CN107091916A - 通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法 - Google Patents

通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107091916A
CN107091916A CN201710250641.6A CN201710250641A CN107091916A CN 107091916 A CN107091916 A CN 107091916A CN 201710250641 A CN201710250641 A CN 201710250641A CN 107091916 A CN107091916 A CN 107091916A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coating
soil
flux
water
drip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710250641.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107091916B (zh
Inventor
李立
王康
张原�
张梦颖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN201710250641.6A priority Critical patent/CN107091916B/zh
Publication of CN107091916A publication Critical patent/CN107091916A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107091916B publication Critical patent/CN107091916B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G01N33/246—Earth materials for water content

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，包括：S1试验区设计，所述的试验区包括植物覆盖试验区和对比试验区；S2实测数据采集，包括覆盖层的水均衡要素数据、物理和水动力参数、植物的生理参数和气象观测数据；S3分析各植物覆盖试验区覆盖层的水均衡要素动态变化规律；S4根据采集的水均衡要素数据以及物理和水动力参数数据，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟各设计场景下覆盖层的渗沥控制效果；S5 分析各设计场景下覆盖层的渗沥控制效果，通过比较确定最优覆盖层结构。本发明结合实测数据和数值模拟，对不同设计场景下覆盖层的渗沥控制效果进行分析，从而实现覆盖层结构的优化。

Description

通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法
技术领域
本发明涉及腾发覆盖层水均衡动态技术领域，特别涉及一种通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法。
背景技术
尽管目前已经出现了生活垃圾焚烧、垃圾回收及循环利用等新的垃圾处理方式，但是即使在经济技术高度发达的国家，垃圾填埋处理作为垃圾最终处理手段一直占有重要的地位。垃圾填埋处理具有操作设备简单、建设和运行成本相对较低、适应性和灵活性强等特点，在今后相当长的时期仍将是我国垃圾最终处理的主要方式。而垃圾填埋场渗沥水污染则对城市及周边地下水构成了严重的隐患。
垃圾填埋场的渗沥液由降水渗透、地下水侵入以及垃圾本身所含的水分形成，其中降水入渗是渗沥液的主要来源。传统的屏障型垃圾填埋场覆盖层采用压实粘土层、土工膜或者压实粘土与土工膜相结合作为阻止降水渗入垃圾填埋体的屏障，其渗沥控制理念是强调防渗。但是国内外大量垃圾填埋场工程实践表明，现有的屏障型垃圾填埋场覆盖不仅造价高，而且并不能确保防止降水渗入，随着运用时间的推移，几乎没有覆盖层是不透水的。国外最新的渗沥控制理念将垃圾填埋场的覆盖土壤作为动态调节水库，水分通过覆盖层土壤蒸发和植物蒸腾到大气的效果相当于水库排水，合理选定覆盖层的土质、厚度和适宜的植物，充分利用覆盖系统对水分的调蓄和腾发耗散功能，将能够最大限度降低渗沥液排放量，达到控制污染的目的。这个新理念的实质是依靠蒸发蒸腾(ET)覆盖的自然生态功能，从以往对垃圾填埋场渗沥液进行被动的“后处理”改变为从源头处遏制渗沥液产生的“前处理”。
由于覆盖层与垃圾层之间的接触面边界的水动力学过程缺少系统的监测，也不清楚当气象和边界条件变化时，覆盖层土壤水库实际库容与理论库容之间的关系以及动态过程，系统完整的腾发覆盖层水均衡动态和腾发覆盖层结构测试方法还没有建立起来，无法为解决腾发覆盖问题提供科学支持，严重的影响了垃圾填埋场腾发覆盖层的设计依据和设计方法的制定。
发明内容
本发明目的是提供一种通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，该方法通过分析不同结构的覆盖层的水均衡过程，确定最优的覆盖层结构组合，从而有效控制透过覆盖层进入垃圾层的渗沥水量。
本发明的方法所采用的技术方案是：
通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，包括：
