陸海軍,欒茂田,張金利

(1.武漢工業(yè)學(xué)院 多孔介質(zhì)力學(xué)研究所,武漢 430023;2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院巖土工程研究所,遼寧 大連 116024）

為了控制垃圾填埋對(duì)周圍土壤與地下水環(huán)境的長(zhǎng)期影響,在垃圾填埋場(chǎng)的上面通常建有封頂系統(tǒng),已達(dá)到把垃圾與外界環(huán)境隔離的目的。封頂系統(tǒng)的主要作用是阻止水分進(jìn)入到垃圾體中,減小滲濾液產(chǎn)量,降低填埋場(chǎng)運(yùn)行成本。如果水分一旦進(jìn)入垃圾體中,就可能攜帶污染物質(zhì)穿透底部的襯墊層滲透到周圍的土壤與地下水中,造成環(huán)境的污染,進(jìn)而威脅人類的生活[1-3]。

至今為止,國(guó)內(nèi)外垃圾填埋場(chǎng)的封頂大多采用傳統(tǒng)的壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng),這種封頂主要由頂層的植物生長(zhǎng)層和下面的壓實(shí)粘土層組成。Khire、Benson、Dwyer等許多研究者對(duì)垃圾填埋場(chǎng)壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)與研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)的壓實(shí)黏土封頂在干旱與半干旱地區(qū)不能達(dá)到工程期望的效果,并出現(xiàn)透水的現(xiàn)象[4-8]。研究者經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)還發(fā)現(xiàn),在第一次干濕循環(huán)過程中穿透?jìng)鹘y(tǒng)封頂壓實(shí)黏土層的水分明顯增加[9]。為了解決傳統(tǒng)壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)的缺陷,一些研究者和機(jī)構(gòu)開始研究新型的封頂系統(tǒng)去代替?zhèn)鹘y(tǒng)封頂。美國(guó)愛達(dá)荷州國(guó)家工程與環(huán)境試驗(yàn)室(INEEL)于1993年建成了一種蒸發(fā)傳輸(ET)封頂,并在相同的氣候條件下與壓實(shí)黏土封頂?shù)倪\(yùn)行進(jìn)行了比較[6];Dwyer對(duì)壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)和新型封頂系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)研究[7];Schnabel和Wayllace等人對(duì)在不同氣候條件下建造ET封頂系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了數(shù)值分析研究[10-11]。ET封頂系統(tǒng)的土壤在降水過程中作為一個(gè)儲(chǔ)水庫(kù)來儲(chǔ)存降水時(shí)來不及蒸發(fā)掉的水分,然后通過蒸發(fā)與植物蒸騰作用從土壤中吸取水分然后釋放到大氣中[12-14]。ET封頂系統(tǒng)不但具有比較大的抗干燥開裂的能力,同時(shí)還具有造價(jià)低、服務(wù)年限長(zhǎng)和效果好等優(yōu)點(diǎn),估計(jì)這種垃圾填埋場(chǎng)的封頂系統(tǒng)將逐步取代現(xiàn)有的壓實(shí)黏土的封頂系統(tǒng)[15]。

基于壓實(shí)黏土封頂和ET封頂系統(tǒng)的工作機(jī)理,在考慮降水和蒸發(fā)循環(huán)作用的邊界條件下,建立了一維非飽和土水汽運(yùn)移的數(shù)值模型,并結(jié)合大連市實(shí)際氣象統(tǒng)計(jì)資料,比較分析了傳統(tǒng)壓實(shí)黏土封頂與3種新型ET封頂系統(tǒng)的水分平衡規(guī)律,以此評(píng)價(jià)新型ET封頂系統(tǒng)在干旱與半干旱地區(qū)的適用性。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 水汽在非飽和土壤中運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型

假設(shè)垃圾填埋場(chǎng)封頂系統(tǒng)的各層土壤為均質(zhì)、各向同性的多孔介質(zhì),建立了水汽在垃圾填埋場(chǎng)壓實(shí)黏土封頂與新型蒸發(fā)傳輸(ET)封頂中運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型[16],

