好氧修复条件下填埋场沉降模型研究*

厉江锋，陈朱蕾，胡朝辉，曹 丽，唐 睿，赵文阀

（1.深圳市中兰环保科技股份有限公司，广东 深圳 518000；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

好氧修复条件下填埋场沉降模型研究*

厉江锋1，陈朱蕾2，胡朝辉2，曹 丽1，唐 睿1，赵文阀1

（1.深圳市中兰环保科技股份有限公司，广东 深圳 518000；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

通过武汉市金口生活垃圾填埋场好氧修复工程案例研究，对比分析Sower模型、Park生物降解沉降模型、Ling双曲线模型和Yen对数沉降模型的适用性，采用模型参数拟合的方式分析比较了各沉降模型的参数，并采用适宜的沉降模型对本工程案例沉降进行预测。结果表明：生物降解沉降模型相对于其他模型更适用于好氧修复过程沉降预测；Sower模型中Cae参数在好氧修复区为0.004～0.0013，封场区为0.002～0.003。生物降解沉降模型中k参数在好氧修复区范围为0.6～2.1，封场区为0.15～0.45；填埋各区动态沉降速率达到小于5 cm/a需要的时间分别为1.52、1.54、0.15 a，满足场地利用标准。

填埋场；好氧修复；沉降模型；沉降预测；参数拟合

近几年好氧修复技术得到了广泛的关注，学者也对其进行了广泛的研究，但是对修复过程中产生的沉降行为的相关系统研究尚未开展。沉降是导致填埋场修复工程安全的主要原因之一，是评判场地修复后利用途径的限制因素之一，也是衡量场地修复是否达到稳定化的技术指标之一。现有的沉降模型大多是基于不同的沉降理论或者假设的情况下建立的，其模型的适用性具有较大的填埋场类型的选择性［1］，需要对不同类型的填埋场进行模型比较研究，以确定沉降模型和模型参数的选取。在沉降模型的比较研究中，已有学者进行了很好的探索，Fadel等［2］、Park等［1］、Ling等［3］、张莲等［4］均对沉降模型进行了比较研究，并取得一定的成果。现有的降解沉降模型建立方法或是借鉴传统土力学沉降模型建立方法或是先从有机质降解机理出发得到有机质质量降解规律，然后通过质量损失与体积损失关系计算到沉降，或是直接以经验公式形式给出沉降与时间的数学关系式。如：Sower（1973）首次提出了基于土壤动力学基础的填埋场次压缩沉降模型；Park和Lee提出了生物降解沉降模型［5］；Ling等提出了预测填埋场长期沉降的双曲线模型［4］；Yen和Canlon等建立了一个对数沉降模型［6］。常用的沉降模型如表1所示。

表1 常用的填埋场沉降模型

在研究沉降机理的基础上，对上述4个典型的沉降模型进行分析和比较，依据本工程案例对模型的适用性进行比较，并得出模型的相关参数，并对工程案例的沉降进行预测，分析和比较各模型的预测结果。

1 材料和方法

1.1 工程背景介绍

2012年，金口垃圾填埋场所在区域被选定为2015年武汉第10届中国国际园林博览会主会场。金口垃圾填埋场生态修复治理的目标是达到GB/T 25179—2010生活垃圾填埋场稳定化场地利用技术要求［7］中规定的高度利用要求，其中对堆体沉降的要求是：沉降速率＜5 cm/a。

1.2 场地概况

金口垃圾场位于汉口西北郊张公堤外侧，1989年启用，2000年重新进行设计并扩大处理规模，于2005年6月关闭。截至封场时填埋垃圾量累计约为5.0×106m3，填埋场使用期间主要填埋的是生活垃圾和少量的建筑垃圾，

根据填埋场各区域的垃圾填埋时间、堆体特征、堆体稳定化程度等，将垃圾填埋场分成了4个边界明确的区域。分区情况如图1所示。填埋场各区域的基本情况如表2所示。各填埋区垃圾的理化性质如表3所示。

图1 金口垃圾填埋场分区情况

表2 填埋场分区基本情况

表3 各填埋区垃圾的理化性质

1.3 修复工程介绍

本工程中一区和二区采用的是原位好氧修复技术，四区采用的是封场修复技术。其中好氧修复区相关工程建设与运行如表4所示。

表4 好氧修复区相关工程实施建设与运行

1.4 监测数据

在好氧修复区各项指标的监测通过检测井内设置专用仪器仪表，监测井中安装有温度传感器和气体采样接口。主要的监测项目有：垃圾填埋场的温度、垃圾填埋气中氧气浓度、甲烷浓度、二氧化碳等。监测期间共得到有效表面沉降监测点33个，其中一区15个，二区11个，四区7个。

