好氧修復(fù)條件下填埋場(chǎng)沉降模型研究*

厲江鋒，陳朱蕾，胡朝輝，曹 麗，唐 睿，趙文閥

（1.深圳市中蘭環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣東 深圳 518000；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

好氧修復(fù)條件下填埋場(chǎng)沉降模型研究*

厲江鋒1，陳朱蕾2，胡朝輝2，曹 麗1，唐 睿1，趙文閥1

（1.深圳市中蘭環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆瑥V東 深圳 518000；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

通過(guò)武漢市金口生活垃圾填埋場(chǎng)好氧修復(fù)工程案例研究，對(duì)比分析Sower模型、Park生物降解沉降模型、Ling雙曲線模型和Yen對(duì)數(shù)沉降模型的適用性，采用模型參數(shù)擬合的方式分析比較了各沉降模型的參數(shù)，并采用適宜的沉降模型對(duì)本工程案例沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：生物降解沉降模型相對(duì)于其他模型更適用于好氧修復(fù)過(guò)程沉降預(yù)測(cè)；Sower模型中Cae參數(shù)在好氧修復(fù)區(qū)為0.004～0.0013，封場(chǎng)區(qū)為0.002～0.003。生物降解沉降模型中k參數(shù)在好氧修復(fù)區(qū)范圍為0.6～2.1，封場(chǎng)區(qū)為0.15～0.45；填埋各區(qū)動(dòng)態(tài)沉降速率達(dá)到小于5 cm/a需要的時(shí)間分別為1.52、1.54、0.15 a，滿足場(chǎng)地利用標(biāo)準(zhǔn)。

填埋場(chǎng)；好氧修復(fù)；沉降模型；沉降預(yù)測(cè)；參數(shù)擬合

近幾年好氧修復(fù)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，但是對(duì)修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的沉降行為的相關(guān)系統(tǒng)研究尚未開(kāi)展。沉降是導(dǎo)致填埋場(chǎng)修復(fù)工程安全的主要原因之一，是評(píng)判場(chǎng)地修復(fù)后利用途徑的限制因素之一，也是衡量場(chǎng)地修復(fù)是否達(dá)到穩(wěn)定化的技術(shù)指標(biāo)之一。現(xiàn)有的沉降模型大多是基于不同的沉降理論或者假設(shè)的情況下建立的，其模型的適用性具有較大的填埋場(chǎng)類型的選擇性［1］，需要對(duì)不同類型的填埋場(chǎng)進(jìn)行模型比較研究，以確定沉降模型和模型參數(shù)的選取。在沉降模型的比較研究中，已有學(xué)者進(jìn)行了很好的探索，F(xiàn)adel等［2］、Park等［1］、Ling等［3］、張蓮等［4］均對(duì)沉降模型進(jìn)行了比較研究，并取得一定的成果?，F(xiàn)有的降解沉降模型建立方法或是借鑒傳統(tǒng)土力學(xué)沉降模型建立方法或是先從有機(jī)質(zhì)降解機(jī)理出發(fā)得到有機(jī)質(zhì)質(zhì)量降解規(guī)律，然后通過(guò)質(zhì)量損失與體積損失關(guān)系計(jì)算到沉降，或是直接以經(jīng)驗(yàn)公式形式給出沉降與時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。如：Sower（1973）首次提出了基于土壤動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的填埋場(chǎng)次壓縮沉降模型；Park和Lee提出了生物降解沉降模型［5］；Ling等提出了預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)長(zhǎng)期沉降的雙曲線模型［4］；Yen和Canlon等建立了一個(gè)對(duì)數(shù)沉降模型［6］。常用的沉降模型如表1所示。

表1 常用的填埋場(chǎng)沉降模型

在研究沉降機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)上述4個(gè)典型的沉降模型進(jìn)行分析和比較，依據(jù)本工程案例對(duì)模型的適用性進(jìn)行比較，并得出模型的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)工程案例的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析和比較各模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。

1 材料和方法

1.1 工程背景介紹

2012年，金口垃圾填埋場(chǎng)所在區(qū)域被選定為2015年武漢第10屆中國(guó)國(guó)際園林博覽會(huì)主會(huì)場(chǎng)。金口垃圾填埋場(chǎng)生態(tài)修復(fù)治理的目標(biāo)是達(dá)到GB/T 25179—2010生活垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定化場(chǎng)地利用技術(shù)要求［7］中規(guī)定的高度利用要求，其中對(duì)堆體沉降的要求是：沉降速率＜5 cm/a。