S1试验区设计，本步骤进一步包括：
1.1设计不同的覆盖层结构；
1.2根据设计的覆盖层结构装填植物覆盖试验区；
1.3装填对比试验区，所述的对比试验区中覆盖层无种植植物；
1.4试验区布设测定仪器，所述的试验区包括植物覆盖试验区和对比试验区；具体为：
开阔区域布置翻斗式雨量计，用来实时测定降雨量；各试验区的覆盖层埋设有TDR时域反射传感器和土壤基质势传感器，分别用来测定覆盖层的土壤含水率和土壤基质势；TDR时域反射传感器、土壤基质势传感器均与数据采集器信号连接；各试验区的覆盖层侧向布置地表径流收集及计量装置，用来测定降雨在覆盖层所产生的地表径流量；各试验区的覆盖层和垃圾层的交界面布置渗沥液自动收集及计量装置，用来测定渗沥通量；各试验区的覆盖层中布设小型蒸渗仪，用来测定覆盖层的上边界水流通量；各试验区的覆盖层表面布设圆盘式渗透仪，用来测定土壤非饱和水力传导度；
S2实测数据采集，本步骤进一步包括：
2.1以年为周期，逐日或逐小时采集覆盖层的水均衡要素数据，包括降雨量、地表径流量、土壤水库库容、腾发量和渗沥通量；其中：
土壤水库库容根据土壤含水率确定，具体为：根据土壤理论最大含水率计算土壤理论最大保持水量，根据土壤实测含水率计算土壤现状水量，土壤理论最大保持水量和土壤现状水量之差即土壤水库库容；
腾发量根据覆盖层的上边界水流通量确定，具体为：覆盖层当日和前一日的上边界水流通量的差值，即腾发量；
2.2采集覆盖层的物理和水动力参数，包括覆盖层土壤的水分特征曲线和非饱和水力传导度曲线；其中，水分特征曲线为Se＝[1+(αh)n]-m，非饱和水力传导度曲线为Se表示水分饱和度，Se＝(θ-θr)/(θs-θr)，θ表示土壤含水率，θs和θr分别表示土壤的饱和含水率和残余含水率；α表示土壤进气时负压倒数；n、m为水 分特征曲线的形状参数，用来决定水分特征曲线的形状，m＝1-1/n；θr、α、n、m采用Hydrus2D土壤水动力模型根据土壤粒径和容重直接拟合获得；h为土壤基质势的绝对值；Kr(Se)表示土壤的非饱和水力传导度；b＝0.5；
2.3采集覆盖层植物的生理参数；
2.4采集气象观测数据；
S3分析各植物覆盖试验区覆盖层的水均衡要素动态变化规律，本步骤进一步包括：
3.1根据覆盖层的腾发量和土壤含水量获得各植物覆盖试验区覆盖层的植被调节率，所述的植被调节率的计算为：获得植物覆盖试验区和对比试验区的覆盖层的土壤含水率变化量的差值，该差值和植物覆盖试验区覆盖层的腾发量的比值即植被调节率；
3.2计算各时刻渗沥通量占降雨量的比例；
3.3利用土壤基质势，基于达西定律计算覆盖层土壤不同深度的通量以及通量方向，通量方向发生变化的位置即覆盖层植物根系的最大作用深度；
3.4基于水均衡要素数据，获得各植物覆盖试验区覆盖层实际形成的土壤水库容量，实际形成的土壤水库容量即相邻两次降雨过程中覆盖层上边界蒸散通量的最大值；上边界蒸散通量即盖层的土壤含水率变化量；
S4根据采集的水均衡要素数据以及物理和水动力参数数据，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟各设计场景下覆盖层的渗沥控制效果，本步骤进一步包括：
4.1以地表为覆盖层上边界，以覆盖层与垃圾层的交界面为覆盖层下边界，覆盖层的上边界和下边界作为均衡计算区，均衡计算区四周设不透水边界；将覆盖层概化为上边界为大气边界条件、下边界为渗透面边界条件的一维垂向结构；
4.2根据气相观测数据，基于大气辐射和空气动力学，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟覆盖层的上边界水流通量；上边界水流通量包括降雨入渗通量和上边界蒸散通量，根据上边界水流通量和降雨入渗通量获得上边界蒸散通量的模拟值，以上边界蒸散通量作为土壤水库的调节项；降雨入渗通量通为降雨量与地表径流量之差，降雨量与地表径流量为实测数据；
4.3以实测降雨量作为覆盖层上边界的入渗量，根据设计场景下覆盖层所选土壤，采用Hydrus2D土壤水动力模型根据设计场景下覆盖层所选土壤的粒径和容重拟合土壤层参数；根据覆盖层上边界的入渗量的土壤参数，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟覆盖层土壤的水动力学过程，获得覆盖层下边界的渗沥通量模拟值，即覆盖层的渗沥控制效果；
S5分析各设计场景下覆盖层的渗沥控制效果，通过比较确定最优覆盖层结构。
子步骤1.1具体为：
以覆盖层的土壤质地、植物种类、厚度和土壤水力特性调控为覆盖层的结构要素，其中，覆盖层设于地表和垃圾层之间，覆盖层从上往下依次包括松散层、压实层，覆盖层的厚度包括松散层的厚度和压实层的厚度；覆盖层的土壤水力特性调控包括覆盖层中是否添加保水剂以及保水剂的添加量；通过改变各结构要素来设计不同的覆盖层结构。
子步骤1.2具体为：
根据设计的各覆盖层结构，在各试验区分别进行1：1的覆盖层装填，试验区的垃圾层按实际垃圾填埋场测定的垃圾容量和有效孔隙率采用模拟材料装填；压实层下表面设置粗砂排水层，同时垃圾层下表面设置粗砂反滤层。
进一步的，TDR时域反射传感器采用TDR100型号的TDR时域反射传感器。
进一步的，数据采集器采用CR1000数据采集器。
进一步的，地表径流收集及计量装置包括多孔截留管和翻斗式水量计，多孔截留管垂直设置于覆盖层侧，翻斗式水量计设于多孔截留管下方，降雨在覆盖层上所产生的地表径流全部流入多孔截留管，从多孔截留管的底端流入翻斗式水量计的翻斗内，通过记录翻斗的翻转时间和翻转次数，测定地表径流量。
进一步的，渗沥液自动收集及计量装置包括布设于覆盖层和垃圾层交界处的若干漏斗截留面和翻斗式水量计，漏斗截留面中水流通过管道引入翻斗式水量计的翻斗内，通过记录翻斗的翻转时间和翻转次数，测定渗沥量。
