（环境工程专业论文）固体废弃物填埋场渗流数学模型研究.pdfVIP

圆体废弃物填埋场渗流数学模型研究 摘要 本文对固体废弃物填埋场建立了二维饱和一非饱和渗流数学模型，对固体废 弃物填埋场内部渗流场进行了研究。 堆埋是国际上处理固体废弃物蛉主要方法。两其中渗滤滚对媳表水秘遮 下水的污染已经非常突出，是引起环境污染的主要原因之一。因此，对渗滤液流 动甄律静研究已经戒为热点。本文在研究固体废弃物各稀工程髋质的基础上，提 出用壤水动力学原理米模拟渗滤波的滚动翘律。在以总愿力水头为来知量黪多 孔介质三维饱和一非饱和渗流方程基础上，将饱和、非饱和区域视为个整体来 逶行研究，建立了激显姣格式粒有限体积法( f 镪) 为基础的二维饱和一菲德和 渗流模型，并运用于深圳市下埒固体废弃物填埋场内部渗流场的计算。根据渗淡 场等值线圈几个特征时刻的分布特点，明确丁在降雨入渗条件下，渗滤液流动的 规律，为正确信箕填埋场渗滤液的水量提供了科学依据。模型的应用结果表明； 该模型是合理的、可靠的鄹有效的，f v m 运瘸子地下水运渤静数健模拟仍然是一 种高解析度的数慎方法。本论文的研究成果为固体废弃物填埋场的环境设计、质 耋控潮提供了设诗手段。 关键词： 蔷体疲彝物填堙场饱和菲馋和渗流数学模型 有限体积法 s t u d y o nn u m e r i c a l m o d e l i n g o f s e e p a g e f l o w o f m s w ( m u n i c i p a l s o l i dw a s t e ) l a n d f i l l a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni n a k eas y s t e m a t i ca n dd e t a i l e ds t u d yo n s e e p a g e f i e l do f m s w l a n d f i l l ，a n d t w o - d i m e n s i o n a ls a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds e e p a g en u m e f i c a im o d e l i n go fm s wl a n d f i l li s d e v e l o p e d l a n d f i l li st h e 商m a r y d i s p o s a lo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e i nt h ew o r l d t h el e a c h a t eo fl a n d f i l l p o l l u t e t h es u r f a c ew a m ra n dt h eg r o u n dw a t e r , a n di ti so n eo ft h ep m m r yf a c t o r sf o r p o l l u t i o nc f e n v i r o n m e n t t h u s ，t h es t u d yo nl e a c h a t eh a sb e c o m eat o p i co fg e n e r a li n t e r e s t b a s e do i lt h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fm s w , t h et h e o r yo fs o i lh y d r o d y n a m i c si sa p 呻e d t os i m u l a t et h ef l o w l a wo ft h el e a c h a t e 。渤t h eb a s i so ft h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o no fs a t u r a t e d - u n s a t u r a t e d s e e p a g ei np o r o u sm e d i u m s i nw h i c ht h ew h o l ep r e s s u r eh 氍i di st h ef u n d a m e n t a l u n k n o w n q u a n f i ty t h es a t u r a t e dd o m a i na n dt h eu n s a t u r a t e dd o m a i na r er e g a r da sa w h o l es y s t e m ，a n dt h et w o - d i m e n s i o ns a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g em o d e l i n gi s e s t a b l i s h e d t h em o d e l i n gi sa p p l