考虑非等温环境下污染物在黏土中的运移解析模型

利用广义积分变换法推导了非等温条件下污染物在压实黏土衬垫中的运移解析解。所提出的解析解考虑了分子扩散、对流、吸附和热扩散的耦合效应,并考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化。通过与热扩散试验结果、已有的解析解和基于COMSOL软件的数值模型的对比,验证了所提出的解析解。利用经过验证的解析解,研究了非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数3个参数随温度的变化对甲苯在压实黏土衬垫系统中迁移的影响。结果表明,非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数随温度的变化均对甲苯在压实黏土衬垫中迁移有着显著的影响。不考虑非等温环境的影响将极大低估污染物的溢出量和污染物的击穿时间。既有解析解忽略压实黏土的渗透系数和有效扩散系数随温度的变化会极大低估甲苯的流出速率,而忽略压实黏土分布系数随温度的变化会极大高估甲苯击穿衬垫系统的时间和达到稳态的时间。所提出的解析解能够考虑热扩散作用,同时考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化,较既有解析解更贴近工程实际,能够为压实黏土衬垫系统的设计和服役性能评价提供指导和借鉴。     

运移参数对GCL中污染物运移的影响研究

分析了运移参数的变化对GCL中污染物运移的影响。从衬垫底部浓度比、对流和扩散通量、污染物累积运移量等方面,对污染物在GCL中的运移进行了计算。结果表明,减小渗透系数和扩散系数可以有效减缓衬垫底部浓度比的增加速度。渗透系数对对流通量的大小、扩散通量的变化速度的影响较大;扩散系数主要影响最大扩散通量。当渗透系数较大时,可以忽略扩散累积运移量,用对流累积运移量代替总累积运移量引起的误差很小。当渗透系数较小时,忽略扩散运移量可能产生较大的误差,尤其是在扩散系数也较大的情况下误差更加明显。      

非等温条件下有机污染物在粘土衬垫中的扩散分析

填埋场中垃圾降解作用产生的热量在黏土衬垫中的运移会形成温度场,温度场会对污染物的运移产生影响。文章在多孔介质热力学理论和污染物运移理论相结合的基础上,主要考虑温度场对污染物扩散的影响,建立了非等温条件下有机污染物在黏土衬垫中的一维扩散模型,并采用分离变量法得到了模型的解析解。基于文中模型,对比了非等温条件和等温条件下有机污染物在黏土衬垫中的运移。非等温条件的黏土衬垫底部浓度比等温条件下的浓度大,非等温模型比等温模型更偏于安全。解析解可为实验数据的拟合及分析、衬垫的设计提供参考。进一步的参数分析表明:增大阻滞因子Rd和黏土厚度L可以减小黏土衬垫底部由温度梯度引起的有机污染物浓度。     

非等温条件下有机污染物在黏土衬垫中的扩散分析

填埋场中垃圾降解作用产生的热量在黏土衬垫中的运移会形成温度场,温度场会对污染物的运移产生影响。文章在多孔介质热力学理论和污染物运移理论相结合的基础上,主要考虑温度场对污染物扩散的影响,建立了非等温条件下有机污染物在黏土衬垫中的一维扩散模型,并采用分离变量法得到了模型的解析解。基于文中模型,对比了非等温条件和等温条件下有机污染物在黏土衬垫中的运移。非等温条件的黏土衬垫底部浓度比等温条件下的浓度大,非等温模型比等温模型更偏于安全。解析解可为实验数据的拟合及分析、衬垫的设计提供参考。进一步的参数分析表明:增大阻滞因子Rd和黏土厚度L可以减小黏土衬垫底部由温度梯度引起的有机污染物浓度。     

基于有机污染物扩散的复合衬垫厚度的概率设计

有机污染物在复合衬垫中的运移以扩散方式为主。目前关于运移参数不确定性及其对衬垫性能影响的研究还不多,复合衬垫厚度的设计也没有考虑不确定性的影响。总结了运移参数已有的成果,采用蒙特卡罗法研究了半无限条件下运移参数的变异性对衬垫底部污染物质量浓度和通量的影响,并对衬垫厚度进行了设计。研究表明:土工膜中有机污染物的分配系数和扩散系数的变异性对质量浓度和通量的影响可以忽略,而土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数的变异性对其影响则非常显著。确定性方法计算的结果偏于危险,有必要加强对土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数概率特性的研究。以甲苯为例进行黏土衬垫厚度设计,结果表明:概率计算方法得到的黏土衬垫厚度约为确定性方法的1.71~1.81倍,采用概率方法进行衬垫设计更合理。     