进一步的，本发明还包括以①典型年降雨过程的单次最大降雨以及连续最不利降雨下的控制渗沥通量小于降雨量5％；以及②覆盖层的植被调节率大于0.6作为控制指标，判断各设计场景下覆盖层是否满足渗沥控制要求。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)通过装填不同结构的植物覆盖试验区和对比试验区，并对植物覆盖试验区和对比试验区进行腾发覆盖试验，比较不同试验区的水均衡动态和渗沥水控制效果；
(2)综合考虑各种因素，确定覆盖层结构要素，达到控制渗沥水的目的；
(3)比较植物覆盖试验区和对比试验区的水流通量过程。
(4)采用数值模拟方法对不同设计场景下覆盖层的渗沥控制效果进行分析；
(5)将垃圾填埋场渗沥液进行被动的“后处理”改变为从源头处遏制渗沥液产生的“前处理”，为腾发覆盖层的科学研究和设计提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的具体流程见图1，包括步骤：
一、试验区设计
装填试验区，对设定的典型腾发覆盖层(后文将“腾发覆盖层”简记为“覆盖层”)的水均衡动态和覆盖层结构进行试验。覆盖层在于通过一定厚度土壤形成具有一定蓄水能力的“土壤水库”，能够容纳降雨入渗进入土壤层的水分，并利用植物组合，在两次降雨之间腾空土壤水库所蓄水分，以容滞降雨。本发明的目的是通过分析覆盖层水均衡过程，确定最优的覆盖层结构，从而可有效控制透过覆盖层进入垃圾层的渗沥水量。
覆盖层设于地表和垃圾层之间，其结构从上往下依次包括松散层、压实层，即松散层设于地表和压实层之间，压实层设于松散层和垃圾层之间。其中，松散层有利于植物生长，压实层用来降低降雨入渗水在覆盖层中的流速。在压实层下表面(即与垃圾层接触的表面)可设置粗砂排水层，在垃圾层下表面(即与土壤的接触面)可设置粗砂反滤层，这样，利用粗砂在非饱和条件下导水率小的特点，避免蒸发条件下形成垃圾层与覆盖层之间的水力条件后，垃圾层中的污染物进入土壤。
本发明覆盖层的结构要素包括：(1)覆盖层的土壤质地，包括用于降低土壤中水流速度的粉质壤土(即压实层)和有利于植物耗散水分的壤土(即松散层)；(2)覆盖层种植的植物种类，主要包括C3类植物和C4类植物；(3)覆盖层的厚度，包括松散层和压实层的厚度；(4)覆盖层土壤水力特性调控，包括覆盖层的土壤中是否添加保水剂，以及保水剂的添加量，添加保水剂可增大土壤实际库容。
本发明通过改变覆盖层的各结构要素，即通过改变土壤质地、植物种类、覆盖层厚度和土壤水力特性调控来设计不同的覆盖层结构。本实施例设计了6种不同的覆盖层结构，见表1。根据所设计的6种覆盖层结构装填试验区，所装填的试验区分别记为Plot 1、Plot2、Plot 3、Plot 4、Plot 5、Plot 6。Plot 1试验区的覆盖层结构无植物种植，记为对比试验区，其他试验区记为植物覆盖试验区，其中，松散层厚度为20cm，压实层厚度为40cm。Plot 2试验区的覆盖层结构中，松散层厚度为40cm，压实层厚度为40cm。Plot 6试验区的覆盖层结构中，保水 剂的使用量为1/1000干土。
表1实施例中6种不同的覆盖层结构
试验区编号 厚度 植物种类 土壤质地 土壤水力特性调控
Plot 1 60cm 无植物种植 粉质壤土+壤土 不施用保水剂
Plot 2 80cm C3类和C4类混合 粉质壤土+壤土 不施用保水剂
Plot 3 80cm C3类 粉质壤土+壤土 不施用保水剂
Plot 4 60cm C3类 粉质壤土+壤土 不施用保水剂
Plot 5 60cm C4类 粉质壤土+壤土 不施用保水剂
Plot 6 80cm C4类 粉质壤土+壤土 施用保水剂
本发明通过比较不同覆盖层结构的水均衡动态和渗沥水控制效果，来确定最优的覆盖层结构。根据设计的覆盖层结构，在各试验区分别进行1:1的覆盖层装填，垃圾层按实际垃圾填埋场测定的垃圾容重以及有效孔隙率采用模拟材料装填。装填时，压实层下表面设置粗砂排水层，同时垃圾层下表面设置粗砂反滤层。
各试验区布置测定仪器，具体为：
覆盖层埋设TDR时域反射传感器和TensioMark土壤基质势传感器，TDR时域反射传感器、TensioMark土壤基质势传感器均与数据采集器连接，TDR时域反射传感器和TensioMark土壤基质势传感器按预设时间步长自动测定覆盖层的土壤含水率和土壤基质势。本实施例中时间步长设为10min。TensioMark土壤基质势传感器可采用负压传感器替换。
翻斗式雨量计布置于开阔的区域，用来实时测定降雨量，翻斗式雨量计布置于开阔区域以避免遮挡影响测定降雨。覆盖层侧向布置地表径流收集及计量装置，地表径流收集及计量装置用来收集并测定降雨所产生的地表径流量，降雨量与地表径流量之差即降雨入渗通量。本发明所采用的地表径流收集及计量装置包括多孔截留管和翻斗式水量计，多孔截留管垂直设置于覆盖层侧，翻斗式水量计设于多孔截留管下方，降雨在覆盖层上所产生的地表径流全部流入多孔截留管，从多孔截留管的底端流入翻斗式水量计的翻斗内，通过记录翻斗的翻转时间和翻转次数，测定地表径流量。
覆盖层和垃圾层的交界处布置渗沥液自动收集及计量装置，渗沥液自动收集及计量装置用来收集渗沥液并测定渗沥量，渗沥量即渗沥通量，根据渗沥通量获得试验区的渗沥通量过程。渗沥液自动收集及计量装置包括布设于覆盖层和垃圾层交界处的若干漏斗状截留面和翻斗式水量计，漏斗状截留面中水流通过管道引入翻斗式水量计的翻斗内，通过记录翻斗的翻 转时间和翻转次数，测定渗沥量。漏斗状截留面为正方形，采用碎石和粗砂作为反滤层，避免土壤进入漏斗截留面导致堵塞。
