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

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1、 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

2、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

3、 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 i

4、nfiltration 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 af

5、ter 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11.1研究背景、目的、意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究目的11.1.3 研究意义11.2 研究进展11.3 研究内容、技术路线与关键技术31.3.1研究内容31.3.2 技术路线31.3.3 关键技术和创新点32 垃圾渗滤

6、液中COD在土层中迁移模拟原理42.1 COD在土层中迁移转化的主要作用42.1.1 对流、扩散与弥散物理作用42.1.2 生物降解及降解因子52.1.3 阻滞（滞留）因子与吸附作用52.2 垃圾渗滤液在包气带土层迁移数值模型72.2.1 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73.渗滤液中COD在包气带迁移数值模型程序设计93.1模型程序结构设计103.2 MATLAB程序设计104 李坑填埋场渗滤液中COD地下水污染风险预测114.1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114.1.1渗滤液、包气带和饱水带土层样品的采集124.1.2包气带和饱水带土

7、层有关参数的测定124.2 研究区环境背景134.3 填埋场渗滤液中COD地下水污染风险预测145 结论与建议165.1结论165.2建议17致 谢17参考文献181 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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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，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

13、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 chart1.3.3 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。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，

14、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

15、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

16、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）式中：M1x方向的分子扩散通量，g/(m2.s)、 Dm分子扩散系数，m2/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）式中：Jsh溶质的水动力弥

17、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: （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，K1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

18、/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）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） 式中：Rd阻滞因子 土质干容重；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

19、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：V1=VE，由公式T=H/V13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。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

20、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:0xL,0tT (2-1) (2-2) (2-3)将偏微分方程(2-1)式中的时间偏导数用(i,n)点的向前差商来近似,而一阶空间偏导数和二阶空间偏导数分别用一阶和二阶中心差商来近似,则可得到:图2-1将上述三项代入(2-1)式便可得到: (2-4)方程(2-4)式称为逼近微分方程(2-1)式的显示差分方程.2.2.2 迁移方程求解数值解1）数值解的优

21、越性数值解的优越性:污染物在包气带土层及地下水中的迁移方程,一般都是抛物线型的二阶线性偏微分方程,其求解方法一般可分为解析解、半解析解和数值解法三种.实际发生的地下水污染问题是十分复杂的,只有对复杂问题加以抽象和简化或在很简单的边界条件下才能用解析解;对于复杂的问题或边界条件,将无法求得其解析解,只能借助于半解析解或数值方法求解.2）数值解的原理数值解法是将水质变量的空间或（和）时间坐标，由连续的变为离散的。仅将空间位置坐标离散化的数值解水质模型，称为有限元水质模型，将空间和时间坐标都离散化而求解出的数值解水质模型，称为有限差水质模型。数值解水质模型是以代数方程组表达的水质模型，虽然是一种近似

22、的表达，但它使各种偏微分水质基本方程可以求解，并适合电子计算机的应用。差分法就是将函数的导数近似地用差商来代替,初始条件和边界条件亦作相应的替换,导出相应的线性代数方程组,从而把偏微分方程的定解问题化为解线性代数方程组问题, 将此线性代数方程组的解作为定解问题的近似解.解题的基本步骤是:（1）建立数学模型；（2）剖分求解区域/建立差分网格；（3）建立差分方程；（4）求解差分方程。3）一维入渗微分方程及其定结条件的差分化此外，对初始条件和边界条件进行差分化:可得:=,i=0,1,2, N (2-5)L (2-6)L (2-7) 为方便起见,常把方程(2-4)式改成下列形式: ,i=0,1,2,

23、N-1 (2-8)式中,由 (2-8)式可见,只要知道第n层上的三个相临结点(i+1,n),(I,n)和(i-1,n)上的值,和,则可求知第n+1层上的某结点(i,n+1)上的,如图(2-1)所示.因此,可以用差分方程(2-8)式和初始条件(2-5)式以及边界条件(2-6)和(2-7)式逐层地求出差分解,( i=0,1,2, N, N-1=0,1,2, L).首先求第一层的差分解 ( i=0,1,2, N,)a,根据初始条件给出的 ( i=0,1,2, N,)b,用差分方程(2-8)式得出 ( i=0,1,2, N-1,)c,按边界条件(2-6)和(2-7)式算出 再依次算出第二层各结点的浓度

