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填埋场污染物运移数值分析及安全防渗系统设计方法探讨

张金利  
【摘要】:为了有效地控制城市生活垃圾(MSW)对环境所造成的污染与破坏,现代卫生填埋技术在城市生活垃圾的处置中得到了广泛的应用。为了有效地保护地下水资源,生活垃圾填埋场的安全防渗系统是现代卫生填埋技术中一个关键技术,为此必须结合防渗结构体系、场地的水文地质和气候条件、污染物的生成机理及填埋场管理等实际条件,综合考虑土颗粒对污染物的吸附、生物降解、污染物运移所引起的孔隙变化、填埋场下覆饱和或非饱和土层、地下含水层等多种因素,探讨渗滤液在填埋场及其下覆防渗衬里与土层及含水层中的运移过程及其规律。作为一种经济而比较可靠的防渗系统,压实粘土衬里在先进国家及我国现代填埋场设计与建设中得到了广泛的应用。为此,本文着重选择填埋场—压实粘土衬里—含水层两层结构系统、填埋场—压实粘土衬里—饱和或非饱和土层—含水层三层结构系统作为主要研究对象,首先考虑污染物运移的弥散、对流与地球化学反应等不同机理,分别发展了一维与二维计算模型,建立了系统的控制方程及其相应的边界条件与初始条件,进而对所建立的初边值问题进行数学求解,通过数值计算探讨了污染物运移过程及其基本规律,通过变动参数对比计算探讨了各种因素的影响程度。本文的主要研究工作包括下列方面。 1.压实粘土衬里—含水层两层结构体系内污染物运移的一维计算模型与数值分析:针对填埋场—压实粘土衬里—含水层两层结构系统,基于常孔隙率与饱和多孔介质假设,依据渗滤液在多孔介质中运移机理,在考虑城市生活垃圾的生物降解效应、压实粘土衬里防渗层以及有限深度含水层的情况下,建立了污染物运移的一维数学模型及其控制方程。并联立边界条件,进而进行了数学求解。通过数值计算详细地探讨了渗滤液在压实粘土衬里中的运移过程及对下部含水层所产生的影响,针对不同的工况分析探讨了控制渗滤液运移过程的主要因素。具体地,在考虑生物降解效应的条件下,分别采用平衡线性吸附、平衡非线性吸附和非平衡—非线性吸附等不同的吸附方程考虑粘土颗粒对污染物的吸附性,同时采用线性平衡方程考虑含水层的吸附性,通过对比计算与分析探讨了这些因素及其组合对污染物运移过程的影响。由此表明:当填埋场压实粘土衬里的渗透系数较低时,弥散和地球化学反应是渗滤液运移的控制机理。粘土对污染物的不同吸附特性和吸附状态对污染物运移的影响往往不容忽略,而含水层对污染物的吸附性可以不予考虑。影响压实粘土衬里封闭效果的主要因素包括污染物生成函数、压实粘土衬里的渗透系数和弥散系数、生物降解参数及有关吸附参数。 2.压实粘土衬里—滞水饱和土层—含水层三层结构体系内污染物运移的二维有限差分解法与数值分析:考虑岩土介质渗透的各向异性及其对污染物的平衡非线性吸附,采用有限差分方法建立了二维情况下渗滤液运移的数值计算模型。通过对某一假想填埋场所进行的变动参数对比数值计算与分析表明,对于二维问题,压实粘土衬里和滞水层的竖向弥散系数对于污染物的侧向运移具有重要影响,压实粘土衬里的最大吸附能力对污染物运移影响更为显著。 3.变孔隙条件下污染物运移的一维计算模型与数值分析:针对压实粘土衬里吸附污染物将降低其孔隙率的实际情况,在分别考虑粘土对污染物的线性和非线性吸附的条件下,给出压实粘土衬里孔隙率随污染物运移过程而发生变化的计算公式,针对压实粘土衬里与含水层两层结构体系,建立了污染物运移控制方程,


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