1 引言(Introduction)

土工膜(GM)和压实粘土衬垫(CCL)或土工复合膨润土垫(GCL)组成的复合衬层目前被广泛应用到固体废物填埋场防渗系统中(谢海建等, 2006).完好的土工膜对渗滤液中大部分无机污染物的防渗效果很好(El Zein et al., 2008).然而在填埋场实际条件下, 高密度聚乙烯(HDPE)土工膜的缺陷往往无法完全避免.一旦土工膜出现缺陷, 渗滤液中的污染物会以渗漏方式在复合衬层中运移, 进而对填埋场周围土壤和地下水产生污染风险(詹良通等, 2011; 谢海建, 2008; An et al., 2013; Foose, 2010).因此对污染物通过复合衬层的运移规律进行研究, 预测污染物可能对周边环境造成的危害具有重要的意义.

目前污染物通过复合衬垫运移的模型研究主要针对无机污染物和有机污染物2种情形分开进行(谢海建, 2008).无机污染物主要通过复合衬垫中的缺陷, 发生一定范围的水平迁移, 然后在CCL或GCL中向下迁移；有机污染物除了在缺陷处迁移外, 还有一部分先通过完好土工膜扩散, 然后在CCL或GCL中扩散(Foose, 1997).因此, 对于以重金属为特征污染物的危险废物填埋场而言, 土工膜缺陷是造成或加剧复合衬层失效的重要因素.但是现有规范及标准中仅对防渗系统厚度和渗透系数等参数提出要求(陈云敏等, 2016), 对于土工膜出现缺陷后, 复合衬层性质、填埋场渗滤液水头、污染物的种类和浓度等对防渗系统的影响考虑较少.

针对上述问题, 本文在已有研究的基础上, 选取我国危险废物填埋场次防渗层采用1 mm HDPE土工膜和0.5 m CCL组成的复合衬层为研究对象, 采用经验公式以及解析方法计算了复合衬层的渗漏率并分析了渗漏率的影响因素, 采用一维污染物对流扩散运移方程分析计算了重金属污染物在有缺陷的复合衬层中的运移过程及影响因素.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 危险废物填埋场防渗系统

根据我国《危险废物填埋污染控制标准》(GB18598-2001, 2001) 和《危险废物安全填埋处置工程建设技术要求》(HJ/T176-2005, 2005), 填埋场防渗系统应以柔性结构为主, 且柔性结构的防渗系统必须采用双人工衬层, 其典型结构见图 1a.主防渗层其防渗材料为2 mm HDPE土工膜, 膜上下采用无纺土工布作为保护层.次防渗层为1 mm HDPE土工膜和0.5 m CCL组成的复合衬层.其中HDPE土工膜的渗透系数不大于1×10^-12 cm·s^-1, CCL的渗透系数不大于1×10^-7 cm·s^-1.

次防渗层作为填埋场防渗系统最后一道屏障, 直接决定了防渗系统的防渗性能.因此, 本文选取次防渗层采用的典型复合衬层结构进行计算.

2.2 研究方法 2.2.1 复合衬垫渗漏率计算方法

渗滤液流经复合衬层缺陷包含3个过程(Foose et al., 2001)(图 1b)：① HDPE土工膜缺陷处的出流；② 土工膜与下伏土壤衬层界面之间的侧向流；③ 土壤衬层中的竖向流.目前复合衬垫渗漏率的计算方法主要有经验公式、解析法及数值方法(Foose et al., 2001; Rowe, 2005; Rowe, 1998).

对于圆孔型缺陷, 采用Giroup的半经验公式计算, 其渗漏率计算公式为(Rowe, 1998):

(1)

式中, h_w为GM膜上渗滤液水位(m)；a为缺陷截面积(m²)；K_s为GM下伏介质的饱和渗透系数(m·s^-1)；L_s为GM下伏介质的厚度(m)；β_c为界面接触系数.对于裂缝型缺陷, 采用Foose在Rowe解析方法基础上的改进公式(Foose, 2001), 其单位长度渗漏率Q_l为：

(2)

式中, h_f为复合衬垫总损失水头(m)；F_l为无量纲流量因子.其中F_l计算公式为：

(3)

式中, b为缺陷宽度(m)；T为界面导水系数(m²·s^-1).其中导水系数T表示水流通过土工膜和下伏介质接触面侧向流动的难易程度, T越小表示接触越好, 侧向流量越小(谢海建等, 2011).

本文采用上述方法分别计算圆孔型缺陷以及裂缝型缺陷的渗漏率.对于圆孔型缺陷, 界面接触较好和接触较差条件下, 系数β_c取值分别为0.21与1.15, 对应导水系数T分别为1.6×10^-8 m²·s^-1与1.0×10^-7 m²·s^-1(Foose, 2001).对于裂缝型缺陷, 其界面T取值分别为1×10^-9 m²·s^-1和7×10^-9 m²·s^-1(Foose, 2001).

