2022年CB719800城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究

工程名称：城市固体废弃物填埋孕育环境灾难与可持续防控的根底争论

2023.1-2023.8教育部浙江省科技厅一、关键科学问题及争论内容〔一〕本工程争论拟解决以下三个关键科学问题城市固废物-化-生相变及固液气相互作用我国城市固废组成简洁、有机物及含水量高，填埋体生化、液气环境多变，物生化相变及固液气相互作用是实现城市环境灾难源有效调控的关键科学问题。在填埋场简洁环境下，城市固废可降解有机物和可溶态无机物会发生耦联的生CH4、CO2的填埋气，生化相变产生的液气在填埋体内固-液-气-化-热耦合作进展液气调控降解环境的方法，科学描述力、液、气、热时空分布，是填埋体快速降解及城市环境灾难源主动调控的根底。填埋场液气诱发静动力灾变准时空演化为节约土地资源，我国填埋场将向高、大、陡和大型集约化方向进展，现有力灾变准时空演化的争论，是城市固体废弃物安全填埋亟待解决的关键科学问〔如强降雨、渗沥液回灌、地震〔包括液化、塑性破坏、物理和化学爆炸、管涌等，由此引起的应力场、渗流场重分布导致灾变估、安全防控供给科学依据。填埋场液、气和污染物击穿屏障机理我国城市固体废弃物填埋场渗沥液渗漏事故屡次发生甚至长期污染周边地〔渗沥液、-集中、吸附-解吸、氧化-复原及降解等作用，当屏障在〔粘土开裂，土工膜破洞〕时，产生优势流击穿屏评价方法，为填埋场污染城市环境预警预报奠定根底。〔二〕工程主要争论内容围绕上述关键科学问题，开放三个层面的争论：(1)机理层面：城市固废生法，建立填埋体城市环境灾难的预警和预报方法；(3)应用层面：以北京、上海善填埋场城市环境灾难机理和可持续防控体系。具体争论内容如下：城市固废物-化-生相变及填埋体多场相互作用-应变本构模非线性固-液-气-化-热相互作用瞬态模型，提示液气时空分布对填埋体污染物运动调控方法。填埋场失稳流滑机理及灾难评估方法强度特性，建立静、动力本构模型。争论高液气压条件下填埋场失稳模拟方法，〔〕力预警标准。液、气和污染物击穿屏障机理及液气污染把握〔如重金属及有毒有机物在填埋场屏障中的渗其计算方法。填埋场服役性能模拟、灾难评估及可持续防控〔地质、地貌和空间环境〕等系统之间的液、气、热、污染物的传递过程，提示各系统之滑过程中城市地貌和空间环境引起的场地效应和城市水文地质条件对填埋场渗法，实现增容节地、渗沥液及有害气体减量。将争论成果应用于地域和气候跨度治理和建填埋场的可持续填埋。二、预期目标环境灾难评估和治理、渗沥液减排和填埋气利用供给科学决策依据。本工程拟在三个根底理论上取得突破：市固体废弃物固-液-气-化-热相互作用及工程效应理论；建立液气诱发填埋体静动力失稳流滑理论，实现填埋体失稳流滑灾变控方法供给理论支撑；，促进创型屏障的研发。范工程验证，总体指标到达兴盛国家水平。10011200SCI8040篇以上、261~2120项，申请软件著5项。三、争论方案学术思路与治理和建填埋场可持续防控供给科学依据。技术途径及可行性和科学依据。实现上述重大突破的技术途径和可行性如下：自主研发填埋体大型多场耦合模型试验装置，为突破填埋体固-液-气-化-热相互作用及填埋体全时空最优降解环境液气调控方法的争论供给创性试验手段。填埋体固-液-气-化-热相互作用争论是把握填埋场灾难机理和实施有效防控试验系统〔15米长、5米宽、6米高〕，拥有完备的力、液、气相互作用把握模拟包括降雨入渗装置、内部气压产生装置等〕和多物理量监测系统〔应力、〕，已成功应用于土木工程多个简洁问题争论。利用该模型系〔如立体导排术、稳定同位素示踪技术等现代测试方法，开发填埋体固-液-气-化-热相互作用模拟与测试系统，可实现填埋体多场相互作用及液气系统化调控争论的重大突破。争论的突破。从不同尺度提示填埋体失稳灾变机理及破坏模式的时空演化规律是填埋孕先进试验和模拟手段为实现填埋体失稳流滑灾变全过程争论的重大突破供给了有力保障。利用超重力离心模拟，突破常重力条件下难以在短时间内重现填埋场设计和快速验证成为可能。ng超重力场，具有“缩尺”和干湿、冷热、冻融等变化〕和灾变监测系统〔TDR、弯曲元和粒子速度图像现防污屏障和掩盖屏障击穿行为及长期服役性能争论的重大突破供给了有力保障。创点和特色理论体系，为填埋场城市环境灾难可持续防控供给科学根底。提出液气诱发填埋体失稳流滑理论，实现填埋体失稳流滑灾变争论从填埋供给关键理论与方法。提出长历时屏障服役性能的离心模型试验方法，建立多场作用下污染论和方法。课题设置各课题间既有确定的独立性，又联系严密，实现争论内容和工作方式相辅相成，保证了工程及统性〔见以以下图〕。关键科学问题城市固废物-化-生相变及固液气相互作用机理填埋场液气诱发静动力灾变准时空演化规律

