CN112798762B - 一种用于测试土体表面多组分气体释放通量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试土体表面多组分气体释放通量的方法，具体按照以下步骤实施：步骤1:在土体表面布置静态箱，采样并分析静态箱中气体浓度数据，获得通量测试值；步骤2：建立土体‑静态箱多组分气体运移数值模型，计算获得不同的工况下测试偏差ε的取值范围。步骤3：设定一系列ε，获得修正后气体通量。步骤4：将修正后的气体通量设为步骤2中模型底部边界，获得静态箱中气体浓度。步骤5：选择步骤4的结果与步骤1中测试数据与最接近时设定的模型底部通量作为真实释放通量。本发明提供的土体表面气体通量测试方法，可给出考虑顶部浓度累积作用和多组分气体相互作用的静态箱方法的气体通量测试偏差以及真实气体释放通量。

Description

一种用于测试土体表面多组分气体释放通量的方法

技术领域

本发明涉及一种土体表面多组分气体释放通量的测试方法，可在考虑多组分气体相互作用和放置静态箱后土体顶部浓度累积作用并确定气体释放通量测试偏差。可对静态箱方法测试得到的气体释放通量进行修正，得到气体释放通量的真实值。

背景技术

城市生活垃圾填埋降解后，会产生包含多种组分的填埋气体。填埋气的成分复杂，主要成分为CH₄(55-60％)和CO₂(40-45％)，也包含微量的恶臭气体(1％)。填埋气的释放对大气环境及周边居民生活造成影响，为了实施填埋气控制的相关措施，首先需要准确获取填埋气释放量的数据。

静态箱方法通过在土体表面布设静态箱，测试并拟合静态箱中浓度-时间曲线获得气体释放通量。静态箱方法因为其方便经济，在测试气体通量时较常采用。但由于静态箱的放置会造成土体表面气体浓度累积，使得静态箱中气体浓度逐渐趋于饱和，即浓度时间曲线C-t曲线趋于非线性。同时，由于土体表面浓度升高，垂直方向的浓度梯度减小，进入静态箱的通量随之减小，该测试方法获得测气体释放通量存在不可避免的测试偏差。目前，静态箱气体通量的测试偏差大多基于实验获得，已有的气体运移理论模型中也未考虑填埋气为多组分混合气体的情况，忽略多组分气体扩散过程中的相互作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有测试方法的不足，提供一种用于测试土体表面多组分气体释放通量的测试方法,可通过测试偏差的确定对测试通量进行修正。

本发明通过以下步骤实施：

步骤1:在待测土体表面布置静态箱，采样并分析静态箱中待测气体组分的浓度；获得不同时刻静态箱中待测气体组分的浓度测试数据，通过线性拟合方法获得待测组分的表面气体通量测试值N_measure；

步骤2：建立土体-静态箱多组分气体运移数值模型，设定气体运移参数及属性，并添加多组分气体运移控制方程并设置边界条件。其中土体中的气体运移参数取值，以及静态箱尺寸的取值根据现场实际工况选取。通过模型进行参数分析，获得不同的工况下测试偏差ε的取值范围。

步骤3：根据步骤2给出的ε范围，设定一系列气体释放通量测试偏差ε，根据下式获得对应的气体释放通量假定值N_bottom；

步骤4：将步骤3中的气体释放通量假定值作为模型底部边界条件，根据步骤2建立的土体-静态箱气体运移数值模型获得对应的静态箱中待测组分浓度随时间变化的模拟数据；

步骤5：将所有待测组分浓度随时间变化的模拟数据与步骤1中获得的浓度测试数据比较，选择最接近的模拟数据对应的气体释放通量假定值作为气体释放通量真实值。

本发明特点在于：

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1：将静态箱的金属底座压入土体，放置静态箱，同时在底座槽中加水密闭；

步骤1.2：在指定时刻，通过静态箱顶部的取样口采集气样，测试待测气体组分的浓度；

步骤1.3：获得静态箱中待测气体组分浓度-时间曲线图，通过线性拟合方法计算待测气体组分释放通量N_measure。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤2.1：建立土体-静态箱中气体运移二维轴对称数值模型，设定土体中气体运移参数及属性：

