污染物擊穿防污屏障與地下水土污染防控研究進展

陳云敏，謝海建，張春華（浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058）

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污染物擊穿防污屏障與地下水土污染防控研究進展

陳云敏，謝海建，張春華
（浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058）

摘要：鑒于防污屏障是控制固廢填埋場地下水土污染的重要結(jié)構(gòu)，為評價防污屏障的服役壽命，分別針對重金屬和有機污染物，總結(jié)了污染物在黏土屏障和復(fù)合屏障中的一維運移解析解，包括非線性吸附條件下污染物在黏土屏障中的一維擴散解、污染物在有缺陷膜復(fù)合屏障中的一維運移解和溫度場作用下污染物在黏土屏障中的耦合運移解析解等。評價了污染物擊穿防污屏障長歷時過程超重力離心模型試驗的可靠性。對運行了17 a的安徽某填埋場進行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氯離子運移最大深度達9 m，鈉離子和COD的運移深度在3～4 m?？偨Y(jié)和評價了地下水土污染控制的豎向屏障技術(shù)，認(rèn)為土膨潤土系豎向隔離墻技術(shù)在我國具有廣闊的應(yīng)用前景，并對今后的研究進行展望。

關(guān)鍵詞：滲瀝液；防污屏障；離心模型試驗；污染物運移；解析解；服役壽命

20世紀(jì)80年代以來，中國工業(yè)化和城市化的高速發(fā)展產(chǎn)生了大量固體廢棄物，各類固體廢棄物積存量超過2. 82×1010t。城市固體廢棄物包括居民生活垃圾、醫(yī)院垃圾、商業(yè)垃圾、建筑垃圾、污泥等，是城市運行和發(fā)展的必然產(chǎn)物。目前我國城市固體廢棄物年產(chǎn)量超過2億t，且仍以每年8%～15%高速增長。填埋是我國當(dāng)前和今后幾十年內(nèi)處理城市固體廢棄物的必然選擇和主要方式。我國填埋處置量占總處置量的90. 5%，全國填埋場數(shù)量超過2萬座，填埋處置污染控制是亟須解決的環(huán)境問題。衛(wèi)生填埋場一般由防滲系統(tǒng)、滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)、氣體收集與控制系統(tǒng)和封頂系統(tǒng)等組成[1]，其中由防滲層和滲瀝液導(dǎo)排層組成的結(jié)構(gòu)稱為防污屏障，其功能是防止?jié)B瀝液污染周圍的土壤和地下水。

填埋場滲瀝液污染物主要包括4種類型[2]：①水溶性有機物，可表示為化學(xué)需氧量（COD）或總有機碳（TOC），包括揮發(fā)性脂肪酸以及富里酸類和腐殖酸類化合物等。②異型生物質(zhì)的有機物（XOCs），主要來源于家庭和工業(yè)化學(xué)制品，一般每種物質(zhì)質(zhì)量濃度低于10 mg/ L，包括一系列的芳香族碳氫化合物、苯類物質(zhì)和氯代脂肪烴等。據(jù)統(tǒng)計，滲瀝液中污染物的種類超過100種，其中有機污染物多達77種，包括芳香烴29種，烷烴烯烴類18種，酸類8種，脂類5種，酚類6種，醇、醛類4種，酚胺類2種[3]。Pirbazari等[4]在West Covina垃圾填埋場滲瀝液中監(jiān)測出了18種特殊有機物，且有機污染物含量很高，COD和生化需氧量（BOD）質(zhì)量濃度最高值可達數(shù)千至幾萬mg/ L；其中腐殖酸是滲瀝液中最主要的長期有機污染物，腐殖酸是由小分子有機酸和氨基酸合成的大分子產(chǎn)物，通常不能被降解的腐殖酸質(zhì)量濃度高達200～1 500 mg/ L。③無機宏量組分，包括Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、NH4＋、Fe2＋、Mn2＋、Cl-、SO24-及HCO3-等，其質(zhì)量濃度往往較大，如Mg2＋質(zhì)量濃度范圍為30～15000 mg/ L，Cl-質(zhì)量濃度在150～4500 mg/ L之間[2]。④重金屬，包括Cd2＋、Cr3＋、Cu2＋、Pb2＋、Ni2＋及Zn2＋等。重金屬的質(zhì)量濃度一般較低，一般在10 mg/ L以內(nèi)，如Pb2＋質(zhì)量濃度為0. 001～5 mg/ L[2]。滲瀝液中還含有其他的一些微量物質(zhì)，如B、As、Se、Ba、Li及Co等，但這些物質(zhì)的含量一般較低。另外，隨著填埋場齡期的變化，滲瀝液的組分和性質(zhì)也相應(yīng)地變化，Kjeldsen等[2]調(diào)查發(fā)現(xiàn)齡期較長填埋場的某些滲瀝液組分濃度要比齡期較短的滲瀝液小，但可生化降解性越來越差，且氨氮含量越來越高。新填埋場滲瀝液呈弱酸性，pH值小于6. 5，可生化降解性較好，氨氮濃度也較高；老填埋場滲瀝液的pH值大于7. 5，可生化降解性極差，而氨氮濃度依然較高。