课题设置课题1城市固废物-化-生相变及污染物产生课题2填埋体多场相互作用及液气调控课题3填埋场失稳流滑机理及灾难评估填埋场液、气和污染物击穿屏障机理

课题4渗沥液污染地下环境及防污屏障

课题5掩盖屏障液气传导与填埋气污染把握课题6填埋场服役性能模拟、灾难评价及可持续防控课题设置及相互之间的联系示意图课题1和课题2是本工程的争论根底。课题1在单元体尺度争论城市固体废弃和最正确降解条件，建立液气传导本构模型及应力-应变本构模型，为课题2液气运3课题2在填埋体尺度争论多场相互作用及液气调控，建立填埋体固-液-气-化-热相互作用模型，目标。课题1和课题2联合解决“城市固废物-化-生相变及固液气相互作用”这一关键科学问题。和时空演化规律。课题3争论填埋场失稳流滑机理及灾难评估，提出不同破坏模立基于稳定把握的库容优化理论，提高单位面积填埋量。课题1为该课题供给填埋材料力学模型和参数，课题2为该课题供给力、液、气以及城市固废工程特性3为课题2年供给戒备水3解决“填埋场液气诱发静动力灾变准时空演化”课题4争论填埋场防污屏障击穿机理与优势流把握方法，实现渗沥液减排，为填埋场选址供给科学依据。课题5争论掩盖5为课题2供给降雨入渗量，间接影响课题4的水力环境。课题2为课题4供给填埋体稳定化时间，以及界面污染、水力、应力和温度负荷定量依据，并为课题5供给4和课题联合解决科学问题三“填埋场液、气和污染物击穿屏障机理”。课题6争论填埋场服役性能模拟、灾难评价及可持续防控。通过争论城市固1至课题5的争论成果进展系统标的安全服役评价体系和多层次的实时预警系统；基于课题2、课题4和课题5开发填埋场城市环境灾难液气调控、掩盖屏障和防污屏障相结合的主被动把握技用于建和在役填埋场，实现工程验证。-化-生相变及污染物产生争论内容：-化-生相变全过程动力学机理与稳定化水平表征城市固体废弃物液、气和污染物释放规律与最正确生化相变条件城市固体废弃物液气传导特性及其与降解龄的相关性基于降解龄的城市固体废弃物应力-应变本构模型争论目标：〔“降解龄”〕及指标；从单元体层面提示城市固〔加速产气与压缩变形、削减渗沥液和污染物产量〕及液气传导和力学本构特性。13.2%同济大学、浙江大学邵立明柯瀚、吕凡、周燕国争论内容：填埋体固-液-气-化-热相互作用填埋体多场耦合作用下液、气、污染物运移与演化规律液气时空分布对填埋体沉降影响规律填埋场最优生化环境的液气运移调控方法争论目标：获得我国典型城市固废填埋体在不同类型生化环境条件下各灾变源稳定化过程曲线测试数据，提出填埋场稳定化时间计算方法；建立填埋体固-液-气-化-目标。16.7%浙江大学、中国科学院武汉岩土工程争论所课题负责人：詹良通薛强、李育超、林伟岸、刘磊争论内容：城市固体废弃物静动力学特性及填埋场防污屏障界面软化特征的时变性液气诱发填埋场失稳机制及把握方法地震诱发高水位填埋场失稳的机制及分析方法填埋场失稳机制的超重力离心模拟填埋体失稳流滑灾难评估与把握方法争论目标：基于不同降解龄和应力状态，建立城市固体废弃物材料和防污屏障界面的〔液化、渐进累积破坏〕诱策。16.7%同济大学、中国水利水电科学争论院黄茂松侯瑜京、黄雨、冯世进、吕玺琳争论内容：土颗粒与污染物界面行为及高性能防污屏障材料多场作用下防污屏障击穿机理及服役性能评价方法防污屏障长期服役性能及离心模型试验验证填埋场城市地下环境的污染灾难评估及把握争论目标：击穿浓度等指标的屏障长期服役性能评价方法，并利用超重力离心模型试验验时间、渗漏量和底部浓度把握标准，以及满足把握标准的防污屏障设计方法。16.7%河海大学、清华大学课题负责人：朱伟胡拂晓、钱学德、赵仲辉、李磊、温庆博5：掩盖屏障液气传导与填埋气污染把握争论内容：土质掩盖屏障液气击穿机理土质掩盖屏障裂隙优势流产生气理多功能掩盖屏障设计方法掩盖屏障长期服役性能评价与优化争论目标：〔主要包括液气击穿〕及其计算方法；提示典型气候污染把握。20%香港科大霍英东争论院、浙江大学课题负责人：吴雄伟凌道盛、朱斌、孔令刚、谢海建争论内容：填埋场服役性能与城市环境灾难仿真平台简洁环境下填埋场安全服役评价和预警体系填埋场可持续服役性能及实现典型固体废弃物填埋场城市环境灾变重演与推想争论目标：场污染的减排和填埋气高效收集。16.7%浙江大学、北京市勘察设计争论院课题负责人：陈云敏周宏磊、鲍亦兴、边学成、黄博四、年度打算争论内容第 (1) 开展深入细致的资料收集、检索和整理分析，制定具体的工程和课题一实施方案、理论争论框架和试验研年 究大纲；分析我国填埋场典型渗沥液和填埋气成分；开展城市固废单元体试验，填埋体固-液-气-化-热相互作用的大型模型试验，简洁环境下典型防污屏障界面软化特征时效性试验，城市固-污染物界面物理和化学试验，重金属在土壤屏障中形态转化的迁移集中试验，防污屏障中污染物迁移集中的离心机试验；争论典型城市固体废弃物可降解有机物和可溶态无机物生化相变过程，以及多场耦合作用下填埋体生化降解及其产生的各灾变源稳定化