2.2.2 污染物通过复合衬垫运移分析方法

渗滤液中的无机污染物主要通过HDPE土工膜缺陷处渗漏并通过复合衬层运移.由于GM土工膜很薄(1~2 mm), 污染物通过其的运移往往很快.因此可假设污染物通过GM土工膜时浓度不发生变化.

污染物在GM下伏土壤介质中的运移采用一维对流扩散方程, 并考虑介质中的吸附作用(何俊等, 2009；张文杰等, 2008)：

(4)

式中：C(z, t)为任意时间t及任意坐标z处的污染物浓度(mg·L^-1)；D^*为污染物通过介质的有效扩散系数(m^2·s^-1)；R_d为介质的阻滞因子, 无量纲；v_s为水流通过土体的实际渗流速度(m·a^-1).其中v_s可根据复合衬层渗漏率, 过水断面面积以及土体孔隙度确定.假设污染物在介质中的背景浓度为0, 模型的初始条件为：

假设渗滤液浓度C₀保持不变, 则上边界条件为：

复合衬层的下边界假设为半无穷边界, 即：

在以上的初始条件和边界条件下, 根据Laplace变换, 式(4) 的解析解为：

(5)

其中：

2.3 参数选取

根据Rowe等的建议, 初步设计和评价时次防渗层中的渗滤液水位可假设为0.03 m(Rowe, 2005).因此, 本文以0.03 m渗滤液水位作为填埋场运营时的低水位工况.由于现有危险废物填埋场相关规范及标准中未对渗滤液水头作出要求, 参考《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》(GB50869-2013, 2013) 中要求填埋场运行时渗滤液水头不应大于0.3 m, 本文将次防渗层中的渗滤液水位设置为0.3 m作为高水位工况.基于上述2种不同工况, 本文分析了次防渗层采用的复合衬层发生缺陷时的渗漏率及污染物运移过程.

2.3.1 渗漏率计算参数

由于HDPE土工膜在铺设施工和填埋操作条件下, 容易发生穿刺、拉裂等破坏, 产生圆孔型、裂缝型和裂纹型等缺陷(何俊等, 2009).Colucci等(Colucci et al., 1995)的调查表明土工膜缺陷中的50%其截面积小于100 mm²(半径小于5.64 mm).针对典型圆孔型缺陷, 参考Rowe的研究(Rowe, 1998)定义小漏洞和大漏洞其缺陷半径分别1 mm和5.64 mm.对于裂缝型缺陷, 参考Foose等的研究(Foose et al., 2001)确定典型裂缝缺陷尺寸为宽度2 mm, 长度1 m.根据我国填埋场漏洞密度的调查结果(徐亚等, 2015), 确定次防渗层HDPE的漏洞密度为20个·hm^-2.对于裂缝型缺陷, 次防渗层土工膜单位面积裂缝长度的取值参考Rowe的研究(Rowe, 2005)确定为200 m·hm^-2.

2.3.2 污染物运移参数

何小松等对我国16个危险废物填埋场渗滤液中的污染物种类以及浓度进行了分析, 其结果见表 1(何小松等, 2012).根据污染物在填埋场中的分布数量, 毒性大小以及土壤中的迁移能力, 确定重金属Zn、Cu、Cr、Ni、Pb、Cd、Hg及类金属As作为填埋场渗滤液主要特征污染物.

由于现有关于污染物在衬垫系统中的运移参数研究还不够完善, 部分污染物运移参数难以选取, 因此本文选取渗滤液特征污染物中运移参数研究较为充分的Cd²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺ 4种重金属离子进行分析计算.其扩散系数及阻滞因子等运移参数(表 2)参考谢海建, 朱伟等的相关研究(谢海建等, 2010; 朱伟等, 2016).以我国16个危险废物填埋场渗滤液中重金属Cd²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺的平均浓度及最高浓度分别作为初始浓度.由于渗滤液击穿防渗系统后会对周边土壤以及地下水产生污染, 因此将《地下水质量标准》(GB/T14848-93, 1993) 中以人体健康基准值为依据的Ⅲ类水准限值作为击穿浓度(表 5).

3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 不同缺陷渗漏率比较

本文针对HDPE土工膜不同缺陷以及不同渗滤液水位条件, 分析了次防渗层采用的典型复合衬层的渗漏率, 其结果见表 3和表 4.计算中考虑了复合衬层界面接触条件的影响.

