垃圾填埋場騰發(fā)覆蓋研究進展

張 平，吳 昊

（沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110044）

隨著城市規(guī)模逐漸擴大，垃圾數(shù)量也急劇增加，引起的污染問題日益突出，特別是對地下水和土壤污染十分嚴重，對垃圾填埋場的控制和治理工作日益緊迫起來.由于受傳統(tǒng)處理方法和經(jīng)濟水平等因素的制約，我國的生活垃圾主要是利用城市周邊地區(qū)的一些溝谷、凹地等進行簡單填埋處理.今后一段時期內(nèi)部分垃圾填埋場將面臨封場，封場后將會面臨對周邊地區(qū)的土壤、水體和大氣造成長期污染及填埋氣體發(fā)生火災(zāi)和爆炸的危險，必須做好安全處理.

覆蓋系統(tǒng)是垃圾填埋場的一個關(guān)鍵組成部分，覆蓋系統(tǒng)要求最大程度地降低降水入滲量，防止垃圾滲瀝液對周圍土壤和地下水的污染.綜觀國內(nèi)外垃圾填埋場處理工程，實踐證明傳統(tǒng)的屏障式覆蓋系統(tǒng)工作一段時間后，由于各種原因都會產(chǎn)生不同程度的滲漏問題.我國一些城市垃圾衛(wèi)生填埋多采用黏土層覆蓋以減少降水入滲和防止污染液滲漏，一般壓實黏土的滲透系數(shù)大于10－7cm／s，達不到衛(wèi)生填埋的要求；有些填埋場采用土工膜防滲，一般土工膜接縫質(zhì)量較差，垃圾不均勻沉降會引起土工膜破損或架空，造成覆蓋層滲漏，并且破損的土工膜阻礙了垃圾水分蒸發(fā)和滲瀝液的耗散；壓實黏土與土工膜相結(jié)合的屏障層防滲效果稍好，但工程造價高.

目前國外最新的垃圾填埋場滲瀝液控制理念是通過覆蓋層土壤蒸發(fā)和植物蒸騰來調(diào)節(jié)降水入滲，最大限度地降低滲瀝液排放量，達到控制污染的效果.20世紀末期美國研發(fā)出屏障型覆蓋的替代形式——騰發(fā)覆蓋（evapo－transpiration cover，即ET Cover）.騰發(fā)覆蓋系統(tǒng)是通過二個自然過程控制滲瀝液污染，即利用覆蓋土壤層滯蓄降水入滲，通過植物的蒸騰和土壤的蒸發(fā)（合稱騰發(fā)）消耗滯蓄在土壤層中的水分.采用騰發(fā)覆蓋系統(tǒng)不僅綠化周圍環(huán)境和防止雨水沖蝕覆蓋層，而且比傳統(tǒng)覆蓋方法控制滲濾液效果好.騰發(fā)覆蓋只是采用單一土層滯蓄降雨入滲維持植物生長，無需水力屏障層，因此使得覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對覆蓋土質(zhì)要求也較低，可就地取材，降低了工程費用，而且還具有工作時間長和抗干燥開裂等優(yōu)點，該系統(tǒng)特別適用簡易垃圾填埋場的封場治理.對目前還沒有采取覆蓋措施或者屏障層已失效的簡易垃圾填埋場和垃圾堆放場進行整治，只需在垃圾場屏障層上覆蓋合適厚度的當(dāng)?shù)赝寥溃N植適宜當(dāng)?shù)貧夂驐l件生長的植物，就能以低廉的費用達到有效控制污染的目的，投資少，處理效果好.