式中,θ為體積含水量;h為基質(zhì)壓力勢(shì);K為滲透系數(shù);t為時(shí)間;z為土壤的剖面縱向深度坐標(biāo),以向下為正;Q為源匯項(xiàng)。

土水特征函數(shù)采用Van Genuchten(1978)模型定義[16],當(dāng)h＜0,

式中,Se為有效飽和度;θr為殘余含水率;θs為飽和含水率;Ks為飽和滲透系數(shù);Kr為相對(duì)滲透系數(shù);α,β,γ為土水特性參數(shù),且β,γ滿足γ=1-1/β。

1.2 定解條件

模型的初始條件假定封頂系統(tǒng)各層土壤的初始含水率是均勻的,

式中,θi為植物生長(zhǎng)層土壤、排水層、生物阻隔層、壓實(shí)黏土層和阻隔土壤層的初始體積含水率。

邊界條件為[17]:

(1)上邊界即是滲流邊界又是蒸發(fā)邊界

式中,KP為壓實(shí)黏土與ET封頂系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)層的水力傳導(dǎo)系數(shù);q(t)為降水強(qiáng)度;e(t)為蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)度。

(2)下邊界是自由排水邊界

式中,Kc和Kb分別為壓實(shí)黏土層和阻隔土壤層的水力傳導(dǎo)系數(shù),H為整個(gè)封頂系統(tǒng)的厚度。

(3)兩層土壤的交界面必須保證水流的連續(xù)性

式中,Kt和Kl分別為上層和下層土壤的水力傳導(dǎo)系數(shù),Ht和Hl分別為上層和下層土壤的厚度。

1.3 模擬區(qū)域與材料特性

1.3.1 模擬區(qū)域 壓實(shí)黏土封頂和ET封頂系統(tǒng)的模型如圖1所示。傳統(tǒng)的壓實(shí)黏土封頂由0.6 m厚的植物生長(zhǎng)土層、0.3m厚的細(xì)沙排水層以及0.6 m厚的壓實(shí)黏土層組成。ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1的基本結(jié)構(gòu)由上層厚為1 m的植物生長(zhǎng)土層和下層厚為1 m的阻隔土層構(gòu)成;設(shè)計(jì)方案2由厚1 m的植物生長(zhǎng)層、0.5 m厚的生物阻隔層(0.1 m的細(xì)沙層、0.3m的砂礫層和0.1 m的細(xì)沙層)以及1 m厚的阻隔土層構(gòu)成;設(shè)計(jì)方案3由1 m厚植物生長(zhǎng)土層,1 m厚的阻隔土層以及最下面的0.5 m厚的生物阻隔層構(gòu)成。

圖1 垃圾填埋場(chǎng)封頂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 材料與計(jì)算參數(shù) 土樣(A)、(B)、(C)分別取自大連本地的粉質(zhì)粘土和黏土。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)確定土壤的基本特性,包括土壤的液限WL、塑限WP、塑性指數(shù)IP、最大干密度ρdmax、最優(yōu)含水量Wopt、孔隙比e、比重Gs、飽和滲透系數(shù)Ks。土水特征曲線SWCC采用壓力板儀測(cè)定。土特性參數(shù)與計(jì)算參數(shù)列于表1,土水特征曲線如圖2所示。

表1 土壤工程特性與計(jì)算參數(shù)

圖2 壓實(shí)黏土封頂和ET封頂?shù)耐了卣髑€

1.4 初始條件與邊界條件的確定

植物生長(zhǎng)層、阻隔土層以及壓實(shí)黏土層的初始體積含水率分別為0.184、0.142和0.162;細(xì)沙與砂礫層的初始體積含水率為0.20。根據(jù)大連市氣象局資料顯示[18],1976年是大連市近48年來汛期降水強(qiáng)度最大的年份,短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降水對(duì)垃圾填埋場(chǎng)封頂系統(tǒng)的沖擊力比較大,其全年的日降水量分布如圖3所示。全年的日平均蒸發(fā)與蒸騰強(qiáng)度如表2所示,1個(gè)月內(nèi)每天的蒸發(fā)與蒸騰強(qiáng)度均相同。

