垃圾填埋场腾发覆盖研究进展

张 平，吴 昊

（沈阳大学 建筑工程学院，辽宁 沈阳 110044）

随着城市规模逐渐扩大，垃圾数量也急剧增加，引起的污染问题日益突出，特别是对地下水和土壤污染十分严重，对垃圾填埋场的控制和治理工作日益紧迫起来.由于受传统处理方法和经济水平等因素的制约，我国的生活垃圾主要是利用城市周边地区的一些沟谷、凹地等进行简单填埋处理.今后一段时期内部分垃圾填埋场将面临封场，封场后将会面临对周边地区的土壤、水体和大气造成长期污染及填埋气体发生火灾和爆炸的危险，必须做好安全处理.

覆盖系统是垃圾填埋场的一个关键组成部分，覆盖系统要求最大程度地降低降水入渗量，防止垃圾渗沥液对周围土壤和地下水的污染.综观国内外垃圾填埋场处理工程，实践证明传统的屏障式覆盖系统工作一段时间后，由于各种原因都会产生不同程度的渗漏问题.我国一些城市垃圾卫生填埋多采用黏土层覆盖以减少降水入渗和防止污染液渗漏，一般压实黏土的渗透系数大于10－7cm／s，达不到卫生填埋的要求；有些填埋场采用土工膜防渗，一般土工膜接缝质量较差，垃圾不均匀沉降会引起土工膜破损或架空，造成覆盖层渗漏，并且破损的土工膜阻碍了垃圾水分蒸发和渗沥液的耗散；压实黏土与土工膜相结合的屏障层防渗效果稍好，但工程造价高.

目前国外最新的垃圾填埋场渗沥液控制理念是通过覆盖层土壤蒸发和植物蒸腾来调节降水入渗，最大限度地降低渗沥液排放量，达到控制污染的效果.20世纪末期美国研发出屏障型覆盖的替代形式——腾发覆盖（evapo－transpiration cover，即ET Cover）.腾发覆盖系统是通过二个自然过程控制渗沥液污染，即利用覆盖土壤层滞蓄降水入渗，通过植物的蒸腾和土壤的蒸发（合称腾发）消耗滞蓄在土壤层中的水分.采用腾发覆盖系统不仅绿化周围环境和防止雨水冲蚀覆盖层，而且比传统覆盖方法控制渗滤液效果好.腾发覆盖只是采用单一土层滞蓄降雨入渗维持植物生长，无需水力屏障层，因此使得覆盖系统结构简单，对覆盖土质要求也较低，可就地取材，降低了工程费用，而且还具有工作时间长和抗干燥开裂等优点，该系统特别适用简易垃圾填埋场的封场治理.对目前还没有采取覆盖措施或者屏障层已失效的简易垃圾填埋场和垃圾堆放场进行整治，只需在垃圾场屏障层上覆盖合适厚度的当地土壤，种植适宜当地气候条件生长的植物，就能以低廉的费用达到有效控制污染的目的，投资少，处理效果好.

