地表水入渗对垃圾填埋场水质水量影响的数值模拟分析

第31卷第7期岩土力学Vol.31No.72010年7月RockandSoilMechanicsJul.2010收稿日期：2009-11-27基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.50874102,No.50927904）；国家十一五科技支撑项目（No.2006bac06b02）；湖北省重大科技开发项目（No.2008AC008）；湖北省自然科学基金计划青年杰出人才项目（No.2007ABB039）；武汉市科技攻关计划项目（No.200860423196）。第一作者简介：赵颖，女，1981年生，博士，助理研究员，主要从事环境岩土工程数值模拟方面的工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2010)07－2295－08地表水入渗对垃圾填埋场水质水量影响的数值模拟分析赵颖1,2，梁冰2，薛强1，刘磊1,2（1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新123000）摘要：将填埋垃圾视作一种特殊土体，建立了综合描述垃圾填埋场内渗滤液水分的饱和-非饱和渗流、垃圾土体沉降变形、有机污染物的释放、迁移、转化，以及微生物的生长、衰减等物理化学过程的多场耦合仿真分析模型，将任意的Lagrangian-Eulerian（ALE）方法引入到模型求解中，基于自行开发的仿真分析程序，开展了地表水入渗对垃圾填埋场水质、水量影响的数值仿真分析研究。模拟结果表明：300d的非饱和水分入渗及内源水产生可使填埋单元内渗滤液饱和液面最高达6m；地表水入渗对水相可溶性可降解有机物浓度和厌氧微生物浓度具有显著的影响，并间接地影响固相可溶性可降解有机物和微生物的浓度分布。关键词：地表水入渗；填埋场渗滤液；有机污染物；多场耦合模型；数值仿真分析中图分类号：TP391.9文献标识码：ANumericalsimulationanalysisofeffectofsurfacewaterinfiltrationonwaterqualityandquantityinlandfillsZHAOYing1,2,LIANGBing2,XUEQiang1,LIULei1,2（1.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,China;2.DepartmentofMechanicsandEngineeringSciences,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning123000,China）Abstract:Regardingthefilledgarbageasakindofspecialsoil,themulti-fieldcoupledsimulationanalysismodelwhichcomprehensivelydescribessaturatedandunsaturatedseepageofleachatewater,landfillsettlement,releasing,transportandtransformationoforganicpollutions,andgrowthanddecayofmicroorganisminlandfillwasdeveloped.TheLagrangian-Eulerian(ALE)methodwasintrouduedtosolvethecoupledmodel.Andbasedontheself-developedprogram,thenumericalsimulationanalysisoftheeffectofsurfacewaterinfiltrationonwaterqualityandquantityinlandfillwascarriedout.Thenumericalsimulationresultsshowedthat300-dayinfiltrationofsurfacewaterandthegenerationofinnersourcewatercouldmakethesaturatedlevelofthislandfillunitreached6mheightmostly;theinfiltrationofsurfacewaterhadsignificanteffectonthedistributionofsolubleanddegradableorganicpollutantsandanaerobicmicroorganisminaqueousphase,andindirectlyaffectedtheonesinsolidphase.Keywords:surfacewaterinfiltration;landfillleachate;organicpollutions;multi-fieldcoupledmodel;numericalsimulationanalysis1引言施工或后期管理的疏忽往往会造成垃圾填埋场覆盖系统的缺陷或破坏，因此，雨季来临时，降雨造成的地表水入渗则成为填埋场渗滤液的主要来源。地表水入渗不但增加了场内渗滤液产量，给渗滤液处理带来困难，同时也会影响污染物以及微生物的分布规律，从而影响垃圾的稳定化过程。工程实际表明，地表水入渗是影响填埋场渗滤液水质、水量的关键因素之一[1－2]。