固体废弃物填埋场渗流数学模型研究-饱和.docx

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固体废弃物填埋场渗流数学模型研究

饱和

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论文导读:：本文对固体废弃物填埋场建立了二维饱和－非饱和渗流数学模型，对固体废弃物填埋场内部渗流场进行了研究。在以总压力水头为未知量的多孔介质三维饱和－非饱和渗流方程基础上，将饱和、非饱和区域视为一个整体来进行研究，建立了以显式格式和有限体积法（FVM）为基础的二维饱和－非饱和渗流模型，并运用于深圳市下坪固体废弃物填埋场内部渗流场的计算。

论文关键词：填埋场，饱和，非饱和，渗流，有限体积法

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1引言

由于经济快速发展，城市化扩大，居民消费水平日益提高，我国城市垃圾处置及污染防治已成为环境保护的突出问题。其中有关固体废弃物污染地下水的事故屡有发生。］渗滤液对含水层的影响不仅限于表层，而且能影响到60m深的范围。渗滤液污染地下水的另一个特点是持续时间长，据研究报道，垃圾填埋场在封场后生物分解过程还会持续10～20年［1］饱和，在封场后70～上百年的时间仍可能有渗滤液的渗出。一旦地下水源和周围土壤被污染，想用人工方法实施再净化，技术上将十分困难，其费用也及其昂贵中国论文下载中心。

目前,国内外计算渗滤液的方法多为水量平衡法[2]，但该法没有考虑填埋场内水分的运动过程，计算出的渗滤液量偏高。本文基于地下水水力学理论，建立填埋场渗流数学模型，研究渗滤液产量的规律。

2埋场饱和－非饱和渗流数学模型

2.1饱和―非饱和地下水运动基本控制方程

首先建立一个描述整体区域的正交笛卡儿坐标系，垂直向上。对于任意一种透水介质，设其空间三个正交主方向的透水系数为，下标组成空间任意局部正交坐标系。在局部坐标系下，地下水流动的达西定律可表示为

（公式1）

式中，分别为方向的流速分量；为总土水势，；为总土水势对于局部坐标的导数。经过转化及利用连续条件饱和，可以得到在整体坐标系下非均质非定常渗流方程为

（公式2）

方程（公式2）为饱和－非饱和地下水流动的基本控制方程。为时间，为透水介质的孔隙率，为含水率，为比储流系数（＝），为比水分容量,为系数（，饱和区；，非饱和区），为渗透系数，可表示为

（公式3）

这里，为式（公式3）定义的整体笛卡儿坐标下的介质在饱和状态下的渗透系数，只与土质的特性有关，与孔隙压力状态无关；为相对渗透系数，是孔隙压力水头和含水率的函数[3]。

2.2数值求解

本文考虑的是垂向二维问题，且认为固体废弃物是各向同性的。因此饱和－非饱和地下水控制方程简化为：

（公式4）

本文利用有限体积法求解饱和，经过简化，则得到最后的离散方程

（公式5）

本文采用有结构网格，采用显式格式计算。

2.3计算参数处理

在实际工程中，，的函数关系一般是以试验离散点的形式给出，它们的函数关系可由离散点线性插值得来；的线性插值造成阶梯状，在计算中将产生振荡，本文采用文献中对的处理方法[4]：

式中：为本时间步的压力水头，为上一时步的压力水头；

当时，，由的离散点线性插值；

当时，。

采用上述方法可有效的消除数值计算的振荡中国论文下载中心。

3模型验证

3.1计算条件

下坪固体废弃物填埋场位于深圳市布吉镇的上坪和下坪狭窄山谷中，三面环山，占地2240亩饱和，总库容约3000万立方米。主要处理罗湖、福田两区的城市生活垃圾。由于填埋场的整个区域比较规则，故选用矩形网格（图1）。

图1计算区域网格图

Fig1Thegridofsimulationarea

3.1.1初始条件

填埋场内部初始时刻为非饱和态，初始由重力势和基质势组成，基质势根据含水率由土壤水分曲线确定。由于缺乏固体废弃物水分曲线的实测数据，故本文根据固体废弃物的各种物理性质和别的土壤进行比对，选取类似的曲线来确定固体废弃物含水率和基质势的关系（图2）。

图2含水率和基质势关系图

Fig2Therelationofwater-contentcoefficientandmatrixsuction

3.1.2初始条件

边界条件为第二类边界条件，上边界条件为深圳市丰水年最大月降雨量、垃圾渗滤液最大月产生量、蒸发量；下边界条件为实测渗滤液最少排放量；左右边界均为零流量。

3.1.3水相渗透系数的确定

本文非饱和带水相的渗透系数系查阅资料而定。渗透系数和基质吸力的关系见图3。

图3渗透系数与基质吸力的关系

Fig3Therelationofpermeabilitycoefficientandmatrixsuction

饱和带的渗透系数由试验所得。

3.2计算结果

假定降雨历时为24小时[5]，利用上述水分曲线和渗透系数与基质吸力的关系图，计算填埋场内部的总压力等值线图，结果见图4～图6。

图4填埋场总压力等值线图（t=1.5天）

Fig4Thecontourmapoftot