城市生活垃圾填埋场气压分布一维稳态分析模型(2)

　　填埋体的顶部边界条件一般可设为给定气压（即大气压）。底部边界条件通常填埋气流量为零，即底部无填埋气外漏情况，渗沥液水位雍高的中国填埋场多可采用该底部边界条件；另外，根据Townsend等[7，17]和Fredenslund等[18]，其他国家低水位填埋场，如渗滤液导排层水头控制在30 cm以内[19]，底部渗沥液导排系统兼作填埋气导排通道，如在导排层上部铺设导气管单独导排填埋场深部填埋气，底部边界条件可设为给定气压（如直接与大气相连作为填埋气导排通道）或给定填埋气流量（与抽气措施相连作为填埋气导排通道）。上述边界条件可表示为：
　　2模型运用
　　填埋场气压现场监测主要针对垃圾表层，鲜有随深度的分层气压监测资料。采用Townsend等[7]的单层均质填埋体算例及魏海云等[8]的分层填埋体算例验证了本文提出模型，并分析了垃圾填埋龄期、低渗透性的中间覆盖层因素对填埋气气压分布的影响。本文重点分析垃圾分层特征、封顶覆盖层下和填埋体内的高渗透性水平导气层、填埋体底部渗沥液导排系统兼作填埋气导排通道对填埋场气压分布的影响。填埋场堆体高度为30 m，填埋速率为3 m/a，分析时将填埋体分5层，每层厚度为6 m，各层垃圾龄期取其平均值。填埋垃圾的产气速率a随填埋龄期的变化规律根据《生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范》（CJJ 133-2009）中的公式确定，即
　　式中：t为填埋垃圾龄期，a；a（t）为填埋垃圾在填埋龄期t的产气速率，m3/a；M为填埋垃圾的重量，t；L0为单位重量垃圾的最大产气量，m3/t；k为填埋垃圾产气速率常数，1/a。文中L0取150 m3/t，k取湿润、中等湿润气候范围内值0.12，填埋垃圾密度取800 kg/m3。
深度小于18 m的填埋垃圾固有渗透系数根据Jain等[9]的现场实验数据取值，深度超过18 m的填埋垃圾固有渗透系数根据魏海云[20]实验数据所得固有渗透系数随深度变小趋势变缓的规律取值。填埋场封场时各垃圾层产气速率a和固有渗透系数K具体取值如表1所示：
　　模型边界条件采用顶部边界条件为给定气压（大气压），底部边界条件为给定零流量。下面分析除说明外均采用上述封场时垃圾分层产气速率、固有渗透系数取值和边界条件。
　　2.1垃圾分层特征对气压分布的影响
　　首先，采用本文模型分析垃圾分层与否对封场时填埋体内气压计算结果的影响（图2）。若产气速率和固有渗透系数均分层取值，气压梯度在层间处具有明显变化，这是由于层间固有渗透系数不同产生的。若固有渗透系数分层取值而产气速率取各层平均值，气压梯度仍在层间处呈现明显变化，但由于产气速率取值按埋深平均后，深部垃圾产气速率高于其实际值，加上深部垃圾的固有渗透系数较低，因此填埋体底部气压明显高于产气速率和固有渗透系数均分层取值的分析结果。若产气速率分层取值而固有渗透系数取各层平均值，气压梯度无上述层间突变现象，但由于固有渗透系数取值按埋深平均后，浅部垃圾固有渗透系数低于其实际值，而浅部垃圾因填埋龄期较短而产气速率较高，因此填埋体浅部气压明显高于产气速率和固有渗透系数均分层取值的分析结果。若产气速率和固有渗透系数均取各层平均值，填埋体气压整体明显高于产气速率和固有渗透系数均分层取值分析结果，例如深度12 m处高出88%。可见，产气速率和固有渗透系数按埋深平均取值计算会显著高估填埋体内气压。本文得到的无覆盖条件下填埋体气压值与文献报道的无覆盖条件下气压计算值相近[78]。
　　图2垃圾分层特征对气压分布的影响
　　2.2土质封顶覆盖层下设置水平导气层对气压分布的影响
　　与垃圾相比，土质覆盖层固有渗透系数明显较小，假设填埋体表面设有一厚度为1 m[13，2123]、固有渗透系数为1.0×10-14m2[21]的土质封顶覆盖层。由图3可见，设置土质封顶覆盖层后封场填埋体表面气压增大为10.7 kPa，该部位气压过大可影响土质封顶覆盖层稳定性。如在土质封顶覆盖层设置一厚度为60 cm、固有渗透系数为3.0×10-9m2的高渗透性水平导气层[16]。气压的减小值与水平导气层抽气速率q基本成正比例关系。当水平导气层抽气速率为9.0×10-6 kg/（m2·s）时，填埋体表面气压下降至0.9 kPa。可见，水平导气层可有效减小填埋体表面气压。填埋场工程设计中可根据土质封顶覆盖层下气压控制要求，根据本文模型分析结果指导合理选择抽气泵。
　　图3封顶覆盖层下设置水平导气层对气压分布的影响
　　2.3填埋体内水平导气层对气压分布的影响