基于MATLAB的渗滤液在包气带迁移数值模拟研究 环境工程毕业论文.doc

毕 业 论 文 (设 计) 题 目：基于 matlab 的垃圾渗滤液在包气带 迁移数值模拟研究 院 (系)： 环境科学与工程学院 专 业： 环境工程 姓 名： * 指导老师： * 完成日期： 2009 年 06 月 04 日 基于 matlab 的渗滤液在包气带迁移数值模拟研究 摘要 通过静态吸附、静态降解、动态弥散实验得到李坑垃圾填埋场底部土层 的吸附参数、弥散系数、渗透系数等；基于 matlab 开发了垃圾填埋场渗滤液中 cod 下渗包气带迁移数值模型，并对 cod 迁移产生地下水影响进行了风险预测， 结果表明：5 米处（丰水期地下水位埋深） ，7.8 天以后将出现渗滤液下渗引起 的地下水 cod 污染（下渗水达到类标准以上） ，9.2 天以后将出现严重污染。 8 米处（枯水期地下水位埋深） ，20.4 天以后将出现渗滤液下渗引起的地下水 cod 污染，23.2 天以后将出现 cod 严重污染（下渗水达到类标准以上） 。 关键词 李坑；垃圾渗滤液；包气带；饱水带；数值模型； abstract through static adsorption, degradation of static and dynamic diffusion experiments hang li landfill soil at the bottom of the adsorption parameters, diffusion coefficient, permeability coefficient and so on; developed based on matlab landfill leachate cod infiltration in vadose zone numerical model of migration, migration and cod have a risk of groundwater impact prediction, the results show that: 5 m department (the wet period the water table depth), 7.8 days will be caused by infiltration of groundwater leachate cod pollution (under the water to reach the standard class and above), 9.2 days will be heavily polluted. department 8 meters (dry season water table depth), 20.4 days after the infiltration will be caused by leachate contamination of groundwater cod, 23.2 days after the cod will be a serious pollution (under the water to meet the criteria for class above). key words likeng；landfill leachate；aerated zone；saturation zone numerical model 目 录 1 前 言 .1 1.1 研究背景、目的、意义 1 1.1.1 研究背景 1 1.1.2 研究目的 1 1.1.3 研究意义 1 1.2 研究进展 1 1.3 研究内容、技术路线与关键技术 3 1.3.1 研究内容 3 1.3.2 技术路线 3 1.3.3 关键技术和创新点 3 2 垃圾渗滤液中 cod 在土层中迁移模拟原理 4 2.1 cod 在土层中迁移转化的主要作用 4 2.1.1 对流、扩散与弥散物理作用 4 2.1.2 生物降解及降解因子 5 2.1.3 阻滞（滞留）因子与吸附作用 5 2.2 垃圾渗滤液在包气带土层迁移数值模型 7 2.2.1 数 值模型建 立差分方程的求解方法说明 . 2.2.2 迁移方程求解 数值解 7 3.