在填埋場復(fù)雜環(huán)境下滲瀝液及其攜帶的痕量污染物極易擊穿填埋場防污屏障，尤其是通過屏障的薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生優(yōu)勢流，并向地下環(huán)境滲透擴散，造成城市地下環(huán)境污染災(zāi)害。滲瀝液污染物濃度為城市污水的100倍，污染持續(xù)時間長達幾十年甚至幾百年，污染修復(fù)難度極大。由于填埋場防污屏障沒有進行嚴(yán)格設(shè)計，2002年國家環(huán)保局監(jiān)測發(fā)現(xiàn)47個重點城市89%的填埋場地下水質(zhì)超過國家標(biāo)準(zhǔn)。北京市北天堂填埋場超過10 km2范圍內(nèi)地下水已無法飲用，有機物和細菌總數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)，且污染程度和范圍正逐年增加。我國目前城市固體廢棄物滲瀝液產(chǎn)量高達填埋量的30%，COD和BOD濃度高、氨氮含量大[5]。歐美國家目前填埋場滲瀝液產(chǎn)量總體僅為填埋量的5%～10%，填埋場滲瀝液水頭低，大幅降低了滲瀝液污染地下環(huán)境的可能性和災(zāi)害程度。美國1988年開始采用雙層屏障系統(tǒng)，并對施工質(zhì)量進行嚴(yán)格控制，取得了較好的效果。2006年紐約環(huán)境保護局對31個采用嚴(yán)格設(shè)計施工質(zhì)量控制的現(xiàn)代填埋場的周邊地下水進行了監(jiān)測，結(jié)果表明所有填埋場均未對地下水產(chǎn)生污染[6]。針對我國城市固體廢棄物填埋場滲瀝液的實際情況，研究滲瀝液污染物擊穿防污屏障過程及在地下環(huán)境中的擴散行為，是地下環(huán)境污染評估、防控及治理的迫切需求。筆者從防污屏障的服役壽命評價方法、超重力離心模型試驗、現(xiàn)場試驗和設(shè)計方法等方面進行闡述，并提出今后的研究展望，以期為地下水土污染屏障技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 防污屏障的類型

防滲層和滲瀝液導(dǎo)排層共同組成了填埋場的防污屏障。防污屏障材料包括壓實黏土（CCL）、土工膜（GM）、土工織物（GT）、土工復(fù)合膨潤土襯墊（GCL）、土壤襯墊（AL）、土質(zhì)襯墊（SL）、土工格柵（GG）和土工網(wǎng)（GN）等。根據(jù)我國CJJ17—2004《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》[8]、CJJ113—2007《生活垃圾填埋場防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[9]和GB 16889—2008《生活垃圾填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》[10]的規(guī)定，填埋場防污屏障系統(tǒng)可采用以下幾種形式：①壓實黏土屏障；②土工膜與壓實黏土層組成的復(fù)合屏障系統(tǒng)；③土工膜與土工復(fù)合膨潤土襯墊組成的復(fù)合屏障系統(tǒng)；④土工膜單層屏障結(jié)構(gòu)；⑤雙層土工膜防污屏障系統(tǒng)。

美國1982年前主要使用單層黏土屏障，1982年開始使用單層土工膜，1983年改用雙層土工膜，1984年又改用單層復(fù)合屏障，1987年后則廣泛使用雙層復(fù)合屏障[11]。目前所有的危險廢物填埋場和近1/3州的生活垃圾填埋場設(shè)計中已規(guī)定必須使用雙層復(fù)合屏障。

2 防污屏障服役壽命評價準(zhǔn)則和解析模型

目前屏障的設(shè)計方法僅對其厚度和滲透系數(shù)等參數(shù)提出要求，未能考慮填埋場水頭、污染物的種類和濃度等對防污性能的影響。筆者提出了基于污染物濃度擊穿時間的屏障設(shè)計方法[12]，屏障的擊穿時間需要大于垃圾穩(wěn)定化時間（20～30 a）和填埋場運行時間（10～20 a）之和，一般應(yīng)大于50 a。

