垃圾填埋場中淋濾液回灌液壓變化規(guī)律

陳明浩施建勇周繼東

（河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210098）

垃圾填埋場中淋濾液回灌液壓變化規(guī)律

陳明浩，施建勇，周繼東

（河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210098）

為研究垃圾填埋場中因進(jìn)行淋濾液回灌而對孔隙水壓力運(yùn)移產(chǎn)生的影響，在忽略淋濾液在豎直方向上運(yùn)移的前提下，在考慮填埋場淋濾液回灌的實際工況、液相本構(gòu)方程、水量平衡條件和有機(jī)物生化降解的基礎(chǔ)上，建立孔隙水壓力理論方程。補(bǔ)充不同的邊界條件，得到群井回灌和單井回灌2種情況下模型的解析解。計算及分析結(jié)果表明：（a）在進(jìn)行單井回灌時，回灌進(jìn)行到30 d后孔隙水壓力基本穩(wěn)定；孔隙水壓力隨離開回灌井距離的增加而迅速減小，在離回灌井15 m范圍內(nèi)回灌效果較好，20m以外的區(qū)域回灌效果較差。（b）在進(jìn)行群井回灌時，回灌前期孔隙水壓力迅速增加，填埋單元中各處孔隙水壓力最終均達(dá)到回灌水頭壓力；與單井相比，群井的回灌效果較好。（c）淋濾液回灌在垃圾體中會產(chǎn)生較高的孔隙水壓力，因此在實際工程中確定回灌的時間和距離時應(yīng)考慮孔隙水壓力。

垃圾填埋場；生物反應(yīng)器；淋濾液回灌；有機(jī)物降解；孔隙水壓力；理論解答；液壓變化規(guī)律

淋濾液回灌是垃圾填埋場一種比較優(yōu)化的運(yùn)行方式［1?5］，但是淋濾液回灌會引起填埋體內(nèi)淋濾液水頭（或水壓力）升高，影響填埋場邊坡的穩(wěn)定性［6?7］。因此，合理控制垃圾填埋場中淋濾液回灌參數(shù)是最大限度加快生化降解、保證垃圾填埋場安全的前提，對進(jìn)行淋濾液回灌的垃圾填埋場的建設(shè)具有指導(dǎo)作用。

筆者目前搜集到的相關(guān)資料中尚未發(fā)現(xiàn)進(jìn)行淋濾液回灌現(xiàn)場試驗的報道，研究成果基本集中在數(shù)值分析［1?6］。大部分理論均以水量平衡為基礎(chǔ)，導(dǎo)出淋濾液壓力（水頭）方程，結(jié)合相應(yīng)的初始條件和邊界條件進(jìn)行求解，給出壓力、飽和范圍變化規(guī)律［2?5］。但在垃圾填埋場，垃圾體多處于非飽和狀態(tài)，淋濾液的運(yùn)移還受到氣體運(yùn)移的影響，實際上是液、氣2種流體的耦合運(yùn)移［1，6］，而且垃圾填埋場有機(jī)物降解也顯著影響著液、氣的產(chǎn)生［8?11］。因此，生物反應(yīng)器填埋場淋濾液壓力變化規(guī)律應(yīng)在遵循水量平衡條件和有機(jī)物降解規(guī)律的基礎(chǔ)上建立，并在相應(yīng)的定解條件下進(jìn)行求解，通過計算結(jié)果提出對實際工程有借鑒意義的建議。