渗滤液中 cod 在包气带迁移数值模型程序设计 9 3.1 模型程序结构设计 .10 3.2 matlab 程序设计 10 4 李坑填埋场渗滤液中 cod 地下水污染风险预测 .11 4.1 渗滤液、包气带和饱水带土层样品的采集与有关参数的测定 .11 4.1.1 渗滤液、包气带和饱水带土层样品的采集 .12 4.1.2 包气带和饱水带土层有关参数的测定 .12 4.2 研究区环境背景 .13 4.3 填埋场渗滤液中 cod 地下水污染风险预测 .14 5 结论与建议 .16 5.1 结论 .16 5.2 建议 .17 致 谢 .17 参考文献 .18 第 1 页 共 23 页 1 前 言 1.1 研究背景、目的、意义 1.1.1 研究背景 题目来源于广州城市地质调查专项，专题题目为广州市垃圾处理场地质 环境条件调查评估与场址优选区划，是基于区域综合地质调查基础上的城市 水工环及环境地球化学调查与污染评价的一个面与点结合的调查研究项目，项 目编码：1212010511105。 1.1.2 研究目的 本文以李坑生活垃圾填埋场为例，以cod为主要研究对象，通过室内模拟 实验研究垃圾渗滤液在包气带及饱水带中迁移和作用机理；确定污染物在地下 环境（包气带和饱水带）中迁移模型，拟合实验结果求出模型迁移参数，以及 通过实验求出迁移参数，并通过模型来预测污染物在包气带及饱水带中的时空 分布。 1.1.3 研究意义 1）理论意义：随着我国经济发展和人民生活水平的提高，垃圾填埋场渗 滤液已成为表层土壤、浅层地下水污染的重要因素之一。揭示垃圾渗滤液中有 机污染物在包气带及饱水带中的迁移转化规律，为最终提出污染物迁移的控制 措施、方案和环境保护提供理论依据。 2）现实意义：李坑垃圾填埋场是广州市主要的四大垃圾填埋场之一，1991 年开始使用，2002 年 12 月封场，采用普通方式填埋，天然土层防渗，垃圾渗 滤液部分处理 1，因此渗滤液对周围地下水环境存在较大的影响，并且这种影 响已经在周边老百姓以及单位的用水中明显反映出来，建立有效的预警机制与 提出有效的管理措施对进一步加强当地垃圾填埋场的管理与规范地下水资源的 开发利用以及生态环境保护具有重要意义。 1.2 研究进展 第 2 页 共 23 页 我国地下水质模型的研究工作起步于 20 世纪 80 年代 ,北京市环境保护 研究所等单位建立了我国第一个地下水质模型 ,采用食盐荧光染料及放射性示 踪剂在野外实测了弥散系数 ,取得了国内首批弥散系数野外观测资料 。近几年 有关地下水质模拟问题的研究已取得较大进展。针对垃圾填埋场渗滤液污染地 下水这一具体问题 ,国内研究较多的是有关垃圾渗滤液的处理及防渗问题 ,而 对评价垃圾填埋场渗滤液对地下水环境、土壤污染的影响研究还处于初期 。 国外学者进行了有关垃圾渗滤液对地下水污染方面的试验和理论研究 ,并 取得了很大成就。其主要研究内容包括垃圾渗滤液的产生机理、运移过程、污 染范围、污染物的生物化学转化过程等。其主要方法是将地下水溶质运移模型 应用进来通过建立数学模型和利用数值模拟方法 ,建立了水质模拟数学模型包 括确定性模型和随机性模型 ,模型中参数的确定通过试验计算得到。到目前为 止 ,已有比较完善和成熟的计算方法和数值模拟软件。随着计算机的普及及其 性能的提高 ,出现了许多地下水污染物运移的比较成熟的模拟软件。如由美国 地质调查局 mcdonald 博士等设计的三维有限差分模拟程序 modflow 是目前功 能较全面的地下水模拟软件 ,在其基础上由加拿大 whi 公司开发的 visual modflow 软件以其良好的输入、输出界面。成为目前国际上最流行和应用最多 的地下水模拟软件。 近年来，许多研究者从各自的目的出发对基础数学方程进行改进诞生了一 批 较有实用价值的模型。如：美国环保署开发的 przm2 一维有限差分模型，采用 przm、vadoft 模型的联合，可以模拟植物根区和非饱和带水分和杀虫剂的运移； hydrus1d、hydrus2d 可定量研究水分和氮素在农田土壤-植物系统中的循环和 利用过程。vadose/w 是二十世纪九十年代加拿大 geo-slope 公司开发的一套基 于有限单元法有限差分原理的软件，是目前为止功能较为齐全的非饱和带水流 模拟软件之一，可以模拟饱和-非饱和带的水分运移，同时充分考虑了地表、大 气、植被及地下水的影响因素，可应用于斜坡稳定性分析、蒸发量模拟、垃圾 填埋（设计垃圾填埋场单一或复杂的土壤盖层）等。 