一种基于示踪剂运移的填埋体优势流测试装置及方法

技术领域

本发明属于城市生活垃圾填埋场流体迁移模拟实验方法及装置领域，尤其涉及一种基于示踪剂运移的填埋体优势流测试装置及方法，可在一定水头下模拟填埋场实际情况并测得液相示踪剂运移的相关参数。

技术背景

我国1600余座城市固体废物卫生填埋场和两万余座简易填埋场普遍存在渗滤液渗漏污染土壤和地下水的风险，严重威胁城市环境安全。填埋场地己识别的污染物包含有机物、无机盐、重金属等5大类，填埋场气象、地形和水文地质条件不尽相同，造成填埋场地污染防控和治理面临巨大挑战。

受我国“重建设、轻维护”思想的影响，卫生填埋场的防污衬垫在填埋过程中发生受力破坏导致渗滤液渗漏的问题非常突出，渗漏点埋深往往超过10m，迫切需要深层渗漏点探测修复或竖向阻隔技术。目前国外填埋场渗漏探测主要采用电法检漏定位技术。但是直流电法定位的核心要求是HDPE膜上、膜下介质应具有良好的导电性能，但我国许多新建的废物填埋场用GCL代替电导率高的黏土层，这样以来一方面渗漏处无法形成电流场，另一方面膜下电极无法铺设；时域反射法要求渗滤液中含有碳氢化合物；磁法检测要求膜上介质层具有较高的磁导率；探地雷达法定位精度不够理想；传输线模型的定位精度受垃圾渗滤液成分影响较大。近几年基于示踪剂的渗漏定位方法开始受到关注，并成功应用于堤坝深层渗漏探测。示踪技术可用于不同地区和不同阶段监测，示踪剂能准确追踪流体的运移方向及流速，鉴别渗漏方向，已成功应用于油田渗漏通道的定位。

部分学者将垃圾视为均匀、各向同性的多孔介质，用单孔隙模型描述液体在填埋体中的对流-扩散规律。但是大量的原位实验和工程应用表明，单孔隙模型模拟结果与实测数据具有较大误差。这是因为各地区填埋垃圾的组成成分各不相同，复杂的颗粒形状、粒径大小、排列结构等引起了渗流通道的不均匀，以大孔隙优势流为主导。因此，考虑垃圾的优势流，研究高效液相示踪剂在饱和填埋体中的对流-扩散规律，确定垃圾的渗透系数等参数十分有必要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于示踪剂运移的填埋体优势流测试装置及方法，可在不同水头条件下不同压力下模拟填埋场实际情况，测得液相示踪剂运移的相关参数，并通过示踪剂反演获得优势流通道，指导现场实验。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于示踪剂运移的填埋体优势流测试装置，包括加压供水装置、加载装置、填埋柱对流-扩散装置和取样装置；所述的加压供水装置与填埋柱对流-扩散装置的底部连接，加载装置用于对填埋柱对流-扩散装置加压，取样装置安装在填埋柱对流-扩散装置上，用于对填埋柱扩散对流装置内的液体进行取样；

所述的填埋柱对流-扩散装置包括柱形填埋腔室、垫板、注液管、排液管和收集容器；所述的柱形填埋腔室固定在垫板上，柱形填埋腔室的底部设有注水孔，垫板的内部设有注水通道；所述的注液管的一端穿过注水通道和注液孔，伸入到柱形填埋腔室的内部，注液管的另一端位于注水通道的外部，且在该端设有第一阀门；

所述的柱形填埋腔室的内部从下至上依次为底部砾石层、底部土工布保护层、垃圾、顶部土工布过滤层和顶部砾石层；所述的排液管的一端布置在顶部砾石层处，另一端连通排水桶；所述的排液管上还设有第二阀门和流量计。

一种基于示踪剂运移的填埋体优势流测试装置的测试方法，考虑到饱和填埋垃圾体非均质性强这一现状，将饱和填埋垃圾体中的空隙分为孔隙和裂隙，并且根据Darcy定律和Fick定律，建立示踪剂在饱和填埋垃圾体中的对流-扩散方程，根据实验情况确定合适的初始条件和边界条件，将控制方程、边界条件等输入至COMSOL内，计算不同参数组合下填埋柱内示踪剂的浓度分布情况，并根据最小二乘法和实验结果选出合适的参数组，即为饱和垃圾填埋体的各项参数；

本发明具有的有益效果(创新点)是：

本发明的装置运用加压器，控制填埋柱中孔隙水在水头保持一定的条件下让示踪剂溶液在填埋柱中运移，模拟定水头条件下示踪剂在填埋体中的对流-扩散现象。通过调节加压器，即可实现模拟不同水头下示踪剂注入填埋体的情况。通过设置取样装置，可实现任意时间任意点位取样，满足全方位全时段监测需求。