覆盖层中还布设小型蒸渗仪，用来通过称重测定覆盖层的上边界水流通量，当日和前一日的上边界均水流通量之差即腾发量，腾发量用来描述植物对覆盖层土壤库容的调节能力。
本实施例中，TDR时域反射传感器采用TDR100型号的TDR时域反射传感器，数据采集器采用CR1000数据采集器。
二、采集基本数据
需采集的基本数据主要包括：
(1)覆盖层的水均衡要素数据：
所述的水均衡要素数据包括降雨量、地表径流量、土壤水库库容、腾发量和渗沥通量，腾发量用来表征植物对土壤水库库容的调节能力。具体实施时，以年为周期，逐日或逐小时测定水均衡要素数据。土壤水库库容根据监测的土壤含水率确定，根据土壤理论最大含水率计算土壤理论最大保持水量，根据土壤实测含水率计算土壤现状水量，土壤理论最大保持水量和土壤现状水量之差即土壤水库库容。
(2)覆盖层的物理和水动力参数：
物理和水动力参数为根据土壤含水率和土壤基质势确定的覆盖层土壤的水分特征曲线和非饱和水力传导度曲线，土壤含水率和土壤基质势分别采用TDR时域反射传感器和TensioMark土壤基质势传感器测定，覆盖层土壤的非饱和水力传导度采用圆盘式渗透仪，圆盘式渗透仪设于覆盖层表面。
覆盖层土壤的水分特征曲线见式(1)：
Se＝[1+(αh)n]-m (1)
覆盖层土壤的非饱和水力传导度函数见式(2)：
式(1)～(2)中：
Se表示水分饱和度，Se＝(θ-θr)/(θs-θr)，θ表示土壤含水率，θs和θr分别表示土壤的饱和含水率和残余含水率；
α表示土壤进气时负压倒数；
n、m为水分特征曲线的形状参数，用来决定水分特征曲线的形状，m＝1-1/n；
θr、α、n、m为土壤层参数，采用Hydrus2D土壤水动力模型根据土壤的粒径和容重拟合获得；
h为土壤基质势的绝对值；
Kr(Se)表示土壤的非饱和水力传导度；
b＝0.5。
(3)覆盖层植物的生理参数：
覆盖层植物的生理参数包括：叶面积指数、植物覆盖率、植物根系的最大作用深度和根系密度。
(4)气象观测数据：
采用自动气象站测定日均温度、日最大温度、日最小温度、辐射值、湿度和风速。
三、根据水均衡要素数据分析各植物覆盖试验区覆盖层的水均衡要素动态变化规律。
本步骤具体为：
(1)利用小型蒸渗仪可获得各试验区覆盖层的腾发量，利用TDR时域反射传感器可获得各试验区覆盖层的土壤含水率，根据土壤含水率获得各试验区覆盖层的土壤含水率变化量。本发明中，土壤含水率变化量表示土壤含水率随时间的变化量，可以自行设定标准时刻，各时刻的土壤含水率相对标准时刻土壤含水率的变化量即土壤含水率变化量。根据各试验区覆盖层的土壤含水率变化量确定各植物覆盖试验区覆盖层的土壤水库调节效率，也即覆盖层植被调节率。
植物覆盖试验区覆盖层的覆盖层植被调节率的计算如下：
获得植物覆盖试验区和对比试验区的覆盖层的土壤含水率变化量的差值，该差值和植物覆盖试验区覆盖层的腾发量的比值即覆盖层植被调节率。
(2)利用渗沥液自动收集及计量装置测定渗沥通量，计算渗沥通量占降雨量的比例。
(3)通过TensioMark土壤基质势传感器监测覆盖层的土壤基质势，利用土壤基质势，基于达西定律计算覆盖层土壤不同深度的通量以及通量方向，确定覆盖层植物根系的最大作用深度。植物吸收水分后会形成向上的通量方向，而渗沥通量的方向向下，因此，通量方向发生变化的位置即覆盖层植物根系的最大作用深度。
(4)基于水均衡要素数据，获得各植物覆盖试验区覆盖层实际形成的土壤水库容量。蒸发条件下，覆盖层上边界蒸散通量即覆盖层的土壤含水率变化量，相邻两次降雨过程中覆盖层上边界蒸散通量的最大值可认为土壤水库能形成的实际调节能力，即认为覆盖层实际形成的土壤水库容量。
本实施例中，对比试验区指Plot 1试验区，植物覆盖试验区指Plot 2、Plot 3、Plot 4、Plot 5、Plot 6试验区。
四、由于试验条件的限制，不可能对所有覆盖层结构的渗沥控制效果进行试验，因而，本发明根据采集的水均衡要素数据以及物理和水动力参数数据，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟各设计场景下的渗沥控制效果。
本步骤中，以地表为覆盖层上边界，覆盖层与垃圾层的交界面为覆盖层下边界，覆盖层上边界和下边界间为水均衡计算区，水均衡计算区四周设不透水边界。将覆盖层概化为上边界为大气边界条件、下边界为渗透面边界条件的一维垂向结构，上边界条件随时间变化，且其是影像渗沥的主要因素。根据气象观测数据，模拟上边界蒸散通量，作为土壤水库的调节项。以实测降雨量为覆盖层上边界的入渗量，土壤层参数根据设计场景下覆盖层所选土壤，采用Hydrus2D土壤水动力模型根据所选土壤的粒径和容重拟合获得。采用hydrus 2D数值模拟方法模拟覆盖层土壤的水动力学过程，获得覆盖层下边界的渗沥通量，即覆盖层的渗沥控制效果。
根据基于通量连续原理，同时满足如下设计要求的设计场景才具有良好的渗沥控制效果：①典型年降雨过程的单次最大降雨以及连续最不利降雨下的控制渗沥通量小于降雨量5％；②覆盖层的植被调节率大于0.6。典型年指75％水文年。
上边界水流通量ET包括降雨入渗通量和上边界蒸散通量，上边界水流通量ET计算见公式(3)，获得上边界水流通量和降雨入渗通量，即可获得上边界蒸散通量的模拟值，降雨入渗通量即通过降雨量与地表径流量之差，根据实测数据获得。
式(3)中：
0.408(Rn-G)表示外界辐射产生的边界水流通量，Rn表示净辐射，即接收的外界短波辐射与向外发散的长波辐射之差，其计算见公式(4)；G表示土壤热通量，其计算见公式(6)；
表示空气动力学产生的边界水流通量，TK表示计算日的日均温度，u2表示计算日的日均风速，ea表示饱和水汽压，ed表示计算日的实际水汽压；