垃圾处理场渗滤液对地下水环境污染研究内容丰富，涉及领域众多。模拟 方法是开展这些研究的主要方法之一，它又包括物理与或数学模拟方法 2。垃 圾填埋场地下水污染研究较少，对李坑垃圾填埋场地下水污染的研究就更少了， 第 3 页 共 23 页 因为不同地方不同地质、土壤结构、气候、温度等水文地质条件，垃圾渗滤液 对地下水的迁移、渗透污染等都不同，所以我们的研究较新,同时也是有较大意 义的。 1.3 研究内容、技术路线与关键技术 1.3.1 研究内容 1）研究区环境水文地质调查与采样 2）采样设计与室内迁移参数测定实验 3）污染物迁移数学模型的构建及其 matlab 程序设计（重点） 4）应用模型进行污染迁移时空分布预测，为垃圾填埋场及其周围地下水资 源管理提供参考。 1.3.2 技术路线 技术路线图如图 1 所示： 图 1 技术路线流程图 fig.1 technology pathway flow chart 1.3.3 关键技术和创新点 1）关键技术 利用数值法求解迁移模型，并利用 matlab 进行数值模拟程序设计。 第 4 页 共 23 页 2）创新点 （1）从 1992 李坑垃圾填埋场启用开始至今，垃圾渗滤液已经对当地居民 食用地下水产生了深远的影响，附近一公里内特别是有河流的地方，地下水污 染严重，但目前对李坑垃圾填埋场的污染预测研究较少，特别是通过研究当地 包气带甚至饱水带 cod 下渗的规律来预测有机污染物在时空尺度上的变化。对 建立有效的预警机制和进一步加强当地垃圾填埋场的管理与规范地下水资源的 开发利用等具有积极指导意义。 （2）实验同时做了饱水带中各种（同包气带）参数的测定，我们大胆的把 包气带参数的测定方法及预测机理应用于饱水带中来预测饱水带能承受的最大 污染程度，进而进行预测风险评估，是一个很大的突破。 （3）基于 matlab 的 cod 下渗迁移数值模拟程序设计，进一步提高了模拟的 精度，避免了解析法的简化计算带来的误差。 2 垃圾渗滤液中 cod 在土层中迁移模拟原理 2.1 cod 在土层中迁移转化的主要作用 包气带和地下水中有机污染物的迁移转化是综合物理、化学和生物作用的 过程，其中包括对流与扩散、衰减和生物降解过程等。 土壤溶质运移 3由对流(convection)、分子扩散(moleculardiffusion)和 机械弥散(mechanical dispersion) 4等三个物理过程以及溶质在运移过程中所 发生的化学、物理化学过程和其它过程综合作用的结果。 2.1.1 对流、扩散与弥散物理作用 1）对流作用及流速因子 对流是指土壤溶质随着土壤水运动而移动的过程，对流也称质流(mass flow)。对流引起的溶质通量jc在数值上等于土壤水流速q与溶质浓度c的积，即 jc=vc （21） 可见，土壤水空隙流速是对流引起溶质迁移的主要因子。 2）扩散与弥散物理作用及弥散系数 第 5 页 共 23 页 地下水中污染物由于分子的不规则运动，从高浓度区向低浓度区运动过程， 称为分子扩散。分子扩散通量可由费克(fick)第一定律得： （22）xcdmm1 式中：m 1x方向的分子扩散通量，g/(m 2.s)、 dm分子扩散系数，m 2/s 弥散作用是由于污染物质点在微观尺度上因流速的变化而引起的相对于平 均流速的离散运动，通常假设弥散过程是一个不可逆过程 7。机械弥散和扩散 都引起了土壤中溶质的混合和分散，而且微观水流速不易测定，弥散和扩散结 果也不易区分，因而在实际应用中常将两者的作用叠加起来，称为水动力弥散， 水动力弥散通常写作： （23）dxcdjhsh 式中：jsh溶质的水动力弥散通量 d土壤的水动力弥散系数 2.1.2 生物降解及降解因子 土壤环境中的有机污染物在微生物群体的作用下，逐步降解为无机物和合 成新的细胞物质，使土壤包气带中的有机污染物浓度降低。这一过程中微生物 和污染物降解转化的速度快慢就是所说的生化反应动力学问题，它们对有机污 染预测和控制具有重要的和普遍的意义。 有机污染物浓度的降解速度常服从以下规律，可以表示为: ckdt1 （24） 式中：c基质浓度(g/l) k1一级动力学降解常数(1/d) c0起始浓度(mg/l) t时间(d) 可见，k 1为描述生物降解的主要因子。 