1 淋濾液水頭變化方程的建立

在采用豎井回灌的生物反應(yīng)器填埋場中（見圖1，其中re為回灌井的影響半徑，rw為回灌井半徑，H為填埋場深度），垃圾土的分層填埋會導(dǎo)致不同深度處的垃圾土有不同的降解速率和滲透系數(shù)，且淋濾液水平向的滲透系數(shù)大于豎直方向的滲透系數(shù)［12］，因此可以假定淋濾液的運(yùn)移只發(fā)生在水平方向上。在方程建立過程中，認(rèn)為垃圾土為均質(zhì)各向同性介質(zhì)，淋濾液運(yùn)移服從Darcy定律，滲透系數(shù)為常數(shù)；井內(nèi)回灌壓力不隨井深變化；淋濾液不會從頂部封蓋和底部襯墊中溢出?？紤]到垃圾土有機(jī)物降解［8］，趙義［12］和施建勇等［13］在Liu等［14］建立的填埋場力-液-氣耦合一維模型基礎(chǔ)上，建立了填埋場淋濾液軸對稱運(yùn)移方程：

式中：uw——垃圾土中的液壓，Pa；t——時間，d；r——軸向距離，m；V0——垃圾土體積，m3；B1，B2——垃圾土性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)；ρw——淋濾液的密度，kg／m3；A，B——降解規(guī)律相關(guān)的參數(shù)［8］。

2 淋濾液水頭變化方程在不同邊界下的解答

2.1 單井固定流量回灌時淋濾液壓力變化解析解

若回灌井之間間距較大，相互間的影響較小，可以簡化成單一回灌井條件；垃圾體中的初始淋濾液壓力為pL0，采用固定流量Q的方式進(jìn)行回灌，可以補(bǔ)充如下定解條件：

淋濾液壓力解析解答為

式中：H——回灌井的有效回灌長度，m；p′w——孔隙液壓在井徑邊界處隨徑向距離變化的變化率（p′w前的負(fù)號表示隨著徑向距離的增加孔隙液壓是減小的），Pa／m；J，Y——第一類和第二類貝塞爾函數(shù)；βn——特征值，根據(jù)方程Y1（βnrw）J0（βnre）-J1（βnrw）Y0（βnre）＝0求得。

2.2 等間距群井固定流量回灌時淋濾液壓力變化解析解

在進(jìn)行回灌時，若回灌井等間距布置且間距較小，回灌井間有相互影響，采用固定流量的方式進(jìn)行回灌，可以補(bǔ)充如下的定解條件：

式中特征值βn根據(jù)方程Y1（βnre）J1（βnrw）-J1（βnre）Y1（βnrw）＝0求得。

3 模型驗證和計算分析

3.1 回灌時淋濾液壓力變化對比分析

Khire等［3］通過HYDRUS-2D軟件，模擬了100m寬、20m深的填埋場內(nèi)進(jìn)行淋濾液回灌時淋濾液的水頭變化過程，由于他們在模擬過程中沒有考慮垃圾氣、溫度和生化反應(yīng)對于淋濾液水頭造成的影響，所以采用單井在固定流量回灌下的解析解（式（2））進(jìn)行驗證。計算參數(shù)如下：rw＝0.05 m，re＝30 m，kw＝1×10-5m／s，Q＝55m3／d。在建立模型的過程中，考慮到垃圾土分層填埋造成填埋氣和淋濾液的水平方向滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)，忽略氣-液在豎向的流動。根據(jù)假定，不考慮井中回灌壓力隨著井深度的變化，可認(rèn)為井邊界處的流量在井深度方向無變化，因此可以取H＝Hwell＝17m，ρw＝1000kg／m3，g＝9.8m／s2。Khire等［3］在計算過程中沒有考慮生化降解的影響，因此忽略方程中的生化降解項對于淋濾液水頭的影響?？梢匝a(bǔ)充定解條件如下：