為了計算滲瀝液擊穿防污屏障的時間，筆者所在課題組分別針對重金屬和有機污染物，獲得了污染物在填埋場黏土和復(fù)合防滲層中運移的一維運移解析解，包括非線性吸附條件下污染物在黏性土中的一維擴散解[13]，有機污染物在復(fù)合防滲層中的一維擴散降解解[14-15]、污染物在有缺陷膜復(fù)合防滲層中的一維運移解[16]、污染物在土工復(fù)合膨潤土襯墊和土壤襯墊中的一維運移解[17]、有機污染物在復(fù)合防滲層中的一維滲漏擴散解析解[18]和溫度場作用下污染物在黏性土中的耦合運移解析解[19]。

2. 1 有機污染物通過GM/ GCL/ AL中的一維擴散解析解

GM、GCL和AL組成的3層屏障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于垃圾填埋場的防滲。筆者建立了有機污染物在GM/ GCL/ AL中的一維擴散模型[14]，如圖1所示。考慮了有機污染物在土工膜及其周圍介質(zhì)之間的分配作用并考慮了GCL和AL界面污染物濃度和通量的連續(xù)性。在此基礎(chǔ)上利用拉氏變換得到了AL層中污染物濃度Cal（z，t）的無量綱形式的解析解：其中式中：Ci為污染物在AL層的初始濃度；C0為污染物在滲濾液中的初始濃度；Lgm、Lgcl、Lal分別為GM、GCL和AL層的厚度；Dgm為污染物通過GM的擴散系數(shù)；Dgcl和Dal分別為污染物通過GCL和AL的有效擴散系數(shù)；Rd為AL的阻滯因子；Sgf為GM和污染物之間的分配系數(shù)；S′gf為污染物在GM和孔隙水之間的分配系數(shù)；nal和ngcl分別為AL和GCL的孔隙率。

圖1 污染物通過GM/ GCL/ AL中的一維擴散模型

2. 2 考慮非線性吸附時污染物在黏土屏障中的一維擴散解

筆者所在課題組首次提出了描述黏性土對污染物吸附的分段線性吸附等溫線[13]，揭示了黏性土對污染物的吸附存在一個從線性吸附到吸附完成的過程。和線性吸附模式相比，該吸附模式具有概念明確、更符合污染物在黏性土中的吸附規(guī)律以及便于工程實際應(yīng)用的優(yōu)勢。在該等溫線的基礎(chǔ)上，建立了污染物在黏土中的一維擴散模型，并采用移動邊界理論首次獲得了解析解，理論分析結(jié)果和現(xiàn)有試驗結(jié)果吻合較好[20]。該研究揭示了非線性吸附對黏性土污染物擊穿時間的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)非線性吸附時三氯乙烯的擊穿時間僅為線性吸附時的一半。

2. 3 污染物通過有缺陷膜復(fù)合屏障中的一維運移解析解

為了研究高水頭作用下污染物通過有缺陷膜復(fù)合襯墊的運移規(guī)律，建立了重金屬和有機污染物通過復(fù)合襯墊的滲漏擴散模型并獲得了解析解，包括污染物在有缺陷膜復(fù)合襯墊的一維運移解和污染物通過GCL/ AL 的一維對流彌散解。污染物擊穿復(fù)合襯墊的無量綱時間TR可采用式（7）計算。研究結(jié)果表明[16-17]土工膜漏洞頻率增大會顯著縮短重金屬離子通過復(fù)合襯墊的擊穿時間；滲瀝液水頭和AL施工質(zhì)量對苯在GCL/ AL中運移的影響非常顯著，當(dāng)滲瀝液水頭從0. 3 m增大到10 m時，苯擊穿時間減少為原來的33%；AL滲透系數(shù)減少1個量級可使擊穿時間增大2. 3倍，100a底部污染物通量減少為原來的41. 7%。式中：Cr（z，t）為污染物在AL層中的濃度；K為無量綱參數(shù)；Dg和Ds分別為GCL層和AL層的有效擴散系數(shù)；vg和vs分別為GCL層和AL層的對流速率；Lg為GCL層的厚度。

根據(jù)建立的填埋場污染物在防污屏障中的運移模型及其解析解，獲得了無量綱的復(fù)合襯墊設(shè)計曲線，提出了基于擊穿時間設(shè)計填埋場復(fù)合屏障的方法，并通過實例進行了分析，探討了其實用價值[12]。

