垃圾填埋场渗滤液中C毕业论文.doc

1 研究意义1.1 概述1水资源是人民生活和工农业生产的战略资源。我国淡水资源总量近2.8万亿立方米，位居世界第四位，而人均仅2100平方米，仅为世界人均占有量的四分之一，属于联合国公布的13个严重缺水的国家之一。在我国，水资源时空分布不均匀，南方占81%，而北方仅为19%。当前，全国660多个县级及以上城市中已有400多个缺水、110多个严重缺水，城市缺水总量为60亿平方米。在很多情况下，地下水是人类赖以生存的饮用水源，而且，随着工农业的发展和人们生活水平的提高，对地下水资源的要求亦有更高的要求。目前，我国共查明地下水天然资源量平均值为8287.7亿立方米，约占水资源总量的30%。可采资源量多年平均值为3527亿立方米。全国地下水资源量中，山丘区地下水平均年资源量所占比例较大。地下水已经成为我国城市用水的主要水源，全国目前有67%的城市以地下水作为主要的供水水源。然而，正是由于生产的发展和生活水平的提高，产生的固体、气体及液体废物越来越多，地下水的污染越来越重。有些地区的地下水污染已到了相当严重的程度，对生产建设，尤其是对人体健康造成了很大威胁。地下水污染对人体健康的影响，主要有以下几个方面：1）引起急性和慢性中毒。水体受化学有毒物质污染后，通过饮水或食物链便可造成中毒，如甲基汞中毒(水痦病)、镉中毒(骨痛病)、砷中毒、铬中毒、农药中毒、多氯联苯中毒等。这是水污染对人体健康危害的主要方面。2）致癌作用。某些有致癌作用的化学物质，如砷、铬、镍、铍、苯胺、苯并(a)氏和其他多环芳烃等污染水体后，可在水中悬浮物、底泥和水生生物内蓄积。长期饮用这类水质或食用这类生物就可能诱发癌症。3）发生以水为媒介的传染病。生活污水以及制革、屠宰、医院等废水污染水体，常可引起细菌性肠道传染病和某些寄生虫病，如伤寒、痢疾、肠炎、霍乱、传染性肝炎和血吸虫病等。4）间接影响。水受污染后，常可引起水的感官性状恶化，发生异臭、异味、异色、呈现泡沫和油膜等，抑制水体天然自净能力，影响水的利用与卫生状况。因此研究地下水的污染状况，预测其发展方向，制定相应的控制措施以及净化已污染的地下水体，已成为环境保护工作的重要内容之一。本文通过垃圾填埋场渗滤液中Cl-对地下水污染规律的研究，了解地下水污染的污染特点，掌握污染物进入地下水含水层的方式和途径；掌握弥散理论的机理、迁移模型在不同条件下的表示形式和求解以及迁移模型中各参数的确定方法。1.2 城市垃圾填埋场的现状2垃圾是水污染的来源之一，我国城市对垃圾的处理大多采用填埋的方式。我国许多垃圾填埋场采用的是混合填埋法，各种垃圾没有进行分类，统统堆放在一起，且大部分垃圾填埋场防渗层都只有一层结构。由于这种结构，目前我国许多城市已形成了“垃圾包围城市”的严重局面，垃圾填埋场普遍存在渗透问题，没有一个能达到国家污染控制标准。监测表明，我国城市地下水已普遍受到不同程度的污染，其中受到较重污染的城市占64%，轻污染的城市占33%。垃圾填埋场长期渗漏积累造成有毒物污染地下水，很容易进入食物链系统，进而影响人体健康。解决城市垃圾填埋场对地下水的污染，刻不容缓。1.3 关于渗滤液3作为垃圾处理过程的副产品，渗滤液问题已严重影响我国垃圾处理事业的健康发展。垃圾填埋场产生大量的渗滤液。目前我国城市生活垃圾的新鲜渗滤液年产量约2900万吨，可控点源排放的渗滤液为1515万吨，如果加上填埋场历年垃圾产生的渗滤液，则其年产量估计为新鲜渗滤液的数倍，而1吨渗滤液相当于100吨城市污水所含污染物的浓度，无疑对地下水造成了很大的污染。渗滤液主要来源于垃圾本身含有的水分以及进入填埋场的雨雪水和其它水分，当这些水分扣除垃圾、覆土层的饱和持水量以及填埋场的表面蒸发量，并历经垃圾层和覆土层而形成的一种高浓度有机废水。这些来源中，相对而言，填埋场的外部水量（地下水）对于渗滤液产量具有关键性作用。渗滤液通过垃圾时，通过淋溶、吸附解析等方式带下垃圾中各类化合物，从而形成形态各异的渗滤液。可以说，考虑特定渗滤液性质时，必须将当地的垃圾状况、气候和地质情况等因素考虑在内。同时，还需考虑填埋场衬底系统的完整性，因为如果衬底系统泄漏，则填埋场内渗滤液容易与地下水相互交换，而影响渗滤液性质。我们有必要了解填埋场与地下水的的迁移过程。这个过程主要包括：在垃圾填埋场中，降水一部分以地表径流形式流失，另一部分通过渗透进入填埋场表层；渗透到填埋场表层的水量，一部分直接蒸发或通过表层植被蒸发，一部分仍留在覆土层中；覆土层中水分达到饱和度后，将直接进入填埋场，与垃圾进行能质交换，渗透到填埋场底部后最终形成渗滤液；填埋场中垃圾的自身降解，形成一定量的渗滤液；非卫生填埋场中，可能有部分地下水进入填埋场形成渗滤液。1.4 渗滤液中的Cl-4作为一种含高度污染物的废水，渗滤液由于其成分复杂、组成多变、持续时间长等特点，其对周围环境的生理生态习性及遗传毒理效应等的影响引起了人们极大的关注，特别是国内外众多城市垃圾填埋场，由于资金、技术等的原因，在场址建设过程中并没有采取严格的防渗措施，这样一来，这些填埋场就成为一个持续的污染源，不断释放的渗滤液很容易与地下水进行物质、能量交换，从而引发地下水污染，给城市居民饮水等日常生活及生态环境造成巨大的，甚至是永久性的灾害。渗滤液作为一种水溶性的组分，其污染物组成按不同标准可分为不同形式。