计算结果表明, 复合衬垫界面接触条件, 渗滤液水位的变化以及缺陷类型均对渗漏率的变化产生重要的影响.对于圆孔型缺陷及裂缝型缺陷, 相同渗滤液水位条件下, 接触较差的渗漏率分别为接触较好时的5.48倍与2.64倍.这说明复合衬层渗漏率随界面导水系数增大而增大.当复合衬层界面接触较好时, 渗滤液水位从0.03 m增加到0.30 m, 圆孔型缺陷及裂缝型缺陷其对应渗漏率分别增大到8.37倍与3倍.这说明复合衬层渗漏率随渗滤液水位升高而增大.以渗滤液水位为0.3 m以及复合衬垫界面接触较差作为最不利条件, 对于半径为5.64 mm圆孔型缺陷, 缺陷密度为20个·hm^-2时复合衬层的渗漏率最大将达到22.7 m³·a^-1·hm^-2；对于宽度为2 mm长度为1 m的裂缝型缺陷, 单位面积裂缝长度为200 m·hm^-2时, 其渗漏率最大将达到42.5 m³·a^-1·hm^-2.

3.2 污染物迁移过程

基于污染物通过复合衬层运移的解析解, 采用Matlab编程计算了重金属Cd²⁺通过圆孔型缺陷时复合衬层中污染物浓度分布.图 2给出了0.5、1、3、5、10、15 a时压实粘土不同深度处的污染物浓度, 各曲线显示了污染羽向下逐步扩展的过程.计算中渗滤液水位设置为0.3 m, HDPE土工膜缺陷为圆孔型缺陷其半径为5.64 mm.

随着污染物在复合衬层中的迁移, 污染物在复合衬层底部的浓度会逐渐增大.当污染物在复合衬层底部的浓度大于规定的击穿浓度时, 即认为复合衬层被击穿.本文将污染物击穿复合衬层所经历的时间定义为击穿时间.

3.3 重金属污染物的击穿过程与指示性重金属

在复合衬层渗漏率相同的条件下, 污染物的击穿时间受到污染物的初始浓度、规定的击穿浓度、有效扩散系数及阻滞因子共同影响.本文以缺陷宽度为2 mm, 长度为1 m的裂缝为例, 在复合衬层界面接触较差及渗滤液水位0.3 m条件下, 分别计算了重金属Cd²⁺、Zn²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺以平均浓度和最大浓度作为初始浓度情景下的击穿时间(表 5).计算结果表明, 以平均浓度作为初始浓度时, 重金属Cd²⁺的击穿时间最短为1.64 a.而以最大浓度作为初始浓度时, 重金属Cd²⁺, Cu²⁺的击穿时间较为接近.即在众多重金属污染物同时穿越防渗系统进入地下环境时, 重金属Cd²⁺一旦达到击穿浓度, 可以认为防污系统已经被击穿.因此, 本文将重金属Cd²⁺作为指示性重金属污染物.

3.4 污染物击穿复合衬层分析

对于同一污染物以及相同的复合衬层结构, 污染物的击穿时间只受到渗流速度的影响.根据表 3结果, 对于圆孔型缺陷, 缺陷尺寸对渗滤液在复合衬层中的渗流速度影响很小.因此, 缺陷尺寸对污染物击穿复合衬层的时间影响也相对较小.本文以缺陷半径为5.64 mm的圆孔以及缺陷宽度为2 mm长度为1 m的裂缝为例, 在复合衬层渗漏率的基础上, 比较分析了在0.03 m及0.3 m渗滤液水位下指示性重金属Cd²⁺在次防渗层中的击穿时间(表 6).计算中重金属Cd²⁺的初始浓度为1 mg·L^-1.

图 4和图 5分别为0.03 m和0.3 m渗滤液水位作用下, 不同界面接触条件及不同缺陷时的Cd²⁺击穿曲线.对于圆孔型缺陷, Cd²⁺在次防渗层中的击穿时间受复合衬层接触条件的影响不大.对于裂缝型缺陷, 在0.03 m渗滤液水位作用下, Cd²⁺在界面接触较好及较差时的击穿时间分别为1.92 a与1.78 a.因此, 对于裂缝型缺陷, 界面接触条件较差时, 污染物击穿复合衬层的速率会更快.在接触条件较好且渗滤液水位均为0.03 m时, 半径为5.64 mm圆孔型缺陷其击穿时间是宽度为2 mm长度为1 m的裂缝型缺陷的1.42倍.这说明当复合衬层中的HDPE出现缺陷时, 污染物通过典型裂缝型缺陷击穿复合衬层的速率更快.通过对比图 3, 在相同接触条件以及相同缺陷条件下, 渗滤液水位越高, Cd²⁺击穿复合衬层的时间越短.