(1)土体中气体运移参数选取：渗透系数k_g，气体扩散曲折系数τ；

(2)静态箱的参数选取：静态箱半径r_c，高度h_c，插入土体深度d；

步骤2.2：添加多组分气体运移控制方程：

假设填埋气中包含n种组分，其中i组分气体通量包括扩散通量和对流通量，可以通过DGM模型计算，i组分气体的对流通量采用Darcy模型描述。

其中矩阵B为：

其中N_i为i组分的通量，x_i和x_j表示i和j组分气体的摩尔分量，D_ij和D_iM(m²/s)分别为二元扩散系数和努森扩散系数；τ为曲折系数；C_i为i组分气体浓度；μ气体粘滞系数；R为理想气体常数；T为温度；k_g为气相渗透系数。

基于理想气体方程，i组分的摩尔分量可用各组分浓度和所有组分浓度之和的比例表示：

气体质量守恒方程为：

其中，θ_g为气体体积比。将前文关于气体通量和气体分压的表达代入气体质量守恒方程中，可以得到基本未知变量为各个组分分压C_i的偏微分方程组。方程可以利用有限元软件Comsol的偏微分方程(PDE)模块进行求解，得到各组分分压C_i分布。

步骤2.3：设置边界条件并获得静态箱区域土体表面气体释放通量N_i,z＝₀。

土体-静态箱气体运移数值模型的上边界条件为常浓度边界，即各个组分的浓度等于空气中的浓度:C_i＝C_i,air；底部边界条件为常通量边界：N_i＝N_bottom；静态箱放置于土体表面以后，i组分气体进入静态箱浓度逐渐累积上升，土体放置静态箱区域的顶部边界为：

C_i，chamber＝C_i，air+(∫∫N_i，z＝0dAdt)/V_chamber

式中，dA为静态箱覆盖区域面积单元，N_i,z＝0为t时刻土体表面释放进入静态箱的i组分气体通量。设定边界条件和参数取值后，运行模型。

步骤2.4：导出模型计算结果，即对应不同工况的静态箱区域土体表面气体释放通量N_i,z＝0，并根据下式求解测试偏差ε：

根据步骤2中模型计算获得的不同工况的ε，选取ε取值范围。其中，此处的不同工况是指不同的扩散系数，渗透系数和底部通量取值。经过文献调研，得到各个参数的取值范围，通过各参数分布概率最高的取值设为参考工况，具体参数范围见图3。如图3所示，模型给出了k_g、τ以及底部通量N_bottom取值不同的工况下，在参数分布范围内分别取极大值极小值时，对通量测试偏差取值范围。结果表明，ε对参数τ和底部边界条件N_bottom的变化较为敏感，获得ε取值范围为8-95％。

步骤3具体按照以下步骤实施：

根据步骤2给出的ε范围，在取值范围内根据实际计算力选取一系列气体释放通量测试偏差ε(范围内所选取的值宜尽量均匀，在满足计算能力和效率的前提下，取值应尽量多)，根据下式获得对应的气体释放通量假定值N_bottom；

基于气体通量的偏差ε对气体释放通量N_measure进行修正，作为土体-静态箱气体运移模型输入参数，获得并拟合静态箱中的气体浓度测试数据点。

步骤4具体按照以下步骤实施：

步骤4中的模型采用步骤2中建立的土体-静态箱气体运移数值模型。不同之处在于在步骤4中，数值模型的底部边界条件采用步骤3中假设的底部通量值。

底部边界条件为常通量边界：N_i＝N_bottom；静态箱放置于土体表面以后，i组分气体进入静态箱浓度逐渐累积上升，土体放置静态箱区域的顶部边界为：

C_i，chamber＝C_i，air+(∫∫N_i，z＝0dAdt)/V_chamber

式中，dA为静态箱覆盖区域面积单元，N_i,z＝0为t时刻土体表面释放进入静态箱的i组分气体通量。设定边界条件和参数取值后，运行模型，得到不同时刻静态箱中对应组分浓度C_i,chamber。