这里我们研究无机常量成分中的Cl-，即地下水污染物中的无机污染物。渗滤液中Cl-对地下水的污染程度仅次于NO3-。一般渗滤液中的浓度范围在500-4000mg/L,并且随时间的降解，其变化趋势并不明显，当然也有很少一部分会受到吸附、络合和沉淀作用。渗滤液中Cl-主要来自3个方面：地下水进入场内的水分；垃圾的自身含水；垃圾卫生填埋后由于微生物分解而产生的水分。而影响渗滤液中Cl-的水量因素主要包括地形条件、渗入的地下水、垃圾成分、气候条件和填埋技术等。Cl-进入地下水之后会发生下列3种变化：稀释在通常情况下含水层中的地下水水体要远比含Cl-的下渗水大得多，因为含水层厚度可由几米到几十米，所以Cl-进入地下含水层之后会由于稀释作用使其浓度大大地降低；转化含水层的颗粒一般比较粗大，比表面积小，只有较小的吸附能力；迁移当Cl-进入地下水之后，会产生沿地下水的纵向弥散和垂直于流向平行于地下水面的横向弥散以及沿含水层厚度的竖向弥散。此外，随着水体的流动还会产生对流扩散。Cl-对人的危害极大，人一旦饮入Cl-污染的地下水会在短期内对人的黏膜组织灼伤。还会刺激人的头皮、皮肤及毛发细胞，造成脱毛、加速皮肤老化。严重的还可能诱发心脏病及各种癌症。但地下水受到Cl-污染后，往往不易从颜色、气味等方面鉴别出来，对人体的影响往往是慢性的长期效应。因此，研究垃圾填埋场渗滤液中Cl-对地下水的污染规律有着重要的现实意义。2 研究现状早在60年代，尤其是70年代以来国内外已着手研究地下水中渗滤液污染问题。通常整体研究地下水污染问题，再研究渗滤液的污染。2.1 国内研究现状5我国20世纪80年代初才开始研究污染物在含水层中的运移。1980年初山东地质局、长春地质学院、地质部水文地质研究所、山东大学等单位在济南市郊区进行了为预测地下水污染发展趋势的地下水质模拟试验研究工作,对地下水污染与水质模拟实验的基本理论及计算方法进行了探讨和阐述,探索了弥散系数的野外测定方法和手段,研讨了地下水质模拟的计算方法与模型建立问题,并编制了相应的计算机程序。我国对地下水质模型的研究起步很晚,直到 20 世纪 80 年代才开始这项工作。北京市环境保护研究所等单位建立了我国第一个地下水质模型,采用食盐荧光染料及放射性示踪剂在野外实测了弥散系数,取得了国内首批弥散系数野外观测资料。1982 年武汉水利电力学院应用伽辽金有限元法求解了在渗流区有抽水井条件下的二维溶质迁移及在自由表面上有入渗补给时二维渗流中的溶质迁移问题。这以后许多学者开始进行这方面的理论和工程应用研究。其中对流弥散模型是使用最多的数学模型,许多研究者将该模型加以修正以使模型适用于不同的工程情况。针对垃圾填埋场渗滤液污染地下水这一具体问题,国内研究较多的是有关垃圾渗滤液的处理及防渗问题,而对评价垃圾填埋场渗滤液中对地下水环境、土壤污染的影响研究还处于初期,到目前为止,也有一些研究成果。如王晓红等给出了多孔介质和双重介质中垃圾渗滤液运移模型的定解问题,运用该模型预测垃圾填埋场的污染扩散范围,为防止垃圾渗滤液污染地下水提供了定量的依据。夏立江等对城市垃圾渗滤液引起地下水氮污染进行了研究,结果表明垃圾渗滤液中含有高浓度氨态氮。蒋惠忠等人通过对北京北天堂垃圾填埋场渗滤液污染组分在含水介质中运移的室内模拟实验分析,揭示了有机污染物等污染组分在含水介质中的运移转化规律,为垃圾填埋场底部防渗层的设计和渗滤液对地下水污染程度的预报提供了依据。刘建国等人对垃圾填埋场水分运移进行了室内模拟实验,研究了盖层渗透性较强而衬层渗透性较弱和盖层、衬层渗透性均较弱的两种不同防渗配置下系统内的水分运移规律,为填埋场防渗系统的设计提供了依据。2.2 国外研究现状6国外专家的对地下水污染研究总体上主要有以下几个方面： 1)监测地下水质动态,建立水质资料数据库,预报地下水中污染物的发展趋势。有些国家已建立了地下水质观测站网,如美国现有两万多个地下水观测井,五千余个水质测量站,在全国组成了 250 多个水质监测网,对 26 个洲的地下水污染状况进行了全面调查及专门性区域地下水污染的监测工作。日、英、法等国也都建立了水质监测站网,进行地下水资源污染情况的监测工作。同时这些国家也相继建立了水质资料数据库,如美国地质调查局的水资料储存和检索系统(WATSTORE)于 1971 年开始运转,下设上百个终端,用户直接从终端获得资料。其中水质档案(WQFILE)储存有包括地表水和地下水的一百多种生物的、化学的、物理的和放射性化学特征值的 140 万个分析样资料。这些资料对分析地下水水质动态,预报地下水污染发展趋势大有帮助。2)地下水水质模型的研究。地下水质模型是20世纪 70 年代后期发展起来的。目前在一些国家已经使用的评价地下水质的数学模型有确定性模型、随机模型和“黑箱”模型,它们都被用于地下水污染控制,防止海水倒灌和土地盐碱化以及地下水盆地管理等各方面。3)地下水污染数学模型求解方法的研究。国外研究者将边界元法应用于截水流问题,它是将偏微分方程定解问题化为边界积分方程求解,这个方法要比有限元法和有限差分法优越。特别在解无限区域的问题时,边界元法是行之有效的。目前在国外已将此方法应用到解稳定流和非稳定流的问题上。但此方法是近些年发展起来的一种数值解法,在国外也是刚刚开始,所以它在水质模拟问题上的实际应用还是一个空白。但鉴于它在研究地下水污染问题上有着广阔的发展前景,已引起国外水文地质研究者的高度重视。