計算得到襯墊上水頭隨離開回灌井距離和回灌時間變化的規(guī)律，并與Khire等［3］的計算結(jié)果進(jìn)行對比，如圖2所示。

圖2（a）是Khire等［3］模擬淋濾液回灌試驗和本文模型解答之間的對比曲線。從淋濾液水頭的對比曲線來看，在不同回灌流量作用下，模擬回灌試驗的結(jié)果與本文模型給出的解答曲線之間有較好的一致性。通過對比曲線可以看出，在靠近回灌井半徑處模擬回灌試驗結(jié)果比本文模型的求解結(jié)果小，而本文模型求解結(jié)果比Khire等［3］的計算結(jié)果下降快。這是因為2個模型在影響半徑處的邊界條件不完全相同。本文模型假設(shè)在一個填埋單元中淋濾液收集槽是圍繞著單元的外邊界布置的，但是在實際工程中這種布置是無法實現(xiàn)的，實際填埋工程中淋濾液收集槽在襯墊系統(tǒng)上一般只沿一個方向布置；本文模型加在影響半徑上的邊界條件是理想化的條件，實際工程中淋濾液收集系統(tǒng)的工作效率較低。所以，通過本文模型得出的解答，襯墊上的水頭降低較快，襯墊上的淋濾液水頭比模擬回灌試驗得出的結(jié)果略小。圖2（b）實心曲線是Khire等［3］計算的，在一定回灌流量下填埋場中達(dá)到90%飽和度區(qū)域的寬度隨回灌時間的變化規(guī)律。圖2（b）中的實心曲線是在相同回灌流量下，本文計算的填埋場中r＝10m處襯墊上水頭高度隨回灌時間的變化規(guī)律。從對比曲線來看，本文計算所得襯墊上水頭的穩(wěn)定時間與Khire等［3］計算所得填埋場內(nèi)達(dá)到90%飽和度區(qū)域的寬度所需的穩(wěn)定時間基本相同，在40d左右能達(dá)到穩(wěn)定。說明本文模型可以較好地反映填埋場內(nèi)孔隙液壓隨時間的變化規(guī)律。

Reddy等［1］在假設(shè)填埋氣體和淋濾液不相溶的基礎(chǔ)上，通過聯(lián)立液相和氣相飽和度與壓力的關(guān)系建立了填埋場的二維壓力運(yùn)移模型，并分析不同工況下用豎井進(jìn)行淋濾液回灌對于填埋場內(nèi)部填埋氣壓和孔隙液壓運(yùn)移的影響。Reddy等［1］提出了與Khire等［3］相似的填埋場簡化模型，根據(jù)此模型，本文采用單井在固定流量回灌時的解答進(jìn)行驗證，求解固定回灌流量下填埋場中最大孔隙液壓隨時間的變化規(guī)律。根據(jù)Reddy等［1］的計算參數(shù)，得到本文模型的計算參數(shù)如下：rw＝0.15m，re＝50m，H＝Hwell＝20m，kw＝1×10-6m／s，Q＝25m3／d，p′w＝-150436Pa／m。

圖3是模擬淋濾液回灌試驗中填埋場內(nèi)最大孔隙液壓隨時間變化規(guī)律，以及與Reddy等［1］計算結(jié)果的對比圖。從圖3可以看出，在120d左右，填埋場中的最大孔隙液壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，該結(jié)果與Reddy等［1］的計算結(jié)果相同，并且最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時的最大孔隙液壓也基本相同（約為110 kPa）。從對比曲線可以看出，在初始階段本文計算曲線相對于Reddy的計算曲線上升較快，這是由于本文模型并沒有考慮淋濾液在豎直方向的運(yùn)移。

3.2 固定水頭回灌情況淋濾液壓力變化分析

計算參數(shù)如下：rw＝0.5m，re＝30m，kw＝1×10-6m／s［15］，B1＝17.633，B2＝5.900，V0＝0.1 m3，A＝0.03，B＝11.13，ρw＝1000kg／m3。

3.2.1 單井固定水頭回灌情況

邊界條件和初始條件為：uw（r＝rw）＝p＝20kPa，uw（r＝re）＝0，uw（t＝0）＝0，計算得到的孔隙水壓力與時間、離開回灌井距離的關(guān)系曲線見圖4。

由圖4（a）可見，回灌開始后，離開回灌井不同距離點(diǎn)的孔隙水壓力逐步上升，20 d以后上升的速率變小，30d后基本穩(wěn)定。由圖4（b）可見，不同時間得到的孔隙水壓力，離開回灌井距離越遠(yuǎn)，孔隙水壓力越小。一般在15m范圍內(nèi)有回灌效果，20m以外的區(qū)域，回灌效果比較差。

