污染物在二层非饱和土中运移过程综合分析

张金利， 杨 庆， 李志刚， 王丽燕

（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024；2.大连理工大学土木工程学院岩土工程研究所，辽宁大连 116024；3.大连水泥集团有限公司，辽宁大连 116033；4.大连大学信息工程学院，辽宁大连 116622）

0 引 言

研究与分析垃圾填埋场污染物运移问题，一般假设防渗衬里及其下卧土层处于饱和.对气候条件属于干旱与半干旱地区，地下水埋藏较深，在地表与地下水位间存在一定厚度的非饱和土层，因此，基于上述假设所进行的污染物运移分析，高估了污染物运移能力.考虑到垃圾填埋场使用年限相对于垃圾生物降解所需时间较短的实际，一般对封闭填埋场中的污染物运移进行分析.处于干旱与半干旱地区封闭后的填埋场，可忽略降雨入渗对垃圾含水量的影响.因此，垃圾含水量仅与初始填埋时的含水量有关.采用压实黏土衬里进行防渗的填埋场（实际上，复合防渗结构也包含有一层压实黏土层，本文仅考虑单一压实黏土衬里），黏土衬里处于非饱和土层与垃圾堆体间，在垃圾自重作用下，发生固结排水，由此可推断，黏土衬里长期处于非饱和状态.由此可见，填埋场污染物将通过非饱和黏土衬里、非饱和下卧土层，最后进入含水层.一般认为，污染物在非饱和土层中的运移机制包括对流、弥散及地球化学反应，由此建立的污染物运移控制方程因包含有非饱和渗流，为非线性方程，其中参数确定较复杂.大量研究表明，黏土矿物可吸附污染物，相应的吸附参数可采用间歇试验或土柱试验确定.然而，非饱和黏土矿物对污染物的吸附参数无法采用常规试验确定，一般假设非饱和土对污染物的吸附与饱和土相同.

本文假设填埋场下部包含有非饱和压实黏土衬里（CCL，compacted clay liner）、下卧土层、含水层三层结构体系，在稳态渗流条件下，基于污染物在非饱和土中的运移机制，建立污染物在包含有两层非饱和土层与含水层的三层结构体系中的一维运移计算模型.在计算模型中分别考虑CCL与非饱和土层的非线性吸附特性、生物降解特性、非饱和特性等因素.以所建立的一维计算模型，对某一假想填埋场污染物运移问题进行具体计算与分析，通过变动参数分析，探讨各种因素对污染物运移过程的影响.

1 非饱和土渗流

基本假设：（1）填埋场下部具有层状土层，分别为非饱和CCL、非饱和下卧土层、含水层等，如图1所示；（2）各土层均为均质、各向同性.采用Richards方程描述非饱和渗流，对于一维非稳态问题可表示为

图1 填埋场下部结构示意图

Fig.1 Schematic cross section of soil layers beneath landfill

非饱和土的渗透系数可表示为

当渗流达到稳态时，式（1）可简化为

分别将式（2）、（3）代入式（4），可得到

式（5）为常微分方程，其通解为

假设CCL和下卧土层的体积含水率均服从上述方程，并分别以下标1、2表示，则体积含水率可表示为

式中：c1、c2、c3、c4为待定常数；α1、α2为CCL和下卧土层参数，可由试验确定.

为确定式（7）中的待定常数，需要给出相应的边界条件.当给定CCL的顶部含水率θ1t，下卧土层的底部含水率为θ2b.CCL与下卧土层在z＝h1处接触，在接触面上需要满足流量与吸力连续条件，可表示为

将式（8）代入式（7）中，可确定待定参数c1、c2、c3、c4为

式中H可用隐函数表示为

由此可得到两层土在稳态渗流条件下的含水率在空间上的分布函数.

当采用图1所示的坐标系时，Darcy速度可表示为

将式（7a）、（7b）代入式（10），可得到

2 污染物运移控制方程

污染物在非饱和土中运移机理为对流、弥散和地球化学反应.假设非饱和土层中的渗流为稳态条件，依据质量守恒可得到污染物在非饱和土中运移的控制方程：

式中：ci为污染物浓度；ρi为土的密度；Si为土颗粒吸附污染物的浓度；B（c）为生物降解反应函数；i＝1，2，分别表示CCL和下卧土层.

土颗粒对污染物的吸附特性可分为线性与非线性［1～9］，当采用Langmuir等温吸附线方程表示非线性吸附时，可表示为

污染物运移过程中可发生生物降解反应，并假设反应为一级时，可表示为

式中：k1、k2、λ分别为吸附强度、吸附能力、降解参数.