1.2 場(chǎng)地概況

金口垃圾場(chǎng)位于漢口西北郊張公堤外側(cè)，1989年啟用，2000年重新進(jìn)行設(shè)計(jì)并擴(kuò)大處理規(guī)模，于2005年6月關(guān)閉。截至封場(chǎng)時(shí)填埋垃圾量累計(jì)約為5.0×106m3，填埋場(chǎng)使用期間主要填埋的是生活垃圾和少量的建筑垃圾，

根據(jù)填埋場(chǎng)各區(qū)域的垃圾填埋時(shí)間、堆體特征、堆體穩(wěn)定化程度等，將垃圾填埋場(chǎng)分成了4個(gè)邊界明確的區(qū)域。分區(qū)情況如圖1所示。填埋場(chǎng)各區(qū)域的基本情況如表2所示。各填埋區(qū)垃圾的理化性質(zhì)如表3所示。

圖1 金口垃圾填埋場(chǎng)分區(qū)情況

表2 填埋場(chǎng)分區(qū)基本情況

表3 各填埋區(qū)垃圾的理化性質(zhì)

1.3 修復(fù)工程介紹

本工程中一區(qū)和二區(qū)采用的是原位好氧修復(fù)技術(shù)，四區(qū)采用的是封場(chǎng)修復(fù)技術(shù)。其中好氧修復(fù)區(qū)相關(guān)工程建設(shè)與運(yùn)行如表4所示。

表4 好氧修復(fù)區(qū)相關(guān)工程實(shí)施建設(shè)與運(yùn)行

1.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在好氧修復(fù)區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)通過(guò)檢測(cè)井內(nèi)設(shè)置專用儀器儀表，監(jiān)測(cè)井中安裝有溫度傳感器和氣體采樣接口。主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：垃圾填埋場(chǎng)的溫度、垃圾填埋氣中氧氣濃度、甲烷濃度、二氧化碳等。監(jiān)測(cè)期間共得到有效表面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)33個(gè)，其中一區(qū)15個(gè)，二區(qū)11個(gè)，四區(qū)7個(gè)。

好氧修復(fù)區(qū)在第8周左右開(kāi)始沉降，為了進(jìn)行比較，封場(chǎng)區(qū)沉降開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為第8周。各填埋區(qū)沉降量比較如圖2所示，從沉降曲線的斜率可知在沉降開(kāi)始階段填埋體沉降的速度較快，隨后逐步變慢。好氧修復(fù)區(qū)沉降量明顯大于厭氧封場(chǎng)區(qū)，而且對(duì)于同樣處于好氧修復(fù)區(qū)的一區(qū)和二區(qū)的沉降過(guò)程也是有差異的。填埋一區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)沉降了38.68 mm，約占堆高的0.42%；填埋二區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)沉降了237.29mm，約占堆高的1.58%；填埋四區(qū)在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)沉降了97.83 mm，約占堆高的0.75%。

圖2 各填埋區(qū)在監(jiān)測(cè)期間的沉降過(guò)程

2 結(jié)果與討論

2.1 沉降模型的研究

通過(guò)參數(shù)擬合對(duì)填埋一區(qū)、二區(qū)、四區(qū)平均沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合效果如圖3～5所示。

圖3 填埋一區(qū)模型擬合

圖4 填埋二區(qū)模型擬合

圖5 填埋四區(qū)模型擬合

對(duì)各模型的擬合參數(shù)及模型擬合的相關(guān)系數(shù)整理如表5所示。從表5可以看出，各模型的擬合程度都比較高，各填埋區(qū)擬合的參數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)差距不大。從各模型擬合過(guò)程的相關(guān)系數(shù)比較來(lái)分析各模型的適用性可得到：按不同填埋區(qū)對(duì)比可知，生物降解沉降模型對(duì)各填埋區(qū)擬合效果最好；按不同模型對(duì)填埋區(qū)的總體擬合參數(shù)比較也得出生物降解沉降模型優(yōu)于其他模型。按各模型對(duì)各填埋場(chǎng)沉降擬合效果比較可知，各模型的適用性從大到小為生物降解沉降模型＞雙曲線模型＞對(duì)數(shù)沉降模型模擬＞Sower模型。

