填埋气体迁移的滑逸耦合模型及数值模拟.pdf

第34卷增刊 中 国科学技术大学学报 V01．34 Supp． UNIVERSITY AND 200 OF OFSCIENCETECHNOLOGYOFCHINA 004 4年8月JOURNAL Aug．2 文章编号：0253-2778(2004)增-04504)6 填埋气体迁移的滑逸耦合模型及数值模拟 薛 强1’2，梁 冰1，刘建军2 (1．辽宁工程技术大学力学与工程科学系，阜新123000；2．中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071) 摘要：考虑气体滑脱效应条件下，提出了填埋气体迁移过程中滑逸理论模型，并给出 了模型的有限差分格式．采用所建立的数值模型对单井抽气状态下填埋气体逸出的 动力学行为进行了数值分析．数值模拟结果表明：滑脱效应对填埋气体的逸出过程有 较大影响，并且随着抽气量和时间的增加，其差别愈加明显．因此，研究填埋气体逸出 及开发决策时不能忽略滑脱效应，这对于气体资源化利用及环境预测评价具有重要 的参考价值． 关键词：填埋气体；滑脱效应；滑逸耦合模型；有限差分；数值模拟 中图分类号：x53 文献标识码：A O 引 言 随着社会经济发展，人口逐步增长，城市中垃圾的产量以每年8％一10％速率增长，一 些城市为此相继建立了大型垃圾填埋场．目前，国内主要采用卫生填埋的手段对城市固体废 物进行处置．垃圾填埋场投入运营或者封场后将会产生大量垃圾填埋气体，其成分主要为 CH。、CO：，还有一些微量气体如N：、H：、H：S、挥发性有机气体等，。这些都是由于微生物的厌 氧分解作用而产生的．填埋气体在填埋场内累积，产生高于大气压的气体压力，在压力梯度 的驱动力下向外释放，对周围环境及人类生命造成极大的危害…． 在以往的研究中心。4J，气体在多孔介质中迁移时均假定气体满足达西定律条件，这固然 对于模型的数值计算带来极大的简化，但大量实验表明∞一7|，气体在多孔介质中迁移时，在 固体壁上气体渗流表现出速度不为零的“滑脱”现象，其渗流规律不再符合线性达西规律， 而呈现滑脱效应．滑脱效应的存在导致了气体渗透率的改变，尤其对于填埋介质为低渗透多 孔介质时，滑脱效应更为明显．因此，很有必要对滑脱效应影响下气体从填埋场中逸出的行 为进行深入研究． 采用模型化的方法来研究垃圾填埋气体的运移过程和机制对于评价气体传输机制，包 基金项目：国家自然科学基金资助项目；地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室开 放基金资助项目(2004013) 作者简介：薛强，男，1976年生，在读博士后，研究方向：环境岩土工程和地下水有机污染． E-mail：qiangx@whrsm．ae．cn 万方数据 增刊 填埋气体迁移的滑逸耦舍模型及数值模拟 451 括气体对流、弥散和吸附解吸等行为具有重要的作用．为此，本文在气体滑脱机制基础上，提 出描述垃圾填埋气体传输过程的滑逸耦合模型，并采用有限差分方法对数学模型进行数值 求解，定量化分析滑脱效应对气体迁移行为的影响，这不仅对于填埋气体的安全释放提供基 础理论依据，而且为研究多孔介质中气体渗流的机理分析奠定基础． 1填埋气体渗流的滑脱机制 在气测渗透率实验中，Klinkenberg‘8 表达式为 后。=％。。1+竿) 式中k。为平均压力P。下气体渗透率；后，。气体相对渗透率；孟。。气体绝对渗透率；c为比例因 子；A为气体分子平均自由程；r为孔隙的平均半径． 尼。=忌唱矗。。(1+Fb) (2) 式中P。=(Pi+P。)／2，Pi和P。分别为进口和出口压力；6为滑脱因子，定义为 b=4一CAp。