圖3 1976年大連日降水量直方圖

表2 日平均蒸發(fā)與蒸騰強(qiáng)度

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型驗(yàn)證

壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)與3種新型蒸發(fā)傳輸(ET)封頂系統(tǒng)中土壤水分隨時(shí)間的變化如圖4所示。

2.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

在1976年的降水和蒸發(fā)蒸騰循環(huán)作用下,傳統(tǒng)

圖4 垃圾填埋場(chǎng)封頂系統(tǒng)的含水率隨時(shí)間的波動(dòng)

由圖4可以看到,封頂系統(tǒng)的土壤離降水和蒸發(fā)邊界越近,含水率對(duì)邊界變化的響應(yīng)越靈敏,且隨著土層深度的增加,含水率的波動(dòng)明顯減弱,說明土壤中的含水率對(duì)氣候條件的響應(yīng)隨土層深度的增加出現(xiàn)了明顯的“峰值滯后”現(xiàn)象,造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于土壤具有一定的持水能力。在傳統(tǒng)壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)中,Z=0.325 m和Z=0.525 m處,含水率并沒有受到最初蒸發(fā)邊界條件的影響而減小,反而出現(xiàn)了增加的趨勢(shì),其主要原因是由于毛細(xì)作用引起細(xì)沙排水層中的水分向植物生長(zhǎng)層土壤中擴(kuò)散。壓實(shí)黏土層中Z=0.915 m處,由于此層滲透系數(shù)極低,含水率沒有受到氣候條件變化的影響,保持0.162不變。由于垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)部溫度較高,壓實(shí)黏土層中的水分在溫度剃度的作用下出現(xiàn)流失,引起土層開裂,致使壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)失效。

從4中還可以看到,與傳統(tǒng)壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)相比,蒸發(fā)傳輸(ET)封頂系統(tǒng)中阻隔土層的含水率也受到降水和蒸發(fā)邊界條件的影響,出現(xiàn)明顯的上升和下降趨勢(shì)。在ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1中,在Z=1.19 m、Z=1.30 m和Z=1.42 m處,在夏季強(qiáng)降水到來前的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),含水率沒有受到氣候變化的影響而出現(xiàn)波動(dòng),在經(jīng)過夏季降水補(bǔ)給后,含水率分別在T=223 d、T=237.1 d和T=263 d時(shí)出現(xiàn)了增加,且分別在T=239.9 d、T=348.4 d和T=360 d時(shí)達(dá)到0.343、0.321和0.241。在 ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2中,Z=1.5421 m處的含水率持續(xù)增加到0.308;在Z=1.6797 m處,含水率在 T=30.3 d時(shí)開始持續(xù)增加直至T=360 d達(dá)到0.262;Z=1.88 m處的含水率沒有受到毛細(xì)作用以及氣候條件的影響,在整個(gè)模擬階段保持0.142不變。在ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3中,不同深度的土壤含水率變化與ET封頂設(shè)計(jì)方案1比較相似,但值得注意的是降水與蒸發(fā)邊界沒有影響到深度為Z=1.7708 m以下的土壤層;Z=1.944m處的含水率由于接近底層的生物阻隔層,在毛細(xì)作用的影響下引起了此處水分的增加。

為了更明顯的說明封頂系統(tǒng)中含水率的變化情況 ,在 T=110 d 、T=216 d 、T=280 d和 T=360 d的壓實(shí)黏土封頂以及3種ET封頂系統(tǒng)的土壤剖面含水率變化如下圖5所示。

圖5 垃圾填埋場(chǎng)封頂系統(tǒng)土層剖面的含水率分布

由圖5可以看到,在傳統(tǒng)壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)中,在 T=110 d、T=360 d時(shí),植物生長(zhǎng)層土壤的含水率分別由Z=0.045 m處的0.175和0.192增加到Z=0.585 m處的0.256和0.263;在T=216 d、T=280 d,植物生長(zhǎng)層土壤中的含水率隨深度的增加首先表現(xiàn)出了增加的趨勢(shì),隨后出現(xiàn)了減小,造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于壓實(shí)黏土層的毛細(xì)作用比較明顯,致使植物生長(zhǎng)層下部的水分向細(xì)沙層擴(kuò)散而損失;在細(xì)沙排水層中含水率變化趨勢(shì)基本一致,由于壓實(shí)黏土的毛細(xì)作用且滲透系數(shù)低,造成了細(xì)沙層上部的含水率下降,臨近壓實(shí)黏土層的位置水分積聚;邊界條件的變化對(duì)壓實(shí)黏土層的影響非常遲鈍,位于Z=0.915 m以下的土層水分沒有得到降水的補(bǔ)給。