衬垫中污染物运移的一维概率分析

衬垫中污染物的运移分析一般采用确定性方法。为了研究渗透系数变异性对污染物运移的影响,基于土层剖面随机场理论,将渗透系数模拟成服从对数正态分布的空间随机场,利用Monte-Carlo和数值积分两种方法进行分析。两种方法得到的结果有很好的一致性。衬垫渗透系数的空间变异性对污染物运移有重要影响。变异系数较大时,衬垫失效概率在前期较大而后期较小,但衬垫底部出现高浓度(相对浓度0.9～1.0)的几率也较高。衬垫的可靠性要综合考虑渗透系数的变异性和渗透系数数值范围的影响。      

渗透系数的变异性对压实黏土衬垫性能的影响

压实黏土衬垫是填埋场等环境岩土工程中常用的屏障材料,其厚度和渗透系数是主要的设计参数。考虑渗透系数的变异性,用衬垫底部污染物相对浓度和通量等指标分析了设计参数对衬垫有效性的影响。研究表明,渗透系数的变异性对衬垫性能有很大的影响：当衬垫厚度较小或渗透系数均值较大时,衬垫底部出现高浓度（接近于1）的概率很大,这个浓度区间可能比相对浓度的均值高很多,对周围环境污染有较大的威胁。从非反应性溶质的运移来看,我国规范中对衬垫厚度和渗透系数的规定是合理的。相对于污染物的通量,厚度和渗透系数对衬垫底部相对浓度的影响更为显著,相对浓度更适合作为评价衬垫性能的指标。     

考虑热扩散的黏土衬垫中污染物运移简化计算

以单层压实黏土衬垫为研究对象,在传统对流弥散方程的基础上考虑温度梯度下污染物的热扩散运移,得到简化条件下半无限边界的解析解。研究表明,考虑热扩散效应所得的衬垫底部相对浓度和通量均大于传统对流弥散方程所得结果,S_T越大时相对浓度和通量也越大,当S_T=0.5 K-1时稳定通量达到S_T=0时稳定通量2.5倍。热扩散通量是对流通量的-AS_TD/v倍,两者均随时间的增加而增大;分子扩散通量则先增加达到峰值后减小趋于零。同时考虑温度对运移参数的影响和热扩散效应时,温度升高使衬垫底部相对浓度增大,导致击穿时间提前,污染物通量显著增大;当温度从30℃升高至70℃时,击穿时间从8.5 a提前至5.1 a,稳定通量增大约1.7倍。在进行衬垫设计时不考虑温度的影响将使污染风险大幅增加。     

有机污染物在复合衬垫中的运移分析

有机污染物在垃圾填埋场复合衬垫中有两种不同的运移方式:土工膜上缺陷处污染物的运移和完好复合衬垫中污染物的扩散。文章分别用有限差分法和解析法对两种方式下污染物的累积量进行计算,分析了两种方式对有机污染物运移所做的贡献。研究表明:GCL(人工合成材料粘土衬垫)复合衬垫以有机污染物在完好复合衬垫中的扩散为主,可以忽略缺陷处污染物的运移;而CCL(压实黏土衬垫)复合衬垫中两种运移方式所做的贡献在同一数量级,需要考虑两种方式的共同作用。在GCL复合衬垫下铺设粘土层能有效改善GCL复合衬垫对有机污染物的阻止效果。     

复合衬层中变系数有机污染物迁移规律分析

土工膜和下伏压实黏土组成的复合衬层已被广泛用作填埋场的防渗屏障系统。有机污染物在复合衬层中迁移时,其主要运移机制是扩散作用。假设有机污染物在土工膜中稳态扩散,并假设在下伏衬层中扩散系数为迁移距离的线性函数,且考虑降解作用的影响,建立了有机污染物在复合衬层中的一维扩散模型,针对零浓度下边界条件,获得了模型解析解。基于该解析解,分析讨论了相关参数的敏感性。结果表明,相关参数对计算结果影响很大,降解半衰期对污染物运移同样存在较大影响。该解析模型仅适用于有机污染物在两层复合衬垫中的迁移问题,可为填埋场的初步设计提供参考     