Δ为饱和水汽压温度曲线的斜率，饱和水汽压温度曲线可表示为es表示温度TK下的饱和水汽压力，将对温度求导，即为斜率；
γ表示水汽压常数。
净辐射Rn的计算如下：
式(4)中：
Ra表示大气上界的太阳辐射量，其计算见公式(5)；
β表示下垫面反射系数，本发明中β取0.25；
c和d表示经验常数，受计算地的位置和地面高程的影响，主要通过实测资料拟合确定；
n表示计算地实测的日照时数；
N表示计算地天文上可照时数，
σ表示Stafen-Boltzman常数，其值为4.863×10-3J/m2.d.oK4。
太阳辐射量Ra的计算如下：
式(5)中：
Io表示太阳常数；
Td表示一天内的时间，即1440min；
R表示日地平均距离比，R＝1+0.016sin[(0.5236t-64.854)/30]；
Wo表示时角，Wo＝7.5N；
和δ分别表示计算地的地理纬度和日赤纬，δ＝23.5sin(0.986t-78.9)；
t表示从当年1月1日起到计算日的天数。
土壤热通量G的计算如下：
G＝0.38(T-T-1) (6)
式(6)中：
T-1表示计算日前一日的日均温度。
五、分析不同设计场景下覆盖层的渗沥通量过程，通过比较确定最优覆盖层结构。
设计不同场景条件，模拟不同场景条件下覆盖层的渗沥通量，根据模拟结果确定最优的覆盖层结构。
根据试验可知，利用腾发覆盖层植被耗水以达到削减下渗水是可行的，但同时也是有条件的。植被的腾发和土面棵间蒸发对土层水分的消耗是一个较缓慢的过程，如遇到持续时间较长和强度较高的来水，例如降雨，由于有限的腾发覆土层所能蓄存的水量有限，要完全阻止水流向下部垃圾层的下渗是不可能的。从这个意义上讲，ET覆盖技术的应用是有条件的，因而，运用这种技术的垃圾处理场的正确设计，例如覆盖层土质的选取、土层厚度、覆盖植被的种类、覆盖层水分的消耗、减少渗沥量的估算、ET覆盖减渗效果分析等，就显得十分重要。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是，包括：
S1试验区设计，本步骤进一步包括：
1.1设计不同的覆盖层结构；
1.2根据设计的覆盖层结构装填植物覆盖试验区；
1.3装填对比试验区，所述的对比试验区中覆盖层无种植植物；
1.4试验区布设测定仪器，所述的试验区包括植物覆盖试验区和对比试验区；具体为：
开阔区域布置翻斗式雨量计，用来实时测定降雨量；各试验区的覆盖层埋设有TDR时域反射传感器和土壤基质势传感器，分别用来测定覆盖层的土壤含水率和土壤基质势；TDR时域反射传感器、土壤基质势传感器均与数据采集器信号连接；各试验区的覆盖层侧向布置地表径流收集及计量装置，用来测定降雨在覆盖层所产生的地表径流量；各试验区的覆盖层和垃圾层的交界面布置渗沥液自动收集及计量装置，用来测定渗沥通量；各试验区的覆盖层中布设小型蒸渗仪，用来测定覆盖层的上边界水流通量；各试验区的覆盖层表面布设圆盘式渗透仪，用来测定土壤非饱和水力传导度；
S2实测数据采集，本步骤进一步包括：
2.1以年为周期，逐日或逐小时采集覆盖层的水均衡要素数据，包括降雨量、地表径流量、土壤水库库容、腾发量和渗沥通量；其中：
土壤水库库容根据土壤含水率确定，具体为：根据土壤理论最大含水率计算土壤理论最大保持水量，根据土壤实测含水率计算土壤现状水量，土壤理论最大保持水量和土壤现状水量之差即土壤水库库容；
腾发量根据覆盖层的上边界水流通量确定，具体为：覆盖层当日和前一日的上边界水流通量的差值，即腾发量；
2.2采集覆盖层的物理和水动力参数，包括覆盖层土壤的水分特征曲线和非饱和水力传导度曲线；其中，水分特征曲线为Se＝[1+(αh)n]-m，非饱和水力传导度曲线为Se表示水分饱和度，Se＝(θ-θr)/(θs-θr)，θ表示土壤含水率，θs和θr分别表示土壤的饱和含水率和残余含水率；α表示土壤进气时负压倒数；n、m为水分特征曲线的形状参数，用来决定水分特征曲线的形状，m＝1-1/n；θr、α、n、m采用Hydrus2D土壤水动力模型根据土壤粒径和容重直接拟合获得；h为土壤基质势的绝对值；Kr(Se)表示土壤的非饱和水力传导度；b＝0.5；
2.3采集覆盖层植物的生理参数；
2.4采集气象观测数据；
S3分析各植物覆盖试验区覆盖层的水均衡要素动态变化规律，本步骤进一步包括：
3.1根据覆盖层的腾发量和土壤含水量获得各植物覆盖试验区覆盖层的植被调节率，所述的植被调节率的计算为：获得植物覆盖试验区和对比试验区的覆盖层的土壤含水率变化量的差值，该差值和植物覆盖试验区覆盖层的腾发量的比值即植被调节率；
3.2计算各时刻渗沥通量占降雨量的比例；
3.3利用土壤基质势，基于达西定律计算覆盖层土壤不同深度的通量以及通量方向，通量方向发生变化的位置即覆盖层植物根系的最大作用深度；
3.4基于水均衡要素数据，获得各植物覆盖试验区覆盖层实际形成的土壤水库容量，实际形成的土壤水库容量即相邻两次降雨过程中覆盖层上边界蒸散通量的最大值；上边界蒸散通量即盖层的土壤含水率变化量；
S4根据采集的水均衡要素数据以及物理和水动力参数数据，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟各设计场景下覆盖层的渗沥控制效果，本步骤进一步包括：
4.1以地表为覆盖层上边界，以覆盖层与垃圾层的交界面为覆盖层下边界，覆盖层的上边界和下边界作为均衡计算区，均衡计算区四周设不透水边界；将覆盖层概化为上边界为大气边界条件、下边界为渗透面边界条件的一维垂向结构；