步骤5具体按照以下步骤实施：

通过步骤4的数值模型计算，对于给定的一系列静态箱底部通量，可得到不同的C_i,chamber。求出气体浓度测试值和模型求解结果的均方根误差(RMSE)，均方根误差最小工况设置的模型底部通量认为是气体真实通量值。

本发明的有益效果为：

本发明能够通过模型计算直接获得不同气体运移参数和底部气体通量情况下的多组分气体通量的测试偏差。

本发明可以基于测试偏差的预测对测试通量进行修正。

本发明可以将修正后通量输入模型计算，计算结果可利用测试得到的静态箱中气体浓度数据校验，本发明提供的土体表面气体通量测试方法，可给出考虑顶部浓度累积作用和多组分气体相互作用的静态箱方法的气体通量测试偏差以及真实气体释放通量，本发明方法具有良好的可靠性。

线性拟合方法并没有解释气体运移的过程，无法考虑测试过程中的气体浓度变化对测试结果的影响。线性拟合分析方法存在较强的不确定性。本发明在测试过程中，可以考虑多组分气体在土体中运移机理，以及在静态箱中气体浓度升高的浓度累积效应对多组分气体由土体中运移释放进入静态箱的过程的影响。

本发明相比于单一组分的气体通量测试方法而言，可以考虑不同组分之间的相互作用及转化。适用于成分复杂的填埋场气体释放通量的测试。

附图说明

图1是多组分气体释放通量测试方法流程图；

图2是土体——静态箱多组分气体运移模型示意图；

图3是ε取值范围；

图4是实验结果和计算结果比较分析；

图5是模型模拟结果和现场测试实验结果比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明实施例中，通过以下步骤实施多组分气体释放通量的测试：

步骤1:在待测土体表面布置静态箱，采样并分析静态箱中待测气体组分的浓度；获得不同时刻静态箱中待测气体组分的浓度测试数据，通过线性拟合方法获得待测组分的表面气体通量测试值N_measure；

步骤2：如图2所示，建立土体-静态箱多组分气体运移数值模型，设定气体运移参数及属性，并添加多组分气体运移控制方程并设置边界条件。其中土体中的气体运移参数取值，以及静态箱尺寸的取值根据现场实际工况选取。通过模型进行参数分析，获得不同的工况下测试偏差ε的取值范围。

步骤3：根据步骤2给出的ε范围，设定一系列气体释放通量测试偏差ε，根据下式获得对应的气体释放通量假定值N_bottom；

步骤4：将步骤3中的气体释放通量假定值作为模型底部边界条件，根据步骤2建立的土体-静态箱气体运移数值模型获得对应的静态箱中待测组分浓度随时间变化的模拟数据；

步骤5：将所有待测组分浓度随时间变化的模拟数据与步骤1中获得的浓度测试数据比较，选择最接近的模拟数据对应的气体释放通量假定值作为气体释放通量真实值。具体的，通过步骤4的数值模型计算，对于给定的一系列静态箱底部通量，可得到不同的C_i,chamber。求出气体浓度测试值和模型求解结果的均方根误差(RMSE)，均方根误差最小工况设置的模型底部通量认为是气体真实通量值。

实施案例1

本发明通过前人实验数据进行验证，实验结果来自Perera et al.(2002)和Senevirathna et al.(2007)(图4)。Perera et al.(2002)静态箱试验在土柱底部通入CO₂199g/m²/d，测试不同尺寸静态箱中CO₂浓度。从小至大的静态箱的尺寸分别为：0.1m×0.05m，0.2m×0.12m，0.25m×0.16m(直径×高度)。土柱的直径为0.45m，高度为0.8m。根据建立的多组分气体运移模型，模拟静态箱放置后不同尺寸静态箱中CO₂浓度。参数取值如表1所示。

Senevirathna et al.(2007)进行的静态箱实验中，土柱底部通入的CH₄和CO₂的通量均为300g/m²/d。土体表面未放置静态箱区域各组分气体的浓度：