本发明考虑到垃圾非均质性强，将垃圾中的空隙分为孔隙和裂隙，裂隙体积大，裂隙内液体流动速度快，通过裂隙流动的液体多，孔隙则相反，孔隙和裂隙在交界面上进行质量交换。建立了示踪剂在孔隙和裂隙中的对流-扩散方程。本发明可根据控制方程和实验结果，推算出垃圾的渗透系数、扩散稀释等参数，另外还可得到裂隙占空隙比w

附图说明

图1是本发明实施例中的一种实验装置结构示意图；

图2是本发明实施例中的一种实验装置结构的俯视示意图；

图3是本发明实施例中的取样装置结构示意图；

图4是本发明实施例中的一种实验装置参数标记图；

图5是本发明实施例中的不同点位的监测浓度实验结果图；

图6是本发明实施例中的浓度数值拟合结果图；

图中：1-1注水容器，1-2第三阀门，1-3加压器，1-4流速计，1-5压强表，1-6第四阀门，1-7外接管；2-1底座，2-2支架，2-3工字型压板，2-4砝码；3-1柱形填埋腔室，3-2底部砾石层，3-3底部土工布保护层，3-4固体废弃物，3-5顶部土工布过滤层，3-6顶部砾石层，3-7第一阀门，3-8注液管，3-9垫板，3-10第二阀门，3-11流量计，3-12排液管，3-13排水容器；4取样装置，4-1取样管，4-2端部土工布层，4-3端部砾石层，4-4扎带，4-5密封层，4-6第五阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明公开了一种用于研究液相示踪剂在饱和填埋垃圾体中运移规律的实验装置，该装置主要包括加压供水装置、填埋柱对流-扩散装置、取样装置和加载装置。所述加压供水装置含加压器，用于控制注入压力，模拟不同水头下示踪剂注入填埋体的情况，以及模拟定水头条件下示踪剂在填埋体中的对流-扩散现象；填埋柱对流-扩散装置用于注入和模拟填埋场垃圾；加载装置用于对填埋柱对流-扩散装置中的垃圾提供不同压力，模拟填埋场不同深度的压力；取样装置用于填埋柱对流-扩散装置中的不同点位取样。利用液相色谱仪对样品进行检测，根据结果以及相关模型能够得出垃圾的渗透系数和扩散系数。

图1给出了本发明实施例中的一种实验装置结构示意图，包括加压供水装置、加载装置、填埋柱对流-扩散装置和取样装置；所述的加压供水装置与填埋柱对流-扩散装置的底部连接，加载装置用于对填埋柱对流-扩散装置加压，取样装置安装在填埋柱对流-扩散装置上，用于对填埋柱对流-扩散装置内的液体进行取样；

所述的填埋柱对流-扩散装置用于对填埋柱试样进行对流-扩散实验，包括柱形填埋腔室3-1、垫板3-9、注液管3-8、排液管3-12和排水桶3-11；所述的柱形填埋腔室3-1固定在垫板3-9上，柱形填埋腔室3-1的底部设有注水孔，垫板3-9的内部设有注水通道；所述的注液管3-8的一端穿过注水通道和注液孔，伸入到柱形填埋腔室3-1的内部，注液管3-8的另一端位于注水通道的外部，且在该端设有第一阀门3-7。

所述的柱形填埋腔室3-1的内部从下至上依次为底部砾石层3-2、底部纱布层3-3、垃圾3-4、顶部土工布过滤层3-5和顶部砾石层3-6，其中纱布用于分离垃圾和砾石，砾石的作用为使得渗滤液均匀的流出，本实施例中，铺设砾石的厚度为5cm。柱形填埋腔室3-1的外壁上设有通孔，用于安装取样装置。所述的排液管3-12的一端布置在顶部砾石层3-6处，另一端连通排水桶3-13；所述的排液管3-12上还设有第二阀门3-10和流量计3-11。

加载装置包括底座2-1、支架2-2、工字型压板2-3和砝码2-4；所述的填埋柱对流-扩散装置固定在底座上，所述的工字型压板通过支架安装在填埋柱对流-扩散装置的上方，砝码位于工字型压板上。所述的支架固定在底座上，工字型压板的上板套设在支架上，能够在支架上滑动；工字型压板的下板位于柱形填埋腔室3-1的上方，下板的外径与柱形填埋腔室3-1的内径相等。

位于柱形填埋腔室3-1内部的注入管为可伸缩结构，可通过伸缩改变注入位置。

所述的加压供水装置包括注水容器1-1、外接管1-7，以及安装在外接管1-7上的第三阀门1-2、加压器1-3、流速计1-4和压强表1-5；所述的第三阀门1-2位于外接管1-7上靠近注水容器1-1的一端，外接管的另一端与填埋柱对流-扩散装置的注液管3-8连通。流速计和压强表用于监测外接管中的流速和压强。