好氧修复区在第8周左右开始沉降，为了进行比较，封场区沉降开始时间设置为第8周。各填埋区沉降量比较如图2所示，从沉降曲线的斜率可知在沉降开始阶段填埋体沉降的速度较快，随后逐步变慢。好氧修复区沉降量明显大于厌氧封场区，而且对于同样处于好氧修复区的一区和二区的沉降过程也是有差异的。填埋一区在监测时间内沉降了38.68 mm，约占堆高的0.42%；填埋二区在监测时间内沉降了237.29mm，约占堆高的1.58%；填埋四区在监测时间内沉降了97.83 mm，约占堆高的0.75%。

图2 各填埋区在监测期间的沉降过程

2 结果与讨论

2.1 沉降模型的研究

通过参数拟合对填埋一区、二区、四区平均沉降数据进行拟合，拟合效果如图3～5所示。

图3 填埋一区模型拟合

图4 填埋二区模型拟合

图5 填埋四区模型拟合

对各模型的拟合参数及模型拟合的相关系数整理如表5所示。从表5可以看出，各模型的拟合程度都比较高，各填埋区拟合的参数相对来说差距不大。从各模型拟合过程的相关系数比较来分析各模型的适用性可得到：按不同填埋区对比可知，生物降解沉降模型对各填埋区拟合效果最好；按不同模型对填埋区的总体拟合参数比较也得出生物降解沉降模型优于其他模型。按各模型对各填埋场沉降拟合效果比较可知，各模型的适用性从大到小为生物降解沉降模型＞双曲线模型＞对数沉降模型模拟＞Sower模型。

表5 各模型拟合数据及对应相关系数

然而生物降解沉降模型在拟合填埋四区的沉降数据时得到的k值大于一、二区，k的物理意义是降解沉降系数，生物降解高的区域k值越大，而表5呈现相反的情况，所以填埋四区的沉降过程需要重新进行分析。因为四区的沉降是有应力压缩沉降和降解沉降共同组成，所以得到的降解沉降系数含有应力压缩的沉降系数。而在利用Sower时Cae没有出现上述的现象，可见Sower模型既可作为降解沉降模型，也比较适用于应力压缩情况下的沉降过程。将填埋四区的沉降分为应力压缩沉降和降解沉降2个部分，并对后半段采用生物降解沉降模型进行拟合，如图6所示。得到相应的参数和相关系数。

图6 填埋四区沉降修正拟合

2.2 模型参数的研究

由于双曲线模型和对数沉降模型都属于经验模型，而且模型的参数设置没有考虑到填埋场的基本属性如堆体的高度，所以对不同堆高的填埋场其模型的参数没有参考价值，故不对其进行比较研究。

对各填埋区不同沉降观测点的数据拟合得到的模型参数值进行统计分析，得到可信度较高的取值范围。修正后的拟合参数范围如表6所示。

表6 修正后拟合参数值与文献参考值比较

从表6可以看出，本文推荐的参考值范围较小，且参数符合生物降解的规律。从表6还可以看出，其他学者在对模型的参数进行研究得到的参数范围较广，而且各学者得到的参数范围相差较大，从而可知针对不同类型的填埋场其参数值有很大的差异，所以有必要对不同类型填埋场的典型参数值进行研究。

2.3 沉降预测

利用上述4个模型分别对本工程填埋场的沉降进行预测，预测的时间至沉降开始第5年，以分析各模型在沉降预测上存在的差异，并根据预测结果的分析得出填埋场可能的预测沉降值。

填埋一区、二区和四区的沉降结果预测如图7所示。

图7 各填埋区沉降预测

从图7a可以看出，各模型对沉降的预测结果差异较大，其中对数沉降模型预测的值最大，且预测的沉降趋势不符合有机质生物降解规律，故该模型对沉降的预测误差较大。双曲线模型、Sower模型和生物降解沉降模型预测的沉降预算均符合有机质生物降解规律，且预测的沉降值从大到小分别是双曲线模型＞Sower模型＞生物降解沉降模型。从模型预测的沉降达到稳定的时间来看，生物降解沉降模型用时最短，该模型预测的结果显示填埋一区在沉降开始的第2年就趋于稳定，最终沉降在0.148 m左右。

从图7b中可以看出，各模型预测的沉降趋势均符合有机质的生物降解规律，而且沉降预测的结果差距较小。其中对数沉降模型在第4年沉降量为0.55 m并趋于稳定，生物降解沉降模型在第2年沉降预测值为0.32 m并趋于稳定，而双曲线模型和Sower模型对沉降的预测值还呈上升趋势。