GCL与CCL复合衬垫的等效性分析

土工合成材料粘土衬垫(GCL)与土工膜(GM)形成的复合衬垫在垃圾填埋场中的应用日益广泛。我国规范中允许在特殊情况下用GCL代替压实粘土(CCL)做垃圾填埋场的衬垫,但是对于“特殊情况”没有明确说明。本文采用数值方法对复合衬垫中无机污染物的对流和扩散进行了计算,从衬垫底部污染物通量和累积量两个角度对GCL复合衬垫和CCL复合衬垫阻滞污染物运移的效果进行了比较,分析两种复合衬垫的等效性,并研究了GCL复合衬垫的适用范围。结果表明,当渗滤液水头较高时,GCL复合衬垫体现出其优势。     

考虑表面裂隙层的衬垫防渗性能概率分析

压实粘土衬垫是填埋场等环境岩土工程中常用的屏障材料,其表面的干燥裂隙可能对衬垫的有效性有一定的影响。将整个衬垫分为受裂隙影响的表面土层和不受裂隙影响的下部土层两部分,把饱和渗透系数和裂隙扩展深度看作随机变量,采用蒙特卡洛法分析衬垫底部污染物相对浓度和通量的概率特征。研究表明,由于衬垫底部出现高浓度（接近于1）的概率较大,这个浓度区间可能比相对浓度的均值高很多,对周围环境污染有较大的威胁,因此确定性方法得到的结果存在较大的风险;考虑表面裂隙导致渗透系数的增大,得到的结果更为合理;保证衬垫足够的厚度可以降低表面裂隙土层饱和渗透系数的变化对衬垫防渗效果的影响;将两层土的渗透系数看作独立随机变量,得到的结果偏于安全。     

煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散性能

为验证土工合成黏土衬垫（Geosynthetic Clay Liners,GCL）作为煤矸石处置场衬垫层建设材料的可行性,采用垂直式双筒扩散装置进行室内扩散试验,研究了煤矸石淋滤液中典型污染物Zn2+、Mn2+和SO₄2-在人工钠化膨润土GCL中的扩散性能,使用有限层法模拟软件POLLUTE V7对污染物随时间变化的曲线进行拟合,确定3种污染物在人工钠化膨润土GCL中的扩散系数。研究结果表明,污染物在GCL中的扩散系数低于它们在传统压实黏土衬垫层中的扩散系数,从而能更有效地控制煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散迁移行为。      

多个相关随机参数的空间变异性对溶质运移的影响

根据给定渗透系数、孔隙度以及吸附系数的概率分布,采用顺序高斯模拟生成相关的多参数随机场的实现,作为地下水流和溶质运移模型的输入参数,对污染物浓度进行随机分析。研究结果表明,与仅考虑渗透系数空间变异性相比,考虑相关的多参数空间变异性导致污染羽的扩散程度有显著不同。当孔隙度与渗透系数呈正相关关系时,会减少污染羽的扩散程度,反之,当孔隙度与渗透系数为负相关关系时,会加剧污染羽的扩散程度。吸附系数也是如此。在考虑吸附系数的空间变异性之后,污染羽的分布表现出拖尾现象。同时考虑渗透系数、孔隙度以及吸附系数空间变异性时,孔隙度非均质性对溶质运移的影响较吸附系数非均质性的影响更大。     

有机污染物在完好复合衬垫中的迁移分析

在复合衬垫中,有机污染物除了在土工膜缺陷处发生迁移外,在完好土工膜中的迁移也是主要方式。考虑有机污染物在土工膜边界处的浓度跳跃现象,建立了有机污染物在完好复合衬垫中迁移的一维模型,得到了解析解。通过与有限差分解的比较,验证了解答的合理性。应用该解答分析了GCL复合衬垫和CCL复合衬垫防止有机污染物渗漏的效果。结果表明,CCL复合衬垫的效果较好,可以通过黏土改性和增加黏土厚度的方法来提高其有效性。有机污染物类型的选择对GCL复合衬垫的分析结果影响较大,而阻滞系数的变化对分析结果影响较小。     