i e dt ot h ex i a p i n gm s w l a n d f i l l a c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so ft h ec o n t o u rm a p ，t h ef l o wl a wo ft h el e a c h a t eu n d e rt h ec o n d i t i o no fr a i n i n f i l t r a t i o ni s a n a l y z e d t h er e s u l t sf r o mt h es i m u l a t i o na l s op r o v i d et h es c i e n t i f i c b a s i sf o re s t i m a t i n gl e a c h a t ey i e l d t h er e s u l t sf r o mt h ec o m p u t a t i o np r o v et h a tt h e m o d e l i n gi sr a t i o n a l ，r e l i a b l e a n de f f e c t i v e i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em e t h o d sa n d m o d e l i n g h a v et h e o r e t i ca n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ed e s i g n o fm s wl a n d f i l l k e y w o r d s ： s o l i dw a s t el a n d f i l ls a t u r a t e du n s a t u r a t e d s e e p a g e n u m e r i c a ln i o d e l i n gf i n i t ev o l u m em e t h o d 日u 舌 随着地下水资源在社会经济和人民生活中发挥的作用越来越大，对地下水资 源的保护也越来越重要，因此关于地下水遭受污染的这一课题很值得作全面深入 的研究和分析。而固体废弃物填埋场产生的渗滤液很有可能成为地下水污染的一 类源头。由于固体废弃物的组成，预处理的程度、覆盖，隔滤材料的不同，堆埋 工程对环境的规划、设计所需的适合国情的分析模型十分复杂，且在我国尚未起 步。鉴于当前，特别是未来的需要和以往研究工作的基础，故提出本研究项目。 固体废弃物成分复杂，包罗万象，其工程性质交化范围非常大且随时间改变。 本论文在研究了固体废弃物工程性质的基础上，发现固体废弃物的工程性质与土 壤有一定的相似之处，故采用土壤水动力学的理论来研究渗滤液的流动情况。在 研究了土壤水动力学基本理论的基础上，推导了以总压力水头为基本未知量多孔 介质二维饱和一非饱和渗流微分方程建立了基于显式格式和f v m 的二维饱和与 非饱和固体废弃物填埋场渗流数学模型。并将模型应用于深圳市下坪固体废弃物 填埋场进行验证，计算了在降雨入渗条件下，填埋场内部的总压力等值线图。 由几个特征时刻的填埋场内部总压力等值线图可以看出：渗滤波的产生量与 降雨量有着密切的关系，降雨量提供了渗滤液水量得主要来源；渗滤液的产生量 滞后于降雨量，如在降雨停止后5 天，饱和带高度达到最大值。 由计算结果可以看出，该模型是合理的、可靠的和有效的，f r y 运用于地下 水运动的数值模拟仍然是一种高解析度的数值方法。本论文的研究成果为固体废 弃物填埋场的环境设计、质量控制提供了设计手段。 学位论文独御性声明： 本人所呈交熬学位论文是我令入在辱筛指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特翔加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中傣了明确的说粳并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说腿： 年月尽 河海大学、中国科学技术傣息硪究嚣、黧家图书馆、审国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文橙，可黻采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊进授投河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年月日 嗡体墟舟物垠堙蟪渗漉数学模垫 1 绪论 1 1 问题的掇出 水是生命之源，并且在经济和社会可持续发展中发挥着极黧重要的作用。而 我围蟊静承资源现状不容乐蕊。人均承资源董少、求资滚逢区二分森不均匀，与 人则和土地资源的分布关系不协调、水资源年内、年际变化大。同时幽于人口激 增和缺乏环境意识，如不合理的三废排放，导致水质污染严重，水环境日趋恶化， 使承资源的供需矛詹霹麓尖锐亿。 