填埋场渗滤液污染地下水 或地表水的情况更为严重。 中间覆盖层上形成局部滞水的过程中，渗滤液将在渗透系数较大的垃圾 层中沿水平方向流动，局部滞水到填埋场边缘时，将发生渗滤液的侧向渗漏； 或者当填埋场底部渗滤液水位高出垃圾坝时，也将沿垃圾堆体侧面覆盖层薄 弱处发生侧向渗漏。侧向渗漏除严重污染周边环境外，还常常造成库区泥泞、 恶臭，使场区卫生条件恶化，给填埋作业带来不便o 渗滤液水位过高将加剧污染物的渗漏和扩散，研究表明，若填埋场底部 衬垫层上的渗滤液水头过高，则衬垫击穿时间( 污染物透过衬垫达到一定浓 度的临界时间) 将大大缩短，从而使透过衬垫的渗漏量大大增加。唐晓武等 【8 计算了水头l o m 时2 m 厚粘土衬垫的击穿时间，考虑水头作用时击穿时间 为5 年，不考虑水头作用则不会击穿。 j 与渗滤液有关的稳定问题主要是由于填埋场内水压力过高引发的各种 形式的填埋边坡失稳，这是环境岩土工程研究的重要课题。保证填埋边坡的 稳定性非常重要。垃圾填埋体是一个体积庞大的土工构筑物，国内填埋场的 最大填埋高度己达1 0 0 多米，填埋边坡失稳会引起垃圾和渗滤液大量泄漏， 严重污染周围环境，甚至包括人员死亡，因此其后果是灾难性的。如2 0 0 0 年7 月1 0 日，菲律宾首都马尼拉附近的一座大型垃圾填埋场发生填埋体失 稳，造成至少2 1 8 人被活埋，1 0 0 余人失踪的惨剧。填埋场内的渗滤液水位 对于填埋边坡的稳定性至关重要，随着填埋体内渗滤液水位的升高，填埋边 坡的重量增加，同时根据有效应力原理，孔隙水压力增大导致垃圾的抗剪强 度降低，因此，若填埋体内水位过高，则可能导致边坡失稳。 1 4 国内外研究现状分析 对城市生活垃圾渗滤液产生及运移规律这一领域的研究，国外最早始于 2 0 世纪3 0 年代美国加利福尼亚首次提出“卫生填埋 一即能对渗滤液和填埋 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 气体进行控制的填埋方式这一概念【9 1 。到2 0 世纪5 0 年代初，英美等国在对垃 圾渗滤液及填埋气产生、运移、特征等初步研究基础上才开始修建称之为卫 生填埋场的专用垃圾处理场地【1 0 】。1 9 7 5 年美国s a l e m 国家工程师办公室的学 者s w e e t 在对一处置量为5 4 7 0 0 0 吨的木材加工废料填埋场历时2 年的环境监 测中，对垃圾渗滤液的产生、运移及对周围地下水的污染进行了研究【1 1 】；2 0 世纪8 0 年代美国国防部的相关学者在系统研究垃圾渗滤液产生及运移规律 的基础上开发了一套垃圾卫生填埋场水文评价模式一h e l p 模型( h y d r o l o g i c e v a l u a t i o no f l a n d f i l lp e r f o r m a n c e ) ，开创了垃圾渗滤液产生和运移规律研究 进程中的重要里程碑【l2 】；1 9 8 9 年美国学者t h e i s 等通过研究垃圾卫生填埋场 中非饱和孔隙水和垃圾渗滤液的物理化学特性，进一步揭示了垃圾渗滤液的 产生过程和运移规律【1 3 】；a h m e d 等( 1 9 9 2 年) 将饱和渗流理论与非饱和渗流 理论结合( 在垃圾层中进行非饱和渗流模拟，在底部渗滤液收集排放层中进 行饱和渗流模拟) ，考虑渗滤液的竖向运动和侧向运动，建立了二维非饱和 一饱和非稳定流模型f i l l ( f l o wi n v e s t i g a t i o n f o rl a n d f i l l l e a c h a t e ) 1 4 】； k h a n b i l v a r d i 等( 1 9 9 5 年) 运用f i l l 模型对f r e s hk i l l s 填埋场内一个填埋单元在 1 9 8 3 年的渗滤液产量进行了计算，并与h e l p 模型进行了比较，结果表明， f i l l 模型i - 匕h e l p 模型精确，但其计算结果与实测数据仍有较大误差 15 1 。 