表5 各模型擬合數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)相關(guān)系數(shù)

然而生物降解沉降模型在擬合填埋四區(qū)的沉降數(shù)據(jù)時(shí)得到的k值大于一、二區(qū)，k的物理意義是降解沉降系數(shù)，生物降解高的區(qū)域k值越大，而表5呈現(xiàn)相反的情況，所以填埋四區(qū)的沉降過(guò)程需要重新進(jìn)行分析。因?yàn)樗膮^(qū)的沉降是有應(yīng)力壓縮沉降和降解沉降共同組成，所以得到的降解沉降系數(shù)含有應(yīng)力壓縮的沉降系數(shù)。而在利用Sower時(shí)Cae沒(méi)有出現(xiàn)上述的現(xiàn)象，可見(jiàn)Sower模型既可作為降解沉降模型，也比較適用于應(yīng)力壓縮情況下的沉降過(guò)程。將填埋四區(qū)的沉降分為應(yīng)力壓縮沉降和降解沉降2個(gè)部分，并對(duì)后半段采用生物降解沉降模型進(jìn)行擬合，如圖6所示。得到相應(yīng)的參數(shù)和相關(guān)系數(shù)。

圖6 填埋四區(qū)沉降修正擬合

2.2 模型參數(shù)的研究

由于雙曲線模型和對(duì)數(shù)沉降模型都屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，而且模型的參?shù)設(shè)置沒(méi)有考慮到填埋場(chǎng)的基本屬性如堆體的高度，所以對(duì)不同堆高的填埋場(chǎng)其模型的參數(shù)沒(méi)有參考價(jià)值，故不對(duì)其進(jìn)行比較研究。

對(duì)各填埋區(qū)不同沉降觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合得到的模型參數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到可信度較高的取值范圍。修正后的擬合參數(shù)范圍如表6所示。

表6 修正后擬合參數(shù)值與文獻(xiàn)參考值比較

從表6可以看出，本文推薦的參考值范圍較小，且參數(shù)符合生物降解的規(guī)律。從表6還可以看出，其他學(xué)者在對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行研究得到的參數(shù)范圍較廣，而且各學(xué)者得到的參數(shù)范圍相差較大，從而可知針對(duì)不同類型的填埋場(chǎng)其參數(shù)值有很大的差異，所以有必要對(duì)不同類型填埋場(chǎng)的典型參數(shù)值進(jìn)行研究。

2.3 沉降預(yù)測(cè)

利用上述4個(gè)模型分別對(duì)本工程填埋場(chǎng)的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的時(shí)間至沉降開(kāi)始第5年，以分析各模型在沉降預(yù)測(cè)上存在的差異，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果的分析得出填埋場(chǎng)可能的預(yù)測(cè)沉降值。

填埋一區(qū)、二區(qū)和四區(qū)的沉降結(jié)果預(yù)測(cè)如圖7所示。

圖7 各填埋區(qū)沉降預(yù)測(cè)

從圖7a可以看出，各模型對(duì)沉降的預(yù)測(cè)結(jié)果差異較大，其中對(duì)數(shù)沉降模型預(yù)測(cè)的值最大，且預(yù)測(cè)的沉降趨勢(shì)不符合有機(jī)質(zhì)生物降解規(guī)律，故該模型對(duì)沉降的預(yù)測(cè)誤差較大。雙曲線模型、Sower模型和生物降解沉降模型預(yù)測(cè)的沉降預(yù)算均符合有機(jī)質(zhì)生物降解規(guī)律，且預(yù)測(cè)的沉降值從大到小分別是雙曲線模型＞Sower模型＞生物降解沉降模型。從模型預(yù)測(cè)的沉降達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間來(lái)看，生物降解沉降模型用時(shí)最短，該模型預(yù)測(cè)的結(jié)果顯示填埋一區(qū)在沉降開(kāi)始的第2年就趨于穩(wěn)定，最終沉降在0.148 m左右。

從圖7b中可以看出，各模型預(yù)測(cè)的沉降趨勢(shì)均符合有機(jī)質(zhì)的生物降解規(guī)律，而且沉降預(yù)測(cè)的結(jié)果差距較小。其中對(duì)數(shù)沉降模型在第4年沉降量為0.55 m并趨于穩(wěn)定，生物降解沉降模型在第2年沉降預(yù)測(cè)值為0.32 m并趨于穩(wěn)定，而雙曲線模型和Sower模型對(duì)沉降的預(yù)測(cè)值還呈上升趨勢(shì)。