2. 4 有機污染物在GM/ GCL/ SL中的一維滲漏擴散解析解

為了評價由GM、GCL和SL組成的3層復(fù)合屏障的防污性能，建立了揮發(fā)性有機化合物（VOCs）在這類屏障系統(tǒng)的一維運移解析模型[18]。模型考慮了污染物通過土工膜漏洞的滲漏和通過完整膜的擴散作用?；谠撃Ｐ脱芯苛藵B瀝液水頭、相連褶皺的長度和GM/ GCL界面導(dǎo)水系數(shù)等對屏障擊穿時間的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)滲瀝液水頭為10 m且相連褶皺長度為1000m時，屏障底部30a的污染物通量可達純擴散情形的60倍以上。相連褶皺的長度對屏障底部通量的影響要大于其對底部濃度的影響。當(dāng)相連褶皺的長度小于100 m時，界面導(dǎo)水系數(shù)對污染物擊穿曲線的影響可以忽略。同時比較了GM/ CCL和GM/ GCL/ SL兩種襯墊的防污性能，發(fā)現(xiàn)在短時間內(nèi)GM/ CCL的防污性能優(yōu)于GM/ GCL/ SL；但GM/ GCL/ SL的長期性能優(yōu)于GM/ CCL，GM/ GCL/ SL底部通量的穩(wěn)態(tài)值約為GM/ CCL情形下的13%[18]。

2. 5 考慮降解時有機污染物在填埋場復(fù)合襯墊中的一維擴散解析解

首次考慮了土層或GCL降解作用對污染物擴散的影響，建立了填埋場有機污染物在復(fù)合屏障中的一維擴散解析模型[15]。在此基礎(chǔ)上分析了填埋場有機污染物在復(fù)合屏障中的長期運移規(guī)律，以及有機污染物降解作用對復(fù)合屏障防污效果的影響。對于GM/ CCL，當(dāng)CCL中苯的降解半衰期為10 a時，100 a時復(fù)合襯墊底部苯濃度比不考慮降解情形至少小1個量級。

2. 6 溫度場作用下污染物在黏土屏障中的耦合運移模型

化學(xué)濃度場和溫度場耦合作用下污染物的運移方程為[19]式中：ST為Soret系數(shù)，表示溫度場導(dǎo)致的污染物擴散；Dd為污染物在黏土層中的有效擴散系數(shù)；T*為溫度。

對于一個半無限空間，且初始條件為一定值，即C（z，0）＝Ci，在上邊界，化學(xué)物的濃度假設(shè)為一常數(shù)，即C（0，t）＝C，下邊界則假設(shè)為?C（∞，t）＝0。

0?z在這一情形下得到污染物濃度的解析解為式中A為黏土層的溫度梯度。

將該解析解和文獻[21]中試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者符合較好。利用該解析解可對化學(xué)物在填埋場底部壓實黏土中的長期運移進行預(yù)測。由于生化反應(yīng)作用，我國某些典型的厭氧型填埋場底部溫度可達353 K，而一般情況下填埋場的底部溫度約為333 K。假設(shè)地下水中的溫度為283 K，壓實黏土的厚度為0. 6 m，壓實黏土頂部和底部的溫度分別為333 K和283 K，襯墊上方的濃度為100 mol/ m3，分子擴散系數(shù)為2. 8×10-10m2/ s，ST分別取5×10-3K-1、10-2K-1和5×10-2K-1?；诮馕鼋獾玫綁簩嶐ね恋撞课廴疚餄舛入S時間的變化曲線見圖2。結(jié)果表明考慮熱擴散作用時，污染物的擴散速度加快。當(dāng)ST＝5×10-2K-1，屏障底部100 a時污染物濃度比僅考慮分子擴散的情形增加了約50%。這說明為了更精確地預(yù)測填埋場污染物的運移，需要考慮熱擴散的作用。

圖2 溫度梯度對壓實黏土中污染物運移的影響

3 污染物擊穿防污屏障的超重力離心模型試驗

離心模型試驗是近幾十年發(fā)展起來的試驗手段，已成功應(yīng)用于巖土工程的多個領(lǐng)域，如浙江大學(xué)研制了ZJU400超重力離心機[22]。土工離心模擬利用離心機運行產(chǎn)生的較大加速度，可以在小比尺模型中模擬現(xiàn)場土體的應(yīng)力場，準(zhǔn)確控制水文地質(zhì)條件和邊界條件，縮短試驗時間，再現(xiàn)原型特性[23]。在離心機中進行幾個小時的試驗便可模擬現(xiàn)場幾年甚至幾十年的運移問題[23]。土工離心機在污染物運移方面應(yīng)用的可行性已經(jīng)被國內(nèi)外許多試驗所證明[24-29]。