预期目标提出城市固体废弃物稳定化水平表征指标及方法，基于降解龄的城市固体废弃物水气传导特性模型，填埋场稳定化时间计算方法，描述多场环境下、考虑时变效应的界面力-液-气耦合-气-热耦合运移模型；获得渗沥液和填埋气污染物成分数据，城市固废及其与防污屏障界面的静、动力特性数据，土质掩盖材料和土工合成材料的液、气、热传导特性数据，建立典型填埋场关键参数数据库治理系统；为课题6供给填埋场渗沥液产量计算程序；提出填埋场各子系统之间协同工作的量化表达式。争论内容 预期目标过程；(5)争论典型土质掩盖材料和土工合成材料的渗透与集中、持水及热传导特性，典型雨型下掩盖屏障的地表径流及液气传导过程；(6)建立非饱和土液-气-热耦合运移理论模型，争论填埋场各个子系统，包括填埋体、封顶掩盖系统、导排系统、防污屏障系统、城市地质、污染物传递规律。第(1)开展不同稳定化水平下城市固废的(1)提示填埋体内液、气压力时空分布二压缩试验和三轴试验，典型城市固废材料流态化及非牛顿流体动力学及演化规律，液气压力诱发填埋场局部灾变及灾变空间渐进演化机年试验，强降雨诱发填埋体及防污屏-液-气耦合作用的填埋场障界面典型失稳破坏的离心模型试渐近失稳破坏机理，强降雨诱发填验，防污屏障长期服役性能的离心埋体及防污屏障界面典型失稳破坏模型试验，防污屏障渗透、集中、发生条件及其渐进演化机制，液气吸附等宏观环境土工特性试验，典通过掩盖屏障裂隙的优势流击穿机型气候干湿循环与冻融循环下掩盖理；争论内容屏障性能劣化的室内模型试验，填埋体不均匀沉降作用下掩盖屏障裂隙产生及发育模型试验；争论城市固废生化相变过程主导途径演化及中间代谢体再降解规律，填埋场液气耦合运移规律及相应的分析方法，不同生化环境条件下填埋体内渗沥液和填埋气的运移和演化规律及填埋体与屏障界面处液气压力负荷定量表征方法，液气通过裂隙的优势流行为及击穿过程，土颗粒与污染物界面行为及高性能防污屏障材料，重金属和有机污染物在近场城市地质环境中的迁移规律；建立液气耦合作用下松散固体废弃物失稳判别准则和失稳后工程特性弱化的合理理论描述，填埋场渐进失稳破坏过程的分析方法，多场作用下防污屏障击穿机理及服役性能评价方法，应力、温度、水头及浓

