郭浩文 吳宏偉 張 琪 陳 銳 張彥敏

(①香港科技大學(xué)，香港 999077，中國(guó))(②哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)，深圳 518055，中國(guó))(③深圳下坪環(huán)境園，深圳 518001，中國(guó))

0 引 言

現(xiàn)代垃圾填埋場(chǎng)通常設(shè)置封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)，用以防止雨水下滲進(jìn)入固體廢棄物(熊孝波等，2000；陳云敏，2014)。封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)作為生活垃圾填埋場(chǎng)的“上蓋”，主要用于防控填埋氣的溢出與雨水的滲透，減少滲濾液的產(chǎn)生，降低對(duì)周圍大氣、水體環(huán)境以及公眾健康產(chǎn)生的影響。封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)服役性能的可靠性已成為決定生活垃圾填埋場(chǎng)安全與穩(wěn)定運(yùn)行的限制性因素。

傳統(tǒng)的垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)由低透水性材料組成，例如壓實(shí)黏土。然而，該類型覆蓋系統(tǒng)在經(jīng)歷多個(gè)季節(jié)性干濕循環(huán)后，可能會(huì)出現(xiàn)干燥裂縫，從而影響填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)的完整性與服役性能(Sinnathamby et al.，2014)。由于土工復(fù)合材料的低滲透性，高密度聚乙烯(HDPE)等土工膜在我國(guó)填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用(陳云敏，2014)。然而，土工膜的長(zhǎng)期可靠性容易受到其自身品質(zhì)缺陷、孔洞以及膜-土界面穩(wěn)定性的影響(Fox et al.，2014；Bhowmik et al.，2018)。土工膜難以在與土交界位置提供有效的抗滑力，極易導(dǎo)致土工膜覆蓋系統(tǒng)在極端降雨作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞，削弱其適用性(Rowe et al.，2019)。近10年來(lái)，毛細(xì)阻滯型覆蓋系統(tǒng)(CCBE)作為一種替代型覆蓋技術(shù)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用(Rahardjo et al.，2016；張文杰等，2016；焦衛(wèi)國(guó)等，2019)。CCBE是一種兩層結(jié)構(gòu)的覆蓋系統(tǒng)，由一層細(xì)粒土層及其下臥的粗粒土層組成。通過利用系統(tǒng)內(nèi)上下兩土層在非飽和滲透特性上差異，構(gòu)建毛細(xì)阻滯效應(yīng)，使得該覆蓋系統(tǒng)在特定氣候下具備一定的自我調(diào)節(jié)能力。然而，在降雨量較高的濕潤(rùn)地區(qū)，毛細(xì)阻滯效應(yīng)極易失效，導(dǎo)致毛細(xì)阻滯型覆蓋系統(tǒng)在濕潤(rùn)地區(qū)無(wú)法展現(xiàn)令人滿意的防滲性能(Khire et al.，2000；Albright et al.，2006)。

為適用于我國(guó)華南、中國(guó)香港地區(qū)以及新加坡等年降雨量達(dá)1500mm的濕潤(rùn)氣候地區(qū)，Ng et al.(2016a)通過改進(jìn)CCBE，提出了一種新穎的三層填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)?；诜秋柡屯亮W(xué)(Ng et al.，2007)，新三層填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)在CCBE下方設(shè)置一層低滲透性土層。新系統(tǒng)不僅可以利用頂部?jī)赏翆有纬傻拿?xì)阻滯效應(yīng)，還可以借助底部土層提供的低滲透性，在不使用土工膜的情況下，達(dá)到濕潤(rùn)氣候地區(qū)的防滲要求。通過實(shí)驗(yàn)室一維土柱和二維模型槽試驗(yàn)，三層填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)在減少降雨入滲方面的性能得到了驗(yàn)證(Ng et al.，2015，2016a；Chen et al.，2019)。在大于香港地區(qū)1000年一遇的模擬降雨中，新覆蓋系統(tǒng)防滲效果良好。然而，以往的研究?jī)H在理想條件的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，而且試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較短(少于48h)。三層覆蓋系統(tǒng)在自然濕潤(rùn)氣候下的長(zhǎng)期服役性能尚不清楚。