4)地下水污染数学模拟研究及应用。早在 20世纪初,国外就开始应用数学模型来研究地下水问题,但把数学模型应用于地下水质模拟研究则是 60 年代以后的事情。近年来,国外学者在地下水溶质运移理论和试验研究方面又取得了新的进展。深入研究了污染物固相和液相浓度的相互转化关系,吸附条件则由平衡等温模式发展到考虑非平衡吸附模式。特别是在边界条件和初始条件设定方面,更趋于合理和全面。美国、英国、荷兰等国的期刊上,对污染物在地下水中迁移转化的一维模型解析解方面,不断有新的成果出现。在迁移载体水分运动方面,又发展到考虑可动水体和不可动水体等因素。许多学者进行了有关垃圾渗滤液对地下水污染方面的试验和理论研究,取得了很大成就。其主要研究内容包括垃圾渗滤液的产生机理、运移过程、污染范围、污染物的生物化学转化过程等。其主要方法是将地下水溶质运移模型应用进来,通过建立数学模型和利用数值模拟方法,建立了水质模拟数学模型包括确定性模型和随机性模型,模型中参数的确定通过试验计算得到。到目前为止,已有比较完善和成熟的计算方法和数值模拟软件。如Ellsworth(1996)在露天场进行了微区试验，研究了Cl-随水流在非饱和土壤中的迁移规律。再如Mackay等建立了一个二维模型模拟农场某工业废液填埋场中的Cl-的迁移。模型考虑了对流扩散降解和吸附的作用,利用地质统计的方法确定含水层的不确定性参数,模型通过以往的试验资料进行了率定,结果表明模拟比较符合实际污染物的运移特点Dmitry， Rudakov等人对固体废物堆放引起地下含水层污染进行了解析模拟,对二维和三维污染物质在地下水中的迁移进行了研究,为防止地下水污染提供了理论依据。Cary. J 和 Craigh. H等使用了二维和三维的水质模型比较了在三种不同的合成防渗衬里溶质的迁移速率、流量,以及垃圾渗滤液通过各种防渗层时的运移特点和迁移速率,比较了各种合成防渗材料对不同运移特点和迁移速率污染物质的截留程度,为减少垃圾对地下水的污染提供了防渗参考。随着计算机的普及及其性能的提高,出现了许多地下水污染物运移的比较成熟的模拟软件。如由美国地质调查局 Mc.Donald博士等设计的三维有限差分模拟程序MODFLOW是目前功能较全面的地下水模拟软件,在其基础上由加拿大 WHI公司开发的VISUAL MODFLOW软件以其良好的输入、输出界面成为目前国际上最流行和应用最多的地下水模拟软件。2.3 存在的问题7一个现代卫生填埋场的建设必须具备合适的水文、地质和环境条件,并要进行专门的规划、设计,精心的施工和科学的管理。为严格防止环境污染,它应建有垃圾渗滤液的收集和处理系统、填埋场废气的排除或回收系统、垃圾降解过程中产生的水、气和附近地下水源污染情况的监测系统,还必须满足一定的防洪标准,并便于封场后的生态恢复。我国已建填埋场往往不重视控制地下径流和地表水入渗,致使填埋场渗滤液Cl-产生量过大,使与之配套的渗滤液处理系统不能满足处理要求。另外,现有垃圾场防渗层防渗效果欠佳,各大填埋场目前采用的防渗方法有帷幕灌浆垂直防渗和铺设水平防渗衬层两种,但因垂直帷幕防渗技术要求和标准尚无规定、水平防渗材料施工质量难以保证,导致防渗效果较差。再则,垃圾污染监测系统不健全,垃圾场生态恢复意识淡薄等等,都带来了诸多的问题。而对于防渗措施不当引起渗滤液污染地下水这一具体问题,尽管国内外许多科研人员进行了地下水水质的实验研究和数值模拟的研究,但是由于地下水中污染物运移具有太多的不确定因素,且垃圾渗滤液对土壤、地下水环境的影响研究尚处于初期,对污染物在地下水中的弥散机理、各种吸附反应及化学反应的过程和程度都了解不够,因此对垃圾填埋场渗滤液控制、填埋场防渗措施及地下水中污染物运移还有许多需要进一步研究探索的地方。主要有以下几方面:1)切断污染源头是控制垃圾渗滤液污染地下水的根本途径,因此今后应研制新型的具有抗老化、耐腐蚀、抗撕裂等适合渗滤液防渗的材料,设计合理的防渗结构形式,对各种防渗措施、防渗层渗漏检测技术做进一步试验研究,找出最优的防渗策略。2)针对垃圾填埋场的土体渗透特性,研究高效排渗、排气的新型组合结构 ,并对排渗、排气系统作优化布置研究,达到使填埋场渗滤液产气的高效收集,引出排放,提高填埋体稳定安全度且达到投资经济的目的。3)现有垃圾填埋场排渗设施经常发生淤堵现象,垃圾填埋场排渗设施淤堵的机理以及抗淤堵的对策(包括水力、机械、化学的方法等)需要进一步研究。4)评价垃圾填埋场渗滤液泄漏对地下水环境、土壤污染的影响,对污染作出针对性的预防和预测,跟踪检测,作出预警预报,并提出改善及防止扩散的措施。在这方面存在以下几个方面的问题及需要进一步研究：对垃圾渗滤液的污染重视不够,尤其缺少对垃圾渗滤液的系统观测以及垃圾渗滤液对地下水环境影响动态变化规律的观测,严重阻碍了垃圾渗滤液对地下水污染的研究进展和防渗技术措施的制定。因此对大型、重要的垃圾填埋场，设置地下水质监测网刻不容缓。此外,研究利用一些新的物探技术对垃圾场周边进行监测,如探地雷达测试技术可以进行地下掩埋垃圾场的调查,确定年代久远垃圾场的确切位置及评价有害物质对周围介质或地下水的污染程度,并可以圈定掩埋垃圾场的分布范围。污染物在地下水中迁移机理的理论研究、弥散系数的确定方法以及弥散“尺度效应”存在原因的分析研究工作还有待进一步开展。现有模型从应用角度来衡量,过分理想化,应用时精度难以达到要求,因此计算模型有待向高效、准确、实用的方向发展。