由圖5還可以觀察到,對(duì)于ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1,在深度為Z=1 m的植物生長(zhǎng)土層中,含水率隨深度的延伸而逐漸增加;在深度為Z=1 m的阻隔土壤層中,隨著時(shí)間的延續(xù)降水對(duì)土層中水分的補(bǔ)給深度逐漸延伸。對(duì)于ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2,植物生長(zhǎng)土壤層中不同深度的含水率分布與壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)中植物生長(zhǎng)層的分布規(guī)律基本一致;生物阻隔層中的水分在細(xì)沙層中出現(xiàn)了積聚,而砂礫層中的水分出現(xiàn)了大量流失,這種現(xiàn)象主要是由于毛細(xì)作用使得砂礫層中的水分分別向植物生長(zhǎng)層和阻隔土壤層中運(yùn)移;降水對(duì)ET封頂設(shè)計(jì)方案2中阻隔土壤層的補(bǔ)給程度不像ET封頂設(shè)計(jì)方案1那么明顯,造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于中間的生物阻隔層起到了排水作用。ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3中土層剖面的含水率分布與ET封頂設(shè)計(jì)方案1中基本類似,但由于底層的生物阻隔層的存在,毛細(xì)作用使得阻隔土壤層下部的土壤水分得到了來自生物阻隔層的補(bǔ)給。

2.2 模型的驗(yàn)證

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[19]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,近而對(duì)模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。土壤的參數(shù):Ks=5.56 ×10-4cm/s;α=0.015;β =1.875;γ=0.467;θr=0.08;θs=0.43 。降水強(qiáng)度為 192 mm/d,持續(xù)時(shí)間為T=0.83 d。初始體積含水率為0.12,邊界條件為上邊界是降水入滲邊界,下邊界是自由排水邊界。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖6所示。

圖6 計(jì)算值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

從上圖可以觀察到,計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,并且逐漸接近最大含水率值,數(shù)值未出現(xiàn)振蕩和彌散的現(xiàn)象,從而驗(yàn)證了模型的可靠性。

3 結(jié)論

利用水汽在多層非飽和土壤中運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型,以大連市1976全年的實(shí)際降水與蒸發(fā)蒸騰強(qiáng)度為邊界條件,計(jì)算了水汽在傳統(tǒng)壓實(shí)黏土封頂與3種新型ET封頂系統(tǒng)中運(yùn)移的情況。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,土層中水分受邊界條件的補(bǔ)給隨土壤深度的增加表現(xiàn)出明顯的“峰值滯后”現(xiàn)象;傳統(tǒng)壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)中的壓實(shí)黏土層不能有效的得到降水的補(bǔ)給,新型的ET封頂系統(tǒng)能有效的儲(chǔ)存降水,并對(duì)阻隔土壤層進(jìn)行水分補(bǔ)給;ET封頂系統(tǒng)完全可以抵御大連近48年以來的最大強(qiáng)降水的沖擊。值得注意的是,對(duì)于ET封頂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2,由于在植物生長(zhǎng)層與阻隔土壤層之間設(shè)置了生物阻隔層,不僅避免了動(dòng)物對(duì)阻隔土壤層的破壞,而且在強(qiáng)降水的過程中起到了排水作用。這種新型ET封頂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在干旱及半干旱地區(qū)將得到推廣,并逐漸取代傳統(tǒng)的壓實(shí)黏土封頂系統(tǒng)。此研究成果為垃圾填埋場(chǎng)ET封頂系統(tǒng)的建造提供了理論依據(jù)。

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