1 國外研究現(xiàn)狀

長期以來，傳統(tǒng)的屏障式覆蓋系統(tǒng)是垃圾填埋場所采用的主要防滲措施.美國《資源保護和恢復(fù)法案》規(guī)定了干旱地區(qū)的城市固體垃圾場的覆蓋結(jié)構(gòu)是由墊層、屏障層、植草土層組成.其中屏障層可以是壓實黏土、土工膜、人工合成黏土，或者是這些材料的組合.人們在垃圾填埋場覆蓋層上種草植樹最初目的是防止雨水沖刷覆蓋層土壤和改善生態(tài) 環(huán)境.Nyhan等［1］、Sala 等［2］研 究 發(fā)現(xiàn)有植草的填埋場蒸騰耗水強度遠大于裸土的蒸發(fā)強度.Hauser等［3］、Waugh等［4］為探究影響植物蒸騰的因素和騰發(fā)覆蓋技術(shù)的可行性，深入開展了這項研究工作.為了推廣和完善ET 覆蓋技術(shù)，美國環(huán)保署在1997 年主辦了垃圾填埋場整治技術(shù)發(fā)展論壇，大力資助騰發(fā)覆蓋技術(shù)的試點研究工作.美國州際技術(shù)與規(guī)章協(xié)會于2001年制定了應(yīng)用騰發(fā)覆蓋技術(shù)進行填埋場整治的實施導(dǎo)則.近年來在美國國家科學(xué)基金會、能源部、環(huán)保署及民間人士的支持下，騰發(fā)覆蓋技術(shù)的研究與應(yīng)用有了更加深入的發(fā)展.Scanion 等［5］通過試驗研究德克薩斯州垃圾填埋場應(yīng)用ET 覆蓋技術(shù)，得出植物的覆蓋層在水量平衡中起關(guān)鍵作用，隨著植物覆蓋比例的增加覆蓋層土壤含水量迅速減小的結(jié)論.Dwyer［6］在美國新墨西哥州進行了ET 覆蓋系統(tǒng)的試驗，得出ET 覆蓋系統(tǒng)在干旱、半干旱地區(qū)能夠蒸騰耗散降雨入滲量的99%.Albright等［7］通過調(diào)查美國加利福尼亞州、內(nèi)布拉斯加州、俄勒岡州等多個采用ET 覆蓋系統(tǒng)的垃圾填埋場，發(fā)現(xiàn)ET 覆蓋系統(tǒng)能夠有效地控制降雨入滲，在降雨量為120～435mm的干旱、半干旱地區(qū)，多年平均降雨入滲量僅為1.5mm／a，并進一步研究了ET 覆蓋系統(tǒng)在濕潤地區(qū)應(yīng)用的可能性.Wayllace［8］應(yīng)用數(shù)值分析方法探討“人造土”作為ET 覆蓋系統(tǒng)覆蓋土的可行性.Malusis等［9］使用蒸滲儀監(jiān)測騰發(fā)覆蓋的耗水效果.Dwyer等［10］通過試驗探討ET 覆蓋系統(tǒng)的有效結(jié)構(gòu)模型.Zornberg 等［11］采用一維飽和、非飽和土壤水運動理論模擬垃圾填埋場騰發(fā)覆蓋的水的運動規(guī)律，優(yōu)化騰發(fā)覆蓋層結(jié)構(gòu).