地下水是城市主要供水水源之一，特别是北方城市，大多数以开发地下水作 为主要供水水源。但是由于人类活动，特别是三废排放所造成的地下水水质污 染已经成为我萄莓蓊最突警酌环境蠲题之一。 地下水的污染来源十分广泛，主要有工业疲水、生滔污水、工业废渣、矿渣、 农药、化肥、垃趣乏、粪便、海水及含水层中的天然高矿化水等2 。在造成地下水 污染的原疆及羹途径当中，当# 应褥羽g l 麓重鬣豹还有潮体瘦弃裼的污染鲻邀。 出于经济快速发展，城市化扩大，居民消费水平同蕊提高，我国城市垃圾处 羲及污染防治己成为环境保护的突出问题。目前，我国人均年产垃圾已达4 5 0 k g 醴上，藏市垃蔽年产毒鲞超避l 亿随，年增长率为8 褥珏。，已与发这戮家 摆接近。出于长期缺乏科学蛰理和合理处理，其污染延续时同可以长达数十年甚 至上百年。国内外有关固体废弃物污染地下水的事故屡有发生。例如兰州市为扩 大城市谣羧，翻髑垃圾在黄淄滩壤土统圭氇，僵逸轰承、羹羹f 求帮遭至l 难以最治懿 居患f 1 1 ：上海黄漓江上游港口段在近年检测水质时发现江水中的氨氨和硝酸盐的 含量明显增高，经考察后发现三林蟾垃圾填埋场就位于浚江段距江堤不足2 0 0 m 的地方，渗滤液瑟寸刻流入江中k 。；簿酱南部岂伐剿蓝翡一个壤土堆，葜渗出物渗 入地下水中呈狭长的透镜体状，移动2 哩( 约3 2 2 k i n ) 以上，使附近的地下水腹恶 化近2 5 年h ：；英国伦敦西北利河旁的煤气厂在1 9 0 5 1 9 6 7 年问将其废物( 沥青 焦油和硫酸等) 堆放在河岸的一个砂统内，它们渗入途下后不汉使较大范围鑫专缝 下墩受到污染，藕且在1 9 4 3 年引起太火燃烧，可见几十年的跋物仍是难以处理 的问题嘲：美国1 9 7 7 年的18 5 0 0 个填埋场，几乎一半对水体产生污染强：澳门 河海大学颀一0 诧文 与珠海市交界处的茂盛围困澳门垃圾渗滤液污染，导致河流中鱼虾绝迹、农田失 收等严重后粜m ：德国l a n g 报导距填墁场4 k m 远的地表水下游，水质出现恶化 潮：n e v e n k am i k a e l 9 1 等覆簿，渗滤液对含零藩豹影稳不仅限予表最，两虽缝影确 到6 0m 深的范围。渗滤波污染地下水的另一个特点是持续时间长，握研究报道， 垃圾填埋场在封场麟生物分解过程还会持续1 0 2 0 年”，在封场后7 0 上百 年静藓雩闻餐胃能有渗滤滚豹渗出，蟊位予广翊零自云遁太霸镇大漾挺懿老魔窿璞 埋场封场后8 年，仍有褐戗渗滤波流进附近的水体，处理后进入流溪河还会影响 广州江村水厂取水阴的水质。 上蘑静镄子可淤看密，阉体凌弃物对壤及承体帮会遮藏污染，怼享会遥袋 魑害。旦地下水源和周围土壤披污染，想用人工方法实施再净化，技术上将十 分困难，其费用也及其昂贵。固体废弃物污染地下水的过程见图1 1 ： 降求 潘滤液 图1 1 填墁场渗滤液形成过程 f i g 1 1t h e f o r m i n gp r o c e s so f l e a c h a t ef r o ml a n d f i l l 骢羞地表水体的污染、地下水资源的缺乏以及社会需水量的增长，地下水资 源在社会经济和人民生活中发挥的作用越来越大，地下水污染问题也将越束越爱 蓟人们的重褫。在蕊体废弃物填疆场靖避下承环境彩酾的 锺题主，为了尽量减少 渗滤波对地下水的污染，除了要哭重填埋场的防渗方案、防渗结构以及防渗效果进 商体墩弃物壤埋场渗流数学挟墅 行研究外，还应对填埋场内部渗滤液流动规律、压力场分布作全面深入的分析研 究，为合理设计固体废弃物填埋场提供科学依据。 固体废弃物填埋场渗滤液在填埋场内的流动规律可以利用地下水水动力模 型来进行模拟分析。通过数学模型来模拟渗滤液的流动，以便采取控制措旌，使 渗滤液对地下水环境的影响程度降到最低。 1 2 固体废弃物填埋处置方法和理论的研究发展 虽然随着人们环境意识的提高，固体废弃物回收再利用的程度不断提高，但 是有些固体废弃物，如生活废弃物，工业有机废弃物，公园和花园的废弃物等却 只会增加而不会减少。所以固体废弃物的处理是一项保证人们正常生活和保护环 境的重要工程。国外固体废弃物的处理有两种主要方式，堆埋和焚烧。但由于焚 烧的能耗大和有可能造成对空气的污染，堆埋是先进工业国家的处理固体废弃物 的主要方法。堆埋的固体废弃物经过生化过程变化可重复使用的覆盖材料：生化 过程中释放气体可供发电供热。堆埋到设计容量后，表面经绿化，可开辟成环 境优雅的休憩场所。随着堆埋工程的设计渐趋合理，隔滤材料渐趋完善，这种固 体废弃物的处理方法己成为工业界和居民所接受的“绿色工程”。美国目前已有 近6 0 0 0 座堆埋场在运转中 1 1 1 1 2 3 。 先进工业国家2 0 多年前开始进行固体废弃物堆埋工程的系统研究。包括填 埋场渗滤液收集和排放系统的研究，堆埋场气体产生和收集系统的研究，隔滤、 封顶系统的研究，堆埋体土力学特性和稳定的研究等方面3 ”。如1 9 8 4 年 美国学者s c h r o e d e r 等研制了“垃圾填埋场水力学评价模型”即h e l p 模型，该 模型给出了在不同组合条件下渗滤液量的估计方法，对场地水量的转化进行了综 合计算。