1 国外研究现状

长期以来，传统的屏障式覆盖系统是垃圾填埋场所采用的主要防渗措施.美国《资源保护和恢复法案》规定了干旱地区的城市固体垃圾场的覆盖结构是由垫层、屏障层、植草土层组成.其中屏障层可以是压实黏土、土工膜、人工合成黏土，或者是这些材料的组合.人们在垃圾填埋场覆盖层上种草植树最初目的是防止雨水冲刷覆盖层土壤和改善生态 环境.Nyhan等［1］、Sala 等［2］研 究 发现有植草的填埋场蒸腾耗水强度远大于裸土的蒸发强度.Hauser等［3］、Waugh等［4］为探究影响植物蒸腾的因素和腾发覆盖技术的可行性，深入开展了这项研究工作.为了推广和完善ET 覆盖技术，美国环保署在1997 年主办了垃圾填埋场整治技术发展论坛，大力资助腾发覆盖技术的试点研究工作.美国州际技术与规章协会于2001年制定了应用腾发覆盖技术进行填埋场整治的实施导则.近年来在美国国家科学基金会、能源部、环保署及民间人士的支持下，腾发覆盖技术的研究与应用有了更加深入的发展.Scanion 等［5］通过试验研究德克萨斯州垃圾填埋场应用ET 覆盖技术，得出植物的覆盖层在水量平衡中起关键作用，随着植物覆盖比例的增加覆盖层土壤含水量迅速减小的结论.Dwyer［6］在美国新墨西哥州进行了ET 覆盖系统的试验，得出ET 覆盖系统在干旱、半干旱地区能够蒸腾耗散降雨入渗量的99%.Albright等［7］通过调查美国加利福尼亚州、内布拉斯加州、俄勒冈州等多个采用ET 覆盖系统的垃圾填埋场，发现ET 覆盖系统能够有效地控制降雨入渗，在降雨量为120～435mm的干旱、半干旱地区，多年平均降雨入渗量仅为1.5mm／a，并进一步研究了ET 覆盖系统在湿润地区应用的可能性.Wayllace［8］应用数值分析方法探讨“人造土”作为ET 覆盖系统覆盖土的可行性.Malusis等［9］使用蒸渗仪监测腾发覆盖的耗水效果.Dwyer等［10］通过试验探讨ET 覆盖系统的有效结构模型.Zornberg 等［11］采用一维饱和、非饱和土壤水运动理论模拟垃圾填埋场腾发覆盖的水的运动规律，优化腾发覆盖层结构.

2 国内研究现状

21世纪以来，我国科技工作者也逐渐认识到腾发覆盖技术的优越性，但目前我国的技术还处于实验模拟阶段，没有应用于工程实践.张文贤等［12］从腾发覆盖入渗、蒸散发生机理、水量平衡模型、数值模型等方面对ET 覆盖技术进行系统总结，并提出了今后研究方向.王康等［13－14］通过试验研究了ET 覆盖系统覆盖层水动态模拟方法，探讨了ET 覆盖系统入渗控制效果，得出无植物覆盖入渗水量是有植物覆盖入渗水量的2.1倍，植物更有效地调节覆盖层水分，在覆盖层水均衡动态中起重要作用.张文杰［15］从ET 覆盖系统的入渗机理出发，依据Penman 理论计算潜在腾发量，通过分析计算地表蒸发量和径流量、植被蒸腾量，求得净入渗量，并以净入渗量为边界条件，建立ET 覆盖系统的非饱和渗流计算模型，分析ET 覆盖系统的水分运移规律，得出腾发的关键部位在植被根系发育区.陆海军等［16］通过分析研究传统屏障型覆盖与腾发覆盖两种系统工作机理，得出ET 覆盖系统明显优于传统屏障型覆盖系统.屏障型覆盖系统不能有效地补充水分，水分的补给受边界的降水和蒸发影响较小，特别是压实黏土层与垃圾层之间的温差会造成覆盖层水分流失而导致覆盖层开裂.而ET 覆盖系统克服了传统覆盖系统的不足，距补给边界越近，降水、蒸发对覆盖层含水率的影响越明显，且随着深度的增加出现明显的峰值滞后现象，该研究成果为干旱、半干旱地区应用ET 覆盖系统提供了理论依据.张文杰等［17］对ET 覆盖系统又进行了深入研究，依据苏州地区气象资料，分别建立了毛细阻滞型和单一土层型两种ET 覆盖系统的非饱和渗流计算模型，分析研究其覆盖系统的水分运动规律，得出蓄水—释水循环主要发生在植被根系发育区，两种ET 覆盖系统减少降雨入渗的性能均优于传统屏障式系统，且毛细阻滞型ET 覆盖系统优于单一土层型，ET 覆盖系统适用于我国“长三角”地区.

3 研究方法

垃圾填埋场腾发覆盖技术是一项综合多学科的技术，其理论知识包括植物学、气象学、化学、水文地质学和工程学等，并需计算机技术支撑.水流运动是各种污染物质迁移的直接动力，因此在垃圾填埋场研究方法中都必然包括有关水流运动的模拟［18］.模拟腾发覆盖层水分运动的模型主要可以归纳为水量平衡模型和数值模拟模型.