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

21世紀以來，我國科技工作者也逐漸認識到騰發(fā)覆蓋技術(shù)的優(yōu)越性，但目前我國的技術(shù)還處于實驗?zāi)M階段，沒有應(yīng)用于工程實踐.張文賢等［12］從騰發(fā)覆蓋入滲、蒸散發(fā)生機理、水量平衡模型、數(shù)值模型等方面對ET 覆蓋技術(shù)進行系統(tǒng)總結(jié)，并提出了今后研究方向.王康等［13－14］通過試驗研究了ET 覆蓋系統(tǒng)覆蓋層水動態(tài)模擬方法，探討了ET 覆蓋系統(tǒng)入滲控制效果，得出無植物覆蓋入滲水量是有植物覆蓋入滲水量的2.1倍，植物更有效地調(diào)節(jié)覆蓋層水分，在覆蓋層水均衡動態(tài)中起重要作用.張文杰［15］從ET 覆蓋系統(tǒng)的入滲機理出發(fā)，依據(jù)Penman 理論計算潛在騰發(fā)量，通過分析計算地表蒸發(fā)量和徑流量、植被蒸騰量，求得凈入滲量，并以凈入滲量為邊界條件，建立ET 覆蓋系統(tǒng)的非飽和滲流計算模型，分析ET 覆蓋系統(tǒng)的水分運移規(guī)律，得出騰發(fā)的關(guān)鍵部位在植被根系發(fā)育區(qū).陸海軍等［16］通過分析研究傳統(tǒng)屏障型覆蓋與騰發(fā)覆蓋兩種系統(tǒng)工作機理，得出ET 覆蓋系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)屏障型覆蓋系統(tǒng).屏障型覆蓋系統(tǒng)不能有效地補充水分，水分的補給受邊界的降水和蒸發(fā)影響較小，特別是壓實黏土層與垃圾層之間的溫差會造成覆蓋層水分流失而導(dǎo)致覆蓋層開裂.而ET 覆蓋系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)覆蓋系統(tǒng)的不足，距補給邊界越近，降水、蒸發(fā)對覆蓋層含水率的影響越明顯，且隨著深度的增加出現(xiàn)明顯的峰值滯后現(xiàn)象，該研究成果為干旱、半干旱地區(qū)應(yīng)用ET 覆蓋系統(tǒng)提供了理論依據(jù).張文杰等［17］對ET 覆蓋系統(tǒng)又進行了深入研究，依據(jù)蘇州地區(qū)氣象資料，分別建立了毛細阻滯型和單一土層型兩種ET 覆蓋系統(tǒng)的非飽和滲流計算模型，分析研究其覆蓋系統(tǒng)的水分運動規(guī)律，得出蓄水—釋水循環(huán)主要發(fā)生在植被根系發(fā)育區(qū)，兩種ET 覆蓋系統(tǒng)減少降雨入滲的性能均優(yōu)于傳統(tǒng)屏障式系統(tǒng)，且毛細阻滯型ET 覆蓋系統(tǒng)優(yōu)于單一土層型，ET 覆蓋系統(tǒng)適用于我國“長三角”地區(qū).

3 研究方法

垃圾填埋場騰發(fā)覆蓋技術(shù)是一項綜合多學(xué)科的技術(shù)，其理論知識包括植物學(xué)、氣象學(xué)、化學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和工程學(xué)等，并需計算機技術(shù)支撐.水流運動是各種污染物質(zhì)遷移的直接動力，因此在垃圾填埋場研究方法中都必然包括有關(guān)水流運動的模擬［18］.模擬騰發(fā)覆蓋層水分運動的模型主要可以歸納為水量平衡模型和數(shù)值模擬模型.

美國陸軍工程師水道實驗室研發(fā)的填埋場水文評價模型（HELP）為典型的水量平衡模型.該模型計算降雨在覆蓋層表面產(chǎn)生的徑流量及覆蓋層的入滲水量，考慮了覆蓋層蒸發(fā)、植物蒸騰消耗的水分、覆蓋層土壤含水率變化及地下水側(cè)向運動產(chǎn)生的水量變化等水量平衡因素，在已確定覆蓋層土壤和覆蓋層結(jié)構(gòu)以及填埋場地點的氣象特點等條件下，加入可接受的假設(shè)值與近似值，根據(jù)水量平衡原理即可模擬計算滲濾液產(chǎn)量.HELP為準 二 維 模 型（quasi－two－dimensional）.水 量 平衡模型還包括FILL（flow investigation for landfill leachate）模型等.數(shù)值方法是通過求解Richard方程模擬覆蓋層土壤水分動態(tài)過程，此外還有一些模型，如UNSAT－H 模型是通過求解Fourier方程來模擬覆蓋層土壤熱流.任意結(jié)構(gòu)的騰發(fā)覆蓋系統(tǒng)可通過數(shù)值模擬方法了解滲瀝液控制效果.采用數(shù)值模擬既能與試驗結(jié)果相互驗證，又能彌補試驗數(shù)據(jù)的不足.