土层总厚度为0.25m，表面0-0.12m为有机土，下方为堆肥层。土的各项性质取值参考原文献，如表1所示。静态箱的内径和高度均为10.16cm。

1案例模型参数取值

模型计算和线性拟合方法计算的结果如下：

表2 Perera et al.(2002)实验结果分析

表3 Senevirathna et al.,2007实验结果分析

计算分析结果如表2表3所示。表2和表3的结果表明，当静态箱的尺寸较小时(内径0.1m；高度0.05m)，线性拟合得到的R²为0.7957，明显小于模型计算结果的R²(0.9661)。当静态箱尺寸较大时，线性拟合得到结果和数值模拟的浓度拟合结果R²基本接近。线性拟合得到的通量值小于气体真实通量。当静态箱尺寸较小，线性拟合得到的通量比实际通量偏小71.1％。上述结果表明，采用线性拟合模型会导致通量测试值偏小。

实施案例2：

本实施例主要是通过半径为0.25m，高为0.55m的静态箱放置与黄土为覆盖层的表面，测试对应不同时刻静态箱中CH₄气体浓度。通过测试偏差分析，假设测试误差值和气体扩散的曲折系数。修正测试通量并输入模型，得到静态箱中CH₄浓度。

步骤1：填埋场黄土覆盖层表面随机选取测点，布置静态箱。将静态箱底座压入土体一定深度，加水密封。分别在0时刻，15min和30min采集气样，用采样泵通过顶部的取样口将气样泵入Tedlar气袋中。将气袋带回实验室，用注射器进样1mL气体至GC9800分析仪，测试CH₄浓度。每个气袋进样两次。通过CH₄浓度-时间线图，拟合计算CH₄释放通量。

步骤2：模型建立及参数选取。图2给出了本发明方法建立的模型示意图。模型包含了3种组分气体：N₂、O₂和CH₄。模型参数见表4.

步骤3：假设相对偏差ε，得到修正后的通量值，代入模型计算得到静态箱中CH₄浓度与测试值比较。对应现场的6个测试点假设的通量测试偏差和曲折系数如表4所示。

图5给出了现场6个测点测试得到的静态箱中CH₄浓度和模型计算结果比较。给定的通量测试偏差时，可较好地拟合静态箱中的浓度。

表4现场静态箱测试数据

以上结果表明，多组分气体运移模型可以较好的计算现场静态箱测试方法的通量测试偏差，拟合得到静态箱中测试气体浓度。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于测试土体表面多组分气体释放通量的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1:在待测土体表面布置静态箱，采样并分析静态箱中待测气体组分的浓度；获得不同时刻静态箱中待测气体组分的浓度测试数据，通过线性拟合方法获得待测组分的表面气体通量测试值N_measure；

步骤2：建立土体-静态箱多组分气体运移数值模型，设定气体运移参数及属性，并添加多组分气体运移控制方程并设置边界条件，其中土体中的气体运移参数取值，以及静态箱尺寸的取值根据现场实际工况选取，通过模型进行参数分析，获得不同的工况下测试偏差ε的取值范围；

所述步骤2具体为：

步骤2.1：建立土体-静态箱多组分气体运移二维轴对称数值模型，设定土体中气体运移参数及属性：

(1)土体中气体运移参数选取：渗透系数k_g，曲折系数τ，孔隙率，饱和度；

(2)静态箱的参数选取：静态箱半径r_c，高度h_c，插入土体深度d；

步骤2.2：添加多组分气体运移控制方程：

假设填埋气中包含n种组分，其中i组分气体通量包括扩散通量和对流通量，通过DGM模型计算，i组分气体的对流通量采用Darcy模型描述：

其中矩阵B为：

其中N_i为i组分的通量，x_i和x_j表示i和j组分气体的摩尔分量，D_ij为i组分和j组分气体的二元扩散系数，D_iM(m²/s)为第i组分的努森扩散系数；τ为曲折系数；C_i为i组分气体浓度；μ为空气粘滞系数；R为理想气体常数；