4.2根据气相观测数据，基于大气辐射和空气动力学，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟覆盖层的上边界水流通量；上边界水流通量包括降雨入渗通量和上边界蒸散通量，根据上边界水流通量和降雨入渗通量获得上边界蒸散通量的模拟值，以上边界蒸散通量作为土壤水库的调节项；降雨入渗通量通为降雨量与地表径流量之差，降雨量与地表径流量为实测数据；
4.3以实测降雨量作为覆盖层上边界的入渗量，根据设计场景下覆盖层所选土壤，采用Hydrus2D土壤水动力模型根据设计场景下覆盖层所选土壤的粒径和容重拟合土壤层参数；根据覆盖层上边界的入渗量的土壤参数，采用Hydrus2D数值模拟方法模拟覆盖层土壤的水动力学过程，获得覆盖层下边界的渗沥通量模拟值，即覆盖层的渗沥控制效果；
S5分析各设计场景下覆盖层的渗沥控制效果，通过比较确定最优覆盖层结构。
2.如权利要求1所述的通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是：
子步骤1.1具体为：
以覆盖层的土壤质地、植物种类、厚度和土壤水力特性调控为覆盖层的结构要素，其中，覆盖层设于地表和垃圾层之间，覆盖层从上往下依次包括松散层、压实层，覆盖层的厚度包括松散层的厚度和压实层的厚度；覆盖层的土壤水力特性调控包括覆盖层中是否添加保水剂以及保水剂的添加量；通过改变各结构要素来设计不同的覆盖层结构。
3.如权利要求1所述的通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是：
子步骤1.2具体为：
根据设计的各覆盖层结构，在各试验区分别进行1：1的覆盖层装填，试验区的垃圾层按实际垃圾填埋场测定的垃圾容量和有效孔隙率采用模拟材料装填；压实层下表面设置粗砂排水层，同时垃圾层下表面设置粗砂反滤层。
4.如权利要求1所述的通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是：
所述的TDR时域反射传感器采用TDR100型号的TDR时域反射传感器。
5.如权利要求1所述的通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是：
所述的数据采集器采用CR1000数据采集器。
6.如权利要求1所述的通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是：
所述的地表径流收集及计量装置包括多孔截留管和翻斗式水量计，多孔截留管垂直设置于覆盖层侧，翻斗式水量计设于多孔截留管下方，降雨在覆盖层上所产生的地表径流全部流入多孔截留管，从多孔截留管的底端流入翻斗式水量计的翻斗内，通过记录翻斗的翻转时间和翻转次数，测定地表径流量。
7.如权利要求1所述的通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是：
所述的渗沥液自动收集及计量装置包括布设于覆盖层和垃圾层交界处的若干漏斗截留面和翻斗式水量计，漏斗截留面中水流通过管道引入翻斗式水量计的翻斗内，通过记录翻斗的翻转时间和翻转次数，测定渗沥量。
8.如权利要求1所述的通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法，其特征是：
还包括以①典型年降雨过程的单次最大降雨以及连续最不利降雨下的控制渗沥通量小于降雨量5％；以及②覆盖层的植被调节率大于0.6作为控制指标，判断各设计场景下覆盖层是否满足渗沥控制要求。
CN201710250641.6A 2017-04-17 2017-04-17 通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法 Expired - Fee Related CN107091916B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710250641.6A CN107091916B (zh) 2017-04-17 2017-04-17 通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710250641.6A CN107091916B (zh) 2017-04-17 2017-04-17 通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107091916A true CN107091916A (zh) 2017-08-25
CN107091916B CN107091916B (zh) 2019-12-10

Family

ID=59637419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710250641.6A Expired - Fee Related CN107091916B (zh) 2017-04-17 2017-04-17 通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107091916B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108901659A (zh) * 2018-07-04 2018-11-30 东南大学 采用植被防止污染场地工程覆土开裂的结构及其实施方法
CN109375236A (zh) * 2018-12-07 2019-02-22 福建农林大学 一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法