由于孔隙介质的存在,使地下水中的污染物同时受到固液两相的影响。目前处理固液界面发生的吸附反应都是利用经验公式来表达的,如 Kd值。但是Kd仅仅是一个操作常数,它综合了发生于固液界面的所有化学反应,却无法揭示发生在系统内部化学反应的机制,且这一类模型仅适用于以吸附-解吸反应为主, Kd 值变化不大、地球化学环境较均匀的地区,而实际这种条件比较少见。因此各种条件下的固液相的吸附机理、吸附参数、地下水中存在的各种物理化学反应的机理尚需进一步研究。由于一般污染物并非直接接触地下含水层,而是经过非饱和带向下迁移的,而非饱和带由气、液、固三相组成。现有模型一般都忽略气相,而对于易挥发性元素的迁移,如铵态氮,必然涉及到气体在非饱和带中的运移问题。另外,污染物在非饱和带运移时,还会发生各种复杂的物理、化学和生物反应,导致各种物质浓度发生变化,因此对污染物在非饱和带的迁移机理研究则应进一步加强。3 渗滤液中Cl-的迁移及其理论基础3.1 概述渗滤液中的Cl-在地下水系统中的迁移转化过程是非常复杂的物理、化学及生物过程综合作用的结果。影响Cl-在多孔介质中迁移转化的因素是十分复杂的，主要有:介质孔隙结构分布的特性，地下水运动特性参数，Cl-的对流及水动力弥散，Cl-的性质以及其衰变和降解特性，介质内部热、力分布，Cl-浓度的初始及边界条件等。其中，孔隙流体压力是控制Cl-输运过程的关键性因素，其大小决定Cl-浓度的分布和归宿。渗滤液Cl-在地下水中的运移是一个理论性较强的问题，经典弥散理论是研究这一问题的基础，弥散理论是建立在对自然弥散现象研究基础上的。孔隙介质中渗流的弥散作用是成分不同的两种易混和的液体间的过渡带发生和发展的现象，参与其过程的有力学作用、物理作用、化学作用和生物作用。在实际研究中，弥散作用是通过密度、浓度和速度这三个物理量和弥散系数来描述的。描述孔隙介质中溶质迁移的基本方程组包括:连续方程、运动方程、浓度方程和状态方程。3.2 渗滤液中Cl-在地下水污染系统中的迁移过程8Cl-在包气带土层及潜水层中的迁移转化是十分复杂的。控制Cl-在包气带和潜水层多孔介质中迁移转化的因素和过程有：包气带土层及潜水层孔隙的结构大小和分布等特性参数，边界和初始条件；对流；水力弥散；地球化学和生物化学反应等。Cl-在包气带土层及地下水中的迁移速度和浓度的时空分布，在较多的情况下是上述各因素和过程综合作用的结果。Cl-相对迁移能力高，它属于保守性污染物。保守性污染物在地下水中的迁移过程主要是由对流和水动力弥散引起的。渗滤液中Cl-的在地下水污染系统中有两个转化与循环过程：1）从人类活动（污染源）表土层（耕作层）土壤下包气带土壤地下水含水层人类抽取并饮用（喝）地下水返回到人类； 2）从人类活动（污染源）表土层（耕作层）土壤植物根系吸收植物的根、茎、叶和果实人类食用（吃）返回到人类。我们这里主要研究在Cl-在第一个循环中的转化及迁移过程。渗滤液中的Cl-以从地表入渗的污染途径，首先进入地表土层（耕作层）。表土层经播种翻耕土质比较均匀疏松、有较多的虫孔和根系孔隙，透水性能较好。在耕作层下面有68cm厚的犁底层，该层比较密实，粘性较大，导水率很小，能有效地阻隔污染物质的向下渗透。由于耕作层和犁底层具有这些特点，使得Cl-在那里产生过滤、截留、降解、吸附、沉淀（如Cl-+Ag-=AgCl）以及植物根系吸收等一系列的复杂的物理、化学及生物反应，因而有效地阻止了Cl-的大量穿透，这称为表土层（耕作层）的自净作用。Cl-经耕作层之后其浓度降低。Cl-在耕作层中的运移，可以在饱水条件下，也可在非饱水条件下进行。当Cl-穿透犁底层之后，就会进入下包气带土层中运移。Cl-在这一单元中运移时水力条件是比较复杂的。但是，这一单元的土壤相对于耕作层来说是比较简单的含腐殖质不多、微生物活动显著减少、植物根系和虫孔不发育；因此，Cl-在该层内的迁移、转化较弱，其自净能力明显低于表土层（耕作层）。Cl-弥散作用继续进行。Cl-在下包气带迁移、转化之后达到地下水面时其浓度有所改变。当Cl-穿透下包气带土层之后就会直接进入含水层之中迁移。含水层是指地下水完全充满土壤孔隙的饱和单元体，所以Cl-在饱水条件下运移。地下水在天然状态下都有其特定的流场，而在开采地下水资源的水源附近又会形成人工流场与天然流场的叠加状态，因此，Cl-在地下水的运移其水力条件往往很复杂。当然，在允许的情况下，常常进行各种简化（如不考虑天然流场等等）。在研究意义中，我们提到Cl-进入地下水之后会发生下列三种变化：1）稀释Cl-进入地下含水层之后会由于稀释作用使其浓度大大降低；2）转化含水层的颗粒一般比较粗大，比表面积小，只有较小的吸附能力；3）迁移当Cl-进入地下水之后，会产生沿地下水的纵向弥散和垂直于流向平行于地下水面的横向弥散以及沿含水层厚度的竖向弥散。此外，随着水体的流动还会产生对流扩散。3.3 地下水运动的基本原理地下水在含水层中的运动条件及特征尽管千变万化，但都遵循两条基本定律，这就是质量守恒定律和能量守恒或转换定律。具体应用到渗流运动研究上，这两条定律分别就是Darcy定律和水量均衡原理。3.3.1 Darcy定律9地下水运动的通道是土壤中的孔隙，而土壤中的孔隙的几何形状是极其复杂的，大体上是粗细混杂和在各个方向上相通的。