污染物遷移過程復(fù)雜，包括物理、化學(xué)以及生物過程。從污染物遷移主要因素出發(fā)，著重考慮對流、彌散和吸附等物理過程，其控制方程如下：式中：v為滲瀝液的實際孔隙流速；Dh為水動力彌散系數(shù)。

對流作用的表征參數(shù)為流速，取決于滲瀝液水頭和滲透系數(shù)。彌散作用包括分子擴散和機械彌散，其表征參數(shù)Dh＝Dd＋Dm，其中Dd為分子擴散系數(shù)，Dm為機械彌散系數(shù)。吸附作用的表征參數(shù)為Rd，假定吸附為線性等溫吸附。通過相似理論分析，表1給出了影響污染物遷移模擬的8個無量綱參數(shù)。

表1 影響污染物遷移模擬的無量綱參數(shù)

結(jié)合表1給出的無量綱參數(shù)，文獻[23]通過理論分析認(rèn)為對流和分子擴散作用均能滿足相似條件；機械彌散則不相似，從模型映射到原型時，由于流速加倍，機械彌散作用偏大，能否采用Pe作為判別彌散相似的條件還需要進一步研究；吸附相似條件為吸附滿足線性等溫吸附，但滿足線性等溫吸附的條件仍不清楚。以下為筆者所在課題組試驗研究江蘇低滲透性高嶺土中機械彌散與吸附作用的離心機模擬相似性和離心模型長期污染物運移結(jié)果。

3. 1 機械彌散作用的離心機模擬相似性

圖3給出了高嶺土常重力土柱試驗和超重力離心機土柱試驗獲得的水動力彌散系數(shù)Dh與流速v的關(guān)系，其中示蹤離子為氯離子?？梢?，流速越大，對應(yīng)的Dh也越大。定義Pe＝vd/ Dd，則

圖3 水動力彌散系數(shù)與流速的關(guān)系

圖4給出了高嶺土的Dh/ Dd與Pe關(guān)系曲線，其中d＝0. 003 mm，τ＝0. 339，同時給出了前人粉土和粉砂的土柱試驗結(jié)果?？梢姰?dāng)Pe小于某一臨界值時，Dh/ Dd基本為常數(shù)，離心模型滿足機械彌散相似要求。對于粉土和粉砂，該臨界值約等于1。對于高嶺土，該臨界值為6. 05×10-4，相應(yīng)的模型最大容許流速v＝4. 09×10-7m/ s。根據(jù)最大容許流速及離心模型試驗水頭可確定臨界離心加速度。試驗時離心加速度小于該值，滲流速度對水動力彌散作用的影響可忽略。以2 m厚高嶺土襯墊為例，當(dāng)水頭差為10m時，對應(yīng)的臨界離心加速度為50g，此時獲得的擊穿時間與原型相比的誤差小于10%。因此在進行屏障擊穿時間離心模擬試驗時，可控制離心加速度小于臨界值，或利用圖4修正試驗評估擊穿時間。

圖4 Dh/ Dd與Pe的關(guān)系曲線

3. 2 吸附作用的離心機模擬相似性

圖5 阻滯因子隨流速的變化

圖5給出了土柱試驗獲得的重金屬離子阻滯因子隨流速的變化關(guān)系，可見溶液流速增大，吸附的阻滯因子變?。粚Σ煌耐梁筒煌闹亟饘匐x子，流速式中：τ為模型的彎曲因子；α為彌散度，α＝0. 000924 m。對阻滯因子的影響程度不同；超重力離心加速度增大了溶液的流速，使得土顆粒對重金屬的吸附能力變小。因此離心模型試驗和原型相比，吸附阻滯作用變小，獲得的襯墊擊穿時間偏小。在進行屏障擊穿時間離心模擬試驗時，可利用低流速的土柱試驗得到的阻滯因子對高流速的離心模型試驗結(jié)果進行修正。

