徐 亞,孫淑娜,王 琪,劉玉強(qiáng),諶宏偉,彭向訓(xùn),楊 楓

固廢填埋長(zhǎng)期環(huán)境安全和壽命預(yù)測(cè)研究綜述

徐 亞1*,孫淑娜1,2,王 琪1,劉玉強(qiáng)1,諶宏偉2,彭向訓(xùn)2,楊 楓1

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所,北京 100012；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114)

我國(guó)固廢填埋場(chǎng)數(shù)量多、運(yùn)行水平低、設(shè)施老化快、預(yù)期壽命偏短且壽命到期后老化嚴(yán)重.與此相對(duì),固廢填埋場(chǎng)壽命相關(guān)研究卻存在關(guān)注度較少、研究方向不明確、研究?jī)?nèi)容不系統(tǒng)等問(wèn)題.本文綜述了通用工程領(lǐng)域壽命預(yù)測(cè)的基本概念及其發(fā)展歷程,分門別類地梳理工程壽命預(yù)測(cè)的主要研究對(duì)象和研究方法;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合固體廢物填埋工程和實(shí)際特征,系統(tǒng)描述了固廢填埋場(chǎng)工程材料性能退化的主要機(jī)理和預(yù)測(cè)方法、填埋整體性能評(píng)估方法等,并提出當(dāng)前研究存在的不足和進(jìn)一步開展的工作.主要結(jié)論如下:通用工程壽命研究遍布國(guó)民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域,研究對(duì)象包羅萬(wàn)象覆蓋機(jī)械設(shè)備、建筑工程、以及各種通用材料和零部件等,形成了基于系統(tǒng)學(xué)和決策論、基于仿真模擬模型、以及基于經(jīng)驗(yàn)方法的三種工程壽命預(yù)測(cè)方法;固廢填埋領(lǐng)域目前重點(diǎn)針對(duì)HDPE膜防滲材料和導(dǎo)排介質(zhì)材料,基本明確了上述材料的老化機(jī)理和老化預(yù)測(cè)方法,形成了填埋場(chǎng)整體性能預(yù)測(cè)的方法,并耦合整體性能預(yù)測(cè)模型和材料老化預(yù)測(cè)模型探索開展了固廢填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能演化預(yù)測(cè)研究.論文最后指出固廢填埋工程壽命預(yù)測(cè)研究應(yīng)該加強(qiáng)和完善的內(nèi)容,包括完善壽命預(yù)測(cè)理論體系基礎(chǔ)理論與框架體系、深入開展極端服役條件下的核心材料老化機(jī)理和預(yù)測(cè)方法研究、開展中晚期壽命(剩余壽命)預(yù)測(cè)技術(shù)研究,以及強(qiáng)化壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用研究等.

固廢填埋場(chǎng)；填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)；HDPE膜

據(jù)統(tǒng)計(jì),2006～2018年間,我國(guó)生活垃圾填埋總量近13億t,占其清運(yùn)量的57%以上.近年來(lái),盡管垃圾填埋占比有所下降,但年填埋量仍達(dá)1.1～1.2億t.在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,填埋處置同樣是固廢處置的最重要手段之一,如歐盟近40%的危險(xiǎn)廢物通過(guò)填埋處置[1];在美國(guó)填埋是聯(lián)邦和各州法律許可的建筑垃圾唯一處置手段,相關(guān)填埋場(chǎng)數(shù)量超過(guò)1500座[2].

與此同時(shí),固廢填埋的負(fù)面影響,如鄰避效應(yīng),土地占用等問(wèn)題也日益凸顯,長(zhǎng)期環(huán)境安全是近期被廣泛關(guān)注的又一熱點(diǎn)問(wèn)題.填埋過(guò)程產(chǎn)生的高濃度滲濾液含有POPs、重金屬等持久性致癌致畸污染物[3-4],毒害性大,且污染周期長(zhǎng)達(dá)20～30a,部分重金屬和持久性有機(jī)污染物類廢物更可長(zhǎng)達(dá)100a甚至數(shù)個(gè)世紀(jì)[5].另一方面,填埋污染控制的工程材料會(huì)不斷老化,如導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵[6]、固化材料固化性能下降、防滲材料HDPE膜(高密度聚乙烯膜)和黏土滲透性增大,進(jìn)而導(dǎo)致填埋場(chǎng)滲漏環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間顯著增大[7].全球歷年累計(jì)填埋的固體廢物數(shù)以千億噸計(jì),隨著長(zhǎng)期滲漏風(fēng)險(xiǎn)增加,將可能造成世界性的環(huán)境問(wèn)題.由于工程設(shè)計(jì)、建設(shè)不盡合理[8-9],運(yùn)行管理不規(guī)范[10],我國(guó)固體廢物填埋設(shè)施性能劣化更為嚴(yán)重,長(zhǎng)期環(huán)境安全問(wèn)題尤為嚴(yán)峻[11],開展相關(guān)研究尤為必要且迫切.

