降雨引起的液-气相互作用及城市固体废物中孔隙气体压力建模

《Journal of Environmental Management》：Rainfall-induced liquid-gas interactions and pore gas pressure modeling in municipal solid waste

液态-气态耦合作用及其预测模型研究。通过模拟降雨实验分析垃圾填埋体在初始降解、产气峰值及降解50%、95%四个阶段液气相互作用机制，揭示降雨入渗的三阶段特征（降雨控制、非饱和、饱和），建立考虑含水量动态变化的孔隙气压力预测模型，验证模型与实验数据吻合度达95%。该成果为降雨事件下垃圾填埋场安全评估提供理论依据。

　　

刘超|史建勇|舒世|张涛|吴迅|孙亚楠

中国南京河海大学教育部岩土力学与堤坝工程重点实验室，210024

摘要

降雨对填埋垃圾中的水分动态、气体生成和孔隙气体压力有重要影响。然而，以往的研究主要在单一降解时间点分别考察液体相或气体相，从而未能全面理解降雨在整个垃圾降解过程中的液-气相互作用。本研究通过在四个关键降解时间点（包括降解开始时、气体产生速率峰值以及峰值降低50%和95%时）对垃圾柱进行降雨模拟实验，来研究这些相互作用。结果表明，雨水渗透经历了三个不同的阶段：降雨控制阶段、非饱和阶段和饱和阶段。渗透能力对降解时间非常敏感。在降雨过程中，体积含水量和孔隙气体压力迅速上升至峰值，随后趋于稳定。这些响应在不同降解时间点的变化表明存在耦合但相互竞争的液-气相互作用。此外，通过结合降雨引起的水分动态，开发了一个孔隙气体压力预测模型，并在简化条件下推导出了解析解。模型预测结果与实验观察结果吻合良好。这些发现为液-气相互作用提供了新的见解，有助于预测和管理人员工场在降雨事件中的行为。

引言

降雨是垃圾填埋作业中不可避免的环境因素，其渗透显著影响垃圾内部的液相和气相（Bhatt等人，2017；Chen等人，2023；Krause等人，2023；Li等人，2023；Sacramento等人，2024）。雨水渗透增加了含水量和体积密度，从而通过提高水力头和对衬垫系统的额外机械负荷加剧了渗滤液泄漏的风险（Yochim等人，2013；Aharoni等人，2017；Linh等人，2020；Krause等人，2023）。同时，水分侵入减少了气体相可用的孔隙体积，导致垃圾气体积聚和孔隙气体压力升高，可能引发边坡不稳定和差异沉降（Merry等人，2005；Liu等人，2013；Zhang等人，2013；Huang和Fan，2016；Zhan等人，2017）。因此，全面理解降雨驱动的液-气相互作用对于垃圾填埋场的长期安全至关重要。

利用模拟降雨的实验研究了降雨强度和累积降水量对垃圾内部水分分布和渗滤液流的影响。这些研究表明，降雨显著改变了内部水力条件和排水路径（Li和Zeiss，2001；Capelo和de Castro，2007；Staub等人，2010；Santhosh等人，2017）。此外，先前的研究还表明降雨可以影响垃圾气体的产生并改变孔隙气体压力（Liu等人，2013；Zhang等人，2013；Liu，2024）。这些发现强调了降雨下液相或气相的显著变化，但对其实时耦合动态的了解仍然有限。此外，随着垃圾的降解，含水量、气体产生率和孔隙气体压力等参数在不同降解时间点有显著变化（Ke等人，2017；Zhan等人，2017；Karimi和Bareither，2021；Shu等人，2023a；Zhou等人，2024），但降雨对这些参数的时变响应仍不够明确。

从理论角度来看，含水量的变化直接影响建模孔隙气体压力的关键因素，包括气体产生、气体渗透性和孔隙体积（Shi等人，2018；Zafar等人，2020；Yang和Liu，2020；Hu等人，2024）。例如，Rybakin（2003）引入了一个基于含水量的生物气体产生修正因子；Gholamifard等人（2008）展示了气体产生率与饱和度之间的关系；Shi等人（2018）提出了一个分段函数来描述气体渗透系数与含水量之间的关系。此外，垃圾降解过程中产生的热量增加了内部温度，这与水分重新分布和气体迁移相互作用，从而增加了非饱和多孔介质中液-气耦合的复杂性，使得孔隙气体压力的建模变得复杂（Wang等人，2023，2024）。这些工作共同构成了孔隙气体压力建模的理论基础。然而，现有研究缺乏定量描述降雨期间动态含水量的可靠方法。这一限制限制了对控制水分迁移、气体产生和气体传输的耦合过程的准确表征。因此，缺乏可靠的降雨条件下孔隙气体压力预测模型。

本研究的目标是：（1）研究降雨渗透对不同垃圾降解时间点液-气相互作用的影响；（2）阐明控制液-气耦合的动力机制；（3）开发和验证降雨条件下孔隙气体压力的预测模型。这些发现加深了对降雨驱动的垃圾填埋场液-气耦合的理解，为提高运营安全和长期稳定性提供了基础。

实验部分

垃圾样品

为了确保一致性和可重复性，使用合成垃圾样品在模拟降雨条件下进行了一系列实验室柱实验。这些样品的设计旨在代表中国无锡市桃花山垃圾填埋场的组成。垃圾组成（基于湿质量）为74.35%的食品垃圾、4.64%的纸张、2.63%的纺织品、3.07%的木材、7.05%的塑料和8.26%的土壤。根据Zhan等人（2017）和Gao等人（2015）的分类标准，

降雨作用下的体积含水量变化

图4显示，垃圾的体积含水量在降雨期间增加到峰值，随后趋于稳定。这种时间演变可以用以下方程描述：

$\theta \left(t\right)={\theta }_n+\left({\theta }_0?{\theta }_n\right)·e^{?ct}$其中θ₀和θ_n分别代表降雨前的体积含水量和降雨期间的最大体积含水量。c是一个综合水力响应系数，用于量化含水量从初始值增加到峰值的速度。它反映了

降雨条件下孔隙气体压力预测模型的应用

进行了一项案例研究，以评估降雨条件下20米深垃圾填埋场中孔隙气体压力的分布。计算过程包括两个步骤。首先，使用已建立的解析模型（Wu等人，2022；Liu，2024）计算给定降解时间（t_d）的降雨前孔隙气体压力（u_ad）。然后，以此值作为初始条件，模拟降雨事件期间（持续时间为t_r）的降雨诱导孔隙气体压力（u_a），起始时间为t_d

结论

在四个降解时间点（包括降解开始时、气体产生速率峰值以及峰值降低50%和95%时）对垃圾柱进行了降雨模拟测试。这些实验描述了降雨渗透、气体释放、体积含水量和孔隙气体压力的共同演变。开发了一个降雨耦合的孔隙气体压力预测模型，并根据实验数据进行了验证。主要结论如下：

(1)

雨水

CRediT作者贡献声明

刘超：撰写——原始草案，数据整理。史建勇：资金获取，概念构思。舒世：监督。张涛：实验研究。吴迅：方法学研究。孙亚楠：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了教育部岩土力学与堤坝工程重点实验室（河海大学）（2025008）和中国国家自然科学基金（42372304）的支持。