3. 3 黏土屏障擊穿時間的離心模型試驗

詹良通等[30]開展了高水頭條件下氯離子擊穿低滲透性高嶺土襯墊的離心機模型試驗研究。原型土質(zhì)屏障厚2m，水頭差12m，離心加速度50g。離心模型采用高含水率的高嶺土泥漿固結(jié)制成，高度4 cm，模型水頭差24cm，示蹤離子為氯離子，離心試驗歷時3. 52h。屏障模型的運移參數(shù)如下：α＝0. 003 8 m，k＝3.2×10-9m/ s，Dd＝4×10-10m2/ s，Dh＝5.7×10-9m2/ s。試驗后，經(jīng)切片萃取分析獲得氯離子濃度隨深度的分布，結(jié)果表明離心模型試驗結(jié)果與理論模型擬合得較好（圖6）。當(dāng)擊穿濃度控制在4%的初始濃度時，黏土屏障的擊穿時間為1 a；當(dāng)擊穿濃度控制在10%的初始濃度時，屏障的擊穿時間為1. 97 a。若水頭差控制在0. 3 m，屏障擊穿時間增加到30. 5 a。這也說明了水頭對屏障服役壽命具有很大的影響。

圖6 氯離子濃度剖面及擊穿時間模擬

綜上所述，對流和分子擴散作用滿足離心模擬相似要求，離心機試驗可用于以對流作用或分子擴散作用為主導(dǎo)的污染物運移研究。流速增大會使機械彌散作用偏大，吸附作用偏小，離心試驗獲得的屏障擊穿時間偏小，用于設(shè)計偏安全，可通過1g常重力土柱試驗加以修正。

4 滲瀝液污染物在填埋場底土中的長期運移現(xiàn)場試驗

為了評價填埋場滲瀝液污染物的運移程度，筆者所在課題組對運行17a的安徽某填埋場進行現(xiàn)場調(diào)查，獲取了填埋場底部約9 m深的黏性土試樣[31]。通過室內(nèi)孔隙水萃取等試驗方法對分層土樣進行物理化學(xué)分析，獲得了土樣孔隙水中氯離子、鈉離子和COD等的濃度。研究發(fā)現(xiàn)氯離子運移最大深度達9 m；鈉離子和COD的運移深度在3～4 m之間，這是由于黏土層對它們的吸附作用[31]。利用成層污染物運移模型對該場地的污染物濃度剖面進行擬合，獲得了3種污染物在土層中的有效擴散系數(shù)和阻滯因子的取值范圍，并反演了該場地的水流速度和機械彌散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)僅考慮擴散時理論模擬的氯離子運移深度為3 m。因此，在填埋場8 m水頭作用下對流作用和機械彌散作用顯得更為重要。同時，假設(shè)存在一個有效接觸面，如該接觸面處于現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的接觸面以上1m時，理論分析結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果吻合。另外，該場地的黏性土對有機污染物具有較好的阻滯效果，COD的最佳擬合阻滯因子為5。

5 地下水污染控制的豎向屏障技術(shù)

豎向屏障技術(shù)主要分為豎向隔離墻和頂部加蓋技術(shù)等，豎向隔離墻技術(shù)主要用于阻滯污染場地污染物水平向運移擴散，是目前最為有效的限制污染物運移的技術(shù)。豎向隔離墻按其材料分為水泥系隔離墻膨潤土系隔離墻、活性反應(yīng)墻（permeable reactiv barriers，PRB）。

豎向隔離墻的設(shè)計需考慮寬度、深度、滲透系數(shù)、黏度、密度、化學(xué)相容性、破壞應(yīng)變以及無側(cè)限抗壓強度等多項設(shè)計指標(biāo)參數(shù)。不同國家對豎向隔離墻類型的側(cè)重也有所差別，英國等歐洲國家主要采用水泥膨潤土系豎向隔離墻，而美國主要采用土膨潤土系豎向隔離墻，我國目前多采用水泥系（塑混凝土或水泥土）注漿帷幕作為主要隔離墻形式以阻隔填埋場內(nèi)滲瀝液。我國膨潤土儲量占世界總量的60%，土膨潤土在我國具有良好應(yīng)用前景。常用豎向隔離墻優(yōu)缺點見表2[33]。

污染物運移通過豎向屏障，主要發(fā)生對流、分子擴散、機械彌散和吸附這4個作用。當(dāng)污染物運移使屏障外側(cè)達到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度閾值時，即認(rèn)為屏障被污染物擊穿。如果假定土體與污染物的吸附關(guān)系為線性吸附，則有