近年來(lái)，植被防護(hù)的理念在國(guó)內(nèi)外引起了高度關(guān)注(吳宏偉，2017)。由于植物具有良好的美學(xué)和生態(tài)價(jià)值，它通常被用于填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)的綠化與生態(tài)修復(fù)中。植被可以通過根系占據(jù)土體孔隙結(jié)構(gòu)，改善土體水力性質(zhì)參數(shù)，有助于提升覆蓋系統(tǒng)儲(chǔ)水能力與防滲效果(Ng et al.，2016b)。植物蒸騰(ET)誘導(dǎo)的根系吸水可以影響土體基質(zhì)吸力，從而減緩雨水下滲進(jìn)入填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)(焦衛(wèi)國(guó)等，2020)。因此，植物可以通過減少雨水入滲，調(diào)控土體儲(chǔ)水能力來(lái)提高填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)的防滲性能(Abichou et al.，2015；吳宏偉，2017)。然而，以往對(duì)植物的研究周期較短，且主要針對(duì)單層均勻土進(jìn)行。植物根系的生長(zhǎng)對(duì)土體滲透系數(shù)以及填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)防滲性能的影響仍不清楚。因此，有必要開展相關(guān)研究以評(píng)估植物-土體相互作用對(duì)三層填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)長(zhǎng)期服役性能的影響。

為了促進(jìn)固廢資源再利用，再生建筑垃圾材料，如再生混凝土骨料(RCA)，已被大量應(yīng)用于巖土工程設(shè)施的建設(shè)中。與天然骨料相比，RCA的孔隙結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜多樣，粒徑也更粗糙，且具有更低的進(jìn)水值(Rahardjo et al.，2013；Basu et al.，2015)。由于RCA的水力特性與天然土體相似，因此它可用作填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)的構(gòu)筑材料。Harnas et al.(2014)發(fā)現(xiàn)，使用RCA作為毛細(xì)阻滯型覆蓋系統(tǒng)的細(xì)粒層，可以顯著提升毛細(xì)阻滯效應(yīng)，覆蓋系統(tǒng)的儲(chǔ)水能力得到明顯提高。再生混凝土骨料的使用，不僅有利于保護(hù)自然資源，也有助于減少填埋場(chǎng)中固體廢棄物的填埋量，緩解填埋庫(kù)容的壓力(Reddy et al.，2010；Basu et al.，2015)。

本研究旨在探討在濕潤(rùn)氣候下，由再生混凝土骨料與天然土構(gòu)筑的三層覆蓋系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期服役性能。在深圳下坪固體垃圾填埋場(chǎng)，對(duì)裸露和植草三層覆蓋系統(tǒng)進(jìn)行了為期兩年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(2016年6月至2018年6月)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間，對(duì)植物特征參數(shù)(根長(zhǎng)密度)與土體水力特性(飽和滲透系數(shù)與入滲速度)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，還連續(xù)監(jiān)測(cè)土體基質(zhì)吸力、滲漏量以及氣象參數(shù)，評(píng)估了植物對(duì)覆蓋系統(tǒng)防滲性能的影響。此外，基于數(shù)值模擬對(duì)實(shí)測(cè)吸力進(jìn)行反算，并利用數(shù)值參數(shù)分析，探究了三層土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在深圳地區(qū)百年一遇降雨下基質(zhì)吸力變化情況。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地與儀器布設(shè)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

深圳市下坪環(huán)境園(原深圳市下坪固體廢棄物填埋場(chǎng))位于深圳市羅湖區(qū)的下坪溝。它自1997年開始運(yùn)行，是我國(guó)最大的垃圾填埋場(chǎng)之一。目前，下坪填埋場(chǎng)總面積約150hm2，其中70%以上已達(dá)到設(shè)計(jì)庫(kù)容。已封場(chǎng)區(qū)域垃圾堆體的高度從80m到110m不等。由于下坪填埋場(chǎng)年降水量與潛在蒸騰量(PET)之比大于0.75，因此，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)處于濕潤(rùn)氣候條件下(Ng et al.，2019a, 2019b)。該地區(qū)大部分降雨(80%)出現(xiàn)在每年的4月至10月之間。

圖1 下坪垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)圖Fig.1 The aerial views of the field test plot at the Xiaping landfill

1.2 材料基本性質(zhì)參數(shù)

表 1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用土體和再生混凝土粗骨料的基本特性Table1 Basic properties of soils and coarse recycled concrete used in the field test

此后，再生混凝土碎石將被堆放進(jìn)入由兩臺(tái)錐形破碎機(jī)組成的粉碎系統(tǒng)，以進(jìn)一步對(duì)混凝土碎石進(jìn)行粉碎，進(jìn)而生產(chǎn)顆粒較小的再生混凝土骨料。最后，將處理后的骨料通過由不同孔徑篩網(wǎng)組成的篩選系統(tǒng)，可以獲得不同粒徑的再生混凝土骨料。通過在三層覆蓋系統(tǒng)中使用CRC，不僅可以減輕填埋場(chǎng)儲(chǔ)存容量的負(fù)擔(dān)，也將促進(jìn)資源的可持續(xù)性利用。