为了更好的控制注水水流，在所述的外接管的另一端设有第四阀门1-6，通过外接管上的两个阀门共同控制水流。

如图3所示，所述的取样装置包括取样管4-1、第五阀门4-6、密封层4-5、端部纱布层4-2和端部砾石层4-3。

所述取样管4-1的一端从柱形填埋腔室3-1的侧壁伸入到柱形填埋腔室3-1的内部，且伸入的一端包裹有两层端部纱布层4-2和一层端部砾石层4-3，所述的端部砾石层4-3位于两层端部纱布层4-2之间，通过扎带捆绑固定，砾石直径在2.5mm-5mm，一方面防止柱形填埋腔室3-1内的砾石随水流流出，另一方面用于扩大取样面积，同时防止垃圾堵塞取样管。取样管的另一端设有第五阀门4-6，所述的第五阀门和端部纱布层之间的取样管4-1外壁上设有密封层4-5，防止柱形填埋腔室3-1内的液体沿取样管4-1外壁渗透出来。本实施例中，密封层4-5由结构胶形成。

若干取样装置沿柱形填埋腔室3-1的周向和轴向均等间距分布；其中沿周向等间距分布为2n列，n≥2，相对两列的取样装置伸入到柱形填埋腔室3-1内部的取样管4-1长度相同，相邻两列的取样装置伸入到柱形填埋腔室3-1内部的取样管4-1长度不同。如图2所示，本实施例中，n＝2，即沿周向等间距分布为4列，其中一对相对列的取样装置伸入到柱形填埋腔室3-1内部的取样管4-1长度较长，另一对较短，满足不同深度和不同径向上的取样要求。

在本发明的一项具体实施中，还包括调节加压器1-3实现水头变化。

本装置的工作过程如下：

在注水容器1-1中导入配置好的示踪剂溶液，在加压器中设置需要的注入水头，打开第四阀门1-6和第三阀门1-2，使得溶液以某一恒定速度通过外接管1-7、注液管3-8注入柱形填埋腔室3-1，在不同时间内打开第五阀门4-6取样，用专用仪器测试样品内的示踪剂浓度，将结果输入comsol软件内，根据对流-扩散方程计算示踪剂在填埋体内运移方式以及填埋体的扩散系数和渗透系数。

本实施例中，扩散系数、渗透系数、裂隙占空隙比等参数的计算过程为：

根据空隙大小，我们将饱和垃圾体内的空隙分为孔隙与裂隙。孔隙(matrix)体积较小，其中的液体扩散较慢，通过孔隙迁移的液体较少；裂隙(fracture)体积较大，其中的液体扩散较快，通过裂隙迁移的液体较多。

建立示踪剂在填埋柱中迁移的二维轴对称模型，所述的二维轴对称模型包括水流控制方程和溶质运移控制方程，方程假设如下：

1.液体的迁移方向与水平轴(r轴)、垂直轴(y轴)平行；

2.渗滤液中示踪剂的迁移行为仅考虑对流-扩散作业，忽略弥散、吸附/解吸附等作用

3.液体的流动遵守达西定律；

4.液体从裂隙中和孔隙中一起流出填埋住中，裂隙和孔隙中的液体在裂隙孔隙的交界面发生质量交换，两个区域的各向异性值相同；

所述的水流控制方程为：

h＝w

式中，K

所述的溶质运移控制方程为：

c＝w

式中，c

所述的右边界为注入边界，右边界条件为：

c

c

h

h

式中，z

所述的左边界为外部环境边界，左边界条件为：

式中，R为柱形填埋腔室的半径；

所述的上边界为流出边界，上边界条件为：

c

c

h

h

所述的下边界为底部边界，下边界条件为：

初始条件设置为

t＝0,c

为了证明本发明的实施效果，在25.5kPa的注入压力下，在填埋体底部，即z

实验结果如下图5所示。实验结果表明，各个点位的监测浓度在都在0-1300mg/L之间；同一点浓度随时间增大而上升，说明填埋体内液体对流现象明显；同一时间同一半径浓度随高度变化特征不明显，这说明垃圾不均匀性强，填埋体内液体扩散作业强；2-3组数据总体偏大，说明2-3点位附近有优势流通道，导致大量示踪剂运移到了该点附近；第一组数据总体偏小，说明第一组附近小孔隙比较多。

另外，实验过程中也监测了液体的出流速度，根据示踪剂在填埋柱中迁移的二维轴对称模型及边界条件，得到了填埋柱的径向平均渗流系数，结果如表1所示：

表1实验结果表

根据模型及实验结果，反演得出填埋体的参数，参数取值如表2所示，数值拟合结果如图6所示(仅以取样口1-2、1-3、1-4、1-5为例)。从数值模拟结果可以看出，拟合结果较好，该模型能较好反应出填埋体内示踪剂浓度分布情况；不同点的w

表2参数取值表

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。