1 9 8 8 年p e y t o n ，r l 等通过对1 7 个垃圾填埋场的长期模拟试验，验证 了h e l p 模型的可靠性和适用范围，h o l l i n g s h e a d ，s c 等( 1 9 8 9 ) 币i j 用h e l p 模型 对填埋场的粘土隔水层厚度、渗透系数、表土层等因素进行了分析，对该层系统 的改进作了进一步研究。还有学者综合研究了垃圾中的有机质、n 0 2 一、n 0 3 一、 n h a + 、c o d 等在填埋场水土系统中相互作用和转化的机理、并作数学模型模拟 和预测等的研究。 固体废弃物堆埋工程在我国于8 0 年代中期以后开始建设，尚在起步阶段1 。 江苏是一个经济发展迅速，工农业生产总值走在全国前面的经济大省，工业的发 塑坠型型垒l 一 聂，大型城市变缮更大，中型城市不断增加，城市垃圾的处理量同盏增大，固体 废弃物的合理处理及资源化已是个迫不及待的问题，南京、常= j i | i 、苏州等城市 已在移拉建兢格化的填埋工程。搿1 2 、莓1 3 为运行中的 l j 谷鍪壤堙场。 鋈1 2 运行中豹出谷型壤嫒场 f i g1 2t h ev a l l e yp a t t e r nl a n d f i l li no p e r a t i o “ 图1 3 运行中静出错垫臻骥勃 f i g1 , 3t h ev a l l e yp a t t e r nl a n d f i l l i no p e r a t i o n 难埋工程是一个综合土力学，水文，生化，_ 卡考科和仡1 e 等学科复杂工程，不 会理蕊设计不 叉影嘲堆蠼王程本身的稳定性+ 正常运行，对周围环境的影响也将 很大。所以对堆坶二i 一程的关键i 殳计参数的研究足：必不可少的工作。 在堆理工程的研究方面，缀查阅除了时难堙体滤祈液( l e a c h a t 。) ”。” 1 7 ：( 或穆渗滤液，浸垃；东，渗沥承) 的水质及其堆埋场的生念，堆理俸中甲烧 的生成m ，利用豳体腹弃物中可降解有机物进行污泥处理，生态恢复等方面 4 l 卉i 体班舟物填堙场渗流数学模型 进行过研究外，对适合国情的堆埋工程环境设计所需要的一些基础性研究尚未系 统展开。 1 3 固体废弃物填埋场渗滤液研究现状 目前国内外计算渗滤液的方法多为水量平衡法，一般采用下式计算2 0 1 ： q = q + g + b 一上 ( 1 1 ) 式中q 渗滤液产生量( ) q 垃圾体分解产生的渗滤液量( m 3 ) g 由地下水转化的渗滤液量( 一) b 由垃圾填埋场表面降雨转化的渗滤液量( ) 从防渗层漏出去的水量( m 3 ) 在湿润地带，垃圾分解产生的渗滤液量相对较小，一般可以忽略。 对于填埋库区表面降雨转化的渗滤液b ，计算方法已经成熟，用如下的类 似计算地下水补给量的讨+ 算式川： b = ( p e ) a x l 0 3 ( 1 2 ) 式中尸丰水年大气降雨量( 朋m ) 年均蒸发量( 卅肌) 爿库区面积( 枷2 ) 对于从防渗层渗漏出去的水量，一般非常小，可以忽略。 对于地下水转化的渗滤液g ，尚无明确的计算方法，目前国内外提出的计 算方法大致有： 1 1 以大气降水量为渗滤液产生量，其计算式为： g = j f ) a x l o j ( 1 3 ) 式中j i ) 大气降水量( m m ) a 汇水区面积f 翩2 ) 橱海天学融l ? 论文 2 ) 以大气降水中进入地表的部分作为渗滤液的产量，计算式为： g = 彳a x l 0 3 ( 1 4 ) 式中z 渗漏量( 州聊) ，= ( p r ) 0 一g ) = j p ( 1 1 ) 0 一g 。) g 地表径流系数 p 大气降水量( r m ) r 树冠截流量( 删) r 树冠截流率( ) 3 ) 以地下径流量为渗滤液的产生量，其计算式为【2 2 j ： g = ( p r ) ( 1 - g ) - e 一( f s ) 爿1 0 3 ( 1 5 ) 式中虽地表径流系数 j p 大气降水量( 埘小) 丁树冠截流量( 删) e 蒸发蒸腾量( 川m ) f 土壤持水量( m m ) s 土壤原有含水量( m 棚) 4 汇水区面积( 砌2 ) 上述方法的基本原则就是考虑了各种产生渗滤液的影响因素，然后综合得到 某个时段渗滤液产生量。该法概念明了，应用简单，并基本能反映出填埋场内水分 的时空分布，因而在国内外填埋场的设计中得到较为广泛的应用。但该法没有考 虑填埋场内水分的运动过程，计算出的渗滤液量偏高。 另一种计算方法综合考虑了水量平衡以及水分在填埋场内的运动，即美国的 填埋场水文评价模型h e l p 模型和f i l l 模型。这些模型认为地表垂直渗入量符 合垂直下渗的运动规律，潜水面以下的渗渗液在静水压力作用下，发生水平方向的 渗流。模型考虑了典型的降雨量、地表径流量、蒸发量，通过求解达西渗透定律 和连续方程，得到水分在填埋场内的运动规律。 商体寝弃物壤埋场渗流数学模型 1 4 地下水水力学与数学模型 地下水水力学是研究水在地下的运动规律的科学。它是地下水( 包括土壤水) 的利用、调节、控制，以及岩土体的渗透稳定，甚至大地震的预测、抑制等地质 理论基础。它是水力学、岩土力学、水文学、地质学、土壤物理学等学科边缘交 叉而成的。这些学科的交叉融和，相互促进和支持，推动了这门学科的深入发展。 