2.1.3 阻滞（滞留）因子与吸附作用 有机污染物在土壤介质中的迁移是由于地下水的运动速度及与土壤介质之 间的吸附/解吸、离子交换、化学沉淀/溶解和机械多种物理化学反应共同作用 tec0 第 6 页 共 23 页 4所致，其迁移路线与地下水的运移路相同，而迁移速度v与地下水的运移速 度v之间有下述关系： （25）drv/ 式中：rd污染物在介质中的阻滞因子； v渗透流体的平均流速； v1渗透质迁移锋面速度。 滞留因子主要与吸附作用有关，当吸附服从线性关系时，常存在以下关系式： （26） dbdkr1 式中：rd阻滞因子 土质干容重；b 饱和含水率； kd达到吸附平衡时固相和液相污染物的吸附分配系数 海纳利吸附线性等温式可表达为： s=kdc （27） 式中：s吸附达到平衡时固体的吸附浓度； kd经验常数，与水温、污染物性质等因素有关； c吸附平衡时，水体的污染物浓度 可见，阻滞因子或吸附分配系数是描述吸附作用的主要因子。 此外，还有一个常使用的相关参数，水化学迁移率e，是污染物迁移锋面速 度与平均渗透速度的比值，其计算公式为： e=v1/v=1/r （28） 可以看出，溶质迁移锋面速度v与包气带孔隙水渗透流速v成正比，与阻滞因 子成反比。e可以反应溶质在土层中的迁移强度或穿透能力。 对水化学迁移率公式变形可得：v 1=ve，由公式t=h/v 13可以求出任一水位埋深 h下污染质到达地下水面所需时间t。 第 7 页 共 23 页 2.2 垃圾渗滤液在包气带土层迁移数值模型 图 2 一维模型的示意图 fig. 2 sketch map of one dimension model 2.2.1 数值模型建立,差分方程的求解方法说明 数值模型中在用差商代替微分方程中的微商,构造差分格式时,由于差商有 不同取法,故可构造出许多逼近定解问题的差分格,但并非任何差分格式都是可 取的.一个号的差分格式应该结构简单,便于求解并具有尽可能高的精度.以污染 物一维迁移模型为例, 一维迁移模型为: g:01mm 1-0.05mm 0.05mm 干容重 g/cm3 李坑泥 29.28 58.09 12.63 1.62 李坑砂 20.00 76.08 3.92 1.51 说明：李坑泥为包气带土层；李坑砂为饱水带土层 表 2 李坑土样迁移参数表 table.2 migration parameter of likeng soil 迁 移 参 数样品 吸附分配系数 降解系数 弥散经验系数 有效孔隙度 渗透系数 李坑泥 0.3843 0.0453 0.0154 0.1671 0.04 李坑砂 1.1198 0.0532 0.0151 0.3349 0.41 说明：李坑泥为包气带土层；李坑砂为饱水带土层 4.2 研究区环境背景 研究区内进行环境水文地质调查，得到该区地下水位埋深的丰、枯变化 （丰、枯地下水位埋深在李坑泥采样点处分别为 5、8m；在李坑砂采样点处为 1.5、3 米） ，采取地下水样分析得到 cod 的背景含量为 3.4422 mg/l，分析确定 垃圾渗滤液污染地下水的途径主要有两种：第一，渗滤池通过包气带下渗对地 下水产生污染。第二，被渗滤液直接排放污染的地表水侧向渗漏污染周围地下 水，主要发生在河流两侧。两种污染途径分别见图 6、7。 第 14 页 共 23 页 图 6 渗滤池中渗滤液下渗污染地下水 图 7 污染地表水侧向渗滤影响两侧地下水 fig.6 percolation liquid infiltrating fig.7 percolation liquid seepage sidewise 4.3 填埋场渗滤液中 cod 地下水污染风险预测 以李坑泥为例，进行填埋场渗滤液中 cod 地下水污染风险预测 1）地下水位埋深处 cod 浓度随时间变化预测 以李坑泥为例，利用模型运算得到地下水位深处（丰、枯水期分别为 5、8 米）cod 浓度随时间的变化，见图 8、9。 图 8 10 年 cod 浓度随时间的变化 第 15 页 共 23 页 图 9 100 天 cod 浓度随时间的变化 图 8 给出了地下水位埋深处 cod 的先增后减得变化过程，图 9 给出了下渗 100 天地下水位埋深处 cod 浓度的变化过程。