地下水在土壤孔隙中的流速，是会因孔径和相应的土水势不同而在各个方向上有所变化，很难按其真实情况处理。所以在研究地下水的流速时，只能是在一定容积的土层中取其流速的全部平均值来进行研究。据此，一般认为说明液体在多孔介质中流动的Darcy定律亦适用于地下水的运动。1856年,H.Darcy在解决法国第戎城给水问题，研究水穿过垂直砂体过滤塔时，得到著名的Darcy定律:（31）式中是水头损失，它反映流体运动过程中与颗粒发生摩擦，一部分机械能转化成热能，从而造成水头损失。该式表明：流体的渗透速度于水头差成正比，与砂柱的长度成反比，所以又称为线性渗透定律。对于非均质、各向异性介质中流体的三维运动，通过实验和理论推导都可以得到: （32）其中： （33） （34）式中:地下水流的Darcy速度；实际水头，量纲为；多孔介质的渗透系数张量；多孔介质的渗透率张量；液体的动力粘滞系数；笛卡尔坐标，是重力方向上的坐标。Darcy定律中渗透系数K是表征含水介质透水性能的重要水文地质参数。它与介质的种类、介质的性质、介质的密实度、渗透液体的动力粘滞系数及温度等有关。3.3.2 水量均衡原理910地下水不会自生自灭。在一定的时间间隔内，流入含水层某一地段(均衡单元)中水的质量m入，从该地段中流出水的质量m出及贮存于该地段中水的质量变化量m贮 之间，遵循着一定的平衡关系水量均衡原理。这种平衡关系可以表示为:m入 - m出 = m贮 （35）当流入水量大于流出水量时，贮存水量增加，表现为水头上升。反之，当流入水量小于流出水量时，贮存水量则减少，水头降低。3.4 渗滤液中Cl-迁移方式及各迁移方式之间的关系一般说来，溶质是指溶解于地下水的废料物质，溶质通常有两种传输方式，即对流与扩散。扩散(Diffusion)是指溶质沿浓度梯度方向运动，即从高浓度向低浓度方向移动，即使地下水不流动，溶质仍会迁移。对于低渗透性的地质介质，扩散是溶质传输的主要方式之一。另一种传输方式是对流(Convection)，溶质借地下水的流动而移动。在几个孔隙直径大小范围内，由于孔径大小不同，溶质将以不同速度而流动。在试验室的柱状试样条件下，渗滤液中的Cl-穿过均匀孔隙介质的移动可采用扩散方程来描述，该方程能够反映对流和扩散现象。3.4.1 多孔介质11 含水层是一种复杂的多孔介质，具有非均质各向异性和非连续性，为了运用连续方法定量描述多孔介质流体和物质运动规律，引入多孔介质基本概念、流体连续介质与多孔介质的连续介质方法，在宏观水平上定义多孔介质渗流和污染物迁移的物理量，这样就可以将复杂的非连续介质用多孔连续介质理论描述。3.4.1.1 多孔介质的定义简言之，一般通俗地说，多孔介指是指含有大量孔隙的固体（严格地讲，这样说还不够完善）。我们这里不是研究多孔介质本身的材料特性，而是要研究多孔介质中物质的迁移规律，即传质动力学问题。对于环境科学而言，重点研究污染物在环境多孔介质中的迁移规律，即促使污染物迁移的动力（流体流动）。流体在多孔介质中的流动称为渗流。因此，这里从渗流角度来定义多孔介质，需要规定从多孔介质的一侧到另一侧有若干连续的通道，并且孔隙和通道在整个多孔介质中广泛地分布，即多孔介质中孔隙相互连通，且广泛分布。概括地说，多孔介质可定义为（Bear,Zaslavsky and Irmay,1968年）：1）多孔介质不是单独存在的，而是处于多相物质（固、液、气）之中，且占据多相物质的一部分空间。在多相物质中至少有一相不是固体，如气体或液体。固体相称为固体骨架，在多孔介质范围内没有固体骨架的那一部分空间称为孔隙空间或空隙空间。在孔隙空间中存在气相和（或）液相。这说明多孔介质是由固体和流体组成的多相体系。2）在多孔介质所占据的范围内，固体遍及整个多孔介质。在每一个表征体元内必须存在固体颗粒，且固体颗粒的比表面积比较大，空间比较狭窄，由此决定了流体在多孔介质中的流动性状，这说明多孔介质的通道狭窄，其中的流动状态为层流。3）至少构成孔隙空间的某些孔洞应相互连通，以保证流体通过。我们把相互连通的孔隙空间称之为有效孔隙空间，这说明多孔介质具有允许流体通过的连通通道。3.4.1.2 多孔介质的基本性质1）多孔介质的孔隙性多孔介质是指“带有孔洞的固体”，所以它具有孔隙性。在工程上常采用孔隙度来表示。孔隙度指孔隙的体积Uv与多孔介质总体积U（包括孔隙体积和固体颗粒所占的体积）之比，即：= （36）孔隙度大小取决于多孔介质中骨架的粒径分布和孔径分布。此外，还与土颗粒的组成、不均匀系数、颗粒的排列形状以及多孔介质中的固结物质、沉积环境有关。从渗流力学的观点来看，只有那些相互连通的孔隙才能允许流体通过，对研究才具有意义，而和其他孔隙不相连通的孤立的孔隙是无效的。通常把互相连通的、不被结合水占据的那一部分孔隙称为有效孔隙。有效孔隙体积与总体积之比称为有效孔隙度,即：= （37）2）多孔介质的压缩性多孔介质的压缩性可以用多孔介质的压缩系数表示。设作用在多孔介质表面的压强为p,如果压强增加，就会引起多孔介质的压缩，即有：（38）进一步可写为：（39）式中：骨架的压缩系数，表示固体颗粒的压缩性； 孔隙的压缩系数，表示孔隙的压缩性。3.4.2 连续介质方法1112由于多孔介质骨架的表面几何形状是极不规则的，因此，Cl-在其中的迁移状况，就不可能从分子水平用拉格朗日方法进行研究，事实上是不必要的。现在大量采用的是宏观方法连续介质方法，其基本内容是：1）首先引入简化的多孔介质模型。