联立式（12）～（14）可建立污染物在包含有多层非饱和土结构体系中运移的控制方程.在控制方程中分别考虑土颗粒的不同吸附特性及污染物运移过程中的生物降解特性.

为求解上述控制方程，需要依据特定问题给出相应的初边值条件及层间连续条件.

填埋后的垃圾，在一定条件下，可发生生物降解反应而生成各种污染成分，垃圾填埋场相当于一个生化反应器.考虑到CCL与渗滤液直接接触，该面（图1所示坐标，z＝0）为污染物入口边界，为应用所建立的多层体系模型，在该面上，需给出边界条件与初始条件.由于该面上的污染物分布与填埋场垃圾生物降解有关，且随时间变化，而且由于垃圾成分复杂，生物降解生成污染物的种类、数量等受多种因素控制，准确预测渗滤液中某种污染物浓度变化较为困难.试验研究表明，渗滤液中某种污染物的浓度变化基本符合随时间的指数衰减规律［10～13］，在z＝0处的边界条件可表示为

式中：c0、k、m为垃圾降解参数，由试验确定.

假设所分析的填埋场在计算时刻尚未对环境产生污染，同时不考虑污染物的环境背景值，初始条件可表示为

CCL与下卧土层交接面（z＝h1）为层间接触面，该面需保证流量与污染物质量通量连续条件，可表示为

对于所建立的污染物一维运移计算模型，需要给出相应的底部边界条件.这里将含水层作为一个边界条件给出，上述处理方法，实际上隐含含水层底部为隔水边界.采用这种方法处理，高估污染物对含水层的影响，计算结果偏于安全.设含水层厚度与孔隙率分别为ha与na，含水层中污染物浓度为ca.由下卧土层进入含水层的污染物质量通量为fin，填埋场平均长度与宽度分别为L和W.在含水层仅考虑污染物的对流传质，忽略其他机制的影响，在含水层应用质量守恒定律可得到

3 计算结果与讨论

应用所建立的计算模型，对某一假想填埋场进行具体计算.假设填埋场长度为200 m，垃圾降解参数分别为c0＝1.342 886 97，k＝0.999 86，m＝50.填埋场底部为CCL、下卧土层、含水层三层结构，其厚度分别为h1＝2 m，h2＝8 m，ha＝1 m.含水层地下水渗流速度va＝10 m／a.所给出的计算结果为污染物运移时程曲线，并以相对浓度给出，以c、ct、ca表示.

3.1 生物降解影响分析

在考虑CCL与下卧土层具有非线性吸附与非饱和特性下，分以下3种情况进行具体计算.（1）考虑污染物在运移过程中存在生物降解反应，相应降解参数分别取λ1＝0.5，λ2＝0.5；（2）不考虑污染物运移过程中的生物降解反应，即λ1＝0，λ2＝0；（3）仅考虑污染物在CCL运移的生物降解反应，即λ1＝0.5，λ2＝0.计算结果如图2所示.

图2 生物降解对污染物运移影响Fig.2 Effect of bio－degradation on contaminant migration

由图可见，当同时考虑污染物在CCL与下卧土层运移过程中存在生物降解反应时，因土颗粒吸附一定数量的污染物，同时因生物降解而消耗一定数量污染物，使得液相中的污染物浓度下降，因而表现为污染物穿透CCL的能力显著下降.在污染物运移中，考虑生物降解仅存在于CCL中，忽略下卧土层的生物降解反应，污染物穿透能力反而增强，表明吸附与生物降解降低液相污染物浓度，导致液相污染物浓度梯度增加，因此，弥散传质能力增强.弥散传质的一个显著特点为污染物穿透能力较强，即穿透曲线峰值前移，曲线尖锐，所给出的计算结果符合上述特征.当仅考虑下卧土层的生物降解特性时，生物降解反应不仅可显著降低污染物在下卧土层与含水层中的浓度，而且可降低CCL中的污染物浓度，表明下卧土层的生物降解特性对污染物在三层体系中运移起控制作用.由图可见，在具有CCL、下卧土层及含水层三层结构体系中，且CCL与下卧土层处于非饱和状态下，当同时考虑吸附与生物降解两种效应时，污染物经CCL与下卧土层而进入含水层中的能力显著下降，表明3种效应的共同作用，可有效控制填埋场污染物对地下水的影响.

