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建立考虑自重固结的预制垂直排水（PVD）处理污染淤泥数值模型，揭示固结-污染物耦合迁移规律。模型验证显示PVD安装使污染物去除率提升97.7%，真空压力和PVD间距影响显著，固结完成后污染物扩散呈现均匀径向分布。
孙宇涛|李传勋
江苏大学土木工程与力学学院，中国江苏省镇江市212013
摘要
安装预制垂直排水管（PVD）可以显著加速受污染疏浚污泥的自重固结过程，并有助于其中污染物的排出。对固结引起的污染物迁移及其空间分布进行建模对于评估污染风险和在疏浚污泥现场实施环境监测至关重要。然而，现有模型未能充分考虑实际边界条件以及固结导致的土壤性质变化，因此无法准确捕捉PVD处理场地中固结引起的污染物迁移。因此，本研究开发了一个数值模型，用于模拟PVD处理疏浚污泥在自重非线性固结条件下的污染物迁移过程。该模型通过与实验数据和现有模型的比较进行了验证。基于所提出的模型，分析了PVD的渗透性、安装间距和真空压力等关键工程参数对现场污染物浓度变化的影响。数值分析表明，PVD的安装显著加速了污染物的去除，其中固结过程在五年期间贡献了97.7%的总去除率。增加真空压力或超载以及减小PVD的安装间距都可以加速现场的污染物去除速率。固结完成后，对流作用变得可以忽略不计，土壤中的污染物会从高浓度区域扩散到已经清洁的区域，最终实现均匀的径向分布。该模型为评估受污染疏浚污泥的潜在再利用及其在复垦场地的相关环境风险提供了定量工具。
引言
在土地资源稀缺的沿海地区，经常实施复垦项目以创造额外的基础设施发展空间（例如机场和码头）。由于砂资源严重短缺，河流和湖泊中的疏浚污泥已成为主要的填充材料（Wang等人，2017年；Yin等人，2024年；Chen等人，2025年）。2000年至2016年间，中国复垦了超过1860平方公里的新土地，其中超过80%使用了来自邻近水域的疏浚污泥（Wang等人，2020年）。尽管受污染的疏浚污泥通常不作为填充材料使用，但实际上无法始终保证填充材料的质量（Wang等人，2018年），从而导致复垦场地对周边人群和当地生态系统构成潜在的健康风险（Li等人，2007年；Hamzeh等人，2013年；Zhu等人，2017年；Agah等人，2016年；Prajith等人，2016年；Jian等人，2023年）。如图1所示，沉积物中的重金属浓度普遍超过《中国土壤环境质量标准》（GB 15618–1995）规定的环境背景值，特别是镉，对环境和人类健康构成了一个未被充分认识但实质性的威胁（Chen等人，2025年）。通常在疏浚污泥中安装预制垂直排水管（PVD）以加速固结过程（Feng等人，2020年），而固结过程不可避免地会影响污染物的迁移（Qiu等人，2022年；Smith，2000年；Wang和Jeng，2025a）。在固结的作用下，PVD处理后的疏浚污泥中污染物分布不均，这对现场监测提出了相当大的挑战。因此，有必要开发模型来研究复垦场地中的污染物迁移情况，并在批准大规模土地复垦项目之前进一步全面评估使用污泥是否会导致环境污染。
固结通过显著改变多孔介质的孔隙率和渗透性，对污染物迁移产生深远影响。实验结果表明，固结引起的对流通量可能将突破时间缩短1.7倍（Lee等人，2009年；Lee和Fox，2009年）。同样，Lewis等人（2009年）指出，在高压缩性衬料中，固结-污染物迁移耦合将突破时间缩短一个数量级，在压缩性较低的衬料中则缩短超过30%。因此，固结-污染物迁移耦合理论近年来成为了一个重要且关键的研究焦点。Smith（2000年）首次提出了一个适用于准稳态小应变条件下的分析模型，用于研究具有线性吸附作用的可变形饱和土壤中的一维对流-扩散迁移。对于大变形条件，后续研究引入了大应变理论，以考虑固结过程中孔隙率和渗透性的显著变化（Smith，2000年；Meric等人，2017年；Pu等人，2020年；Wu等人，2025年）。同时，非线性吸附等温线和动力学吸附也被纳入模型，以描述污染物与土壤颗粒之间的复杂相互作用（Meric等人，2017年；Li等人，2022年；Han等人，2024年；Jiang等人，2024b）。结果表明，非等温分布放大了固结对污染物迁移的影响，使突破时间缩短了45%以上（Li等人，2022年；Jiang等人，2024b）。这强调了考虑非等温分布的重要性，尽管在污染物浓度较低和土壤性质均匀的复垦场地中这一影响可能不太明显（Han等人，2024年）。此外，非饱和介质中的污染物迁移不仅受固液相互作用的影响，还与基质吸力、非饱和水力性质和气相迁移过程密切相关。因此，也开发了适用于接近饱和和非饱和介质的固结引起的污染物迁移模型（Wu等人，2020年；Cai等人，2024年；Wang和Jeng，2025a；Wang和Jeng，2025b）。这些进展显著提高了模型在市政垃圾填埋场（Li等人，2022年；Wang和Jeng，2025a）、低渗透性屏障系统（Paul和Fall，2025年）以及含水层-隔水层系统（Li等人，2025a）等环境中的污染物迁移预测能力。上述一维模型是针对没有工程排水材料的常规条件开发的。当应用于安装PVD以加速固结的现场修复场景时，模型的准确性受到关键因素的忽略限制，包括井阻力效应、涂抹区影响、自重固结引起的土壤异质性以及不均匀的径向渗流速度。