對(duì)圖7c中對(duì)數(shù)沉降模型預(yù)測(cè)出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行分析，因?yàn)樵撃Ｐ蛿M合得到的m、n參數(shù)分別為0.0115和0.0764，而該模型的應(yīng)用要求t≤10n，代入上式中可知在時(shí)間t應(yīng)小于1.414，所以該模型在預(yù)測(cè)沉降時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。雙曲線模型和生物降解沉降模型預(yù)測(cè)的沉降值趨于穩(wěn)定，并分別在第3年達(dá)到0.056 m和第2年達(dá)到0.042 m。而Sower模型預(yù)測(cè)的沉降值依然成增大的趨勢(shì)。根據(jù)修正后的沉降數(shù)據(jù)擬合得到的修正生物降解沉降模型預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，雙曲線模型預(yù)測(cè)的趨勢(shì)與修正生物降解沉降模型預(yù)測(cè)的趨勢(shì)基本一致。

以生物降解沉降模型預(yù)測(cè)的沉降值為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)另外幾個(gè)模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行分析?？芍诤醚跣迯?fù)區(qū)，沉降主要是由有機(jī)質(zhì)降解引起的，對(duì)數(shù)沉降模型、Sower模型和雙曲線模型預(yù)測(cè)的沉降值偏大。而對(duì)于填埋四區(qū)，即應(yīng)力沉降和生物降解沉降同時(shí)發(fā)生的區(qū)域，雙曲線模型對(duì)預(yù)測(cè)的表現(xiàn)最好。以生物降解沉降模型預(yù)測(cè)值為參考，填埋一區(qū)的最終沉降為0.192 m，填埋二區(qū)的最終沉降為0.33 m，填埋四區(qū)的最終沉降為0.057 m。

采用生物降解沉降模型對(duì)各填埋區(qū)的動(dòng)態(tài)沉降速率進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)本項(xiàng)目中要求達(dá)到的修復(fù)目標(biāo)，即沉降速率＜5 cm/a。根據(jù)圖8所示，可知各填埋區(qū)達(dá)到此修復(fù)目標(biāo)的時(shí)間分別是1.52、1.54、0.15 a。

圖8 填埋各區(qū)動(dòng)態(tài)沉降速率

3 結(jié)論

3.1 不同條件沉降比較研究

通過(guò)工程案例中好氧修復(fù)區(qū)與傳統(tǒng)厭氧封場(chǎng)區(qū)沉降過(guò)程比較研究，發(fā)現(xiàn)在好氧修復(fù)區(qū)（一區(qū)、二區(qū)） 的沉降主要是由于生物降解引起的，而傳統(tǒng)厭氧封場(chǎng)區(qū)（四區(qū)）的沉降主要是由瞬時(shí)壓縮沉降和生物降解沉降組成的，前者沉降量明顯大于后者，好氧修復(fù)區(qū)沉降量為封場(chǎng)區(qū)的3～6倍。

3.2 不同生物降解沉降模型比較及沉降預(yù)測(cè)研究

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有沉降模型進(jìn)行定性和定量對(duì)比研究，定性研究結(jié)果表明生物降解沉降模型為最適宜的生物降解沉降模型；定量研究結(jié)果表明，各模型的擬合效果都較高（R2＞0.97），按模型擬合得到的相關(guān)系數(shù)表示模型適用性，其適用性如下排列：生物降解沉降模型＞雙曲線模型＞對(duì)數(shù)沉降模型＞Sower模型。

3.3 參數(shù)范圍確定

通過(guò)對(duì)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到沉降模型的參數(shù)范圍，其中Sower模型Cae在好氧修復(fù)區(qū)為0.004～0.001 3，封場(chǎng)區(qū)為0.002～0.003。生物降解沉降模型k值在好氧修復(fù)區(qū)范圍為0.6～2.1，封場(chǎng)區(qū)為0.15～0.45。根據(jù)以上參數(shù)，可以使用沉降模型準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)修復(fù)達(dá)到要求所需要的時(shí)間。

3.4 沉降結(jié)果預(yù)測(cè)

根據(jù)模型對(duì)本工程案例沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：填埋一區(qū)的最終沉降為0.192 m，填埋二區(qū)的最終沉降為0.33 m，填埋四區(qū)的最終沉降為0.057 m。填埋各區(qū)動(dòng)態(tài)沉降速率達(dá)到＜5 cm/a時(shí)間分別是1.52、1.54、0.15 a。

致謝

感謝長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司和第10屆園博會(huì)堆山工程安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目部提供本論文數(shù)據(jù)。

［1］Park H I，Lee S R，Hwang D.Parameter evaluation and performance comparison of MSW settlement prediction models in various landfill types［J］.J Environ Eng，2007，133（1）：64-72.