3.2 生物降解与吸附影响分析

在CCL与下卧土层处于非饱和状态下，针对以下情况进行对比分析.情况1：不考虑CCL与下卧土层的生物降解与吸附特性；情况2：不考虑CCL与下卧土层的生物降解特性，仅考虑CCL吸附特性；情况3：考虑CCL与下卧土层的吸附特性，不考虑两层土的生物降解特性；情况4：考虑CCL与下卧土层的吸附特性与生物降解特性.对以上4种情况进行具体计算，计算结果见图3.

对比分析情况1与情况4，由图可见，当不考虑吸附与生物降解时，穿透曲线可在较短时间内达到峰值，穿透曲线尖锐，污染物的穿透能力较强.若在污染物运移过程中，同时考虑吸附与生物降解效应，在两种机制的共同作用下，穿透曲线变得较为平缓，达到峰值所需时间较长，峰值较小，污染物的穿透能力显著下降.两种情况的穿透曲线峰值之比为8，相差较大，由此表明，吸附与生物降解为污染物在多层非饱和土层中运移的控制因素.对比情况1与情况2，CCL吸附所产生的迟滞效应与降低污染物浓度的能力较强，因此，CCL的吸附效应为控制污染物运移的重要因素.情况1、3、4穿透曲线峰值依次为0.8、0.4、0.1，吸附与生物降解可降低峰值0.7，吸附可降低峰值0.4，生物降解可降低峰值0.3，可见吸附与生物降解效应在污染物运移过程中所发挥的作用接近，相对而言，吸附降低污染物浓度的能力略大.需要指出，CCL的工程特性及理化特性可人为控制，特别是吸附特性可通过改良黏土而达到.由本文的数值算例可知，在包含有两层非饱和土的三层结构体系中，吸附与生物降解可显著降低污染物浓度，为污染物运移过程中的重要控制因素，而吸附的作用较生物降解更为明显.

图3 生物降解与吸附对污染物运移的影响Fig.3 Effect of both sorption and bio－degradation on contaminant migration

3.3 饱和度、吸附特性、生物降解影响分析

研究表明［14～17］，在多层结构体系中，非饱和土的饱和度对污染物运移过程具有显著影响.前两节已分别探讨了生物降解与吸附对污染物运移过程的影响.为进一步比较非饱和土饱和度、吸附特性、生物降解三者对污染物运移的影响，在此将三者进行不同组合，分以下几种情况进行分析.情况1′：取CCL顶部含水率θ1t＝0.3，下卧土层底部含水率θ2b＝0.3，不考虑CCL与下卧土层的吸附与生物降解特性；情况2′：取θ1t＝0.2，θ2b＝0.2，不考虑CCL与下卧土层的吸附与生物降解特性；情况3′：取θ1t＝0.3，θ2b＝0.3，考虑CCL与下卧土层的生物降解特性，取λ1＝λ2＝0.05，考虑CCL的非线性吸附特性（k11＝0.5，k12＝1.0），不考虑下卧土层的吸附特性；情况4′：取θ1t＝0.2，θ2b＝0.2，考虑CCL与下卧土层的生物降解特性，取λ1＝λ2＝0.05，考虑CCL的非线性吸附特性（k11＝0.5，k12＝10.0），不考虑下卧土层的吸附特性.针对以上4种情况进行具体计算，计算结果如图4所示.

图4 饱和度、生物降解与吸附对污染物运移的影响Fig.4 Effect of degree of saturation，bio－degradation and sorption on contaminant migration

对于处于非饱和状态下的CCL与下卧土层，当同时降低CCL与下卧土层的含水率时，非饱和土含水率变化对污染物在多层结构体系中的运移影响不大，其主要原因在于，在计算参数选取时，考虑CCL含水率在最优含水率附近变动，因此，CCL含水率已接近饱和状态.对比情况2′与4′发现，吸附与生物降解可显著影响污染物在多层体系中的运移.当同时考虑非饱和土的饱和度、吸附与生物降解特性时，污染物穿透能力显著降低，表明吸附与生物降解为污染物在多层结构体系中运移的控制因素.

4 结 论

（1）在包含有非饱和土的多层体系中，当下卧土层较厚时，在吸附与生物降解共同作用下，污染物对含水层影响较小，有利于控制填埋场污染物对地下水的影响.

（2）污染物在非饱和CCL与下卧土层运移过程中的生物降解反应，可有效降低污染物的穿透能力，特别是CCL的吸附与生物降解特性对于控制污染物运移具有显著作用.

（3）在包含有非饱和CCL与下卧土层的多层体系，当体积含水率接近最优含水率时，非饱和土体积含水率变化对污染物运移影响较小.

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