權(quán)利要求

1.固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，建立固廢堆填場單層覆蓋層土體中水氣運移的模型，并設(shè)置模型參數(shù)及邊界條件； 步驟2，計算覆蓋層中水分和氣體的分布情況； 步驟3，評價覆蓋層的防滲閉氣性能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述步驟1中的模型參數(shù)包括土體性質(zhì)參數(shù)和氣體性質(zhì)參數(shù)。 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述邊界條件包括覆蓋層底部水分邊界、覆蓋層頂部水分邊界、覆蓋層底部氣體邊界和覆蓋層頂部氣體邊界。 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述步驟2中，覆蓋層水分分布計算包括   B(T)＝exp(αh 0+T/4)，  Z＝αz，T＝αk st/(θ s-θ r)，L＝αl，2λ kcos(λ kL)+sin(λ kL)＝0；式中，q(Z，T)為覆蓋層頂部入滲或蒸發(fā)速率，入滲時為正值，蒸發(fā)時為負值，單位為mm/day；α為土體減飽和系數(shù)，單位為m；z為距離覆蓋層底部的坐標高度，單位為m；t為時間，單位為day；k s為土體飽和滲透系數(shù)，單位為m/s；θ s為土體飽和體積含水率；θ r為土體殘余體積含水率；θ w為土體體積含水率；l為覆蓋層厚度，單位為m；h 0為覆蓋層底部孔隙水壓力水頭，單位為m；h i為覆蓋層初始孔隙水壓力水頭，(m)；λ k為特征值。 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述步驟2中覆蓋層氣體濃度分布計算包括     式中，C g為覆蓋層中氣體濃度，單位為mOl/m 3；Y為由 組成的n×1階矩陣；H為由H nr組成的n×r階矩陣；T為由T n組成的n×1階矩陣；G為由G n組成的n×1階矩陣；θ g為土體體積含氣率；D s為氣體有效擴散系數(shù)，單位為m 2/s；τ為土壤孔隙對氣體運移的表觀彎曲系數(shù)；D g為氣體擴散系數(shù)，單位為m 2/s；k＝k se αh為水分不飽和滲透系數(shù)，單位為m/s；k rg為相對氣體滲透系數(shù)；μ g為氣體動力粘滯系數(shù)，單位為Pa·s；k i為土體固有滲透率，單位為m 2；P g為氣體壓強，單位為Pa；S w為土體飽和度；φ為土體孔隙率；H g為亨利常數(shù)；v w為水分滲流速度，單位為m/s；v g為氣體對流速度，單位為m/s；C 0為覆蓋層底部氣體濃度，單位為mol/m 3；C t為覆蓋層頂部氣體濃度，單位為m/s；F 0為覆蓋層底部氣體流入速率，單位為mol/m 2/day。 6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述步驟2中覆蓋層氣體濃度分布計算還包括   k取正整數(shù)。 7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述步驟2中覆蓋層氣體濃度分布計算還包括   k取正整數(shù)。 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述步驟3中評價參數(shù)包括覆蓋層底部水分滲漏速度、覆蓋層底部水分累計滲漏量、覆蓋層頂部氣體排放速率和覆蓋層氣體累計排放量。 9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述覆蓋層底部水分累計滲漏量計算公式為：  式中，Q為覆蓋層底部水分滲漏量，單位為mm；t 0為計算時間，單位為day；S f為覆蓋層土體儲水能力，單位為mm。 10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，其特征在于：所述覆蓋層頂部氣體排放速率計算公式為：  式中F t為覆蓋層頂部氣體排放速率，單位為mol/m 2/day。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及環(huán)境巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法。

背景技術(shù)

填埋是固體廢棄物的主要處置方式之一。近年來，隨著我國固體廢棄物產(chǎn)量的不斷增加以及環(huán)境保護與治理意識的增強，固廢堆填場的污染問題愈發(fā)受到重視。堆填場中固體廢棄物由于成分復雜，經(jīng)過一系列生物化學反應(yīng)，會產(chǎn)生污染性的滲濾液和氣體。這些污染物若排放到地下水和大氣中，會對固廢堆填場周圍的生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。覆蓋層是堆填場重要的組成部分，就像堆填場的“人工皮膚”。覆蓋層不僅隔絕人和動物與廢棄物之間的直接接觸，同時還需具有防滲和閉氣功能，即有效阻止雨水入滲到固廢堆體中從而減少滲濾液的產(chǎn)生；防止固廢堆體產(chǎn)生的有害氣體排放到大氣中造成空氣污染以及隔絕大氣中的氧氣入侵到固廢堆體中。但是，由于覆蓋層直接暴露在復雜多變的大氣環(huán)境中，須經(jīng)受長期干濕循環(huán)、冷暖和凍融循環(huán)的作用，與此同時，堆填場中不斷產(chǎn)生氣體導致堆填場內(nèi)氣壓增大，不斷考驗著覆蓋層的防滲閉氣性能。因此，計算堆填場覆蓋層中水氣運移過程對于評價覆蓋層的防滲閉氣性能、指導覆蓋層設(shè)計具有重要意義。