當(dāng)豎向屏障打入不透水層形成全封閉防污結(jié)構(gòu)時，污染物在屏障中的運移是一維問題，可求解式（15），獲得污染物濃度隨時間和墻厚的分布[39]圖7是防污屏障下游邊界濃度隨運移時間變化曲線，其中Ogata解[40]是半無限條件下式（15）的解析解，vanGenuchten解[41]是式（15）在有限土層厚度下的解析解，謝海建解[42]是式（15）在分段吸附模式下的解析解（此時L＝0. 6 m，h＝0 m，Dd＝3. 5× 10-10m2/ s，Rd＝10，Cm/ C0＝0. 1，n＝0. 6，其中h為水頭高度，Cm為臨界濃度，n為土層孔隙率）。可見邊界條件及吸附模式對擊穿時間影響很大，原因在于Ogata解的下邊界為污染物零濃度邊界（第一類邊界條件）[43]，而van Genuchten解的下邊界為污染物零濃度梯度邊界，導(dǎo)致污染物濃度累積，因而van Genuchten解得到的擊穿時間比Ogata解短；謝海建解考慮屏障材料對污染物有最大吸附值，達到最大吸附值后該位置處的屏障材料就不再吸附污染物了。因而謝海建解比線性吸附的Ogata解和van Genuchten解的運移速度快，擊穿時間短。

表2 常用豎向隔離墻優(yōu)缺點

圖7 運移時間與濃度關(guān)系

圖8給出了有限厚度條件下，擊穿時間隨墻兩側(cè)水頭差、屏障材料滲透系數(shù)、阻滯因子、水動力彌散系數(shù)的變化關(guān)系，其中，擊穿時間以10%的相對濃度定義?？梢?，滲透系數(shù)和阻滯因子是影響擊穿時間的關(guān)鍵因素；水動力彌散系數(shù)僅在滲透系數(shù)較大時才對擊穿時間有較大影響；水頭高度較小時，其變化對擊穿時間影響較大。因此要增加防污屏障的服役壽命，可以降低屏障材料滲透系數(shù)，增大屏障材料阻滯因子，同時采取降水措施降低屏障內(nèi)側(cè)水頭高度。

圖8 擊穿時間影響因素分析[44]

受水利工程防滲墻設(shè)計和施工影響，目前我國大多采用塑性混凝土作為豎向屏障墻體材料。塑性混凝土具有抗?jié)B性好、強度高、抗水力劈裂性能好的特點，但費用相對較高。也有采用水泥系攪拌樁墻、注漿帷幕作為豎向屏障，但由于成墻質(zhì)量難以控制，滲透系數(shù)大，難以滿足服役壽命要求[44]。土膨潤土系隔離墻由于防滲性能、化學(xué)相容性好及造價經(jīng)濟等，在國外使用普遍[43，45]。潘倩等[46]在研究土膨潤土工程特性及防污性能時，針對粉土膨潤土隔離墻材料，選取了不同的膨潤土配比（2%～6%）進行壓縮機滲透特性試驗。筆者研究了黃土改性土膨潤土對鉛的吸附特性，并考慮黃土添加量、鉛溶液初始濃度、初始pH 值以及土溶液作用時間對吸附的影響[47-48]。目前，浙江大學(xué)已在江蘇省靖江垃圾填埋場首次進行了土膨潤土的現(xiàn)場試驗，該技術(shù)在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語及研究展望

a.總結(jié)了基于擊穿時間的防污屏障評價方法，該方法綜合考慮了屏障材料特性（滲透、擴散、吸附和降解等）和其服役環(huán)境的污染負(fù)荷，包括污染物濃度、環(huán)境溫度和污染物濃度等。

b.綜述了污染物通過黏土屏障和復(fù)合屏障等不同屏障結(jié)構(gòu)運移的解析解，以期為不同環(huán)境條件下防污屏障服役壽命的評價提供可靠的方法。這些解析模型包括：考慮最大吸附量的污染物在黏土屏障擴散模型、考慮有機污染物降解的復(fù)合屏障污染物擴散模型和綜合考慮對流、擴散、吸附和降解的復(fù)合屏障污染物運移模型，能夠同時考慮污染物在土工膜缺陷的滲漏和污染物在完整膜的擴散。應(yīng)進一步研究多組分污染物如多種重金屬之間的競爭吸附、多種有機污染物之間的擴散和重金屬與有機污染物之間的復(fù)合污染對屏障服役性能的影響。

c.填埋場水頭、溫度、黏性土的滲透、吸附、降解特性對襯墊系統(tǒng)的防污性能具有重要的影響。高水頭作用下屏障的服役性能受對流作用影響較大，低水頭時污染物的吸附和降解作用影響更明顯。因此，通過建造全壽命服役的填埋場導(dǎo)排層以有效控制滲瀝液水頭至關(guān)重要；同時，增強襯墊層的吸附性能是提高屏障服役壽命的重要途徑。水頭控制結(jié)合吸附阻滯能力的增強是全壽命服役屏障技術(shù)的發(fā)展趨勢。