因此,本文針對(duì)固廢填埋的長(zhǎng)期環(huán)境安全和壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行綜述,重點(diǎn)分析工程壽命預(yù)測(cè)的基本概念及其發(fā)展歷程、壽命預(yù)測(cè)的主要研究對(duì)象、工程領(lǐng)域壽命預(yù)測(cè)的研究方法和壽命評(píng)估方法,同時(shí)結(jié)合固廢填埋工程及其性能退化和風(fēng)險(xiǎn)演化特征,分別從HDPE膜劣化、導(dǎo)排系統(tǒng)老化、填埋場(chǎng)整體性能3個(gè)方向概述固廢填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)的研究現(xiàn)狀,通過(guò)分析總結(jié)當(dāng)前固廢填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)的難點(diǎn)和主要問(wèn)題,對(duì)固廢填埋場(chǎng)的壽命預(yù)測(cè)有待研究方向進(jìn)行展望.

1 其他工程領(lǐng)域壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展

1.1 壽命預(yù)測(cè)基本理論

服役壽命(或稱使用壽命)是指在正常運(yùn)行條件下,工程設(shè)施或機(jī)械設(shè)備能夠正常、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的時(shí)間[12].根據(jù)預(yù)測(cè)時(shí)間的不同,通?？蓪勖A(yù)測(cè)劃分為早期預(yù)測(cè)和中晚期預(yù)測(cè)[13].

早期預(yù)測(cè)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行,其目的是確定工程或產(chǎn)品的理論壽命或稱設(shè)計(jì)壽命,因而又被稱為設(shè)計(jì)壽命預(yù)測(cè)[14].就預(yù)測(cè)方法而言,早期壽命預(yù)測(cè)通常基于模擬老化試驗(yàn)或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推演[15-16].

中后期預(yù)測(cè)統(tǒng)稱為剩余壽命預(yù)測(cè),其中中期預(yù)測(cè)是為了避免工程或設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中非預(yù)期的性能劣化及其可能導(dǎo)致的意外后果,而對(duì)尚處于設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的工程或設(shè)施進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè).與之相對(duì),晚期預(yù)測(cè)則是針對(duì)已達(dá)設(shè)計(jì)壽命期的工程或設(shè)施開展壽命預(yù)測(cè),目的是防止偏保守的預(yù)測(cè)方法導(dǎo)致的使用壽命低估.就預(yù)測(cè)方法而言,中晚期壽命預(yù)測(cè)主要依托監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)工程或設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估而確定[17-20].

1.2 壽命預(yù)測(cè)在其他工程領(lǐng)域的研究

1.2.1 壽命預(yù)測(cè)的研究領(lǐng)域 表1總結(jié)了工程壽命預(yù)測(cè)的常見研究領(lǐng)域和研究對(duì)象.從研究領(lǐng)域來(lái)看,壽命預(yù)測(cè)研究遍布國(guó)民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域,如航空航天[21]、汽車[22]、鐵路運(yùn)輸[23]冶金工業(yè)[24]、石油化工[25]、武器裝備、水利建筑[14]乃至民用建筑等行業(yè)與領(lǐng)域.

從研究對(duì)象可以看出,既包括各種機(jī)械設(shè)備(民用設(shè)備如汽車,軍用設(shè)備如火炮,履帶式自行火炮扭力軸等武器裝備,通用設(shè)備如刀具,端銑削刀具,切削刀具等數(shù)控加工設(shè)備);又包括各種建筑工程,如水利工程的大壩、海洋工程的各種平臺(tái);還包括各種通用材料和零部件,如建筑用混凝土、鋼筋以及鋼筋混凝土,土工材料如土工膜和土工布等.

1.2.2 工程材料/零部件的壽命預(yù)測(cè)研究方法 從文獻(xiàn)分析來(lái)看,工程壽命的研究首先從材料和零部件的性能演變和壽命研究開始,并逐漸開始關(guān)注工程系統(tǒng)整體壽命.針對(duì)材料和零部件的壽命預(yù)測(cè),已經(jīng)形成了3類不同方法:基于確定性模型壽命預(yù)測(cè)方法、基于概率統(tǒng)計(jì)的壽命預(yù)測(cè)方法、基于人工智能的壽命預(yù)測(cè)方法.

基于確定性模型的預(yù)測(cè)方法,其基本原理是依據(jù)物理作用或化學(xué)反應(yīng)對(duì)材料或結(jié)構(gòu)的影響,模擬預(yù)測(cè)材料特性的時(shí)變規(guī)律.該方法又可細(xì)分為基于應(yīng)變的壽命預(yù)測(cè)方法[26-27]、基于應(yīng)力的壽命預(yù)測(cè)方法[28-29]、累積疲勞損傷理論[30-31]和基于斷裂力學(xué)的疲勞裂紋擴(kuò)展理論[32].

基于概率統(tǒng)計(jì)的壽命預(yù)測(cè)方法認(rèn)為材料或零部件的壽命受材料本身特性、環(huán)境和應(yīng)力條件的影響具有不確定性,因而其壽命亦即具有一定分布特征的隨機(jī)量.該類方法通常根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H工程中獲得的材料壽命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[33],利用概率方法描述參數(shù)的隨機(jī)性,進(jìn)而得到具有一定可靠度的使用壽命.

表1 常見的壽命預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域[13]

人工智能技術(shù)(AI)被稱為是21世紀(jì)世界三大尖端技術(shù)之一,自其誕生以來(lái)發(fā)展迅速已在諸多學(xué)科獲得了成功應(yīng)用[13].其基本原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的復(fù)雜思維過(guò)程(如學(xué)習(xí)、推理、歸納等),進(jìn)而針對(duì)不同過(guò)程做出類人的決策或反應(yīng)[34].由于具有學(xué)習(xí)能力,AI技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜和強(qiáng)不確定性問(wèn)題展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì),而重大工程/重大機(jī)械設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)正屬于此類問(wèn)題[12].

1.2.3 系統(tǒng)/工程整體壽命預(yù)測(cè)研究方法 盡管近年來(lái)壽命預(yù)測(cè)方法取得了很大進(jìn)展,并在逐步完善,但是現(xiàn)有壽命預(yù)測(cè)研究大部分均以材料或試件為對(duì)象,對(duì)重大工程或重大機(jī)械設(shè)備進(jìn)行整體壽命預(yù)測(cè)的研究較少.整體壽命預(yù)測(cè)方法大致可分為3種:基于系統(tǒng)學(xué)和決策論的方法[35]、基于仿真模擬模型的方法[14]以及經(jīng)驗(yàn)方法.

基于系統(tǒng)學(xué)和決策論的整體壽命預(yù)測(cè)方法,常將組成系統(tǒng)整體的子系統(tǒng)稱作失效單元,而將導(dǎo)致填埋場(chǎng)整體失效的若干依次失效的失效單元所組成的并聯(lián)系統(tǒng),稱為失效路徑[36].該方法計(jì)算較為簡(jiǎn)單,只要確定好所有失效路徑,以及組成失效路徑的各子系統(tǒng)的壽命后,就可以采用簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算得到整體壽命.但該方法局限性在于通常假設(shè)各個(gè)單元之間互不影響,其失效概率和服役壽命均為相對(duì)獨(dú)立事件;不考慮各個(gè)單元物質(zhì)和能量的交換和轉(zhuǎn)化;單元性能對(duì)整體性能的影響只能用0(成功)和1(失效)來(lái)表示,不能體現(xiàn)單元劣化過(guò)程對(duì)整體性能變化的影響.

基于過(guò)程模型的整體壽命評(píng)估,是以整體性能指標(biāo)為退役指標(biāo),采用過(guò)程模型描述整個(gè)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量流動(dòng)/轉(zhuǎn)化,同時(shí)引入時(shí)間參數(shù)以考慮各子系統(tǒng)或組件性能的劣化對(duì)整體性能的影響.該方法建模和計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜,需要較為深厚的專業(yè)背景和專業(yè)知識(shí),但是能較真實(shí)的反應(yīng)各子系統(tǒng)/單元劣化對(duì)系統(tǒng)整體性能劣化的影響,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)整體性能演化進(jìn)行預(yù)測(cè).比如,對(duì)混凝土大壩工程,陳勝宏[14]提出了以整體穩(wěn)定性為基準(zhǔn)的混凝土壩服役壽命分析框架,包括混凝土及巖體材料在時(shí)間、荷載及環(huán)境等因素作用下的演變規(guī)律、大壩－壩基多物理力學(xué)場(chǎng)的空間分布規(guī)律、大壩－壩基多物理力學(xué)場(chǎng)的時(shí)間演進(jìn)、壽命終止(或退役)的監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)等重要內(nèi)容.

經(jīng)驗(yàn)方法,顧名思義主要依賴專家經(jīng)驗(yàn)或者相似工程或設(shè)備的壽命歷史數(shù)據(jù).經(jīng)驗(yàn)法的優(yōu)缺點(diǎn)不言而喻,優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是精度差,同時(shí)要求工程本身及其服役環(huán)境、應(yīng)力條件具有較高的相似性.而對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)而言,這種相似性條件很多情況下是極難達(dá)到的.

2 固體廢物填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)研究

長(zhǎng)期以來(lái),固廢填埋行業(yè)企業(yè)對(duì)填埋的長(zhǎng)期環(huán)境安全和有限壽命缺乏認(rèn)識(shí),將填埋當(dāng)作處置固體廢物處置的最終手段,希望一勞永逸.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐漸認(rèn)識(shí)到填埋工程壽命的有限性,開展了一些填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能演化的相關(guān)研究.

2.1 防滲材料HDPE膜劣化機(jī)理和預(yù)測(cè)方法

2.1.1 HDPE膜劣化機(jī)理 HDPE膜是以高聚物(聚乙烯樹脂)為主要功能成分(96%以上),炭黑(2%～3%)和抗氧劑(0.5%～1%)等作為添加劑的土工合成材料[37].HDPE膜被廣泛用于填埋場(chǎng)工程,比如滲濾液的防滲,封場(chǎng)系統(tǒng)的雨水防滲等,是填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)生和滲漏控制的核心單元,也是填埋場(chǎng)實(shí)現(xiàn)安全填埋功能的關(guān)鍵保障,因此針對(duì)其劣化機(jī)理和評(píng)估的研究被大量開展[38-43].

未老化的完整 HDPE 膜對(duì)滲濾液及其有毒有害物質(zhì),特別是重金屬類或大分子類有機(jī)有害物質(zhì)具有趨零阻隔的效果,是理想的工程防滲材料[38].然而,長(zhǎng)期暴露于各種復(fù)雜的化學(xué)和應(yīng)力環(huán)境中,組成 HDPE 膜的高聚物會(huì)發(fā)生老化,不僅直接導(dǎo)致滲透系數(shù)增加,導(dǎo)致的材料機(jī)械力學(xué)性能劣化還會(huì)誘發(fā)缺陷產(chǎn)生及舊缺陷的不斷演化,最終導(dǎo)致防滲和污染阻隔能力顯著降低.研究表明暴露于不同工程應(yīng)用場(chǎng)景(對(duì)應(yīng)不同物理化學(xué)和應(yīng)力條件),HDPE膜會(huì)產(chǎn)生不同類型的性能劣化(表2),如應(yīng)力破壞、光氧化、化學(xué)氧化和微生物降解等.

表2 不同環(huán)境和應(yīng)力條件下HDPE膜劣化機(jī)理及劣化后果

進(jìn)一步研究表明在填埋場(chǎng)的應(yīng)力荷載水平、光照和微生物菌落條件下,其他類型的性能劣化可以忽略,自由基等與高聚物反應(yīng)(即化學(xué)氧化)是造成填埋場(chǎng)環(huán)境下HDPE膜性能退化的主導(dǎo)因素.

2.1.2 長(zhǎng)期性能演化及其預(yù)測(cè)方法 20世紀(jì)初開始,圍繞 HDPE 膜抗氧化劑耗損規(guī)律的研究廣泛開展,其中,Rowe等[42-44]通過(guò)開展低滲濾液水頭條件下的不同溫度的老化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在特定溫度區(qū)間(20～95℃),抗氧化劑耗損速率s與服役溫度 T 存在定量關(guān)系,從而奠定了抗氧劑耗損加速老化試驗(yàn)研究的理論基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上,Hsuan等[18]提出了用于HDPE膜壽命預(yù)測(cè)的3-STAGE模型(圖1),并在此基礎(chǔ)上發(fā)展出日后抗氧劑耗損特性研究的通用方法,即以溫度作為加速應(yīng)力因子的實(shí)驗(yàn)室加速老化實(shí)驗(yàn)-Arrhenius模型耦合方法.

隨后,諸多學(xué)者利用該方法研究了不同 HDPE膜特性(厚度、高聚物)/暴露介質(zhì)類型/接觸條件/應(yīng)力條件/滲濾液組分等條件下的抗氧劑耗損特性,深入揭示了填埋環(huán)境下的抗氧劑耗損規(guī)律.

圖1 HDPE膜老化氧化的3-STAGE模型[18]

2.2 導(dǎo)排系統(tǒng)及導(dǎo)排材料性能退化研究

導(dǎo)排顆粒和導(dǎo)排管共同組成滲濾液收集和導(dǎo)排系統(tǒng)(LCDS),是填埋場(chǎng)的重要功能單元,其核心功能是對(duì)填埋場(chǎng)中產(chǎn)生的滲濾液進(jìn)行快速收集和導(dǎo)排.導(dǎo)排系統(tǒng)性能退化通常是由于導(dǎo)排顆粒的淤堵造成,淤堵會(huì)使得導(dǎo)排系統(tǒng)導(dǎo)排能力下降使得填埋場(chǎng)中滲濾液液位迅速升高,不僅可能直接加劇滲濾液滲漏和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)[45],還可能使得防滲系統(tǒng)HDPE膜服役溫度升高[46],加速其膜老化,降低其防滲能力和服役壽命.

2.2.1 淤堵機(jī)理 針對(duì)填埋場(chǎng)導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵機(jī)理,目前基本已經(jīng)形成共識(shí),即有機(jī)質(zhì)增長(zhǎng)(生物淤堵)、礦物質(zhì)沉淀(化學(xué)淤堵)以及懸浮顆粒沉降(物理淤堵)導(dǎo)致的導(dǎo)排層孔隙空間堵塞是淤堵發(fā)生的主要原因. 另外,針對(duì)淤堵主要影響因素的研究表明在高有機(jī)質(zhì)含量(OMC)和低pH值的MSWL滲濾液條件下,淤堵主要以生物淤堵和化學(xué)淤堵為主.兩者之間的平衡取決于難溶性無(wú)機(jī)鹽離子(LSIS)如Ca2+、Mg2+等的濃度,LSIS含量高時(shí),淤堵物成分以礦物鹽沉淀為主,含量低時(shí),以微生物及其排泄物為主等.但不論何種情形,較高的OMC都對(duì)MSWL(生活垃圾填埋場(chǎng))導(dǎo)排層的淤堵起著關(guān)鍵作用:有機(jī)質(zhì)既是生物質(zhì)成長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),其厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的CO2又會(huì)導(dǎo)致LSIS發(fā)生化學(xué)沉淀.

2.2.2 淤堵預(yù)測(cè)方法 淤堵以及淤堵條件下導(dǎo)排層長(zhǎng)期性能(即導(dǎo)排顆粒滲透系數(shù))變化預(yù)測(cè)始于Fleming等[15],其提出了單位體積滲濾液條件下潛在淤堵物生成體積的簡(jiǎn)易預(yù)測(cè)模型;Vangulck等[47]在此基礎(chǔ)上,考慮淤堵的時(shí)間演化,提出了理想條件下(玻璃珠作為導(dǎo)排介質(zhì),合成滲濾液作為導(dǎo)排流體)的淤堵速率的預(yù)測(cè)模型;針對(duì)該模型的局限性(導(dǎo)排介質(zhì)限于粒徑均勻的玻璃珠,滲濾液限于合成滲濾液),Cooke對(duì)其加以改進(jìn),提出了改進(jìn)的BioClog模型,可用于實(shí)際MSWL導(dǎo)排層的淤堵速率預(yù)測(cè);隨后,Cooke等[48]擴(kuò)展了模型的預(yù)測(cè)緯度(一維～二維),極大提高了淤堵預(yù)測(cè)模型的適應(yīng)性和模擬精確性.

2.3 填埋場(chǎng)整體性能評(píng)估方法

固廢填埋場(chǎng)的核心功能是有毒有害物質(zhì)的安全隔斷,因此,評(píng)估固廢填埋場(chǎng)的整體性能其實(shí)就是評(píng)價(jià)固廢填埋場(chǎng)中滲濾液產(chǎn)生、導(dǎo)排、滲漏的動(dòng)態(tài)過(guò)程.由于固體廢物在一定尺度上具有與天然多孔介質(zhì)相近的特征,因此常借鑒多孔介質(zhì)模擬的相關(guān)原理和方法模擬固廢填埋場(chǎng)堆體內(nèi)部的水流和溶質(zhì)運(yùn)移.這些方法基本可以概括成兩類:

第一類是集總式參數(shù)模型,其基本原理是水量均衡原理.最具代表性的模型是Schroeder等[49]開發(fā)的HELP(填埋場(chǎng)性能水文評(píng)價(jià))模型,該模型將整個(gè)填埋堆體作為均衡單元,忽略堆體內(nèi)部參數(shù)不均質(zhì)性和各向異性的影響,僅考慮降雨和含水層等補(bǔ)給來(lái)源的輸入補(bǔ)給水量、蒸發(fā)和下滲等輸出排泄水量與堆體自身蓄水變量之間的數(shù)量平衡關(guān)系.其缺點(diǎn)是作為集總式參數(shù)模型,不能描述含水率的分布特征和變化規(guī)律;優(yōu)點(diǎn)是減少了模型的計(jì)算量,從而可以考慮更多的模擬單元(如地表水文過(guò)程、以及水分在不同功能單元的運(yùn)動(dòng)和遷移),實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的模擬.