简化模型应易于数学处理并体现多孔介质的主要特征。由于这里的目的是为了分析Cl-随地下水通过孔隙的流动，因此还必须对模型中的流体状态作一系列的假定和限制，以补充说明多孔介质的特征。2）用一种假想水流代替在孔隙中流动的真实地下水。这种假设必须满足下列三个条件：两种水流（假设水流与真实水流）的推动力相等，通过同一断面的流量相等，在孔隙中所受阻力相等。满足上述条件的假想水流称为渗透水流。这种水流可以看作是连续水流，可以应用流体质点的连续方程和运动方程来描述水在多孔介质中的流动，从而回避了研究单个孔隙通道中流体质点流动的困难。多孔介质不论是否饱水，都可采用上述方法研究。3.4.3 溶质的对流811污染物质的对流是指当地下水在土壤介质的孔隙中流动时，同时携带着污染物质以水的运移速度在孔隙中迁移，亦称推流输送。对流迁移可以发生在饱和和非饱和土壤或含水层中，也可以在稳态水流或非稳态水流下发生。随地下水流动的溶质数量是浓度与地下水量的函数。一维溶质对流传输方程为：（310）式中为平均线性速度，它表示通过单位面积孔隙流线的速率，可表示为（3-11）式中：有效孔隙度；K水力传导()；水力梯度()；一维状态对流传输下的溶质矢线Fx可表示为：（3-12）式中：溶质浓度()。3.4.4 水动力弥散 1112考虑通过多孔介质的饱和流动。在流动区域某点缓慢地连续注入含某种示踪剂浓度为C0的水，则在注入点周围示踪物质逐渐散布开，并不断占有流动区域中越来越大的部分，超出了仅按平均流动所预测占据的范围。而且，示踪物质不仅有沿着流动方向的纵向扩展，还有垂直于流动方向的横向扩展，见图3-1。图3-1 流体动力弥散现象 图3-2 弥散过程的穿透曲线Fig.3-1 Hydrodynamic dispersion phenomenon Fig.3-2 The diffusion process of penetrating在注入点下游某点测量示踪迹的浓度变化ct，绘出示踪迹相对浓度对时间t的曲线，称为穿透曲线，见图3-2。假若不存在弥散现象，那么穿透曲线应呈现图中虚线所示的形式，即有一个以平均流速移动的直立锋面，但实际上观测到的穿透曲线具有图中实线所示的形式。含示踪迹的水超前于平均流速达到的位置，它们之间有一个流体动力弥散导致的示踪迹浓度渐变的过渡带。流体动力弥散就是多孔介质中两种不同成分可溶混流体之间过渡带发生的非稳定、不可逆转过程。就是说，这一过程是随时间变化的，并且不可能用逆转流动来返回到初始分布。在研究地下水溶质运移问题中，水动力弥散系数是一个很重要的参数。流体动力弥散是一种宏观现象，但其根源却在于多孔介质的复杂微观结构与流体的非均一的微观运动。实际上，流体的动力弥散是溶质在多孔介质中的机械弥散和分子扩散两种物质输运过程同时作用的结果。3.4.4.1 机械弥散由于溶质地下水流的速度不完全一致，因而在其流动过程中发生混流现象，这种混流称为机械弥散，它主要为纯力学作用的结果。沿流动方向的混流亦称为轴向弥散，质点流速的不一样及不同孔隙中地下水质点实际流速的差异产生了纵向机械弥散。向前弥散的溶质峰面也会沿垂直于轴向的方向弥散，这是由于固骨架的阻挡作用产生了横向机械弥散，横向弥散大概可以波动一个颗粒直径大的范围。所谓机械作用，就是由于孔隙系统的存在，使得流速在孔隙中的分布无论其大小和方向都不均一。对机械弥散的研究多采用示踪剂的方式进行，通过观察示踪剂所看到的水动力弥散是一种宏观现象，但是用Darcy水流的平均流速是不能解释观察到的观测资料，而必须从微观水平上，也就是从孔隙的内部去考察所发生的现象。在多孔介质内，通过任意孔隙横截面上的流速分布，其大小和方向都不是相同的(图3-3) 。一般可以分为三种情况:1)同一孔隙中，地下水质点流速不等于实际平均流速。由于流体的粘滞性，使得单个孔隙通道中心轴处的流速最大，而固体表面处的流速接近于零，类似于笔直的毛细管的流体速度的抛物线分布。2)不同孔隙中地下水质点的实际流速也是不同的(图3-4)。 图3-3 单孔隙中流速的分布图 图3-4不同孔隙中流速的差异 Fig.3-3 The distribution of the single Fig.3-4 Difference of velocity of flowhole current velocity in different holes 由于多孔介质微观几何结构的复杂性，实际上要从微观水平上进行研究是很难做到的。因此只好从微观水平上过渡到比较粗的宏观水平上来描述地下水质点在多孔介质中发生的流动。需要引入典型单元体的概念，可将多孔介质通道中流体质点的速度平均化，即： （313）式中:质点速度矢量；平均速度矢量；是一个假想的速度矢量，即通过所说的某点处地下水实际流速矢量，它是在典型单元体的空隙体积内取质点速度矢量的平均值，作为典型单元体形心处的地下水平均速度矢量。由此我们可以看到地下水质点的实际流速与平均流速是完全不同的两个概念。3)受相互连通的孔隙空间的形状影响，即固体颗粒的阻挡，孔隙空间的流线相对于平均流动绕流(图3-5),使地下水质点的实际运动曲折起伏。上述3个现象是引起机械弥散的原因。这些现象使得最初紧密排列的地下水质点散布开来。