目前，本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)做了許多研究，但主要側(cè)重于覆蓋層的防滲性能研究，即只考慮水分在覆蓋層中的運移，而不考慮填埋氣的運移以及水分運移氣體運移的耦合作用的影響，這在實際工程應(yīng)用中會產(chǎn)生較大的誤差。因此，本領(lǐng)域需要開發(fā)一種堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明公開了一種固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，采用的技術(shù)方案是，包括以下步驟：

步驟1，建立固廢堆填場單層覆蓋層土體中水氣運移的模型，并設(shè)置模型參數(shù)及邊界條件；

步驟2，計算覆蓋層中水分和氣體的分布情況；

步驟3，評價覆蓋層的防滲閉氣性能。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟1中的模型參數(shù)包括土體性質(zhì)參數(shù)和氣體性質(zhì)參數(shù)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述邊界條件包括覆蓋層底部水分邊界、覆蓋層頂部水分邊界、覆蓋層底部氣體邊界和覆蓋層頂部氣體邊界。

優(yōu)選的，針對水分運移，覆蓋層底部水分邊界條件為常孔隙水壓頭邊界；覆蓋層頂部水分邊界條件在降雨期t p時間內(nèi)為水分入滲邊界，在t p時間后為水分蒸發(fā)邊界。針對氣體運移，覆蓋層底部氣體邊界條件可設(shè)置為常濃度邊界或常通量邊界；覆蓋層頂部氣體邊界條件為常濃度邊界。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟2中，覆蓋層水分分布計算包括  B(T)＝exp(αh 0+T/4)，  Z＝αz，T＝αk st/(θ s-θ r)，L＝αl，2λ kcos(λ kL)+sin(λ kL)＝0；式中，q(Z，T)為覆蓋層頂部入滲或蒸發(fā)速率,入滲時為正值，蒸發(fā)時為負值，單位為mm/day；α為土體減飽和系數(shù)，單位為m -1；z為距離覆蓋層底部的坐標高度，單位為m；t為時間，單位為day；k s為土體飽和滲透系數(shù)，單位為m/s；θ s為土體飽和體積含水率；θ r為土體殘余體積含水率；θ w為土體體積含水率；l為覆蓋層厚度，單位為m；h 0為覆蓋層底部孔隙水壓力水頭，單位為m；h i為覆蓋層初始孔隙水壓力水頭，單位為m；λ k為特征值。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟2中覆蓋層氣體濃度分布計算包括 

D s＝τD g，  式中，C g為覆蓋層中氣體濃度，單位為mol/m 3；Y為由 組成的n×1階矩陣；H為由H nr組成的n×r階矩陣；T為由T n組成的n×1階矩陣；G為由G n組成的n×1階矩陣；θ g為土體體積含氣率；D s為氣體有效擴散系數(shù)，單位為m 2/s；τ為土壤孔隙對氣體運移的表觀彎曲系數(shù)；D g為氣體擴散系數(shù)，單位為m 2/s；k＝k se αh為水分不飽和滲透系數(shù)，單位為m/s；k rg為相對氣體滲透系數(shù)；μ g為氣體動力粘滯系數(shù)，單位為Pa·s；k i為土體固有滲透率，單位為m 2；P g為氣體壓強，單位為Pa；S w為土體飽和度；φ為土體孔隙率；H g為亨利常數(shù)；v w為水分滲流速度，單位為m/s；v g為氣體對流速度，單位為m/s；C 0為覆蓋層底部氣體濃度，單位為mol/m 3；C t為覆蓋層頂部氣體濃度，單位為m/s；F 0為覆蓋層底部氣體流入速率，單位為mol/m 2/day。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟2中覆蓋層氣體濃度分布計算還包括

  k取正整數(shù)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟2中覆蓋層氣體濃度分布計算還包括

  k取正整數(shù)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述步驟3中評價參數(shù)包括覆蓋層底部水分滲漏速度、覆蓋層底部水分累計滲漏量、覆蓋層頂部氣體排放速率和覆蓋層氣體累計排放量，根據(jù)污染排放標準或要求，當覆蓋層底部滲漏量和頂部氣體排放超過標準要求時，該覆蓋層被擊穿，由此得到覆蓋層的水分和氣體擊穿時間；若覆蓋層底部滲漏量和頂部氣體排放在達到穩(wěn)定時仍小于排放要求，則表示該覆蓋層滿足設(shè)計要求，防滲閉氣性能較好。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述覆蓋層底部水分累計滲漏量計算公式為： 式中，Q為覆蓋層底部水分滲漏量，單位為mm；t 0為計算時間，單位為day；S f為覆蓋層土體儲水能力，單位為mm。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案，所述覆蓋層頂部氣體排放速率計算公式為： 式中F t為覆蓋層頂部氣體排放速率，單位為mol/m 2/day。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明綜合考慮了水分入滲、水分蒸發(fā)、氣體對流、氣體擴散、水分與氣體運移之間的相互影響，可以模擬不同工況和邊界條件下覆蓋層中水氣耦合運移的過程，計算降雨和蒸發(fā)等復雜氣候變化對氣體運移的影響，根據(jù)覆蓋層底部累積滲漏量和頂部氣體排放速率評估覆蓋層的防滲閉氣性能；能夠準確計算覆蓋層中水氣耦合運移的過程，為實際堆填場覆蓋層設(shè)計提供了有價值的依據(jù)和數(shù)據(jù)；解決了不考慮覆蓋層中水分和氣體運移之間相互耦合作用而導致計算結(jié)果誤差較大的問題，且簡單方便、易于實現(xiàn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體實施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標記標識。附圖中，各元件或部分并不一定按照實際的比例繪制。