CN112435556A (zh) * 2020-08-27 2021-03-02 桂林理工大学 一种模拟填埋场覆盖层甲烷氧化的装置
CN111042160B (zh) * 2019-12-30 2021-07-23 东南大学 一种适用于斜坡污染场地的复合覆盖层系统及其施工方法
CN114912158A (zh) * 2022-05-13 2022-08-16 华中科技大学 考虑植物根系作用的固废堆填场土质覆盖层的设计方法
CN117111663A (zh) * 2023-10-23 2023-11-24 沈阳仪表科学研究院有限公司 用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005185927A (ja) * 2003-12-25 2005-07-14 Jdc Corp 埋立て廃棄物の浸透水制御方法
CN102493496A (zh) * 2011-12-27 2012-06-13 浙江大学 一种具有侧向排水能力的毛细阻滞型覆盖层结构
CN103572785A (zh) * 2012-08-06 2014-02-12 香港科技大学 全天候防渗闭气的垃圾填埋土质覆盖系统、制法和用途
CN106180114A (zh) * 2016-07-11 2016-12-07 中国环境科学研究院 一种准好氧填埋终场覆盖层
CN106424075A (zh) * 2016-12-08 2017-02-22 深圳市中兰环保科技股份有限公司 一种填埋场好氧修复填埋气原位处理的新型覆盖系统
CN106501154A (zh) * 2016-11-16 2017-03-15 华北理工大学 模拟覆盖层降雨渗透的实验装置及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005185927A (ja) * 2003-12-25 2005-07-14 Jdc Corp 埋立て廃棄物の浸透水制御方法
CN102493496A (zh) * 2011-12-27 2012-06-13 浙江大学 一种具有侧向排水能力的毛细阻滞型覆盖层结构
CN103572785A (zh) * 2012-08-06 2014-02-12 香港科技大学 全天候防渗闭气的垃圾填埋土质覆盖系统、制法和用途
CN106180114A (zh) * 2016-07-11 2016-12-07 中国环境科学研究院 一种准好氧填埋终场覆盖层
CN106501154A (zh) * 2016-11-16 2017-03-15 华北理工大学 模拟覆盖层降雨渗透的实验装置及方法
CN106424075A (zh) * 2016-12-08 2017-02-22 深圳市中兰环保科技股份有限公司 一种填埋场好氧修复填埋气原位处理的新型覆盖系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘川顺等: "垃圾填埋腾发覆盖系统渗沥控制试验和数值模拟", 《环境科学》 *
王康等: "腾发覆盖垃圾填埋场覆盖层机理试验研究及结构分析", 《环境科学》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108901659A (zh) * 2018-07-04 2018-11-30 东南大学 采用植被防止污染场地工程覆土开裂的结构及其实施方法
CN109375236A (zh) * 2018-12-07 2019-02-22 福建农林大学 一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法
CN109375236B (zh) * 2018-12-07 2023-05-16 福建农林大学 一种林木冠层垂直结构降雨减缓规律测定方法
CN111042160B (zh) * 2019-12-30 2021-07-23 东南大学 一种适用于斜坡污染场地的复合覆盖层系统及其施工方法
CN112435556A (zh) * 2020-08-27 2021-03-02 桂林理工大学 一种模拟填埋场覆盖层甲烷氧化的装置
CN114912158A (zh) * 2022-05-13 2022-08-16 华中科技大学 考虑植物根系作用的固废堆填场土质覆盖层的设计方法
CN114912158B (zh) * 2022-05-13 2023-02-14 华中科技大学 考虑植物根系作用的固废堆填场土质覆盖层的设计方法
US11977819B2 (en) 2022-05-13 2024-05-07 Huazhong University Of Science And Technology Method of soil cover layer of solid waste landfill considering effect of plant root
CN117111663A (zh) * 2023-10-23 2023-11-24 沈阳仪表科学研究院有限公司 用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统及方法
CN117111663B (zh) * 2023-10-23 2023-12-26 沈阳仪表科学研究院有限公司 用于中药材灌溉的高稳态性阀门控制系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107091916B (zh) 2019-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107091916A (zh) 通过植物耗散调节垃圾填埋场渗沥的覆盖层结构优化方法