预期目标提出液气优势流运移分析模型，建立城市固体废弃物生化相变动力学全过程模型，基于降解龄的城市固体废弃物应力-应变本构模型，提出填埋体与屏障界面处液、气压力计算方法，提出渗沥液产量和填埋气收集量计算方法，典型城市固废材料流态化数学描述及流滑本构模型，防污屏障的污染物运移过程分析方法，掩盖屏障性能评价指标及计算方法，填埋场各系统灾难评价子目标函数及相应的指标临界值，填埋场城市环境灾难的评价方法；为课题6供给防污屏障渗沥液渗漏填埋场液气压力分析程序，填埋场固液气耦合作用及渐进破坏分析程序；初步实现填埋场服役和灾难仿真平台。争论内容度耦合作用下污染物通过防污屏障的运移模型，填埋场城市地下环境的污染灾难评估及把握方法，液气优势流运移过程分析方法，填埋场各系统灾难评价方法，填埋体失稳流滑和屏障失效后产生的城市环境灾难效应，基于模块化理论的填埋场服役和灾难仿真系统级平台。

预期目标提交中期争论报告。第(1)开展土柱试验争论，掩盖屏障含水(1)获得土质防污材料环境土工特性数三量、温度、氨氮、盐度、植被等对据；降雨入渗量、填埋气逸出量、甲烷(2)提示不同生化环境条件下填埋体工年氧化率的影响规律，开展大型模型程特性衰变规律，多场耦合作用下试验争论表层典型植被的蒸腾 -蒸填埋体沉降进展规律，地震作用下发特性对掩盖屏障液气分布的影响填埋场动力变形机制和动力响应的规律，开展渗沥液回灌诱发填埋体影响规律，填埋场典型失稳破坏机及防污屏障界面失稳破坏的离心模理及其液气诱发条件；型试验；争论不同降解龄城市固体废弃物降解过程的渗沥液、填埋气、污染物的释放规律及气环境对其影响，填

提出考虑生化相变效应的填埋体沉降和容量计算方法，城市固体废弃物液、气和污染物释放规律模型，城市固体废弃物动力应力-应变本争论内容埋场填埋气收集量计算方法，填埋场地震响应分析理论，土颗粒与污染物界面行为及高性能防污屏障材争论重金属和有机污染物在近场城市地质环境中的演化规律，争论考虑生物与化学作用的液气运移过程分析方法；提出考虑生化相变效应的填埋场沉降和容量计算方法，不同液气诱发破坏模式下有用稳定安全评价方法及保证填埋体稳定的安全把握标准，多场作用下防污屏障服役性能评价方法，基于填埋气渗漏量及稳定的填埋气压预警值，掩盖屏障性能评价指标及其计算方法，多功能掩盖屏障设计方法；建立填埋场服役和灾难仿真平台与各个分析模块的连接，集成填埋体失稳与填埋气爆炸火灾的变形和液气压力、城市环境污染动态监测方

预期目标构模型，填埋体与屏障界面处污染负荷计算方法，应力、温度、水头及浓度耦合作用下污染物通过防污屏障的运移模型，能考虑生物与化学作用的非饱和土水-气-热耦合数学模型，掩盖屏障的雨水入渗过程和填埋气渗漏过程的分析方法；为课题6供给雨水入渗量和填埋气渗漏量的计算程序，污染物在防污屏障中运移分析程序，填埋场沉降计算程序；建立填埋场生命期各阶段综合效益的评价目标函数，填埋场城市环境灾变预警和预报的综合集成系统。争论内容法，开发填埋场城市环境灾变的预警和预报系统，开发填埋场生命期各阶段综合效益和填埋场可持续服役的评价方法。

预期目标第 (1) 开展填埋体生化环境液气调控的大型模型试验，地震诱发高水位填埋四场失稳的超重力离心振动台模型试年 验，简洁气候下掩盖屏障长期性能的超重力离心模型试验；争论与降解龄关联的城市固体废弃物最正确降解条件，流滑初始状态与边界效应的表征方法，典型城市固废滑移运动过程近场城市地貌场地效应，纳米材料、型复合材料、生物自修复材料改进土质防污屏障的方法，填埋体温度场、化学场和生物作用对防污屏障的时间效应；建立填埋体固-液-气-化-热相互作

提出与“降解龄”关联的城市固体废弃物最正确降解条件，能显著降低灾变源负荷及持续时间的生化环境及其主动调控方法，填埋体固-液-气-化-市固废流滑灾变后的流程、掩盖面积及其掩盖层厚度的方法，防污屏障服役性能评价方法，填埋场地质环境容量计算方法及地下环境污染灾难