［2］Khoury E F R.Modeling Settlement in MSW landfills：A critical review［J］.Crit Revi Env Sci Technol，2000，30（3）：327-361.

［3］Ling H I，Leshchinsky D，Mohri Y，et al.Estimation of municipal solid waste landfill settlement［J］.J Geotech Geoenviron Eng，1998，124（1）：21-28.

［4］張蓮，何品晶，瞿賢，等.城市生活垃圾填埋場(chǎng)沉降模型比較［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2006，14（6）：1-5.

［5］Park H I，Lee S R.Long-term settlement behavior of landfills with refuse decomposition［J］.J Solid Waste Technol Manage，1997，24（4）：159-165.

［6］Yen B C，Scanlon B.Sanitary landfill settlement rates［J］.J Geotech Eng Div，Am Soc Civ Eng，1975（5）：475-487.

［7］生活垃圾填埋場(chǎng)穩(wěn)定化場(chǎng)地利用技術(shù)要求：GB/T 25179—2010［S］.2010.

［8］Landva A O，Clark L L，Weisner W R，et al.Geotechnical engineering and refuse landfills［C］.Proc.6th Nat.Conf.Waste Mgmt in Canada，Vancouver，B C，Canada.1984.

［9］ Gabr M A，Valero S N.Geotechnical properties of solid waste［J］.ASTM，Geotech Test J，1995，18（2）：241-251.

［10］ Bareither C A，Kwak S.Assessment of municipal solid waste settlement models based on field-scale data analysis［J］.Waste Manage，2015，42：101-117.

［11］Pommier S，Chenu D，Quintard M，et al.Modelling of moisturedependent aerobic degradation of solid waste［J］.Waste Manage，2008，28（7）：1188-1200.

［12］Marques A C M，F(xiàn)ilz G M，Vilar O M.Composite compressibility model for municipal solid waste［J］.J Geotech Geoenviron Eng，2003，129（4）：372-378.

Landfill Settlement Model under Aerobic Restoration

Li Jiangfeng1，Chen Zhulei2，Hu Chaohui2，Cao Li1，Tang Rui1，Zhao Wenfa1
（1.Shenzhen GAD Environmental Technology Co.Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000；2.School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074）

Base on case studies of Jinkou aerobic landfill restoration project in Wuhan，we compared and analyzed the applicability of Park model（biodegradation settlement model），Ling model（hyperbolic model），Yen model（Logarithmic sedimentation model）and Sower model by parameter fitting，then selected the most suitable model to predict the landfill settlement in thisproject.The main resultswere asfollows:biodegradation settlement model ismore applicable than others.In Sower model，Caeparameter was0.004～0.001 3 in aerobic remediation site，0.002～0.003 in closure site separately.In biodegradation settlement model，parameter k was 0.6～2.1 in aerobic remediation site，0.15～0.45 in closure site correspondingly.The time of dynamic settlement rate from background rate to less than 5 cm/a was 1.52，1.54 and 0.15 years in different subarea in Jinkou landfill respectively and they all satisfied with the requirementsofarea utilization.

landfill；aerobic restoration；settlement model；settlement prediction；parameter fitting

X705

A

1005-8206（2017）01-0012-05

厲江鋒（1984—），市政工程工程師與建造師，主要從事廢物管理與填埋場(chǎng)生態(tài)修復(fù)。

E-mail：lijiangfeng@gad.net.cn。

陳朱琦（1975—），副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染物控制與治理，固廢處置與資源化的研究。

E-mail：zqchen@hust.edu.cn。

深圳市科技研發(fā)資金（CXZZ20140827140608183）；老生活垃圾填埋場(chǎng)生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范編制研究（建標(biāo)【2012】5號(hào)第115項(xiàng)）

2016-11-22