图3-5中的圆点表示流体质点在t时刻到时刻的位置，由于孔隙中微观流速的这种不均一性，使得开始时彼此靠近的地下水质点群在地下水流动过程中不是一律按照平均流速运动，而是不断的被细分，进入更为纤细的通道分支，使得地下水质点逐渐扩展，超出仅按平均流动所预期的扩散范围。为简单起见，假定机械弥散现象也能用费克定律描述并且认为机械弥散量是平均线性速度的函数，那么就可引入一个机械弥散系数。例如轴向机械弥散系数，其中为主流动方向平均线性速度(L/T)，为主流动方向的动态弥散率(L)。横向机械弥散系数为，为j流动方向的动态弥散率(L)。 图3-5水质点的散布Fig.3-5 The dispersion of the water particle3.4.4.2 分子扩散分子扩散是物理化学作用的结果，是分子布朗运动的一种现象，亦称物理化学弥散。当液体中溶质浓度不均匀时，则会形成化学势，于是溶质就会在浓度梯度的作用下由浓度高处向浓度低处运动，以使液体中的溶质浓度趋于均匀。在多孔介质中的分子扩散作用受孔隙的不均匀性、孔隙的大小与结构及介质中扩散离子的电价等综合影响，变化十分复杂，亦存在纵向扩散和横向扩散两种形式。分子扩散在多孔介质的整个弥散过程是永远存在的。即使在地下水处于静止状态的时候，如地下水与污水在不发生相对流动时，污水中的污染物质亦会因为有分子扩散作用而进入地下水中。在静止的重力水中，污染物质从浓度高处向浓度低处的分子扩散，可用Fick第一定律描述。Fick第一定律可表示为:（314）式中：F单位面积单位时间通过的溶质；扩散系数()；C溶质浓度()；溶质浓度梯度()。 式中负号表示溶质从高浓度向低浓度方向扩散。扩散系数Dd受浓度影响不大但与温度有一定关系。Dd的值当温度为25 时在110-9至210-9 m2/s之间，但当温度为5 时其值减少约50%。在多孔介质中，液体中污染物的分子扩散可用Fick第一定律描述，但污染物在多孔介质中的分子扩散系数一般小于其在重力水中的分子扩散系数，这主要由于多孔介质中的一部分体积被固体颗粒所占据，液相只占介质体积的一部分，最大是土体饱和时等于介质的孔隙率。实际上，机械弥散和分子这两个过程之间的划分完全是人为的。当多孔介质中的流体流动时，机械弥散与分子扩散以不可分开的形式同时起作用，合起来就形成了流体动力弥散。溶质与水流合起来流动可用一个水动力弥散系数D描述，并以下式表示:（315） （316）式中:平行于主轴流动方向的水动力弥散系数；垂直于主轴流动方向的水动力弥散系数；、分别为纵轴和横轴水动力弥散度；分子扩散系数。纵轴和横轴水动力弥散系数，是仅与介质特性有关的参数，可定义如下: （317） （318）式中:t 时间；、分别为纵向和横向延展毛细流动的方差。3.4.5 渗滤液中Cl-迁移的滞后现象及吸附作用813Cl-随着水流进入包气带，进而进入含水层的水动力场的过程中，由于产生各种物理、化学及生物作用，使得Cl-迁移与其周围地下水运动产生差异，出现前者比后者滞后的现象。这种滞后现象常用迟滞因子（Rd）来定量描述。迟滞因子（Rd）来源于对流-弥散-吸附方程： (319）式中:v沿x方向地下水的线形平均流速；地下水中Cl-的浓度；水流方向的距离；弥散系数； 含水层介质容量；含水层有效孔隙度；每单位重量介质吸附的Cl-重量；时间。方程(3-19)右边的第三项为由于吸附引起的Cl-的损失量。如果污染物被吸附的速度比较快（相对于水流速度来说），很快达到吸附平衡，则其液态污染物平衡时的浓度（）与固态吸附污染物平衡时的浓度（）有如下关系： （320）式中Kd定义为分配系数，即达到吸附平衡时固相和液相污染物的分配情况,其值可用实验的方法测得。如果是线形吸附，则Kd值为吸附等温线的斜率。对于特定的固相介质来说，某一污染物的Kd值为一常数。在这样的情况下，可用Kd值衡量各种污染物的相对迁移能力，Kd值越大，越易于吸附，越不易迁移；反之，Kd值越小，越不易被吸附，越易于迁移。Cl-迁移能力高，不易被吸附。若变换(3-20)式得： （321）将（3-21）式代入 (3-19)式得： （322）若令= Rd ，于是，（3-19）式可写成： （323） 式中符号同前。于是，迟滞因子（Rd）亦可表示为： （324）式中：v地下水流的线形流速； 污染带锋面的流速。由(3-24)式得： （325)（3-25）式中的称为污染物的相对速度。迟滞因子（Rd）是具体测量地下水渗滤液中Cl-滞后现象的量度。4 渗滤液中Cl-迁移的数学模型渗滤液中Cl-小部分可以直接通过垃圾堆体孔隙和土壤颗粒空隙进入地下水，大部分污染物都是随着补给地下水的水源一道进入地下水中的。从上面的讨论中，我们看到，渗滤液中的Cl-既可随地下水做对流运动，也可以随水分子浓度扩散做扩散运动。为了进行地下水污染预测，须同时求解地下水流模型和渗滤液中的Cl-在地下水中迁移的模型。本部分运用地下水动力学、多孔介质流体力学学等多学科相关理论，依据渗滤液中的Cl-在地下水环境中的迁移机理，在考虑上述对流、水动力弥散、吸附条件下，建立渗滤液中的Cl-在地下水中迁移的耦合数学模型。4.1 水流方程4.1.1 考虑密度变化的水流运动方程14在地下水含水层中，渗滤液中的Cl-主要依赖地下水来传播，作为其迁移的载体地下水，其物理特性（如密度）在温度、压强和溶质浓度的作用下表现较为敏感，因此成为影响Cl-浓度分布的关键因素。此外，地下水与渗滤液中的Cl-之间也存在着密度反差，不仅加速了Cl-的传播，还会导致其与地下水（低密度）之间的水动力混合进一步增强。