1 9 9 6 年m c d o u g a l l 运用各种渗流理论对渗滤液在工程垃圾填埋场内饱和与非 饱和带中的运移行为进行了模拟研究【l6 1 ，同年，m c c r e a n o r 等将修改后的美国 地质局的二维饱和一非饱和非稳定流数学模型s u t r a ( s a t u r a t e d u n s a t u r a t e d f l o wa n dt r a n s p o r tm o d e l ) 用于模拟回灌条件下水分在竖直剖面上的运动 1 7 , 1 8 ：1 9 9 8 年，美国学者r i t t e r l i n g 通过应用m u l t i m e d 模型( m u l t i m e d i a e x p o s u r ea s s e s s m e n tm o d e l ) ，评价和预测了垃圾渗滤液的产生、运移和污 染特性【1 9 】；2 0 0 1 年，k j e l d s e n 描述了填埋场中有机化学物质在渗滤液、气体 和固体废物中的分布，并建立了m o c l a ( m o d e lf o ro r g a n i cc h e m i c a l si n l a n d f i l l s ) 模型，预测了化学物质随渗滤液和填埋气体的排放及在填埋场中 降解和转化的情况【2 0 】：此外，2 0 0 2 年韩国学者d h on a m ，y u n g 等通过h e l p 模 型计算填埋体内各垃圾层及中间填土隔层水力传导系数基础上，应用水均衡 方法对某垃圾填埋场的渗滤液水位进行了预测和分析【2 1 】；同年美国学者 e 1 - f a d e l 分别应用h e l p 模型和p o r f l o w 模型( at h r e e d i m e n s i o n a l m u l t i p h a s ev a r i a b l ys a t u r a t e dm o d e l ) 模拟计算和分析了处理量为2 0 0 0 吨 天的垃圾填埋场中渗滤液的产生量和运移规律阱】。我国在这一领域的研究起 步较晚，发展比较缓慢，2 0 世纪8 0 年代才开始了卫生填埋场的建设，由于受 经济条件的限制，真正意义上的“卫生 填埋场的数量极其有限，对垃圾渗 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 滤液产生及运移规律的定量研究基本上处于空白状态。进入2 0 世纪8 0 年代后 期，随着对垃圾渗滤液对环境二次污染的进一步认识，逐步开展了垃圾渗滤 液污染特性和治理措施的研究，但对垃圾渗滤液产生和运移规律的定量研究 仍然是涉及很少。2 0 0 1 年，刘建国等在实验室中建立了一个具有典型填埋场 构造的单元隔室系统，通过模拟实验，研究了不同盖层、衬层防渗配置下系统 内的水分运移规律 2 3 l ：2 0 0 3 年，王洪涛和殷勇通过对填埋场内水分运移特征 的分析，建立了渗滤液回灌条件下，生化反应器填埋场水分迁移的饱和一非饱 和三维非稳定数学模型，并以此定量模拟和预报不同回灌条件下填埋场水分 的时空分布规律f 2 4 】。应该说，和美国及西方发达国家相比，我国在该领域的 研究已经落后了许多年，存在着相当大的差距。 对温度一渗流耦合作用下流体在渗透介质中运移规律的研究，在工程岩 体等领域国内外已经做得比较成熟。8 0 年代中期b a r t o n t 2 5 】对工程岩体地下 水渗流场、应力场与温度场之间的耦合作用进行了初步的探讨性研究，但只 是针对工程岩体的稳定性和冻土地区隧道涌水问题进行了个别应用性研究； 杨金中( 1 9 8 9 年) 1 2 6 等根据能量平衡和热传导理论，提出水、汽、热耦合 关系的土壤水运动基本方程；柴军瑞( 1 9 9 7 年) 】在分析岩体渗流场对温度场 的影响机理和岩体温度场对渗流场的影响机理的基础上，提出了渗流场与温 度场耦合的连续介质数学模型，并在1 9 9 9 年【2 8 】建立了岩体一维渗流场与温 度场的耦合模型，采用迭代法对该耦合模型进行了解析演算，得出了耦合模 型的近似解析解，在2 0 0 0 年 2 9 , 3 0 】成功应用迭代法解决了混凝土坝稳定渗流场 