基于理想气体方程，i组分的摩尔分量可用各组分浓度和所有组分浓度之和的比例表示：

气体质量守恒方程为：

其中，θ_g为气体体积比，将气体通量和气体分压的表达代入气体质量守恒方程中，得到基本未知变量为各个组分分压C_i的偏微分方程组，偏微分方程组求解，得到各组分分压C_i分布；

步骤2.3：设置边界条件并获得静态箱区域土体表面气体释放通量N_i,z＝0；

土体-静态箱多组分气体运移数值模型的上边界条件为常浓度边界，即各个组分的浓度等于空气中的浓度:C_i＝C_i,air；底部边界条件为常通量边界：N_i＝N_bottom；静态箱放置于土体表面以后，i组分气体进入静态箱浓度逐渐累积上升，土体放置静态箱区域的顶部边界为：

C_i，chamber＝C_i，air+(∫∫N_i，z＝0dAdt)/V_chamber

式中，V_chamber(m³)为箱体体积，dA为静态箱覆盖区域面积单元，N_i,z＝0为t时刻土体表面释放进入静态箱的i组分气体通量，设定边界条件和参数取值后，运行模型；

步骤2.4：导出模型计算结果，即对应不同工况的静态箱区域土体表面气体释放通量N_i,z＝0，并根据下式求解测试偏差ε：

步骤3：根据步骤2给出的ε范围，在范围内选取一系列气体释放通量测试偏差ε，根据下式获得对应的气体释放通量假定值N_bottom；

步骤4：将步骤3中的气体释放通量假定值作为模型底部边界条件，根据步骤2建立的土体-静态箱气体运移数值模型获得对应的静态箱中待测组分浓度随时间变化的模拟数据；

所述的步骤4具体为：

步骤4中的模型采用步骤2中建立的土体-静态箱气体运移数值模型，不同之处在于，在步骤4中，数值模型的底部边界条件采用步骤3中假设的底部通量值；

底部边界条件为常通量边界：N_i＝N_bottom；静态箱放置于土体表面以后，i组分气体进入静态箱浓度逐渐累积上升，土体放置静态箱区域的顶部边界为：

C_i，chamber＝C_i，air+(∫∫N_i，z＝0dAdt)/V_chamber

式中，dA为静态箱覆盖区域面积单元，N_i,z＝0为t时刻土体表面释放进入静态箱的i组分气体通量；设定边界条件和参数取值后，运行模型，得到不同时刻静态箱中对应组分浓度C_i,chamber；

步骤5：将所有待测组分浓度随时间变化的模拟数据与步骤1中获得的浓度测试数据比较，选择最接近的模拟数据对应的气体释放通量假定值作为气体释放通量真实值。

2.根据权利要求1所述的用于测试土体表面多组分气体释放通量的测试方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：

步骤1.1：将静态箱的金属底座压入土体，放置静态箱，同时在底座槽中加水密闭；

步骤1.2：在指定时刻，通过静态箱顶部的取样口采集气样，测试待测气体组分的浓度；

步骤1.3：获得静态箱中待测气体组分浓度-时间曲线图，通过线性拟合方法计算待测气体组分释放通量N_measure。

3.根据权利要求2所述的用于测试土体表面多组分气体释放通量的测试方法，其特征在于，所述的步骤1.3中的待测气体组分释放通量通过下述公式计算：

其中，C_t和C_t+Δt(mol/m³)分别为t时刻和t+Δt时刻对应静态箱内的待测气体组分浓度；V_chamber(m³)为箱体体积；A_chamber(m²)为箱底面积；T(K)为气体温度。

4.根据权利要求1所述的用于测试土体表面多组分气体释放通量的测试方法，其特征在于，所述的步骤5中，选择最接近的模拟数据，具体为：

通过步骤4的数值模型计算，对于给定的一系列静态箱底部通量，可得到不同的C_i,chamber；求出气体浓度测试值和模型求解结果的均方根误差(RMSE)，均方根误差最小工况设置的模型底部通量认为是气体真实通量值。

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