Dai et al. Karst bare slope soil erosion and soil quality: a simulation case study
Seiler et al. Groundwater recharge from run-off, infiltration and percolation
Healy Estimating groundwater recharge
Pan et al. Spatial variability of surface soil moisture content in a re-vegetated desert area in Shapotou, Northern China
Van Schaik et al. The influence of preferential flow on hillslope hydrology in a semi‐arid watershed (in the Spanish Dehesas)
Gilvear et al. Hydrological monitoring and surveillance for wetland conservation and management; a UK perspective
Cheng et al. The differences of water balance components of Caragana korshinkii grown in homogeneous and layered soils in the desert–Loess Plateau transition zone
Canora et al. Variation of infiltration rate through karstic surfaces due to land use changes: A case study in Murgia (SE-Italy)
Andersen Hydrology and nitrogen balance of a seasonally inundated Danish floodplain wetland
Colombani et al. Estimated water savings in an agricultural field amended with natural zeolites
Hečková et al. Performance of experimental bioretention cells during the first year of operation
Jermar Water resources and water management
CN106370791A (zh) 用于检测绿色屋顶截流调峰效果的试验装置
CN211826023U (zh) 一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置
Tuswa et al. The impacts of commercial plantation forests on groundwater recharge: A case study from George (Western Cape, South Africa)
Espeby Coupled simulations of water flow from a field-investigated glacial till slope using a quasi-two-dimensional water and heat model with bypass flow
Anderson et al. Hydrologic evaluation of residential rain gardens using a stormwater runoff simulator
Zhan Moisture and gas flow properties of compacted loess final covers for MSW landfills in Northwest China
CN111289723A (zh) 一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置
Abichou et al. Assessment of alternative earthen final covers for Florida landfills
Clausen Introduction to Water Resources
Alabi et al. Estimation of ground water content using water balance and regression approach
Grip et al. Water’s Journey From Rain to Stream
Ries Runoff-recharge processes under a strong, semi-arid climatic gradient in the Eastern Mediterranean

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20191210

Termination date: 20210417

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee