城市固体废弃填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究.doc

一、关键科学问题及研究内容 （一）本项目研究拟解决以下三个关键科学问题 （1）城市固废物-化-生相变及固液气相互作用 我国城市固废组成复杂、有机物及含水量高，填埋体生化、液气环境多变，导致生化相变过程十分复杂，这是产生城市环境灾害的根源。通过液气运移改善生化降解环境是实现污染物减量化、填埋气资源化的关键途径。因此，城市固废物生化相变及固液气相互作用是实现城市环境灾害源有效调控的关键科学问题。在填埋场复杂环境下，城市固废可降解有机物和可溶态无机物会发生耦联的生物、化学反应，部分固相转化为可迁移的液相和气相，引起骨架结构变化及力学、液气传导等工程特性衰变，并产生富含重金属、有机污染物的渗沥液及富含温室气体CH4、CO2的填埋气，生化相变产生的液气在填埋体内固-液-气-化-热耦合作用下相互驱替、耦合运移。通过该科学问题的研究，揭示城市固废生化相变机理及效应，获得最佳降解环境，建立生化相变过程动力学模型，揭示液气运移规律，发展液气调控降解环境的方法，科学描述力、液、气、热时空分布，是填埋体快速降解及城市环境灾害源主动调控的基础。 （2）填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化 为节约土地资源，我国填埋场将向高、大、陡和大型集约化方向发展，现有填埋场高度已超过100m，一旦发生失稳流滑灾害，将造成严重的生命财产损失。而且，流滑灾害同时致使有毒性渗沥液和填埋体大面积泄露，直接造成严重的城市区域地表环境污染。我国城市固废组成松散、容重较低、生化相变导致工程性质随时空变化显著；另一方面，我国是多地震国家，近年来极端气候频发，地震、强降雨及液气调控均可能导致填埋场失稳流滑。因此，开展填埋场液气诱发静动力灾变及时空演化的研究，是城市固体废弃物安全填埋亟待解决的关键科学问题。填埋体局部处于高液气压力下，在外界因素（如强降雨、渗沥液回灌、地震等）作用下，极易引起液气压力的进一步上升而造成局部灾变（包括液化、塑性破坏、物理和化学爆炸、管涌等），由此引起的应力场、渗流场重分布导致灾变渐进演化，并最终诱发填埋体发生滑坡，在一定场地条件下，甚至演化为流滑。通过该科学问题的研究，建立典型城市固废静、动力本构模型，揭示不同触发因素和高液气压力条件下填埋场的破坏机理及演化机制，揭示流滑产生机理，建立基于破坏模式的稳定评价和流滑灾害评估方法，为填埋体失稳预警预报和灾害评估、安全防控提供科学依据。 （3）填埋场液、气和污染物击穿屏障机理 我国城市固体废弃物填埋场渗沥液渗漏事故屡次发生甚至长期污染周边地下水土环境，填埋气及其携带的痕量污染物可能在城市大气环境中扩散造成城市空气污染，加剧温室效应。填埋场防污屏障和覆盖屏障是阻隔污染源（渗沥液、填埋气）向周围环境传播的最重要防线。液气污染物在渗流场、浓度场作用下击穿屏障过程中，产生渗流-扩散、吸附-解吸、氧化-还原及降解等作用，当屏障在长期服役过程中产生薄弱环节（粘土开裂，土工膜破洞）时，产生优势流击穿屏障。污染物击穿屏障后，将在城市地下环境和大气环境中迁移扩散。通过该科学问题的研究，揭示土颗粒与污染物间界面的物理、化学及生物相互作用机理，揭示液、气和污染物击穿屏障及优势流产生机理，建立填埋场屏障长期服役性能的评价方法，为填埋场污染城市环境预警预报奠定基础。 （二）项目主要研究内容 围绕上述关键科学问题，展开三个层面的研究：(1) 机理层面：城市固废生化相变效应、不同触发因素和高液气压条件下填埋场的失稳和流滑机理、土颗粒与污染物间界面的多因素相互作用机理及液、气和污染物击穿填埋场屏障机理；(2) 理论与方法体系层面：建立营造填埋体最优降解条件的液气运移系统化调控方法，发展各种失稳破坏模式的分析方法，建立填埋场屏障长期服役性能分析方法，建立填埋体城市环境灾害的预警和预报方法；(3) 应用层面：以北京、上海和成都等不同地理区域和不同阶段填埋场为示范工程和试验基地，现场验证并完善填埋场城市环境灾害机理和可持续防控体系。具体研究内容如下： （1）城市固废物-化-生相变及填埋体多场相互作用 针对我国城市固废的特点，研究不同降解环境下城市固废生化相变机理，测试与分析相变过程中微生物、物化条件与固相质量损失的交互关系，揭示液、气和污染物产生规律，建立生化相变全过程动力学模型；研究相变过程中城市固废工程特性的衰变规律，建立降解龄相关的液气传导本构模型及应力-应变本构模型。研究多场耦合作用下填埋体内渗沥液、填埋气运移与分布规律，建立填埋体非线性固-液-气-化-热相互作用瞬态模型，揭示液气时空分布对填埋体污染物运移及演变与沉降的影响规律，建立营造填埋体最优降解条件的液气运移系统化主动调控方法。 （2）填埋场失稳流滑机理及灾害评估方法 研究不同生化相变状态下城市固废静动力特性、多场环境下典型屏障界面的强度特性，建立静、动力本构模型。研究高液气压条件下