3.2.2 群井固定水頭回灌情況

邊界條件和初始條件為：uw（r＝rw）＝p＝20kPa，（r＝re）＝0，uw（t＝0）＝0，計算得到的孔隙水壓力與時間、離開回灌井距離的關(guān)系曲線見圖5。

由圖5（a）可見，隨回灌時間增加，孔隙水壓力升高，最終各點(diǎn)的水壓力均上升到回灌的水頭壓力20kPa。由圖5（b）可見，在回灌開始時僅回灌井附近孔隙水壓力受到影響；最終在垃圾體內(nèi)的孔隙水壓力達(dá)到設(shè)計的回灌壓力。

由圖4和圖5可見，單井回灌影響相對較小，群井回灌影響較顯著。在實際工程中采用回灌井進(jìn)行回灌時應(yīng)合理控制井距，控制回灌方式；在考慮回灌對垃圾生化降解促進(jìn)作用時，還應(yīng)防止回灌在垃圾體中產(chǎn)生高孔隙水壓力集聚的不利影響。

4 結(jié) 語

通過淋濾液回灌孔隙水壓力理論方程的建立和定解條件的補(bǔ)充，得到不同運(yùn)行條件下淋濾液回灌孔隙水壓力理論，并與已有的解答進(jìn)行對比。通過計算分析，得到如下結(jié)論：（a）淋濾液回灌軸對稱孔隙水壓力理論方程是在考慮填埋場回灌井工作實際、水量平衡和有機(jī)物降解基礎(chǔ)上建立的；（b）經(jīng)過與現(xiàn)有解答對比分析，建立的理論模型能較好地模擬淋濾液回灌過程中垃圾體內(nèi)部孔隙水壓力的變化規(guī)律，可用于進(jìn)行填埋場淋濾液回灌時間和距離控制的設(shè)計指導(dǎo)；（c）群井的回灌效果好于單井，但應(yīng)兼顧回灌在垃圾體中產(chǎn)生高孔隙水壓力的影響。

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Change rule of hydraulic pressure during leachate recirculation in landfill

CHEN Minghao，SHI Jianyong，ZHOU Jidong
（Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering（Hohai University），Ministry of Education，Nanjing 210098，China）

In order to study the effect of leachate recirculation on the pore?water pressure migration in a landfill，a theoretical equation of the pore?water pressure was built under the premise of ignoring the leachate migration in the vertical direction and with consideration of the actual working conditions of leachate recirculation in the landfill，the liquid phase constitutive equation，the water balance condition，and biochemical degradation of organic compounds.The equation was solved under different boundary conditions，and analytical solutions were obtained under two conditions of group?well recirculation and single?well recirculation.The results showed the following：（a）In single?well recirculation，the pore?water pressure was stable after 30 days of recirculation，the pore?water pressure quickly decreased with the distance from the well，and the recirculation effect was greater within 15 m of the well and lesser beyond 20 m of the well.（b）In group?well recirculation，the pore?water pressure increased rapidly at the beginning of recirculation，then，the pore?water pressure in the landfill cells finally reached the recirculation head pressure，and the group?well recirculation had a stronger effect than the single?well recirculation.（c）High pore?water pressure is generated during leachate recirculation in the garbage，so，in practical engineering，the pore?water pressure should be considered when determining the recirculation time and distance.

landfill；bioreactor；leachate recirculation；biochemical degradation of organic compounds；pore?water pressure；theoretical solution；change rule of hydraulic pressure

X705

A

1000-1980（2015）04-0329-06

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.009

2014-1226

國家自然科學(xué)基金（41372268）

陳明浩（1992—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事環(huán)境巖土工程研究。E?mail：535858521＠qq.com

施建勇，教授。E?mail：soft?ground＠hhu.edu.cn