在地下水流动的模拟研究中曾经采用过多种模型：沙槽模型、垂直和水平 的h e l e s h a w 模型、薄膜模型、r r 和r c 电网络模型，以及各种数学模型。 和其他模型相比，数学模型具有许多优点。它可以给出地下水运动区域内的离散 解，表现出含水层系统复杂的物理结构和不规则的几何形状，适用范围广，通用 性强，而且使用方便灵活，对模型的校正也比较容易。数学模型不仅能描述多孔 介质小的流动现象，而且还能描述多孔介质中物质输运、能量输运以及其他一些 复杂的物理一化学现象。用于研究地下水流的物理模型，除能在沙槽模型上做一 些小规模的实验外，却不能模拟物质输运和能量输运的过程。因此在研究地下水 问题时，用数学模型最优。 当然，要建立正确的数学提法必须和试验研究相结合。此外，实际问题中抽 象出来的数学提法往往是十分复杂的多维非线性偏微分方程组，其数值解的数学 理论尚研究得不够充分，如严格的稳定性分析、误差估计、收敛性和唯一性等理 论的发展还跟不上数值模型的进展，因而也往往需要进行数值试验，并与物理分 析相结合来验证数值解的可靠性。总之，各种研究手段和方法必须相互配合，互 相促进，共同推进地下水水力学的发展和解决各种工程问题。 1 5 地下水水力学研究进展 1 5 1 地下水理论的发展 现代的地下水水力学是从1 9 世纪中叶才开始的。1 8 5 6 年，法国人达西通过 试验提出了水在孔隙介质中渗透的定律，即达西定律。与达西同时的裘布依，以 达西定律为基础，推导出了地下水单向及平面径向稳定公式。这些公式描绘了特 定条件下的地下水运动状态，对当时地下水水力学的发展起了重要的作用。但是 秘海太学硪t ? 论室 地下水稳定浚理论的应用宥很大的局艘性，它所描绘的，仪仅是在一定条件下， 地下水的运幼经过很长时间所达到的一种平衡状态，这种状态是不随时问而变化 的。i 搿逮下承匏实际运动状态帮总是褒不断交纯。戮嚣，稳定滚璃论静疲霁l 裁只 能局限于在莱些特定的条件下，解释地下水运动的状态，两不能泌明从一个状态 到另个状态之间的整个发展过程。然而，这一点却长时间没有为从事地下水研 究豹人们酝诀谖。 嶷到2 0 世纪3 0 年代，出于开发利用地下水规模的扩大，为潜水和承压含水 层中地下水非稳定流理论准备了比较丰富的实践基础。而固体中热传导理论的发 震又为菲稳定流理论准备了瑗戒的鼓攀工其。1 9 3 5 年，荚謦入黎薪蠢鬻了蓊入 的实塔孛才料和观点，在数学家柳宾的帮助下，利用热传导璁论中现成的公式加以 适当改造，擀一次提出了实用的地下水径向非稳定流公式，即泰斯公式。但是寨 薪在建立菲稳定漉公式辩。是飘罐戆条件毒发鼢。宠全符合理憨蘩件懿情凝，在 鸯然器是不存在的，现实条件总是或多或少地偏离理想条 譬。 因此在这之后，又逐步发展了适应不同条件的新公式。主要商越流含水层公 式、肖延迟缭东酶潜求含承层、辩并辩近潜承嚣静辩深改菠、；完整著、并损计 算等等。 1 5 2 地- f 水模拟软掌 的发袋 经过二千年的发震，嚣际上已经形成了一弦菲常窍影镌的撼下承禳接较绺。 如v i s u a lm o d f l o w 、v i s u a lg r o u n d w a t e r 、f e f l o w 等( 2 3 1 。 由加拿大w a t e r l o o 水文地质公司在m o d f l o w 的基础上丌教研制的v i s u a l m o d f l o w ( 1 9 9 4 ) ，是瓣前国际上最为流行蕊被备鞫瓣行一致谈静三维戆下 水流靼溶质运移摸拟评价的标凇可视化专业软件系统。 v i s u a lg r o u n d w a t e r 是唯一的一个主要用于地下水模拟后处理的三维可视化 较伟键，它将图形技术与专韭工其有敲结合，稻予簸毽、鼹示、翡蕊包括遣屡、 壤污染繁、地下水高稷、地下承浓度、地下水模拟结果等在内的复杂的地下水 表面数据。将v i s u a lg r o u n d w a t e r 与模拟软件集成使耀，就可以构建可视化功能强 大的地下永模援平台环境。 f e f l o w 是热拿大w a t e r l o o 水文地质公司开发的基予三维( g a l e r k i n ) 有限元 8 商休班竞鞠墒堙场渗流数学摸垒 的地下水模拟可视化软件包。它能够解决下列地下水模拟问题：完全瞬时、半瞬 时、稳态地下水流动与溶质运移；随时间变化的实体属性和约束边界条件：饱和与 不饱和流动；包含栖留潜水面的承压与不承压含水层；带有非线性吸附作用、衰变、 对流、弥散的化学质量运移；考虑贮存、对流、热散失、热运移的流体和固体热 量运移；密度变化的流动( 海水入侵等) 。 1 6 本文研究的意义、内容和目标 随着地下水资源在社会经济和人民生活中发挥的作用越来越大，对地下水资 源的保护也越来越重要，因此关于地下水遭受污染的这一课题很值得作全面深入 的研究和分析。而固体废弃物填埋场产生的渗滤液很有可能成为地下水污染的一 类源头。由于固体废弃物的组成，预处理的程度、覆盖，隔滤材料的不同，堆埋 工程对环境的规划、设计所需的适合国情的分析模型十分复杂，且在我国尚未起 步。鉴于当前，特别是未来的需要和以往研究工作的基础，故提出本研究项目。 