固废堆场终场土质覆盖层中水分运移规律及调控方法研究

摘要

固废堆场终场覆盖系统担负着减少雨水下渗以减少渗滤液产量和防止堆场中有害气体无组织释放的重任，土质覆盖层(Alternative Earthen Final Cover)由天然非胀缩土料组成、具有良好的耐久性，其造价及后期维护费用远低于传统复合型覆盖层，是进行填埋场终场覆盖的理想结构型式。目前我国许多城市的固体废弃物填埋场已经达到或接近使用年限，面临封场覆盖问题；土质覆盖层中水分的运移规律和调控方法也尚未明确，因而开展对土质覆盖层的研究具有重要的现实意义和理论意义.
　　 本文以国家自然科学基金面上项目“湿润气候区土质覆盖层-大气水分传递机理及控制方法”(50878194)为依托，通过数值模拟、模型试验、解析法等手段系统研究了固体废弃物填埋场土质覆盖层内的水分运移规律，探讨了覆盖层内水分的调控方法.本文所做的主要工作和相应的研究成果如下：
　　 (1)采用Gitirana(2005)的降雨入渗-产流边界处理方式，研究了湿润气候区降雨雨型对土质覆盖层地表入渗量的影响。研究结果表明，在日降雨量和初始条件相同时，对非均匀雨型，雨强峰值出现越早则其总入渗量越大；在部分工况下，前锋型(A1)的地表入渗量会大于均匀雨型；短历时强降雨的入渗量明显较全天降雨的雨型小；在研究湿润气候区长期气候条件下土质覆盖层服役性能时若不采用实时气象资料则均匀雨型和前锋型(A1)雨型是最保守的设计雨型。
　　 (2)基于非饱和渗流控制方程，采用指数方程描述非饱和土体的土水特征曲线和渗透系数随含水量的变化，建立降雨入渗条件下无限长斜坡内水分运移模型并求得解析解，将解析结果与数值模拟结果进行对比验证了解析解的正确性，通过此解析解分析了土性参数、前后期雨强及坡度等因素对覆盖层内水分运移和存储规律的影响。最后，利用从解析解得到的基质吸力剖面分析了土质覆盖层在降雨条件下的稳定性变化。研究表明土质覆盖层饱和渗透系数越小，则湿润锋前进速度越慢，入渗水分易滞留在表层；减饱和系数越大，则表层含水量变化大，入渗影响深度浅；持水能力越强则相同时间内湿润锋影响深度越浅；对于毛细阻滞型覆盖层，细粒层中的含水量和基质吸力变化大，而粗细粒层界面以下的粗粒层中含水量变化很小。
　　 (3)自制由模型槽、降雨模拟装置、侧向排水与深层渗漏收集及量测装置、基质吸力和动态图像采集系统组成的模型试验装置，研究了湿润气候区强降雨条件下毛细阻滞覆盖层与大气间的水分传递规律及强降雨条件下设置非饱和导排层(Unsaturated Drainage Layer,UDL)时毛细阻滞覆盖层的性状，通过数值手段对试验结果进行了模拟研究。研究结果表明，在湿润气候区的强降雨条件下覆盖层表面的地表径流占到降雨总量的69％～77％，砂土非饱和导排层可以很好地发挥侧向排水作用疏干覆盖层内的水分，表层粉土饱和渗透系数越小则侧向导排量与深层渗漏量之比越大。
　　 (4)建立综合考虑填埋体和终场土质覆盖层的数值模型，研究了湿润气候区长期持续降雨天气下降雨雨强、降雨分配模式、UDL层厚度、粉土层厚度和渗透系数、覆盖层坡度等对覆盖层侧向导排(Lateral Diversion)能力的影响规律。研究结果表明，UDL层可大大提高普通毛细阻滞覆盖层侧向导排能力，减少滞水现象的出现；UDL层厚度只影响早期降雨时的侧向导排长度，但对持续大量降雨时的最终导排长度影响不大；覆盖层坡度越陡则越容易疏干边坡上部特别是UDL层中的水分。最后为在土质覆盖层设计中科学合理利用倾斜毛细阻滞覆盖层的侧向排水效应提出了优化建议。
　　 (5)采用基于非等温多孔介质中水热耦合运移控制方程的数值软件，考虑外界气候条件、地表土体蒸发、植被蒸腾对根系生长区水分的提取作用，建立土质覆盖层-植被-大气相互作用数值模型，针对我国湿润、半湿润和半干旱地区典型城市长期实测气象条件，系统分析了不同结构型式土质覆盖层的响应，最后针对我国不同气候区终场土质覆盖层的设计提出了建议。