第二類是分布式參數(shù)模型,其理論基礎(chǔ)是描述多孔介質(zhì)水分運(yùn)移的基本微分方程.代表性的研究成果包括:美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的SUTRA(飽和-非飽和水運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)遷移模型)[50];Korfiatis等[51]提出的垂向一維非飽和數(shù)值模擬模型;Khanbivardi等[41]提出的Fill(垃圾滲濾液流動(dòng)研究)垂向一維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲濾液運(yùn)移模型;國(guó)內(nèi)學(xué)者王洪濤等[52]提出的填埋場(chǎng)水分三維非飽和運(yùn)移數(shù)值模擬模型等.其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)含水率和水位的時(shí)空三維刻畫,缺點(diǎn)則是只能模擬水分在填埋堆體內(nèi)部的運(yùn)移,不能刻畫堆體內(nèi)部水分與其他各功能單元(如雨水覆蓋系統(tǒng)、次級(jí)導(dǎo)排系統(tǒng))等的交互.

3 研究存在的不足和展望

上述文獻(xiàn)研究表明,重大工程設(shè)施和壽命預(yù)測(cè)研究的重要性已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛認(rèn)可,其研究在不同行業(yè)不同領(lǐng)域廣泛開展,相關(guān)理論和方法于19世紀(jì)中期初步建立,19世紀(jì)末20世紀(jì)初迅速發(fā)展,歷經(jīng)100余年發(fā)展后逐步成熟和完善.然而當(dāng)前工程壽命預(yù)測(cè)存在的最大的問(wèn)題,也是不同領(lǐng)域壽命預(yù)測(cè)存在的共性問(wèn)題,是壽命研究還局限于材料或主要部件的耐久性和壽命預(yù)測(cè),對(duì)設(shè)施或設(shè)備整體壽命預(yù)測(cè)的研究還非常匱乏,整體壽命的通用定義尚未明確,工程壽命預(yù)測(cè)通用框架體系和方法流程亟待構(gòu)建.

除上述共性問(wèn)題外,具體到HWL的壽命預(yù)測(cè),還存在以下問(wèn)題和亟待研究的內(nèi)容:

3.1 壽命預(yù)測(cè)理論體系基礎(chǔ)理論與框架體系

固廢填埋場(chǎng)整體壽命預(yù)測(cè)的理論體系尚未構(gòu)建,相關(guān)概念,如使用壽命、設(shè)計(jì)壽命、安全壽命等模糊不清,存在爭(zhēng)議;壽命表征單位(啟停時(shí)間、運(yùn)行小時(shí)數(shù),循環(huán)周期數(shù))、壽命終止指標(biāo)和(材料性能指標(biāo),運(yùn)行工況指標(biāo))、失效判據(jù)(滲濾液滲漏速率、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、污染物泄漏通量)、關(guān)鍵單元/材料老化評(píng)價(jià)方法(確定性模型,如力學(xué)/化學(xué)腐蝕/多場(chǎng)耦合等;概率模型)等均沒(méi)有明確定義;另外,目前尚未有系統(tǒng)針對(duì)固廢填埋場(chǎng)各單元的失效分析,哪些單元可能失效,哪些是影響整體性能的關(guān)鍵單元/一般單元,哪些失效單元組合導(dǎo)致填埋場(chǎng)整體失效,尚不清楚.

因此,后期研究應(yīng)以構(gòu)建系統(tǒng)完備的固廢填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)體系和方法為目標(biāo).為完成該目標(biāo),可借鑒其他學(xué)科或領(lǐng)域壽命周期評(píng)價(jià)基本理論和方法,結(jié)合固廢填埋場(chǎng)本身結(jié)構(gòu)特征、功能特征和主要功能單元/材料的老化特征,明確固廢填埋場(chǎng)壽命周期評(píng)價(jià)的基本概念和定義;在此基礎(chǔ)上利用FMMMEA等系統(tǒng)學(xué)分析方法研究固廢填埋場(chǎng)失效模式、機(jī)理和影響;明確影響其壽命周期的決定性因素和壽命終止指標(biāo).