与稳定温度场耦合数学模型的求解，同时定量分析了岩体渗流场与温度场的 相互影响和相互作用；黄涛( 1 9 9 9 年) 】针对秦岭隧道工程建立了裂隙岩体温 度一渗流耦合数学模型，采用应用比较广泛和成熟的有限元数值模拟进行求 解，具体的求解过程采用编制程序，利用计算机实现；同时，杨立中t 3 2 ( 2 0 0 0 年) 、黄涛( 2 0 0 2 年) m 】提出了基于深层地下水资源评价预测目的基础上的裂 隙岩体地下水渗流一应力一温度三场之间的“非完全”耦合作用研究模式，并 针对大型地下工程中所涉及地质灾害的成灾预测预报及防治需要，给出了裂 隙岩体地下水渗流场一应力场一温度场“完全 耦合作用模式，这给裂隙岩体 渗流场与温度场两场耦合作用研究提供了新的思路。李宁( 2 0 0 0 年) 【3 4 】在建 立岩体裂隙介质三场耦合微分控制方程的基础上，推导了岩石、裂隙，水，气 三相介质的温度场、变形场、渗流场耦合模型及有限元解析格式和分析计算 方法，并结合实际工程对结果可靠性及分析精度进行了论证；赖远明( 2 0 0 1 ， 2 0 0 3 年) t 3 5 , 3 6 】根据热传导理论和渗流理论提出了相变温度场与渗流场耦合问 题的数学力学模型和控制微分方程，应用伽辽金法导出这一问题的有限元公 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 式，并结合寒区大坝和挡土墙进行了实例分析，取得了积极效果；贺玉龙 ( 2 0 0 3 年) 【3 7 】根据连续性方程、线动量守恒方程以及相应的物性方程推导 了饱和岩体温度场一渗流场一变形场三场耦合作用控制方程组，并进行了温 度场、渗流场、变形场三场两两耦合作用强度的量化研究。 对垃圾填埋场污染物运移的多场耦合理论，我国学者近年来就垃圾填埋 气做过一些研究。梁冰( 2 0 0 2 年) 3 8 1 基于达西定律、连续性方程和热流方 程，建立了非等温条件下非饱和带土壤中水分运移的数学模型，并采用积分 变换方法对所建立的数学模型进行解析求解，通过算例分析了温度对非饱和 土壤中水分运移的影响；薛强( 2 0 0 3 年) 【3 9 利用多场耦合理论建立了填埋 气体气一热一力耦合的动力学模型，表明在定量研究垃圾气体在填埋场中运 移时，耦合作用与非耦合作用对于问题的研究产生很大的影响，耦合效应不 能忽略；并在2 0 0 5 年 4 们，基于多孔介质渗流力学一热力学理论，建立了垃 圾填埋气体运移过程的多场耦合模型，表明了温度对于填埋气体运移有较大 的影响；曹国强，梁冰等( 2 0 0 4 年) 4 1 1 也是基于多孔介质渗流力学一热力 学理论，考虑了气体密度随压力变化影响条件下，建立了垃圾填埋垃圾气体 运移过程的耦合动力学数学模型：武文华( 2 0 0 2 年) 【4 2 】针对处置工业和市政垃 圾常用的工程土障系统，建立了非饱和土的热一水力一力学一传质耦合数学 模型，考虑了温度引起的非饱和土中水力、力学等参数的变化：刘泽佳( 2 0 0 5 年) 【4 3 】在已存在的多孔介质中热一水力一力学一传质耦合数学模型基础上， 考虑了孔隙水中污染物对多孔介质力学性质的影响，建立非饱和土的化学 热一水力一力学耦合数学模型。 综上所述，可以得出以下结论：( 1 ) 在对城市生活垃圾填埋体渗滤液的 研究中，忽略了垃圾体中水分的运移是与温度变化相互作用、相互影响的结 果。( 2 ) 在垃圾填埋场污染物运移的温度一渗流耦合方面，仅就填埋气做过 研究，而对垃圾渗滤液运移的温度一渗流耦合研究国内外基本上还处于空 白。对于温度一渗流耦合条件下流体在渗透介质中运移的研究，在工程岩体 等方面已经做得比较成熟，故可以借鉴其研究思路和成果。 1 5 本文的主要研究内容、研究目标、研究方法及技术路线 1 5 1 主要研究内容 本文结合导师的国家自然科学基金项目( 4 0 3 0 2 0 3 3 ) 温度一化学一渗流耦 合条件下城市生活垃圾渗滤液产生和运移规律研究，以垃圾降解的生化反 应机理为基础，开展垃圾降解过程中温度与垃圾体内渗滤液运移的相互制约 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 关系，主要研究内容如下： ( 1 ) 探讨垃圾渗滤液溶质运移的机理及数学模型。 ( 2 ) 通过垃圾渗滤液运移室内模拟实验，分析了温度对填埋有机垃圾渗滤 液水质指标的影响。 ( 3 ) 通过对垃圾填埋场内热效应和渗透性能的分析，进行垃圾渗滤液运移 的温度场与渗流场耦合作用的定性、定量研究。 ( 4 ) 通过对垃圾填埋场中渗滤液运移的温度场与渗流场耦合作用分析，建 立垃圾填埋体中温度场与渗流场耦合的连续介质数学模型，并对该模 型进行一维简化求解。 1 5 2 研究目标。 本论文的研究目标是分析有机垃圾降解过程中渗滤液运移和垃圾体内 温度变化二者之间的相互影响与制约关系，建立垃圾填埋体中温度场、非饱 和渗流场二场耦合数学模型，数值模拟二场耦合作用和效应，研究温度一渗 流耦合条件下城市生活垃圾渗滤液的运移规律，为制定控制和减少垃圾渗滤 液对环境造成二次污染的措施提供理论基础。 1 5 3 研究方法 城市生活垃圾渗滤液运移的温度一渗流耦合作用研究是一个多学科交叉 的研究课题，涉及生物化学、地下水水力学和热力学等理论。本课题把垃圾 填埋体作为一种特殊的多孔介质，运用定性分析、理论分析和数值模拟等方 法系统地研究垃圾渗滤液运移的温度一渗流耦合作用。 1 5 4 技术路线 本课题的技术路线为：理论与试验相结合，以理论分析为主。基于多孔 介质渗流力学一热力学理论，建立垃圾渗滤液运移的温度一渗流耦合模型， 并对数学模型进行简化，得出结论。采取的技术路线如图1 4 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 垃圾渗滤液运移的机理与数学模型 相关实验 1 r 土土 热效应分析渗流理论分析 1 一+ 垃圾填埋体 l 垃圾填埋体中 中的温度场 的渗流场 2 1r 建立耦合数学模型 1 填埋体内温度的分布，使渗流场发生变化 2 填埋体中渗滤液的渗流导致了填埋体内温度场的再分布 图1 - 4 课题研究技术线路图 温度。渗流耦合作用分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章填埋场中渗滤液运移的机理及模型 垃圾的卫生填理是我国城市生活垃圾的主要处理手段，垃圾填埋场是由 多层重叠的中间覆盖层和垃圾层构成，并在底部铺上衬垫系统。垃圾一经填 埋，就会产生含有大量污染因子的水，即具有污染性能的垃圾淋滤液。在淋 滤液中污染因子运移有两种方式：一是随水的渗流而进行的线性运移；二是 由于热运动、浓度差等原因而引起的弥散作用。尽管对地下水的渗流和单一 溶质的弥散已有了被普遍接受的达西定律和费克定律，以表征这两种运动的 基本规律，但垃圾淋滤液中携带物的运移情况都较之复杂得多。垃圾渗滤液 自大气降水进入填埋场中，开始渗入垃圾填埋体表面，总的来说，它的运动 方向首先是垂直的，在此过程中，如果填埋场的侧壁存在透水性较强的岩土 体，它随时可能发生水平分向渗流，否则，垂向运动可持续到填埋场底部。 它们的垂向运动途径，是多层重叠的中间覆盖层和垃圾层及底部衬垫系统， 若填埋场渗滤液水头或浓度较高，渗滤液还可能穿透衬垫系统而进入地下水 含水层。为此，有必要了解渗滤液中污染物在填埋场中的迁移规律，以便对 渗滤液可能造成的危害进行预测，提出相应的预防措施。 一显一兰! 兰篓兰篓兰竺二二一 土颗粒 0 阳离子 一土颗粒表 面负电荷 ：天然地基 = 二二= 二= = 二二二= 二二二= 潜水层 图2 1 污染物在土壤中迁移机理示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 1 渗滤液在填埋场中的运移机理 污染物在土中的运移受各种物理、化学和生物反应作用，是一个复杂的 过程，包括对流、弥散、扩散、吸附、溶解、沉淀、水化等。通常污染物在 土中的迁移可以概括成以下几种机理【“】： ( 1 ) 对流运移：由土中的水力梯度引起，污染物随土中孔隙水的流动而迁 移； ( 2 ) 分子扩散：由分子的不规则热运动( 布朗运动) 引起，污染物由高浓 度区向低浓度区运移； ( 3 ) 机械弥散：由于孔隙通道不均匀导致水流