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注:N、Lt、Lu、U 分别表示正态、对数三角、对数均匀和均匀分布。“数据来源”中1表示参数通过现场测定或者来自 设计值;2表示参数通过计算得到;3表示参数参考Landsim给定的缺省值.
1、老化过程的概化及Landsim参数需求
填埋场中HDPE膜常被用于封场覆盖系统和渗滤液防渗系统,Landsim对两个系统中HDPE膜老化的概化方式不同,所要求输入的老化参数亦有所不同。对于封场覆盖系统,Landsim模型假设封场覆盖系统HDPE膜的老化会影响其堆体入渗量:在未开始老化之前,填埋场堆体入渗量等于设计入渗量;随着HDPE膜材料开始老化(t0时刻),入渗量线性增加, 直至 t1时刻HDPE膜到达半衰期,此时入渗量达到最大值(见图1). 因此对于封场覆盖系统HDPE膜的老化,关键输入参数是HDPE 膜老化开始时间t0和达到半衰期的时间t1,以及对应的堆体入渗量-设计入渗量和最大入渗量。
对于渗滤液防渗系统,Landsim模型认为HDPE膜老化会导致其漏洞数量和渗透系数增加:在未开始老化之前,HDPE膜渗透系数等于设计值K0,通常为1×10-14m/s,漏洞数量等于初始漏洞数量N0(即HDPE膜生产过程和铺设安装过程产生的漏洞数量之和). 当其t0时刻开始老化后,假设老化速率为s(性能每年衰减的百分比),其渗透系数和漏洞数量按照老化速率增大. 关键是确定t0、N0和s。
2、堆体入渗量的确定Landsim
需要设计入渗量和最大入渗量作为输入参数。填埋场堆体入渗量受降雨、蒸发、地表坡度和坡长、植被类型、封场覆盖系统等情况的影响,该研究采用HELP模型进行计算。HELP模型是美国地质调查局为美国环境保护局开发的填埋场水文特性评估模型,该模型不仅集成世界各地近10000个气象站点的14a气象数据,并基于该数据估计出全球3000个以上地点的日、月、年尺度的降雨量、气温和太阳辐射数据。同时还综合考虑了表面储水、径流、入渗、蒸发蒸腾等要素对堆体入渗量的影响。只需要根据填埋场所在位置选择代表性的气象站点,并设置好填埋场封场后的地表参数(如坡度、坡长、植被类型等)和封场覆盖系统的结构和材料参数(雨水导排介质渗透系数、HDPE膜渗透系数和漏洞数量等),就可以对堆体入渗量进行估算。对于设计入渗量,通过在 HELP膜中设置相应的气象站点和地表参数,并假设 HDPE膜渗透系数等于初始渗透系数 K0(10-14m/s)和漏洞数量N0,计算得到。
对于最大入渗量,保持其他参数不变,假设HDPE膜完全老化后渗透系数等于下方黏土的渗透系数(10-8m/s)。该条件下,漏洞数量对堆体入渗量不产生影响,因此可设定为任一大于N0的值。
3、HDPE膜老化时间和老化速率确定
梁森荣等认为HDPE膜老化过程可用3-STAGE 模型概化,即认为其老化过程包括STAGE I(抗氧化 剂的耗损阶段)、STAGE II(聚合物的氧化诱导阶段)和STAGE Ⅲ(老化失效阶段)(见图3)。在STAGEI,HDPE膜主要发生抗氧化剂的消耗,渗透系数和力学性能不发生任何变化;至STAGEII,HDPE膜的抗氧化剂完全消耗,但直至STAGEIII开始之前,力学性能和渗透系数均不发生任何变化;至STAGEIII开始,力学性能和渗透性能均以老化速率s逐渐退化. 也就是说t0数值上等于STAGEI和 STAGEII长度之和, t1数值上等于STAGEI、STAGEII 和STAGEIII之和。
STAGEI的长度通过检测HDPE膜的OIT(氧化诱发期)确定,理论上当OIT等于0时表示达到STAGEI;STAGE II通过观测其主要性能指标(见表 2)的变化确定,一旦性能指标开始衰减,即认为达到 STAGE II;STAGEIII 的老化速率通过检测任意2个时刻的主要性能指标参数,计算其变化速率并取其最大值确定。当任一性能指标的残余率小于初始性能的50%时,认为达到半衰期。
4、初始漏洞检测
HDPE膜在生产过程和建设过程中均可能产生破损或缺陷,对应的漏洞即初始漏洞。该研究采用美国环境保护局推荐的偶极子方法(Dipole Method)检测,其基本原理是利用HDPE膜的高阻特性,在膜的上下两侧分别放置一个供电电极并接在高压信号源的两端,根据采集到的电势信号异常对漏洞进行精准定位。
二、应用案例研究
1、填埋场基本信息
填埋场位于我国西南地区,该区域是典型的中温带大陆性气候,年均降水量208.4mm,年均蒸发量2 616.9mm,通常被认为非常不利于渗滤液的产生,是危废填埋场选址的有利条件。目标填埋场设计库容为 360×104m3,填埋库区库底防渗结构采用复合衬层设计。水文地质勘测资料显示,该区域水流维度为一维线性,因此只需考虑包气带水流模型的上边界和下边界。包气带上方与填埋场底部相连,接受渗滤液的渗漏补给,因此其水流边界可视为给定流量边界。根据填埋废物主要成分确定As为渗滤液中主要污染物,以As为目标污染物进行研究。
2、模型基本参数
Landsim模型进行模拟所需参数包括入渗参数、填埋场及废物特性参数、防渗系统参数以及多孔介质水流和溶质运移参数四类(见表1)。表中的入渗参数和防渗系统参数分别根据HELP模型计算和现场检测得到。主要参数是通过现场测定或根据设计参数确定,部分参数或者通常取值较为固定,或者对风险结果影响较小,因此 Landsim模型建议取缺省值即可。
入渗参数计算如上文所述,利用HELP模型直接生成项目所在区域内月值和年值气象数据(降雨量、太阳辐射以及温度),并进行地表径流、下渗和蒸发量的计算。结果表明其年降雨量在266~369mm之间,其中208~330mm化为蒸发量,极小部分化为地表径流,另一部分化为堆体下渗量(见图 4). 在不同场景下(自然入渗)和(设计入渗)的入渗强度分别为39~161和 26.1~68.1mm。
老化参数计算Landsim模型模拟所需的防渗系统参数使用上述的试验方法得到。对该填埋场填埋区HDPE膜进行检测,填埋区防渗层HDPE膜的漏洞数量为4.9 个/(104m2)。该填埋场HDPE膜性能指标参数测试结果见表2。由表2可见,HDPE膜的OIT测试值为零,这表明HDPE膜已经开始老化。由于其各项性能的初始值未知,因此假设各指标的初始值均为初始性能为CJ/T234—2006规定的最低限值。各项性能指标中拉伸断裂强度(横向)的退化最快,6a间下降40%(HDPE膜铺设时间为2012年,检测时间为2018 年)。同时,其2019年的测试数据显示其拉伸断裂强度(横向)残余率为8%。据此推算,该填埋场服役环境下,HDPE膜年老化速率为 8%,老化开始时间t0为第2年,半衰期时间t1为8年。
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