对图7c中对数沉降模型预测出现的错误进行分析，因为该模型拟合得到的m、n参数分别为0.0115和0.0764，而该模型的应用要求t≤10n，代入上式中可知在时间t应小于1.414，所以该模型在预测沉降时发生错误。双曲线模型和生物降解沉降模型预测的沉降值趋于稳定，并分别在第3年达到0.056 m和第2年达到0.042 m。而Sower模型预测的沉降值依然成增大的趋势。根据修正后的沉降数据拟合得到的修正生物降解沉降模型预测结果可以看出，双曲线模型预测的趋势与修正生物降解沉降模型预测的趋势基本一致。

以生物降解沉降模型预测的沉降值为标准，对另外几个模型预测值进行分析。可知在好氧修复区，沉降主要是由有机质降解引起的，对数沉降模型、Sower模型和双曲线模型预测的沉降值偏大。而对于填埋四区，即应力沉降和生物降解沉降同时发生的区域，双曲线模型对预测的表现最好。以生物降解沉降模型预测值为参考，填埋一区的最终沉降为0.192 m，填埋二区的最终沉降为0.33 m，填埋四区的最终沉降为0.057 m。

采用生物降解沉降模型对各填埋区的动态沉降速率进行预测，预测结果如图8所示。

根据本项目中要求达到的修复目标，即沉降速率＜5 cm/a。根据图8所示，可知各填埋区达到此修复目标的时间分别是1.52、1.54、0.15 a。

图8 填埋各区动态沉降速率

3 结论

3.1 不同条件沉降比较研究

通过工程案例中好氧修复区与传统厌氧封场区沉降过程比较研究，发现在好氧修复区（一区、二区） 的沉降主要是由于生物降解引起的，而传统厌氧封场区（四区）的沉降主要是由瞬时压缩沉降和生物降解沉降组成的，前者沉降量明显大于后者，好氧修复区沉降量为封场区的3～6倍。

3.2 不同生物降解沉降模型比较及沉降预测研究

通过对现有沉降模型进行定性和定量对比研究，定性研究结果表明生物降解沉降模型为最适宜的生物降解沉降模型；定量研究结果表明，各模型的拟合效果都较高（R2＞0.97），按模型拟合得到的相关系数表示模型适用性，其适用性如下排列：生物降解沉降模型＞双曲线模型＞对数沉降模型＞Sower模型。

3.3 参数范围确定

通过对沉降数据进行拟合，得到沉降模型的参数范围，其中Sower模型Cae在好氧修复区为0.004～0.001 3，封场区为0.002～0.003。生物降解沉降模型k值在好氧修复区范围为0.6～2.1，封场区为0.15～0.45。根据以上参数，可以使用沉降模型准确地预测填埋场修复达到要求所需要的时间。

3.4 沉降结果预测

根据模型对本工程案例沉降进行预测，结果表明：填埋一区的最终沉降为0.192 m，填埋二区的最终沉降为0.33 m，填埋四区的最终沉降为0.057 m。填埋各区动态沉降速率达到＜5 cm/a时间分别是1.52、1.54、0.15 a。

致谢

感谢长江勘测规划设计研究有限责任公司和第10届园博会堆山工程安全监测项目部提供本论文数据。

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Landfill Settlement Model under Aerobic Restoration

Li Jiangfeng1，Chen Zhulei2，Hu Chaohui2，Cao Li1，Tang Rui1，Zhao Wenfa1
（1.Shenzhen GAD Environmental Technology Co.Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000；2.School of Environmental Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074）

Base on case studies of Jinkou aerobic landfill restoration project in Wuhan，we compared and analyzed the applicability of Park model（biodegradation settlement model），Ling model（hyperbolic model），Yen model（Logarithmic sedimentation model）and Sower model by parameter fitting，then selected the most suitable model to predict the landfill settlement in thisproject.The main resultswere asfollows:biodegradation settlement model ismore applicable than others.In Sower model，Caeparameter was0.004～0.001 3 in aerobic remediation site，0.002～0.003 in closure site separately.In biodegradation settlement model，parameter k was 0.6～2.1 in aerobic remediation site，0.15～0.45 in closure site correspondingly.The time of dynamic settlement rate from background rate to less than 5 cm/a was 1.52，1.54 and 0.15 years in different subarea in Jinkou landfill respectively and they all satisfied with the requirementsofarea utilization.

landfill；aerobic restoration；settlement model；settlement prediction；parameter fitting

X705

A

1005-8206（2017）01-0012-05

厉江锋（1984—），市政工程工程师与建造师，主要从事废物管理与填埋场生态修复。

E-mail：lijiangfeng@gad.net.cn。

陈朱琦（1975—），副教授，博士生导师，研究方向为环境污染物控制与治理，固废处置与资源化的研究。

E-mail：zqchen@hust.edu.cn。

深圳市科技研发资金（CXZZ20140827140608183）；老生活垃圾填埋场生态修复技术规范编制研究（建标【2012】5号第115项）

2016-11-22