3.2 核心材料退化及其影響定量預(yù)測(cè)方法

核心材料老化研究有待進(jìn)一步深化,目前核心材料老化研究主要考慮理想服役條件下生活垃圾填埋場(chǎng)服役環(huán)境下的HDPE膜、導(dǎo)排介質(zhì)淤堵的劣化機(jī)理和規(guī)律;極端服役條件下,如高滲濾液水位、高服役溫度等尚未考慮,工業(yè)固廢填埋場(chǎng)特別是危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)特殊滲濾液物理化學(xué)組分及其對(duì)核心材料劣化的影響規(guī)律和機(jī)制更為復(fù)雜,同時(shí),對(duì)填埋場(chǎng)長(zhǎng)期安全服役提出了更高挑戰(zhàn),相關(guān)研究亟待深入.另外,由于模擬老化實(shí)驗(yàn)所需周期長(zhǎng),HDPE膜老化實(shí)驗(yàn)研究成果主要以第一階段,即抗氧劑耗損為主,需要開展長(zhǎng)期連續(xù)實(shí)驗(yàn),研究氧化誘導(dǎo)階段和高聚物性能退化階段的退化規(guī)律和機(jī)制.

因此,后期研究宜進(jìn)一步擴(kuò)展核心材料老化研究的廣度和深度,充分考慮不同服役條件(服役溫度、滲濾液水動(dòng)力和水化學(xué)條件等)的影響,開展長(zhǎng)期的老化模擬實(shí)驗(yàn),深入揭示核心材料全壽命性能退化規(guī)律和機(jī)制;在此基礎(chǔ)上研究填埋場(chǎng)性能評(píng)估模型與材料老化預(yù)測(cè)模型的耦合方法,結(jié)合壽命閾值的確定構(gòu)建固廢填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能演化預(yù)測(cè)方法(圖2),為填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)提供方法學(xué).

3.3 中晚期壽命(剩余壽命)預(yù)測(cè)技術(shù)

目前針對(duì)固廢填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)研究主要針對(duì)新建填埋場(chǎng)項(xiàng)目開展早期壽命(設(shè)計(jì)壽命)預(yù)測(cè)研究,難以考慮填埋工程運(yùn)行過(guò)程中非預(yù)期的性能劣化及其可能導(dǎo)致的意外壽命折減,以及技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的工藝優(yōu)化及其可能導(dǎo)致的壽命延長(zhǎng).因此迫切需要結(jié)合填埋場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程的實(shí)際工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究中長(zhǎng)期壽命(剩余壽命)的預(yù)測(cè)方法.我國(guó)固廢填埋場(chǎng)自十五末期開始大量建設(shè),由于早期建設(shè)運(yùn)行水平低,性能退化較快,部分早期填埋場(chǎng)實(shí)際壽命可能與設(shè)計(jì)壽命相差迥異,部分甚至即將達(dá)到壽命末期.

因此,后期研究應(yīng)充分開展壽命監(jiān)測(cè)技術(shù)研究,通過(guò)高精度在線傳感器、材料缺陷無(wú)損檢測(cè)等技術(shù)采集填埋場(chǎng)性能和運(yùn)行工況數(shù)據(jù),結(jié)合深度學(xué)習(xí)等人工智能方法,在設(shè)計(jì)壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),為摸清現(xiàn)役數(shù)以千計(jì)的填埋設(shè)施的壽命底數(shù),識(shí)別壽命到期或即將到期的填埋場(chǎng),提供方法學(xué)支撐.

3.4 壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用研究

由于填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)理論和方法體系不健全,加之長(zhǎng)期以來(lái),相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域?qū)腆w廢物填埋的長(zhǎng)期環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和使用壽命缺乏認(rèn)識(shí),壽命預(yù)測(cè)的應(yīng)用研究較少,具體表現(xiàn)一是未開展固廢填埋場(chǎng)的壽命預(yù)測(cè),固廢填埋場(chǎng)壽命特征和長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)不掌握;二是未開展基于壽命的填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化,以及壽命到期后的風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)研究,相關(guān)方法不健全,填埋場(chǎng)壽命預(yù)期偏短,壽命到期后環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大.