堆埋场设计中保证对环境的影晌最小的关键要素之是对滤析液的控制。填 埋场滤析液是填埋场降水渗流和固体废弃物挤压产生的，它是一种污染的液体。 固体废弃物中包含的主要化学元素是n ，p ，s ，c i ，k ，c n ，h g ，其他重金属元 素，p b ，c r ，n i ，z n 等。它们的化合物有些是有毒，有害物质。这些元素及它 们的相当部分是被滤析液带出。例如，n 的8 9 ，c i 的8 0 c a 的7 0 是经由滤 析液带出的。滤析液的大部分经由堆埋场内设置的排水系统集中排出，经处理后， 再利用。部分会不可避免地经由隔滤材料进入埋体周围的地下水系统。另外，堆 埋体中滤析液的浸润线位置对于堆埋体的沉降密实过程及堆埋体的生物降解过 程也起很大的影响。浸润线过高，堆埋材料的生物降解过程受到抑制：堆积材料 的沉降过程减缓，动力碾压密实的效率降低，腐蚀、冲蚀和塌方的可能性加大。 所以，堆埋工程设计和运行过程中，对滤析液的j 下确预测和合理控制，予环境、 堆埋体的稳定是非常重要的。 影响滤析液产生数量的因素是降水量，地下水侵入，固体废弃物的性质及封 顶设计等。而渗流量则与堆埋体的渗透特性密切相关，在美国等一些国家通用的 设计模式中，均假设滤析液的下渗过程附合d a c y 定律。实际观测证明；贯通时 间( b r e a k t h r o u g ht i m e ) 要比设计模型的计算值短。渗析量也比模型预测值大。 实际上，固体废弃物即使经过预处理，颗粒尺寸仍然很大，颗粒尺寸和物理力学 # q 海走学硕士诡文 特性交纯大，是不溺颗粒尺寸，不同含承量的不同豺辩缀合豹多i l 介质。孔隙大， 会在水平向郡垂直囱形成嚣漉。这会导致贯通时间的缭短，渗流量墩会大大增加。 本课题拟就固体废弃物堆理体中滤析液的渗透特性，水质和相关生化过程， 涟行实验研究，现场涮试和理论分轿，建立设计模囊。为萄体废弃物堆域工程的 环境设计，工程质鬃控制掇供设计手段。 o 商体踱靠勃接堙场渗流数学模型 2 废弃物的工程性质 固体废弃物成分复杂，包罗万象，其工程性质变化范围非常大且随时间改变。 要确定固体废弃物的工程性质很困难，因为：口4 1 ( 1 ) 填埋材料组成成分的不一致，使各种性质变化范围很大； ( 2 ) 想获得能代表现场条件足够大小的试样很困难； ( 3 ) 废弃物成分不稳定的特点使取样和试验都很困难，至今没有公认的取样 和试验方法； ( 4 ) 废弃物的性质还随时间而变。 2 1 固体废弃物的组成 固体废弃物一般常由很多成分组成，这些成分时常是多孔的和非饱和的。表 2 1 列出了美国明尼苏达州( m n ) 首府m i n n e a p o l i s 居民生活垃圾、商业垃圾和 工业垃圾各种组成成分的比较；表2 2 则列出了美国加州d a v i s 市居民区固体废 弃物典型组成成分的逐年变化情况 2 5 1 。 1 9 8 8 年美国明尼苏达州首府地区各种类型废弃物组成比较1 2 6 i表2 1 t h e c o m p a r eo f c o m p o n e n t o f a l l k i n d so f m s w f r o m m i n n e a p o l i st a b l e2 1 居民生活垃圾商业垃圾工业垃圾 成分 ( )( ) ( ) 食物垃圾8 86 53 0 纸张3 4 06 1 25 2 7 塑料 7 38 0 1 8 5 庭院垃圾 2 3 81 70 3 木材废弃物 3 55 61 2 8 零星有机物 8 95 34 5 玻璃 4 93 5o 8 金属 4 94 63 9 其它 3 93 53 4 合计 1 0 0 o1 0 0 01 0 0 0 弼海太学顿“b 论文 美国加州d a v i s 市居民区固体废弃物典型组成“5 i衷2 2 t h e t y p i c a lc o m p o n e n t o fm s wi nd a v i st a b l e2 2 羹藿百分跑 成分 1 9 7 1 年1 9 7 8 焦1 9 8 4 经1 9 9 0 年 有机物： 食物垃玻 1 3 ，5譬81 6 。07 6 纸张3 3 42 8 92 2 。73 4 ，1 硬纸板1 4 21 2 31 0 58 9 塑料 3 。l6 71 1 41 1 8 纺织品 3 9l 。57 8 l ，9 橡胶 1 31 21 02 4 皮革 o 10 。l 纛院垃圾 1 01 7 78 。l1 6 5 术材 2 3o 84 32 2 零艇有机物 2 03 10 5 无规物： 玻璃 1 3 01 0 49 26 1 锡罐6 1 5 23 13 6 铝罐0 ，2 l 。50 。8o 3 其它金属 5 8o 71 63 7 烂泥、灰尘 0 ，20 13 。0o 8 逶过对多秘类型废赛貔兹分摄翻广泛查阅现剪文皴，可姆玻赛物大致分戏：a 食物垃圾，b 园林垃圾，c 各种纸制品，d 塑料、橡胶和皮革制品，e 纺织晶， f 术材，g 金属南品，h 玻璃和陶瓷制品黻及i 灰尘、稀砖、魏石及污泥等。 墨耪成分豹数量隧不同菠弃臻类型瑟变，裁楚同一类废弃甥，箕戏分也会睫对闽 不同而变化。 