黃土-碎石覆蓋層水氣耦合運(yùn)移規(guī)律及填埋氣減排性能.pdf

1、固廢填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋層系統(tǒng)的主要功能是減少雨水入滲和阻止有害填埋氣無(wú)組織釋放。土質(zhì)覆蓋層由天然非脹縮土料組成、具有良好的耐久性，其造價(jià)及后期維護(hù)費(fèi)用低于傳統(tǒng)復(fù)合型覆蓋層，是非濕潤(rùn)地區(qū)填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋層的理想結(jié)構(gòu)型式。然而目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)土質(zhì)覆蓋層的研究主要側(cè)重于雨水入滲，填埋氣運(yùn)移的研究還不夠深入。我國(guó)西北地區(qū)氣候以非濕潤(rùn)為主，且黃土分布廣泛，采用黃土構(gòu)成的土質(zhì)覆蓋層在該地區(qū)填埋場(chǎng)具有廣泛應(yīng)用前景。因而研究黃土/碎石覆蓋層的水氣耦合運(yùn)移規(guī)律及

2、其在我國(guó)西北地區(qū)的填埋氣減排性能是非常必要的。
　　在西安固廢填埋場(chǎng)構(gòu)建了黃土/碎石覆蓋層填埋氣運(yùn)移模擬試驗(yàn)基地;當(dāng)覆蓋層處于裸露條件下和植草后分別進(jìn)行通氣試驗(yàn)測(cè)試壓實(shí)黃土層的導(dǎo)氣系數(shù)，本文導(dǎo)氣系數(shù)指的是氣體滲透率(gas permeability)，單位為m2;采用GEO-SLOPE公司的Air/w模塊建立了土質(zhì)覆蓋層水氣耦合運(yùn)移模型，并采用室內(nèi)土柱試驗(yàn)驗(yàn)證該數(shù)值模型;采用該數(shù)值模型分析了黃土/碎石覆蓋層的水氣耦合運(yùn)移規(guī)律;采用

3、商業(yè)軟件GEO-SLOPE公司的Vadose/w模塊分析了黃土/碎石覆蓋層和單層黃土覆蓋層在西安最濕潤(rùn)年和最干旱年氣象條件下的日飽和度分布;將日飽和度分布代入水氣耦合運(yùn)移模型分析兩種黃土覆蓋層在這兩種極端氣象條件下的填埋氣減排性能;基于解析解的方法給出了土質(zhì)覆蓋層的防滲和填埋氣減排性能的簡(jiǎn)化評(píng)估方法;最后基于全文的分析給出了增強(qiáng)黃土/碎石覆蓋層填埋氣減排性能的措施。得到相應(yīng)的研究成果如下所示:
　　(1)現(xiàn)場(chǎng)通氣試驗(yàn)結(jié)果表明:裸露

4、條件下，當(dāng)黃土層(ρd=1.45 g/cm3)體積含水率從36％增加至46％時(shí)，其導(dǎo)氣系數(shù)從3.67×10-12 m2降低至5.73×10-14 m2;當(dāng)飽和度小于0.85時(shí)，黃土層導(dǎo)氣系數(shù)隨飽和度增加而降低并不明顯;但是當(dāng)飽和度大于0.85時(shí)，其導(dǎo)氣系數(shù)隨飽和度增加而顯著降低;植草后，黃土層導(dǎo)氣系數(shù)相比較裸露條件下的結(jié)果大約小1個(gè)數(shù)量級(jí)，植被根系傾向于生長(zhǎng)和占據(jù)在土體的大孔隙，從而降低土體的導(dǎo)氣系數(shù);現(xiàn)場(chǎng)尺度黃土層的導(dǎo)氣系數(shù)高于室內(nèi)結(jié)

5、果約1個(gè)數(shù)量級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)所用土料含有大顆粒結(jié)團(tuán)，結(jié)團(tuán)會(huì)降低黃土孔隙的曲折度以及增加大孔隙數(shù)量，從而提高導(dǎo)氣系數(shù)。
　　(2)采用土柱試驗(yàn)驗(yàn)證水氣耦合運(yùn)移數(shù)值模型。土柱試驗(yàn)揭示了氣體優(yōu)勢(shì)通道;數(shù)值模型可較好地模擬水分下滲過(guò)程，并能捕捉到氣壓的變化趨勢(shì)。采用數(shù)值模型分析黃土/碎石覆蓋層的水氣耦合運(yùn)移規(guī)律。分析結(jié)果表明:當(dāng)覆蓋層表層未達(dá)到飽和之前，氣壓對(duì)其表層雨水入滲速率的影響可以忽略不計(jì);當(dāng)覆蓋層底部的氣壓小于規(guī)范規(guī)定的0.75 kPa時(shí)

6、，氣壓對(duì)覆蓋層儲(chǔ)水能力的影響較小，氣壓存在時(shí)的儲(chǔ)水能力僅小于無(wú)氣壓時(shí)的4％。碎石層和黃土層的界面處的毛細(xì)阻滯作用可將上部黃土層的儲(chǔ)水能力從田間持水量(0.32)增加至接近飽和含水率(0.37)，導(dǎo)致導(dǎo)氣系數(shù)從1.6×10-9m2降低至9×10-12 m2，當(dāng)?shù)撞繗鈮簽?.75 kPa，覆蓋層的填埋氣排放速率可持續(xù)維持接近0，顯著提高其填埋氣減排性能。
　　(3)采用水氣耦合運(yùn)移模型分析黃土/碎石覆蓋層和單層黃土覆蓋層在西安最濕潤(rùn)年

7、和最干早年氣象條件下的填埋氣減排性能（以甲烷表征）。分析結(jié)果表明:在最濕潤(rùn)年，當(dāng)?shù)撞繗鈮簽閷?shí)測(cè)氣壓的平均值0.11 kPa時(shí)，黃土/碎石覆蓋層和單層黃土覆蓋層的年甲烷排放量分別為9 kg·m-2和20 kg·m-2，均小于澳大利亞年甲烷排放控制標(biāo)準(zhǔn)22kg·m-2;黃土/碎石覆蓋層的填埋氣減排性能優(yōu)于單層黃土覆蓋層。在最干旱年，黃土/碎石覆蓋的年甲烷排放量為59 kg·m-2;當(dāng)將黃土層的初始體積含水率從0.3提高至飽和含水率0.41時(shí)

8、，黃土/碎石覆蓋層的年甲烷排放量可從59 kg·m-2降低至21 kg·m-2。
　　(4)基于本文推導(dǎo)的解析解提出一套簡(jiǎn)化方法評(píng)估土質(zhì)覆蓋層滲漏量;與前人模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示該簡(jiǎn)化評(píng)估方法得到的滲漏量大于實(shí)測(cè)結(jié)果約34％;當(dāng)對(duì)該簡(jiǎn)化方法進(jìn)行推廣時(shí)，仍需要大量的氣象數(shù)據(jù)和覆蓋層的水量平衡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定。覆蓋層月平均飽和度對(duì)應(yīng)的甲烷排放量與月累計(jì)甲烷排放量接近，可采用月平均飽和度評(píng)估其甲烷排放量;采用西安現(xiàn)場(chǎng)黃土/碎石覆