从中可见，5 米处，50 天后，cod 的浓度变化趋于平缓，8 米处，70 天后 cod 的浓度变化趋于平缓。 2）地下水位埋深处 cod 污染时间预测 参照国家地下水、地表水质 cod 的分类标准，确定本次研究地下水质分类标 准。利用模型预测得到渗滤液迁移到地下水面（5、8 米） 、浓度分别为各类水 质标准的所需迁移时间，见表 3、表 4。 表 3 地下水质 codcr 标准 (mg/l) 标准 类 类 类 类 类 备注 本次采用地下水 codcr 标准 3 7.5 10 15 20 取国家地表水 codcr 的 1/2， 然后再将类标 准适当降低 国家地下水 codmn 标准 1 2 3 10 10 国家地表水 codmn 标准 2 4 6 10 15 一般，地下水 codmn 是地表水 的 1/2 国家地表水 15 15 20 30 40 第 16 页 共 23 页 codcr 标准 国家标准说明：类 主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。适用于各种用途。类 主要反映 地下水化学组分的天然背景含量。适用于各种用途。类 以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式 生活饮用水水源及工、农业用水。类 以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业和部分工业用水外， 适当处理后可作生活饮用水。类 不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。 表 4 渗滤液迁移到地下水面浓度达到各类水质标准的时间（年） 项目 类 类 类 类 类 本次采用标准 3 7.5 10 15 20 5 米，迁移时 间 5.5 天 7.3 天 7.8 天 8.4 天 9.2 天 8 米，迁移时 间 16.3 天 19.2 天 20.4 天 22.7 天 23.2 天 从中可见：5 米处（丰水期地下水位埋深） ，7.8 天以后将出现渗滤液下渗 引起的地下水 cod 污染（下渗水达到类标准以上） ，9.2 天以后将出现严重污 染。8 米处（枯水期地下水位埋深） ，20.4 天以后将出现渗滤液下渗引起的地下 水 cod 污染，23.2 天以后将出现 cod 严重污染（下渗水达到类标准以上） 。 5 结论与建议 5.1 结论 从实验结果可以得出以下结论： 1.包气带土层中不同深度土质不同，不同土质对污染物的吸附降解作用不 同，由粘土或亚粘土组成的不同厚度的隔水层对有机污染物的吸附降解较强， 即净化能力强；地下水流速不同，污染物迁移能力的范围也不同。 2. 包气带对污染物的吸附过程是线性的，即 s=kdc，吸附系数 =0.3843； 降解曲线符合一级动力学方程，即 ，降解系数 =0.0453 d-1；弥tkec10 散过程符合对流一弥散迁移转化模型，弥散系数 d=0.00368d-1。由此确定了有 机污染物迁移数学模型。同时测定了饱水带中的以上参数，结果表明，饱水带 第 17 页 共 23 页 对污染物的吸附过程是线性的，即 s=kdc，吸附系数 =1.1198；降解曲线符合 一级动力学方程，即 ，降解系数 =0.0532 d-1；弥散过程符合对tkec10 流一弥散迁移转化模型，弥散系数 d=0.012573d-1。 3. 参照国家地下水、地表水质 cod 的分类标准，确定本次研究地下水质分 类标准。利用模型预测得到渗滤液迁移到地下水面（5、8 米）、浓度分别为各 类水质标准的所需迁移时间，结果表明：5 米处（丰水期地下水位埋深），7.8 天以后将出现渗滤液下渗引起的地下水 cod 污染（下渗水达到类标准以上）， 9.2 天以后将出现严重污染。8 米处（枯水期地下水位埋深），20.4 天以后将 出现渗滤液下渗引起的地下水 cod 污染，23.2 天以后将出现 cod 严重污染（下 渗水达到类标准以上）。 5.2 建议 由于实验手段、实验时间及环境本身具有的复杂性，我们没有通过实验验 证预测结果的真正准确性，使得在对包气带和饱水带的预测仅停留在实验室室 内模拟研究的水平上，建议以后可以进行实地取样并野外实验，获取第一手资 料以验证并提高预