d.超重力離心模型試驗是評價屏障系統(tǒng)長期性能的一個開創(chuàng)性的工具，離心機內(nèi)幾小時的試驗時間能模擬現(xiàn)場幾年甚至幾十年的運移過程，該方法能較為有效地模擬水頭差產(chǎn)生的對流作用和濃度梯度產(chǎn)生的擴散作用；但污染物在黏土中吸附和機械彌散作用的相似性問題需要進一步研究。另外，填埋場復(fù)合屏障長期性能的超重力離心試驗需要進一步開展，合理選擇相似性材料是目前研究的熱點和難點。

e.總結(jié)發(fā)現(xiàn)通過添加黃土能有效改善屏障材料的吸附性能，其原因是黃土獨特的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分能有效吸附重金屬污染物，從而提高其擊穿時間和服役壽命。建議下一步研究以黃土作為屏障材料研究黃土膨潤土等復(fù)合材料的長期性能，以推廣到實際工程。

f.防污屏障的服役環(huán)境十分復(fù)雜，除了水力、化學(xué)場和溫度場外，還受到填埋體產(chǎn)生的高應(yīng)力場的影響（如不均勻沉降導(dǎo)致的屏障開裂和斜坡土工膜拉裂等問題），下一步應(yīng)綜合考慮防污屏障的力學(xué)性能和防污性能，提出基于性能的防污屏障設(shè)計和施工方法。

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?簡訊?

祝賀本刊編委陳云敏教授當(dāng)選中國科學(xué)院院士

2015年12月7日，中國科學(xué)院院士增選結(jié)果公布。本刊編委陳云敏教授榮登喜榜，當(dāng)選為中國科學(xué)院技術(shù)科學(xué)部院士。陳云敏院士曾獲國家杰出青年科學(xué)基金，入選教育部長江學(xué)者特聘教授，為973計劃項目首席科學(xué)家?，F(xiàn)任浙江大學(xué)巖土工程研究所所長，軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室主任，浙江大學(xué)工學(xué)部主任。作為土力學(xué)與巖土工程專家，長期從事軟弱土靜動力固結(jié)、降解固結(jié)理論和災(zāi)害防控技術(shù)的研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文341篇，其中SCI收錄論文99篇、美國土木工程師協(xié)會（ASCE）會刊論文18篇；獲授權(quán)國家發(fā)明專利25項；主編國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ176—2012）。研究成果獲國家科技進步二等獎3項、省部級科技進步一等獎5項。作為《水利水電科技進展》編委，在期刊稿件學(xué)術(shù)質(zhì)量把關(guān)與期刊學(xué)術(shù)水平提升等方面亦作出了重要貢獻。（本刊編輯部供稿）

Review on penetration of barriers by contaminants and technologies for groundwater and soil contamination control/ /

CHEN Yunmin，XIE Haijian，ZHANG Chunhua（College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Abstract：Barrier systems are the most important structures for landfills in terms of groundwater pollution control. Analytical solutions to one-dimensional models of transport of heavy metals and organic contaminants in clay barriers and composite barriers were summarized in order to evaluate the service life of the barrier systems. The analytical solutions include the solution to a one-dimensional model of diffusion of contaminants in clay barriers under piecewise linear adsorption conditions，the solution to a one-dimensional model of transport of contaminants in composite barriers with geomembrane defects，and the solution to a coupled model of transport of pollutants in clay barriers under thermal effects. The reliability of high-gravity centrifuge tests of long-term transport of contaminants through barriers was assessed. Field investigation was carried out in a 17-year old landfill in Anhui Province. The results showed that the maximum migration depth of chloride ion reached 9 m，and the maximum migration depth of sodium ions and COD reached 3 to 4 m. The technologies of vertical barriers for control of groundwater and soil contamination were summarized and assessed. It was found that the application of soil-bentonite cutoff walls in China generates prosperity，and further research areas were discussed.

Key words：leachate；barrier；centrifuge modeling tests；contaminant transport；analytical solution；service life

收稿日期：（2015 08 31 編輯：駱超）

通信作者：謝海建（1981—），男，副教授，博士，主要從事環(huán)境土力學(xué)研究。E-mail：xiehaijian@ zju. edu. cn

作者簡介：陳云敏（1962—），男，中國科學(xué)院院士，教授，博士，主要從事環(huán)境巖土工程研究。E-mail：chenyunmin@ zju. edu. cn

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2012CB719806）；國家自然科學(xué)基金（51478427）；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃（2015C31005）

中圖分類號：X506

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006 7647（2016）01 0001 10