24、值;当第n-1层上各结点的浓度值算出之后,则可根据差分方程(2-8)式以及边界条件(2-6)和(2-7)式计算出第n层各结点的浓度值.3.渗滤液中COD在包气带迁移数值模型程序设计3.1模型程序结构设计程序设计流程图如下图。图4 程序设计流程图3.2 MATLAB程序设计Function likeng %显式差分数值分析法_李坑%给出已知条件：u流速单位m/d，D弥散系数单位m2/d，kk降解系数单位1/d，r迟滞因子u=0.86;D=0.01321;kk=0.0453;r=4.7257;%计算系数x=30;t=100;dx=1;dt=1;n=x/dx;k=t/dt;a=D*dt/(dx2*r

25、);b=u*dt/(r*dx)-2*D*dt/(dx2)*r)-kk*dt;c=1-u*dt/(r*dx)+D*dt/(dx2)*r);%给出系数矩阵AA(1:n,1:n)=0;for i=1:n;A(i,i)=b;endfor i=2:n;A(i,i-1)=a;A(i-1,i)=c;end%给出边界初始条件tt=0:100;c0=3054*exp(-0.00021945*tt);for i=1:n-1;ck(i)=0;end;ck=c0(1),ck;ck1=A*ck;ck1=ck1;%开始计算for j=1:k ck=c0(j+1),ck1(1:n-1);%最后j=k时得到的ck1就是所要的

26、结果ck1=A*ck;%将计算结果记录下来for i=1:n;C(i,j)=ck1(i,1);endck1=ck1;end%图形表示结果 time=1:100;plot(time,C(5,:),-);gtext(-5米处的浓度分布);grid on ;hold onplot(time,C(8,:),-);gtext(1mm1-0.05mm0.05mm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 so

27、il样品迁 移 参 数有效孔隙度渗透系数吸附分配系数降解系数弥散经验系数李坑泥0.38430.04530.01540.16710.04李坑砂1.11980.05320.01510.33490.41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

28、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。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 sidewise4.3 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浓度随时间的变化图9 100天C

29、OD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37.5101520取国家地表水CODcr的1/2，然后再将类标准适当降低国

30、家地下水CODmn标准1231010一般，地下水CODmn是地表水的1/2国家地表水CODmn标准2461015国家地表水CODcr标准1515203040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37.51015205米

31、，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

32、；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

33、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

34、，获取第一手资料以验证并提高预测的准确性，从而增加模型的可靠性和实际应用价值。同时建议当地居民为了自身的健康少喝6米以上的浅层地下水，当地政府也应加强该地的水资源管理，规范地下水开采和保护等工作。致 谢在*教授的悉心指导和严格要求下本论文终于完成的。从论文的选题、设计、试验实施、模型研究、系统编程到论文的撰写、修改、定稿，每一步都包含着着恩师大量的心思和汗水。在此，特向罗老师致以衷心的敬意和感谢！整个实验过程和软件编程，我得到了*师兄的的大力支持和帮助；同时也感谢*、*等同学的配合和帮助。在此对他们表示诚挚的谢意！参考文献1 周劲风、李耀初、张淑娟.广州李坑垃圾填埋场水环境污染调查.上海环境科

35、学J.1992,18(2):95972 罗定贵、陈迪云.垃圾填埋场地下水污染系统及其模拟研究方法.3 李建萍、李绪谦、王存政、蒋惠忠、沈照理. 垃圾填埋场对地下水污染的模拟研究. 环境污染治理技术与设备J.2004,11(5):60644 蒋惠忠、李建萍、张洁、赵淑云、段亦然.世界地质J.2001,20(4):3743785 刘建国、聂永丰、王洪涛.填埋场水分运移模拟实验研究.清华大学学报(自然科学版)J2001,41(4/5):2442476 裴桂红、梁冰.垃圾填埋场渗滤液运移数值模拟. 辽宁工程技术大D.20077 黄修东、刘立民.基于IDL的地下水污染数值模拟研究D.山东科技大学.200

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