膨润土中离子扩散特征试验研究

膨润土在填埋场中有较为广泛的应用。膨润土材料作为衬垫时,扩散是污染物运移的重要方式。为深入了解不同应力状态下膨润土阻滞污染物运移的能力,对Ca2＋,Cl－和Zn2＋在不同孔隙率膨润土中的扩散进行了试验研究,得到的结果与已有文献有较好的一致性。随着孔隙率的增加,离子扩散系数增加,验证了二者之间的指数关系。讨论了在一定孔隙率范围内离子有效扩散系数的估算方法,估算结果与实测值接近     

溶质入渗土工合成衬垫的化学-渗透特性研究

溶质在土工合成衬垫（GCL）长期入渗过程中具有明显的化学-渗透特性。室内渗透试验表明：阳离子之间的置换效应对GCL衬垫渗透系数影响较大,10 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至2.5×10-11 m/s,而30 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至5.6×10-11 m/s。渗透液体浓度的增加缩短了溶质穿透GCL的时间,且预饱和处理试剂对GCL渗透系数的变化影响较大,采用蒸馏水作为预饱和试剂处理GCL衬垫对其渗透系数的影响明显小于CaCl2溶液;建立了考虑膜效应和离子交换效应条件下溶质运移耦合动力学模型,并对GCL穿透试验过程中溶质浓度的变化进行了预测,仿真计算结果表明,10 mM和30 mM两种CaCl2溶液渗透条件下,Ca2+浓度变化的试验结果和计算结果均相吻合,验证了耦合动力学模型的可靠性;从Ca2+浓度及流量穿透曲线分布可知,化学-渗透效应可有效地延缓溶质的迁移速度。随着溶质浓度的降低,阻滞作用更显著。因此,在分析GCL衬垫中溶质入渗特征时,必须考虑化学-渗透效应的影响。     

污染泥堆场处置中自重固结与污染物迁移的耦合分析

基于一维固结方程和对流-弥散方程,提出了一种用于污染泥堆场处置中自重固结与污染物迁移耦合问题的求解方法,其中,自重固结方程由解析解直接求解,污染物迁移方程由显示差分法求解。在自重固结方面,新方法可考虑线性的压缩关系和渗透关系;在污染物迁移方面,新方法能够考虑对流、扩散、机械弥散、线性和非线性吸附以及孔隙率相依的有效扩散系数。新方法与CST1数值模型进行了对比,验证了新方法的正确性。基于所提出的解,分析了固结效应、压缩系数、渗透系数和污染物初始分布形式对污染物在淤泥中迁移过程的影响。计算结果表明:固结效应、压缩性、渗透性和污染物的初始分布形式对污染物的迁移过程有着显著的影响;固结效应能显著地加速污染物的流出;土体的压缩系数越大其污染物累计流出质量越大;土体的渗透系数越大其污染物累计流出质量越大;污染物的初始分布形式对污染物的流出速率影响较大。     

多场耦合作用下溶质运移模型及机制研究

最新研究表明,多孔介质中溶质运移现象受化学渗透和土壤表面电荷的多重影响。随着城市化进程的加快,卫生填埋场衬垫系统的长期安全性和淤泥脱水问题也愈加严重。为了综合研究水头,电场和化学渗透等物理作用对离子在土壤介质中迁移特性的影响,建立了一个新的多场耦合模型。该模型用有限元法取得数值解,并且利用移动边界成功实现了对淤泥脱水和填埋场衬垫系统中水溶液和化学溶质迁移问题的数值模拟。对于衬垫系统而言,化学渗透现象和渗透电势两者均可减缓溶质击穿土层的时间,有助于延长衬垫的工程寿命。对于淤泥脱水问题的分析结果表明,水力渗透系数和电渗系数分别是主导压滤式和电渗式脱水处理的主要变量。孔隙淤堵是压滤脱水中最主要的问题,土工织物表面所积聚的滤饼会导致水流量急剧下降     

考虑成层弹性地基固结的污染物运移模型

文章在多层地基固结理论与污染物运移理论相结合的基础上,提出了污染物在成层弹性地基中运移的一维数学模型,其最大特点是考虑了土体受力变形对污染物运移的影响,然后给出了所建模型的解析解,并将计算结果与太湖疏浚污染底泥堆场的实测结果作了比较分析。结果表明堆场的地基土层对太湖疏浚底泥中的污染物具备足够的阻隔能力,在堆场的使用年限内不会对周围环境造成二次污染。实际天然防渗层中以成层土居多,故推导出的污染物在成层土中运移模型具有重要的工程价值和现实意义。