因此，模拟变密度影响地下水流的运动规律，对渗滤液中的Cl-安全性能评价有重要的现实意义。在考虑压强和浓度的影响下，渗滤液中的Cl-在地下含水层流动方程为： （41）定义参考水头为： （42）于是有： （43）把式（4-3）代入运动方程式（4-2）中，得： （44）定义： （45）将式（4-5）代入（4-4），得： （46）式中：参考水头，量纲为；渗滤液中Cl-的参考密度；相对密度；浓度的函数，(C)；表示水流方向的符号，代表水平方向，当代表垂直方向。4.1.2 水流连续性方程我们在各向异性含水介质中取一微小立方体（见图4-1），使它的三组平行面分别垂直于、和轴。它的棱长分别为、和，各侧面面积分别为、和。我们以上述微小立方体的多孔介质为均衡体，以为均衡时间段，建立其质量守恒方程。在时段内，沿方向通过下侧断面流入的质量为，同一时段内，沿方向通过上侧断面流出的质量为。 图4-1 渗流区中的单元体Fig.4-1 The element of seepage flow zone在方向上，上下侧面净流入微小均衡体的质量为：同理，在时段内，沿和方向净流入均衡体的质量分别为：和因此，时段内，上述三个方向流入均衡体的质量分别为： （47）当地下水为不稳定流动时，这个增量将表现为均衡体内所储存的地下水质量的变化，即： （48）对上式采用Taylor级数定理，可得到： （49）依据质量守恒原理，令式（4-9）和（4-8）相等，方程两端除以，并取、和，则得到渗流的连续性方程为： （4-10）考虑到液体，同时假设含水层只存在垂向变形，即和为常量，有： （4-11）根据地下水动力学的有关公式： （4-12） （4-13） （4-14） （4-15）式中：多孔介质的压缩系数；液体体积的压缩系数。把式（4-12）、（4-13）和（4-14）代入（4-11）,得： （4-16）式中，是多孔介质的储水率。代回式（4-10），并约去方程两边的，得： （4-17）将式（4-1）代入上式，得： （4-18）对式（4-2）求导，得： （4-19）将式（4-3）、（4-5）、（4-15）和（4-19）代入（4-18），得： （4-20）将式（3-3）和式（3-4）代入（4-20）得： （4-21）42 渗滤液中Cl-的迁移方程14在微元体内的Cl-的浓度变化是有三个方面引起的：一是由于弥散作用，包括分子扩散和渗透分散；第二方面是由于液体平均整体运动而引起的物质通量，称为对流；第三方面是总的吸收作用，即所谓源汇项（源是由于溶解和解吸附，使物质从固相转入水中；汇是指物质从水中沉淀和被吸附等减少的作用）。当渗滤液中的Cl-通过垃圾填埋场连续进入含水层时，会迅速发生垂向混合，使污染物浓度沿潜水层深度均匀分布，污染晕仅沿水流方向和垂直于水流方向的水平横向扩展。取垃圾填埋场位置为坐标原点，无限平面为平面，则描述Cl- 迁移转化的基本方程通常可写作：（422）式中：Cl-在地下水中的浓度；vixi方向的渗透速度或平均孔隙流速；平行于主轴流动方向的水动力弥散系数；垂直于主轴流动方向的水动力弥散系数；Rd迟滞因子；有效空隙度；单位体积潜水层内污染物的质量进入速率，。在式（4-22）中，等号左边为积累项，等号右边第一项为弥散项，第二项为对流项，第三项为源汇项。 在稳定均匀流条件下，因Cl-为保守性物质，若不考虑补给和供水，不考虑去除作用，即没有衰变、吸附及降解，取Rd=1，式（4-22）可变为：(423)式中的弥散张量系数可进一步简化。对均匀多孔介质，如果处在流速向量的方向上，则，于是得到综合考虑分子扩散和机械弥散的影响，我们便得到了（3-15）和（3-16）两式。于是，式（4-23）可进一步简化为： （4-24）4.3 定解条件4.3.1水分迁移的定解条件1）初始条件： （4-25）2）边界条件： （4-26）4.3.2 渗滤液中Cl-迁移的定解条件1）初始条件： （4-27）2）边界条件： （4-28）式中：单位潜水层厚度上的流体体积进入流率，；排入地下水渗滤液中的Cl-的浓度，；Darac变数增量函数。4.4 数学模型的解法4.4.1 有限单元法15有限单元法是把一个连续的含水层剖分为多个小的有限单元体，利用有限单元体把水头函数离散化，将原来的水头函数，用各有限单元体内的近似插值函数所代替，即把实际地下水面(或压力水面)近似地用通过由各有限单元顶点的平面(或曲面)所代替，将求解区域内各点水头问题，转化为求解有限单元顶点水头问题。有限单元法网格和结点布置灵活，适应于复杂形状边界和介质分区的问题，对定流量边界条件自动满足，不需要另作特殊处理，对含水层非均质变化平缓的要求也不象有限差分法那么严格，因此，有限单元法在一些实际的、含水层介质变化比较复杂地区的地下水渗流计算中得到广泛应用。解偏微分方程的有限元法有两种，即里兹(Ritz)法和伽辽金(Galerkin)法。里兹法基于变分原理，对变分方程进行离散化；伽辽金法基于广义变分原理，不需对原方程寻求相应的泛函，而是从力学上的虚功原理出发，根据需要构建相应的基函数。在求解土壤中水分运动和溶质运移问题时，多用伽辽金法。4.4.1.1水流方程的有限单元法将研究区域进行有限元剖分，应用Galerkin有限元方法将数学模型形成变分问题，首先对水流方程（4-21）进行处理： （429）式中，是基函数，当时，；当时，；是水头未