填埋气在含裂隙非饱和覆盖层中运移解析模型

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新世纪以来,随着我国城镇化的进程步履加快,应运而生的城市问题也日趋严重,其中就包括城市垃圾的处理。甲烷作为填埋气的主要成分,其无序扩散对大气环境产生严重的温室效应。填埋场粘土覆盖层是阻滞甲烷向大气扩散的主要屏障,但在干湿循环和填埋体不均匀沉降等作用下容易产生裂隙,所以填埋气在非饱和粘土覆盖层中的运移规律则是目前研究的重点和难点。本文首先对填埋气在封场系统中的运移机理进行了分析,针对初步的较为简单的无限边界下的带裂隙压实黏土覆盖层(CCL)的条件,建立了对流-扩散和氧化共同作用下填埋气在覆盖层中的运移模型,通过拉普拉斯变换给出了相应的模型解析解。根据得到的解析解分析了裂隙宽度、填埋气在覆盖层中的扩散系数、填埋气在裂隙中的氧化系数等具体参数对覆盖层表面甲烷浓度比和表面通量的影响,并且和无裂隙的压实黏土覆盖层中的甲烷运移溢出情况作了对比,得出了裂隙存在的影响。在此基础上,为进一步贴合实际情况,本文在初步的无限边界条件下的模型作了更为精确的改善,基于填埋场覆盖层为有限厚度的现实条件,对应地将无限厚度修改为有限厚度,采用应用较为广泛的Stehfest数值反演方法得出半解析解。在研究了 CCL裂隙的基础上,考虑了土工膜上的漏洞和压实黏土覆盖层中的裂隙共同存在的情况,进一步建立了复合土工膜(GM)和CCL界面之间的气体运动方程,通过相同的数值反演方法,得出漏洞处的填埋气浓度和漏洞与裂隙中心距离之间的关系。本文得到的主要结论如下:(1)无限边界条件下的解析解显示,相同氧化系数、扩散系数下,当裂隙宽度由1mm增大至10mm时,表面浓度增大了近两个数量级。同时,裂隙宽度不会对甲烷通量达到平衡的时间产生显著影响,但对达到平衡时总通量有较为明显的影响。宽度为10mm的裂隙在15天后产生的甲烷通量是宽度为1mm裂隙所产生的通量的近100倍。扩散系数对甲烷在有裂隙粘土覆盖层中运移也有显著的影响,当扩散系数由5.02×10-9m2/s增大至6.27×10-6m2/s且以较小速率运移时,带1mm宽度裂隙的覆盖层表面的甲烷浓度从0.338减小至0.0009,减小了 99.7%;而甲烷通量减小了 81.4%。当裂隙宽度增大,浓度比和通量的减小率则有所减缓。说明裂隙宽度的越大,扩散系数对甲烷通量的影响越小。另外,甲烷一阶氧化系数和覆盖层土体的体积含气量也有相应的规律,都呈现为裂隙越大,参数对其在有裂隙粘土覆盖层中运移的影响越小。(2)利用Stehfest拉普拉斯数值反演得出有限边界条件下的半解析解,通过与拉普拉斯的解析解和Comsol软件模拟结果的对比验证该数值反演方法虽存在一定的误差,例如小裂隙情况下,数值解的浓度比为0.003,半解析解的结果为0.0025,仅比数值解小了 17.4%;大裂隙情况下,半解析解则比数值解大了23.1%。可见随着裂隙宽度的增大,结果差别也逐渐增大,但仍在可控范围内,故后文参数分析仍采用该种反演方法。(3)当土工膜上存在有漏洞时,,GM和黏土覆盖层之间的气体符合漏洞距离裂隙越远,甲烷的浓度比就越小的规律。当甲烷在GM和黏土覆盖层之间的流速以相同倍数增长时,其对浓度的影响会逐渐减弱,也就是说,浓度增长的比例反而是逐渐减小的。但当甲烷在GM和黏土覆盖层之间的一阶氧化系数以相同幅度增长时,其对漏洞处的浓度比就不会有过于显著的影响。
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