由于部分废弃物成分极荔被降解，一部分可被缓慢邋降解，而舅一些都不 能被生物降解或只戆j # 鬻缓馒躲降解，废弃物也霹以用以下方法翔以分类： 1 有机物( 0 ) 雨体墟靠物填堙场渗漉数学挟壁 a 容易腐烂的物品( 0 p ) ，单分子体和低阻抗聚合物，易被生物降 解，包括：食物垃圾，庭院垃圾，动物垃圾以及被这些垃圾污染 的物品； b 不易腐烂的物品( o n ) ，高阻抗聚合物，生物降解缓慢，包括： 纸张，木材，纺织品，皮革，塑料，橡胶，油类，油漆，油脂， 化学药品以及有机泥炭等。 2 无机物( i ) a 能分解的( i d ) ，主要为锈蚀程度不同的各种金属； b 不能分解的( i n ) ，包括：玻璃，陶瓷，矿质土，毛石，矿渣， 灰土，混凝土和砌体碎片等。 2 2 固体废弃物的重力密度 城市固体废弃物的重力密度变化幅度很大，由于它是自然形成的，成分复杂 多变，且受处置方式和环境条件的影响。各填埋场用不同方式来处置进场的垃圾， 所达到的密实度也不一样。一般来说，正确估计城市固体废弃物重力密度的主要 困难是：a ) 如何将每天覆盖的土与废弃物隔开：b ) 如何估计重力密度随时间和 深度的变化；c ) 如何正确获取废弃物含水量的数据。因此，在确定城市固体废 弃物重力密度之前，必须首先弄清楚某些条件，包括：a ) 固体废弃物的组成， 每天覆土情况和含水量；b ) 对废弃物的压实方法和密度；c ) 测定重力密度试验 点所处深度；d ) 废弃物的填埋时间。 由于后续废弃物上覆压力的作用，先倾入废弃物的重力密度会因体积的瞬时 压缩而加大，也会因随时间增加的附加压缩而增大。现今大多数填埋场均对废弃 物进行适度压实，其压实比通常为2 ：1 至3 ：1 【3 l ，对于现代城市固体废弃物填 埋场，经过压实后的固体废弃物，其平均重力密度通常在8 6 至l o 8k n m 3 之间 【3 】o 表2 2 给出城市固体废弃物平均重力密度资料的归纳。所提供的重力密度变 化范围为3 1 1 3 2 k n m 3 ，其变化范围之所以这么大，是由于倒入的垃圾成分不 同，每天覆土量不同，以及含水量和压实程度不同等原因造成的。 潮晦太学碘： ：论立 城市固体废弃物的平均重力密度i ”i表2 3 t h e a v e r a g eg r a v i t yd e n s i l yo fm s w t a b l e2 3 资料来源废弃物填埋条件重力密度( k n m 3 ) s o w e r s 2 3 l卫生填埋场，压实程度不同4 7 9 4 a ) 未粉碎 轻微压实3 1 n a v f a c 2 7 】卫生填埋场中度压实6 2 压实压密 9 4 b ) 粉碎 8 6 刚填埋时 6 7 7 6 n s w m a 2 7 】城市垃圾 发生分解和沉降后9 8 1 0 9 l a n d v a 及c l a r k 2 9 】垃圾和覆土之比为1 0 ：1 至2 ：l 8 9 1 3 2 e m c o n 2 7 1垃圾和覆土之比为6 ：1 7 2 2 3 固体废弃物的含水量 废弃物的含水量有两种不同的定义方法，一为废弃物中水的重量与废弃物干 重之比，常用于土工分析，即： 缈= ( w s ) l o o ( 2 1 ) 式中用重量比表示的固体废弃物的含水量，； 固体废弃物中水的重量； 破固体废弃物的干重。 另一定义为固体废弃物中水的体积和废弃物总体积之比，常用于水文和环境 工程分析，即： 0 = ( v ) x 1 0 0 ( 2 2 ) 式中口用体积比表示的固体废弃物含水量， 固体废弃物中水的体积； v 固体废弃物总体积。 如果己知用重量比或体积比表示的任一含水量，则两种含水量可用下式互 鞫讳玻窃镪填理场渗流数学搂型 换： 毋= 搿y 埠o o + 掰强 1 0 0 ( 2 3 ) = 毋踟( 1 0 咿一彩，) 1 0 0 ( 2 。4 ) 式中，固体废弃物的重力密度，k n m 3 ； 斯水的熏力密度，9 8 1k n m 3 。 填埋场城市圆体废弃物的含水量，在很大程殿上与下列互相关联的因豢有 关，包括：废弃镌酶原始成分，当圭| 耋气候条侔，壤壤场运羯方式，渗滤滚汝繁和 排放系统的有效程度，填埋场生物分解过程中产生的水分数量以及从填埋场气体 中脱出的水分数缀等1 3 。1 。 s o w e r s 2 s 捂疆，蘑体疫弃耪静藩始含东爨一般为1 0 3 5 ( 重量逝) 。勇舞， 城市固体废弃物的含水鬃还受攀节气候变化的影晌，表2 , 4 表示美国加刹福尼旺 州n o r t hs o m t ac l a r a 城的废弃物含水量( 羹量比) 随季节变化的情况。城市固 律缀弃物豹含水爨还透簇蝰建点静不溺丽发生变化，这楚由于备缝静气候祭俘、 填蠼操作方式和圆体废弃物组成不同两造成的。 城市固体废弃物的含水量随拳节变化情况1 2 6 l袭2 4 t 矗e v a r i a t i o n o f t i t e w a t e r c o n t e n t o f m s w w i t hs e n s o r1 矗扫艳2 4 墩样季节属民区垃圾( )商业垃圾( )商业及工业垃圾( ) 春季2 9 31 9 11 3 1 夏季 2 4 71 6 31 0 9 秋季3 4 ，7 3 0 21 9 4 冬季3 4 0 2 7 12 1 2 年平筠3 0 ，7 2 3 ，21 6 2 注：l 。