因此，开展地表水入渗对填埋场渗滤液水质、水量分布规律影响的数值仿真模拟分析，对于垃圾渗滤液处理工艺和防渗体系的合理选择以及水资源系统渗滤液污染的控制、修复和评价具有重要的理论意义和现实意义。地表水入渗过程中填埋场渗滤液水分和污染物的产生和迁移转化过程实际上是一个多场耦合过岩土力学2010年程，该过程包括垃圾土体的沉降变形、有机质的水解、好氧和厌氧降解、微生物的生长和衰减，以及溶解氧的消耗等。由于问题的复杂性以及涉及到多学科交叉研究，目前该方面的研究相对薄弱。为此，本文将填埋垃圾视作一种特殊土体，建立了多场耦合作用下垃圾填埋场渗滤液有机污染物迁移、转化的动力学模型，开展了地表水入渗对垃圾渗滤液水质、水量影响的数值仿真分析，为渗滤液污染控制与预防提供了有效的预测与分析工具。2仿真数学模型的建立2.1固相质量守恒及沉降变形过程数学模型由质量守恒原理可知，固相连续性方程为ssss(1)(1)iivQtx（1）式中：为垃圾土孔隙率；s为垃圾土颗粒密度；siv为固体骨架i方向的运动速度；sQ为源汇项。本文采用Merchant模型计算垃圾土的沉降变形[3]。该模型由一个Hooke弹性体和Kelvin单元体串联组成。Kelvin单元体由一个Hooke弹性体和一个Newton黏滞体并联组成。在考虑孔隙水压影响的情况下，该模型用位移表示的应力平衡方程为m,,w,11302iijjiiKuSpfAA（2）其中：110111122GtKAeGG（3）式中：K为垃圾土体积模量；m为平均应变；u为位移；wS为饱和度；p为孔隙水压；f为体积力；0G和1G分别为弹簧和Kelvin模型的剪切模量；1K为黏滞系数。因此，固相运动速度定义为：siiuvt（4）2.2渗滤液水分运移数学模型考虑垃圾土沉降变形情况下渗滤液水分运移方程为sr3rW()()()iijiijivhhChkkhkkhQtxxx（5）式中：()Ch为比水容量；h为压力水头；ijk为饱和水力传导系数张量；r()kh相对渗透率；为含水率；wv为水相的绝对运动速度；WQ为源汇项。采用VanGenuchten模型描述水分特征曲线[4]：rsr()1mnhah（6）式中：r为残余含水率；s为饱和含水率；a、n、11/mn均为由试验测定的经验常数，则有：11sr()()1mnnChamnahahh（7）1/21/2ree()[1(1)]mmkhSS（8）式中：eS为有效饱和度，忽略水分滞留时，由下式表示：resrS（9）饱和水力传导系数采用如下方程进行计算[5]：11/(1)ee0BBijijkAAijkij（10）2.3污染物及微生物迁移转化过程数学模型填埋场有机物降解分为好氧和厌氧两类，其中好氧降解主要发生在填埋初期，按照有机物的化学反应顺序，其过程可以划分为两个阶段，即大分子不溶性有机物水解成小分子溶解性有机物阶段和溶解性底物分解为水和二氧化碳等最终产物阶段。在填埋场中这两个过程同时进行。氧气消耗殆尽后，有机物降解进入厌氧降解阶段。在厌氧降解阶段，大分子不溶性有机物经过水解作用分解为小分子可溶性有机物，并在各种厌氧菌的作用下经过酸化等过程最终分解为甲烷等最终产物[1]。因此，根据上述阶段的划分，本文将有机物降解过程概括为图1。图1填埋场有机垃圾降解过程Fig.1Thedegradationprocessoforganicmatterinlandfill固相不溶性可降解有机物（大分子)固相可溶性可降解有机物（小分子)固相可溶性不可降解有机物固相不溶性不可降解有机物水相可溶性可降解有机物溶解水解（稳定)（稳定)水相可溶性不可降解有机物溶解好氧降解厌氧降解H2O、CO2等最终产物甲烷等最终产物吸附解吸2296第7期赵颖等：地表水入渗对垃圾填埋场水质水量影响的数值模拟分析2.3.1固相有机污染物迁移转化动力学方程固相不溶性可降解有机物浓度控制方程为ssssSiH(1)(1)(1)iiiiiSvSKStx（11）式中：iS为固相不溶性可降解有机物浓度；SiHK为固相不溶性有机物的水解常数。该方程采用一阶动力学反应模型描述大分子有机物的水解作用。固相可溶性可降解有机物的控制方程为dsdsssSdHSiHdccsSdSmaxd0dsmaxSdDdSm/SdSdD(1)(1)(1)(1)()1(1)iiimmSvSYKStxSKCCSSSYKS（12）式中：dS和d0S分别为t时刻和初始时刻固相可溶性可降解有机物浓度；cC和cmaxC分别为水相可溶性可降解有机物浓度和最大浓度；mS为固相垃圾骨架中微生物浓度；SdHY为可溶性可降解有机物产率系数；SdSK为溶出速率；m为溶出系数；Sm/SdY为固相骨架垃圾中可溶性可降解垃圾降解的细胞得率系数；maxSdD为固相骨架垃圾中微生物的最大比生长速率；SdDK为半饱和常数。该方程考虑了不溶性有机物水解所造成的可溶性有机物质量增加、可溶性有机物溶解以及可降解有机物的生物降解作用。固相微生物浓度控制方程为sssdsmaxSdDdSdDsSmE(1)(1)(1)(1)mmiimmSvStxSSKSKS（13）式中：SmEK为微生物细胞衰竭系数。该方程考虑了微生物的生长和衰竭。吸附相中可溶性可降解有机物浓度控制方程为ssssscssmcd(1)(1)(1)iiSSvStxCSSCK（14）式中：sS为固相可溶性可降解有机物的吸附浓度；cC为水相中可溶性可降解有机物的浓度；dK为有机物吸附速率常数；动力吸附率常数。2.3.2渗滤液中有机污染物迁移转化动力学方程水相可溶性可降解有机物浓度控制方程为wcccsdccSdSmaxmaxCcOdCmo/Cc0coocoCma/CcCcOCoOcoamaxCcAcoCcACoAcsssmc(1)1()11(1)iijijimmmvCCCDtxxxSKCCYSCCCYKCKCCCCKCKCCSSCK