圖1為本發(fā)明計算固廢堆填場覆蓋層水氣耦合運移過程的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明固廢堆填場覆蓋層計算模型圖；

圖3為本發(fā)明覆蓋層底部水分累積滲漏量圖；

圖4為本發(fā)明覆蓋層頂部氣體排放速率圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1至圖4所示，本發(fā)明公開了一種固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法，采用的技術(shù)方案是，包括以下步驟：

步驟1為覆蓋層中水分和氣體耦合運移模型的建立，主要輸入土體性質(zhì)參數(shù)、水分運移相關(guān)參數(shù)、氣體運移相關(guān)參數(shù)、邊界條件；

步驟2為計算覆蓋層中水氣耦合運移過程，得到孔隙水壓力水頭分布和氣體濃度分布；

步驟3為評價覆蓋層防滲閉氣性能，主要通過計算覆蓋層底部滲漏量和覆蓋層頂部氣體排放，結(jié)合相關(guān)標準來評價覆蓋層的防滲閉氣性能。

步驟1，建立堆填場覆蓋層土體中水氣運移的模型，并設(shè)置模型的參數(shù)及邊界條件；

具體參數(shù)取值和邊界條件設(shè)置如下：覆蓋層土體厚度l＝1m，土體飽和體積含水率θ s＝0.43，土體殘余體積含水率θ r＝0.0956，土體飽和滲透系數(shù)k s＝5×10 -7m/s，土體減飽和系數(shù)α＝0.3m -1；土體固有滲透率k i＝0.2×10 -15m 2；氣體動力粘滯系數(shù)μ g＝1.1×10 -5Pa·s。底部孔隙水壓力水頭h 0＝-2.5m；覆蓋層初始孔隙水壓力水頭h i＝-2.5m；q(A，T)為覆蓋層頂部入滲或蒸發(fā)速率(入滲時為40mm/day，蒸發(fā)時為-2mm/day，降雨持續(xù)時間t p＝5day)。甲烷亨利常數(shù)H g＝0.0316；氣體擴散系數(shù)D g＝2.137×10 -5m 2/s；覆蓋層底部氣體濃度C 0＝10mol/m 3；覆蓋層頂部氣體濃度C t＝0mol/m 3；初始氣體濃度為0mol/m 3。

步驟2，計算覆蓋層中水分和氣體的分布；

建立堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算模型和輸入相關(guān)參數(shù)后，根據(jù)設(shè)置的邊界條件通過式   B(T)＝exp(αh 0+T/4)，  Z＝αz，T＝αk st/(θ s-θ r)，L＝αl，2λcos(λL)+sin(λL)＝0，可計算得到覆蓋層中水分運移分布；通過式

        k取正整數(shù)，可計算得到覆蓋層中氣體運移分布。

步驟3，評價覆蓋層的防滲閉氣性能；

根據(jù)覆蓋層中水氣耦合運移計算得到的根據(jù)計算得到的水分和氣體運移分布，由式  進而可以計算出覆蓋層底部水分累積滲漏量和頂部氣體排放速率。

根據(jù)美國ACAP項目中建議的濕潤地區(qū)土質(zhì)覆蓋層年滲漏量不得大于30mm的要求，以及澳大利亞遺留垃圾堆填場甲烷項目的監(jiān)管基線計算指南規(guī)定的甲烷氣體最小排放速率為0.45mol/m 2/day的要求，可以評估該堆填場覆蓋層的防滲性能和閉氣性能。

根據(jù)覆蓋層底部水分累積滲漏量圖和頂部氣體排放速率圖，可以看出，本實施例中覆蓋層頂部氣體排放速率和底部水分滲漏量均滿足相應(yīng)的標準要求。同時，計算結(jié)果表明，傳統(tǒng)方法不考慮水氣耦合作用將會低估覆蓋層底部滲漏量，從而使設(shè)計的覆蓋層存在較大的安全風險。

本文中未詳細說明的部件為現(xiàn)有技術(shù)。

上述雖然對本發(fā)明的具體實施例作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化，而不具備創(chuàng)造性勞動的修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。

固體廢棄物堆填場覆蓋層水氣耦合運移的計算方法.pdf