试样取囊美国拥州n o a hs o m t ac l a r a 城 2 含水域均为煎掇百分比 2 4 固体废弃物的孔隙率 i l 隙率定义为废弃物孔隙体积与总体积之比。孔隙率n 和孔隙比8 ( 孑l 隙体 积与干物蔟律积之浇) 之闻有一下关系： 潮海大学硕士论文 = e ( 1 + p 、 或 e = n o 一们 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 根据城市固体废弃物的成分和压实程度，其孔隙率通常可取4 0 5 2 ， 比一般压实粘土衬垫底孔隙率( 约为4 0 ) 要高【3 】。表2 5 给出了城市固体废弃 物的一些工程性质指标，包括初始含水量( 体积比) ，初始孔隙率和孔隙比，以 及更多的重力密度。其中表中的含水量是以体积比表示的。 固体废弃物的某些性质指标表2 5 s o m e p e r f o r m a n c e i n d e xo fm s wt a b l e2 5 重力密度含水率 资料来源孔隙率( )孔隙比 ( k n m )( 体积) r o v e r s 等【3 l 】 9 - 21 6 f u n g a r o l i 3 2 】 9 95 w i g h 3 3 1 1 1 48 w a l s h 3 4 】等1 4 11 7 w a l s h 3 5 】等 1 3 91 7 s c h r o e d e r 3 6 l 等 2 85 21 0 8 o w e i s 【3 7 】等6 - 3 1 4 1l o 2 04 0 5 0 o 6 7 1 o 2 ，5 固体废弃物的透水性 固体废弃物的渗透系数可通过现场渗滤液抽水试验，大尺寸试坑渗漏试验或 实验室大直径试样的渗透试验求出。 利用美国密歇根州一个运行中的填埋场三年现场实测资料，得到渗滤液收集 系统中降水量和渗滤液产生体积之间随时间的变化关系【3 8 】，废弃物的渗透系数可 由渗流移动时间，水力梯度及废弃物层厚求出，其值约为9 2 1 0 4 1 1 x 1 0 。 c m s 。 表2 6 综合城市固体废弃物渗透系数的试验资料，从中可看出，填埋场城市 固体废弃物的平均渗透系数的数量级约为1 0 c m s 。 6 鞠体墩弃物填堙场渗漉数学模型 城市固体废弃物渗透系数资料综台1 3 i表2 6 t h e s y n t h e t i cd a t ao f p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f m s w t a b l e2 6 测定方法重力密度( 1 ( n m 3 )渗透系数( c m s ) 粉状垃圾、渗透仪测定 1 1 4 11 1 0 3 - - 2 1 0 2 各种资料综合 2 1 0 4 由现场试验资料估算6 4 ( 估计)1 0 一3 量级 试坑1 0 ，0 - - 1 4 41 1 0 - 3 4 1 0 - 2 抽水试验 6 41 l o 一 变水头现场试验9 4 1 4 ，1 ( 估计) 1 5 1 0 4 试坑6 3 9 4 ( 估计) 1 1 l o 一。 由现场试验资料估算 9 2 x1 0 1 1 1 0 3 2 6 固体废弃物的持水率和凋蔫湿度 持水率是指经过长期重力排水后或废弃物所能保持的体积含水量，凋蔫湿度 则是指通过植物蒸发后土或废弃物中剩下的最低体积含水量值。持水率和凋蔫湿 度两者之差，也就是土或废弃物中可利用的水分含量或持水能力。某种土所能保 持的水分与土的结构质地有关，重质土比轻质土可保持更多的水分。 固体废弃物的持水率随外加压力的大小和废弃物的分解程度而变，其值约为 2 2 4 5 5 ，而压实粘土衬垫的持水率约为3 5 6 【2 5 圳。 城市固体废弃物的凋蔫湿度约为8 4 1 7 ，而压实粘土衬垫的凋蔫湿度 约为2 9 【。 影响城市固体废弃物持水率的主要因素有上覆压力、压实方式和废弃物的组 成。一般来说，如果城市固体废弃物的组成保持不变，则它的持水率将随上覆压 力和压实能的增加而减少。显然，废弃物含有的有机成分如纸张、硬纸板、纺织 品等越多，它的持水率也越高。 最终疲拜翅壤堙墒港流数学模型 土壤水动力学基本方程 3 1 土壤水势 固体废弃物是一种由固、液、气三项组成的多7 l 系统。它从材料结构上来看， 属于散粒体结构，与土体有相似之处。因此本文以土壤水动力学原理来模拟填埋 场中渗滤液的流动。 自本世纪初，b u c k i n i 曲a m ( 1 9 0 7 ) 首次将“毛管势”应用于土壤水以来，随 着人们对土壤水研究工作的开展，对土壤水能量曾有多种解释，所依据的原理各 不同，名称也不统一。有的是属于机械力学观点，称土壤水能量为“张力”或“应 力”等；有的属于分子动力学观点，称土壤水能量为“扩散压”等；有的属于热 力学观点，称为“自由能”等。目前较多的是取热力学含义，而实质上仍是用力 学的观点来解释，并且统一称为“土水势”【4 们。土水势是一种衡量土壤水能量的 指标，是在土壤和水的平衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状 况的纯自由水