滲濾液控制研究多采用室內(nèi)實驗分析、室外騰發(fā)覆蓋試驗?zāi)M.在已有氣象、水文、植物及土壤等相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進行土樣、水質(zhì)分析，篩選適宜植物，研究試驗小區(qū)不同植被、覆蓋層結(jié)構(gòu)組合條件下的土壤水分動態(tài)過程和滲濾發(fā)生機理.室外騰發(fā)覆蓋層滲濾液控制研究，通常選取當(dāng)?shù)厮缮⒌耐寥罏楸韺油?，選取黏土或粉質(zhì)黏土為下部分層壓實屏障層.在覆蓋土層的不同深度埋設(shè)測量土壤含水率的設(shè)備，并在覆蓋層和垃圾層的交界面設(shè)置多組滲濾液收集裝置.選擇幾組試驗點，分別在地表以下多處埋設(shè)張力計，測定相應(yīng)剖面位置的土壤水勢.選擇不同植物覆蓋和不同覆蓋土層結(jié)構(gòu)等條件下滲濾液控制對比試驗.另外，試驗期間在測定土壤蒸發(fā)量的同時，還要定期測定植物密度、葉面積指數(shù)及植物冠層高度等植物生長狀況.

4 研究方向

在我國，近年來人們才開始進行騰發(fā)覆蓋技術(shù)基礎(chǔ)知識的研究，但對騰發(fā)覆蓋層中水汽運動規(guī)律的研究還不系統(tǒng)，多數(shù)研究的重點是建立模型和試驗?zāi)M來證明該技術(shù)的可行性，并沒有進行深入細致地研究騰發(fā)覆蓋的植物及其土壤土質(zhì).雖然研究者通過實驗驗證了植物生長有助于減少滲瀝液，但是人們對于覆蓋植物蒸散作用機理的認識還比較有限，對如何選擇適合當(dāng)?shù)貤l件的植物、土壤以及確定最佳覆蓋層厚度仍然缺乏理論依據(jù).目前騰發(fā)覆蓋技術(shù)的研究注重覆蓋層的水量平衡過程，以及植物騰發(fā)與降雨的耦合作用效果.此外，大多數(shù)試驗研究和數(shù)值計算是假設(shè)入滲覆蓋層的水流為均勻基質(zhì)流［19］，而實際上土壤中的流動以非均勻運動為主，非均勻流動的滲瀝作用機理和水均衡動態(tài)與均勻流動完全不同［20］.該技術(shù)的研究還需考慮溫度對土壤水分的影響和系統(tǒng)誤差等.

在未來，騰發(fā)覆蓋研究應(yīng)重點關(guān)注以下幾個方面：

（1）研究不同氣候、不同植物類型組合等條件下，垃圾填埋場騰發(fā)覆蓋層水分運動變化機理.

（2）研發(fā)有效控制垃圾填埋場滲濾液的騰發(fā)覆蓋結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)選適合當(dāng)?shù)貤l件的植物種類及種植布局.

（3）建立適宜當(dāng)?shù)貧夂驐l件的垃圾填埋場騰發(fā)覆蓋系統(tǒng)簡易計算模型.

（4）研究ET 覆蓋系統(tǒng)在不同地區(qū)的適用性和覆蓋系統(tǒng)的滲濾液控制性.

（5）制定ET 覆蓋技術(shù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，為該技術(shù)的實際應(yīng)用提供法律依據(jù).

5 結(jié) 語

ET 覆蓋技術(shù)是一種可行、經(jīng)濟合理、能保持良好生態(tài)環(huán)境的新型技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景.相關(guān)部門應(yīng)加大研究力度，將ET 覆蓋技術(shù)盡快應(yīng)用到工程實例中，并根據(jù)工程經(jīng)驗制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范.

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