美国陆军工程师水道实验室研发的填埋场水文评价模型（HELP）为典型的水量平衡模型.该模型计算降雨在覆盖层表面产生的径流量及覆盖层的入渗水量，考虑了覆盖层蒸发、植物蒸腾消耗的水分、覆盖层土壤含水率变化及地下水侧向运动产生的水量变化等水量平衡因素，在已确定覆盖层土壤和覆盖层结构以及填埋场地点的气象特点等条件下，加入可接受的假设值与近似值，根据水量平衡原理即可模拟计算渗滤液产量.HELP为准 二 维 模 型（quasi－two－dimensional）.水 量 平衡模型还包括FILL（flow investigation for landfill leachate）模型等.数值方法是通过求解Richard方程模拟覆盖层土壤水分动态过程，此外还有一些模型，如UNSAT－H 模型是通过求解Fourier方程来模拟覆盖层土壤热流.任意结构的腾发覆盖系统可通过数值模拟方法了解渗沥液控制效果.采用数值模拟既能与试验结果相互验证，又能弥补试验数据的不足.

渗滤液控制研究多采用室内实验分析、室外腾发覆盖试验模拟.在已有气象、水文、植物及土壤等相关数据的基础上，进行土样、水质分析，筛选适宜植物，研究试验小区不同植被、覆盖层结构组合条件下的土壤水分动态过程和渗滤发生机理.室外腾发覆盖层渗滤液控制研究，通常选取当地松散的土壤为表层土，选取黏土或粉质黏土为下部分层压实屏障层.在覆盖土层的不同深度埋设测量土壤含水率的设备，并在覆盖层和垃圾层的交界面设置多组渗滤液收集装置.选择几组试验点，分别在地表以下多处埋设张力计，测定相应剖面位置的土壤水势.选择不同植物覆盖和不同覆盖土层结构等条件下渗滤液控制对比试验.另外，试验期间在测定土壤蒸发量的同时，还要定期测定植物密度、叶面积指数及植物冠层高度等植物生长状况.

4 研究方向

在我国，近年来人们才开始进行腾发覆盖技术基础知识的研究，但对腾发覆盖层中水汽运动规律的研究还不系统，多数研究的重点是建立模型和试验模拟来证明该技术的可行性，并没有进行深入细致地研究腾发覆盖的植物及其土壤土质.虽然研究者通过实验验证了植物生长有助于减少渗沥液，但是人们对于覆盖植物蒸散作用机理的认识还比较有限，对如何选择适合当地条件的植物、土壤以及确定最佳覆盖层厚度仍然缺乏理论依据.目前腾发覆盖技术的研究注重覆盖层的水量平衡过程，以及植物腾发与降雨的耦合作用效果.此外，大多数试验研究和数值计算是假设入渗覆盖层的水流为均匀基质流［19］，而实际上土壤中的流动以非均匀运动为主，非均匀流动的渗沥作用机理和水均衡动态与均匀流动完全不同［20］.该技术的研究还需考虑温度对土壤水分的影响和系统误差等.

在未来，腾发覆盖研究应重点关注以下几个方面：

（1）研究不同气候、不同植物类型组合等条件下，垃圾填埋场腾发覆盖层水分运动变化机理.

（2）研发有效控制垃圾填埋场渗滤液的腾发覆盖结构形式，优选适合当地条件的植物种类及种植布局.

（3）建立适宜当地气候条件的垃圾填埋场腾发覆盖系统简易计算模型.

（4）研究ET 覆盖系统在不同地区的适用性和覆盖系统的渗滤液控制性.

（5）制定ET 覆盖技术相关的技术规范，为该技术的实际应用提供法律依据.

5 结 语

ET 覆盖技术是一种可行、经济合理、能保持良好生态环境的新型技术，具有广阔的应用前景.相关部门应加大研究力度，将ET 覆盖技术尽快应用到工程实例中，并根据工程经验制定相应的技术规范.

［1］Nyhan J W，Hakonson T E，Drennon B J.A Water Balance Study of Two Landfill Cover Designs for Semiarid Regions［J］.Journal of Environmental Quality，1990，19（3）：281－288.

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