因此,建議在完善填埋場(chǎng)壽命預(yù)測(cè)理論和方法體系的基礎(chǔ)上,開展應(yīng)用研究,全面開展國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)特別是危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)及協(xié)同處置危險(xiǎn)廢物的其他填埋場(chǎng)(如協(xié)同處置飛灰的生活垃圾填埋場(chǎng))的長(zhǎng)期性能演化和壽命特征研究,實(shí)現(xiàn)壽命到期或即將到期填埋場(chǎng)的早期識(shí)別;二是開展基于壽命的設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化方法研究,包括填埋場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐老化核心材料、運(yùn)行管理優(yōu)化等;三是開展壽命到期或即將到期填埋場(chǎng)的延壽工程措施、風(fēng)險(xiǎn)管控措施研究,延長(zhǎng)使用壽命或者防控壽命到期后的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).

圖2 固廢填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能和壽命預(yù)測(cè)方法框架

4 結(jié)論

4.1 通用工程壽命研究遍布國(guó)民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域,研究對(duì)象包羅萬(wàn)象覆蓋機(jī)械設(shè)備、建筑工程、以及各種通用材料和零部件等,形成了基于系統(tǒng)學(xué)和決策論、基于仿真模擬模型、以及基于經(jīng)驗(yàn)方法的三種工程壽命預(yù)測(cè)方法.

4.2 固廢填埋領(lǐng)域壽命預(yù)測(cè)研究重點(diǎn)針對(duì)HDPE膜防滲材料和導(dǎo)排介質(zhì)材料,基本明確了相關(guān)材料的老化機(jī)理和老化預(yù)測(cè)方法;同時(shí),形成了填埋場(chǎng)整體性能預(yù)測(cè)方法,并耦合整體性能預(yù)測(cè)模型和材料老化預(yù)測(cè)模型探索開展了固廢填埋場(chǎng)長(zhǎng)期性能演化預(yù)測(cè)研究.

4.3 固廢填埋工程壽命預(yù)測(cè)研究還存在壽命預(yù)測(cè)理論體系基礎(chǔ)理論與框架體系不完善、極端服役條件下的核心材料老化機(jī)理和預(yù)測(cè)方法不健全、中晚期壽命(剩余壽命)預(yù)測(cè)技術(shù)亟待突破,以及壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用研究亟待強(qiáng)化等不足.

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Research status and prospect of long-term environmental safety and life prediction of solid waste landfill.

XU Ya1*, SUN Shu-na1,2, WANG Qi1, LIU Yu-qiang1, CHEN Hong-wei2, PENG Xiang-xun2, YANG Feng1

(1.State Key Laboratory of Environmental Benchmarks and Risk Assessment, Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China；2.School of Hydraulic and Environmental Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)., 2022,42(4)：1954～1962

China had a large number of solid waste landfills, low operation level, fast aging of facilities, short life expectancy and serious aging after life expiration. In contrast, there were some problems in the research on the life of solid waste landfill, such as less attention, unclear research direction, unsystematic research content and so on. In this regard, according to the idea from general to special, this paper first summarized the basic concepts and development process of life prediction in general engineering field, and sorted out the main research objects and research methods of engineering life prediction; On this basis, combined with the engineering and practical characteristics of solid waste landfill, this paper systematically describe the main mechanism and prediction method of material performance degradation of solid waste landfill, the evaluation method of overall landfill performance, and put forward the shortcomings of current research and further work. The main conclusions were as follows: the research on general engineering life covers all fielded of national production and life. The research objects include mechanical equipment, construction engineering, and various general materials and parts. Three engineering life prediction methods based on Systematics and decision theory, simulation model and empirical method were formed; At present, in the field of solid waste landfill, the aging mechanism and aging prediction method of HDPE membrane impervious materials and guide and discharge medium materials were basically clarified, the overall performance prediction method of landfill was formed, and the long-term performance evolution prediction research of solid waste landfill was carried out by coupling the overall performance prediction model and material aging prediction model. Finally, the paper pointed out that the life prediction research of solid waste landfill engineering should be strengthened and improved, including improving the basic theory and framework system of life prediction theory system, deeply carrying out the research on the aging mechanism and prediction method of core materials under extreme service conditions, carrying out the research on the prediction technology of middle and late life (residual life), and strengthening the application research of life prediction.

solid waste landfill；landfill life prediction；HDPE film

X705

A

1000-6923(2022)04-1954-09

徐 亞(1985-),男,湖南岳陽(yáng)人,副研究員,博士,研究方向?yàn)楣腆w廢物利用處置與風(fēng)險(xiǎn)控制.發(fā)表論文70余篇.

2021-09-06

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFC1806304;2018YFC1800902);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51708529)

*責(zé)任作者, 副研究員, xuya@craes.org.cn