近年来，PVD被广泛用于受污染场地的修复，并且通过纳入对流、扩散、分散和吸附等关键影响因素，相关数值模型得到了显著改进（Jiang等人，2023年；Jiang等人，2024a；Wang等人，2016年；Zhou等人，2022年）。然而，这些模型仍然不完善，忽略了固结对污染物迁移的影响。为了填补这一空白，Huangfu和Deng（2024年）首次开发了一个PVD辅助的非线性固结引起的污染物迁移模型，并将其扩展到二维迁移评估。Li等人（2025b）进一步通过纳入真空压力边界、非均匀水流速度和涂抹效应，扩展了固结引起的污染物迁移模型。然而，上述研究假设PVD-土壤边界处的污染物浓度是恒定的。这一假设对于用于PVD增强冲洗修复分析的模型是合理的，因为注入的流体始终是清洁水源。与冲洗修复场景不同，复垦场地中PVD相关的井阻力会导致污染物在PVD内部积聚，上述模型未能考虑这一过程。更重要的是，由于水分含量高，复垦场地经常经历自重固结，从而导致土壤压缩性和渗透性的深度依赖性。这可能导致土壤性质表现出空间依赖性，从而在预测污染物迁移路径和浓度分布时产生显著偏差（Wang和Jeng，2025a）。Pu等人（2020年）将这一现实因素纳入了一维污染物迁移模型，模拟了受污染疏浚污泥在受限处置过程中的污染物迁移，表明忽略自重固结会导致污染物释放率被低估，尤其是在早期阶段。然而，迄今为止很少有模型在模拟PVD处理疏浚污泥中的固结引起的污染物迁移时考虑自重固结。
鉴于此，本研究开发了一个轴对称非线性模型，将污染物迁移和自重固结结合起来，以评估PVD处理疏浚污泥在固结过程中及固结后的污染物浓度变化。所提出的模型在PVD-土壤界面处纳入了新的边界条件，以确保通量守恒、涂抹区和井阻力。此外，该模型适用于涉及真空辅助预加载和多阶段超载预加载的工程场景。该模型的性能已通过现有数据和实验数据进行了验证。这项工作旨在评估施工前受污染疏浚污泥的可用性以及PVD处理疏浚污泥的环境风险，从而为工程实践中的决策提供宝贵见解。
部分摘录
问题描述和基本假设
如图2所示，用于土地复垦的疏浚污泥含有高浓度的污染物。安装PVD以加速固结过程，污染物浓度也会随之降低，这需要进一步评估。因此，本研究提出了一个针对PVD处理疏浚污泥的固结引起的污染物迁移模型，其中考虑了污染物迁移的主要因素，如对流、扩散、生物降解和吸附。PVD的典型布局模式
通过与实验比较进行验证
Lee和Fox（2009年）在由上层未受污染层和下层含有溴化钾的复合粘土试样上进行了固结和污染物迁移实验。在这项工作中，J1组和J3组分别施加了3.1、5.6、10.4、20.1、39.5和78.4千帕的外部载荷，每个载荷在试样上保持3天。每天收集J3组的出水，以确保污染物浓度为零
数值结果和讨论
在本节中，使用经过验证的数值解进行了一系列比较分析，以研究不同条件（即PVD的安装、井阻力和加载策略）下固结引起的污染物迁移过程的模式。以Fox（2007年）提供的饱和污泥性质为例，表4中列出了疏浚污泥的固结和污染物迁移参数。为了评估处理效果
总结和结论
本研究通过提出一个考虑自重固结、井阻力、真空预加载和多阶段阶梯载荷的固结引起的污染物迁移的非线性模型，填补了理解PVD处理疏浚污泥中污染物迁移模式的关键空白。通过一个设计案例，本研究证明了所提出模型在评估施工前受污染疏浚污泥的可用性和污染物去除效果方面的可靠性
CRediT作者贡献声明
孙宇涛：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，数据管理。李传勋：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，方法论，资金获取，数据管理。
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竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42377183）的支持。