4 讨论(Discussion)

击穿时间是衡量填埋场衬垫系统防渗性能的主要参数.根据上述分析结果, 在相同界面接触条件以及渗滤液水位下, 重金属Cd²⁺通过典型裂缝型缺陷击穿复合衬层的时间相较于典型圆孔型缺陷更短.因此, 缺陷类型为裂缝, 高渗滤液水位以及界面接触较差可以作为评价复合衬层防渗性能的最不利条件.在最不利条件下, 重金属Cd²⁺的击穿时间最短为1.64 a.这说明一旦HDPE土工膜出现缺陷, 1 mm HDPE和0.5 m CCL组成复合衬层对污染物的防渗作用将大大削减.根据前面的研究可知, 对于同一种污染物, 其击穿复合衬层的时间主要受到有效扩散系数D^*, 渗流速度v_s, 阻滞因子R_d以及土壤衬层厚度的影响.因此, 可通过改变土工膜下伏土壤衬层的性能或增加土壤衬层厚度延缓污染物击穿时间.

4.1 土壤衬层性能对击穿时间的影响

以1 mm HDPE和0.5 m CCL组成的复合衬层为基础, 通过改变有效扩散系数D^*、渗流速度v_s及阻滞因子R_d这3个参数, 设置7种情景.在最不利条件下, 采用式(5) 计算得到不同情景下Cd²⁺的击穿曲线.

图 4a为情景1、2、3下的Cd²⁺击穿曲线.在相同有效扩散系数和渗流速度条件下, 阻滞因子R_d为1.64、3.50及6.94对应的击穿时间分别为1.64、3.42、6.85 a.随着土壤衬层吸附能力的增强, 污染物击穿时间能够得到延长.因此, 采用吸附性能好的土壤衬层可有效延缓污染物击穿时间.图 4b为情景1/4/5下的Cd²⁺击穿曲线.在相同阻滞因子及渗流速度条件下, 有效扩散系数1.76×10^-10、9.00×10^-11、2×10^-11 m²·s^-1对应的击穿时间分别为1.64/2.05/2.60 a.根据图 4b, 击穿时间随有效扩散系数的减小而增长, 但其变化的幅度较小.理论上, 可通过对土壤衬层改性来减小污染物离子的扩散效应, 以延缓污染物击穿时间.图 4c情景1、6、7下的Cd²⁺击穿曲线.在相同有效扩散系数和阻滞因子条件下, 渗流速度为0.2521、0.1260、及0.0124 m·a^-1对应的击穿时间分别为1.64、2.47、4.93 a.击穿时间随着渗流速度的减小而增长.渗流速度主要受到土壤衬层的渗透系数以及渗滤液水位的影响.因此, 通过减小土壤衬层的渗透系数可有效延缓污染物击穿时间.

4.2 土壤衬层厚度对击穿时间的影响

图 5比较了重金属Cd²⁺在0.5、1及2 m厚的CCL与GM组成的复合衬层中的击穿曲线.在最不利条件下, 土壤衬层为0.5、1及2 m对应的击穿时间分别为1.64、3.97、9.18 a.击穿时间随着土壤衬层厚度增加而增长.因此, 可通过增加土壤衬层的厚度来延长污染击穿时间.

5 结论(Conclusions)

1) 当复合衬层的漏洞密度为20个·hm^-2, 半径为5.64 mm的圆孔型缺陷其最大渗漏率为22.7 m³·a^-1·hm^-2；当单位面积裂缝长度为200 m·hm^-2时, 宽度为2 mm长度为1 m的裂缝型缺陷其渗漏率最大将达到42.5 m³·a^-1·hm^-2.复合衬垫界面接触条件, 渗滤液水位的变化以及缺陷类型均对复合衬层渗漏率的变化产生重要的影响.复合衬层渗漏率随界面导水系数增大而增大, 随渗滤液水位升高而增大.由于缺陷类型以及对应缺陷尺寸与密度均会影响复合衬层渗漏率, 仅就本文定义的典型土工膜缺陷而言, 裂缝型缺陷渗漏率大于圆孔型缺陷.为减少渗滤液渗漏, 在填埋场防渗系统施工工程中, 应严格按照建设规范要求尽可能减少因施工产生的缺陷；在填埋场运营中, 应严格控制渗滤液水位.

2) 重金属污染物击穿复合衬层过程中, 重金属Cd²⁺可以作为指示性污染物, 其击穿时间最长为2.74 a, 最短为1.38 a.这说明一旦HDPE土工膜出现缺陷, 1 mmHDPE和0.5 mCCL组成复合衬层对污染物的防渗作用将大大削减.为增强复合衬层在土工膜出现缺陷后的防渗能力, 对于新建的填埋场, 在填埋场防渗系统设计中可考虑通过改变土工膜下伏土壤衬层的性能或增加土壤衬层厚度.

3) 可通过对土壤衬层改性来增强土层的吸附能力, 减小污染物离子的扩散效应或减小渗透系数从而延缓击穿时间.