根據(jù)統(tǒng)一土體分類系統(tǒng)(ASTM，2011)，粗粒CDG(未篩分CDG)歸為黏質(zhì)砂土(SC)，CRC為級(jí)配不良的礫石(GP)，細(xì)粒CDG(篩分后CDG)為砂質(zhì)粉土(ML)。粗粒和細(xì)粒CDG的擊實(shí)曲線參照ASTM D698(2012)獲得。CRC的最大和最小干密度根據(jù)ASTM D4253(2014)得到。粗粒和細(xì)粒CDG的飽和滲透系數(shù)(ks)由柔性壁滲透儀測(cè)得(ASTM，2010)。CRC的ks則通過使用常水頭法(ASTM，2006)獲得。

在覆蓋系統(tǒng)的施工過程中，使用小型壓路機(jī)將每個(gè)功能層按照200mm層厚進(jìn)行壓實(shí)。在每個(gè)小層壓實(shí)后，利用環(huán)刀在已壓實(shí)區(qū)域隨機(jī)取6個(gè)土樣，用以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后的土體干密度?，F(xiàn)場(chǎng)施工中，三層覆蓋系統(tǒng)內(nèi)粗粒CDG、CRC以及細(xì)粒CDG的干密度控制在其最大干密度的92%至98%之間。

現(xiàn)場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)所用粗粒和細(xì)粒CDG的土-水特征曲線(SWRC)是根據(jù)軸平移技術(shù)原理，采用Ng et al.(2000)開發(fā)的改進(jìn)型壓力板儀測(cè)得。CRC的SWRC根據(jù)掛柱法測(cè)定。利用van Genuchten(VG)模型(van Genuchten，1980)對(duì)材料的所有實(shí)測(cè)SWRC進(jìn)行了擬合，相關(guān)參數(shù)如表 2所示。如圖2所示，粗粒CDG的進(jìn)氣值(AEV)(即2kPa)低于細(xì)粒CDG(即4kPa)。這主要是由于土體篩分后，大孔隙減少所致(羅浩等，2021；楊勝濤等，2021；張標(biāo)等，2021)。CRC進(jìn)水值約為0.4kPa，處于Abdolahzadeh et al.(2011)推薦的CCBE粗粒土層進(jìn)水值范圍內(nèi)(0.3～1kPa)。粗粒CDG和CRC之間進(jìn)水值之比(即200)大于Rahardjo et al.(2006)建議的值(即10)，這樣可以確保構(gòu)建有效的毛細(xì)阻滯效應(yīng)(李強(qiáng)等，2021)。

表 2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用材料SWRC的van Genuchten(VG)模型(1980)擬合參數(shù)Table2 Van Genuchten(VG)model(1980)fitting parameters of the materials used in the field test

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所用3種材料的持水特征曲線(SWRC)Fig.2 The soil-water retention curves(SWRC)for the materials used in the field test

1.3 儀器布設(shè)和監(jiān)測(cè)

在兩年的監(jiān)測(cè)中(2016年6月至2018年6月)，通過對(duì)濕潤(rùn)氣候條件下滲漏量和土體基質(zhì)吸力的監(jiān)測(cè)，研究了裸露和植草三層填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)服役性能。通過裸露和植草覆蓋系統(tǒng)的滲漏量，是借助安裝在覆蓋系統(tǒng)坡頂、坡中與坡腳底部的蒸滲儀測(cè)量得到。

如圖3所示，6個(gè)直徑為1m蒸滲儀以5m為間距進(jìn)行布設(shè)，設(shè)置在裸露和植草三層覆蓋系統(tǒng)的底部(即1.8m深)。每個(gè)蒸滲儀通過排水管連接到一個(gè)獨(dú)立的水池，通過各個(gè)位置的滲漏量在水池中可以人工測(cè)得。為監(jiān)測(cè)兩個(gè)覆蓋系統(tǒng)中土體基質(zhì)吸力的變化，噴射注入式張力計(jì)(Soilmoisture Equipment Corporation)被安裝在兩個(gè)覆蓋系統(tǒng)中間截面的0.2m，0.8m和1.6m(Ng et al.，2019a)。張力計(jì)與孔隙水壓傳感器相連，因此可以測(cè)量0kPa至90kPa的土體基質(zhì)吸力。該型號(hào)孔隙水壓傳感器克服了傳統(tǒng)壓力傳感器反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，可靠性和靈敏性差等缺陷，將靈敏性提高了90%，反應(yīng)時(shí)間降低了90%(陳銳等，2013)。每個(gè)張力計(jì)通過無(wú)氣水進(jìn)行飽和。張力計(jì)內(nèi)的所有氣泡均通過手動(dòng)真空泵進(jìn)行清除。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量之前，對(duì)所有孔隙水壓傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。這些傳感器測(cè)量孔隙水壓力的精度為±1kPa。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間，通過Vantage Pro 2自動(dòng)氣象站(Davis Instruments Ltd.)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地附近的日降雨強(qiáng)度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度、風(fēng)速和濕度等氣象參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。本研究中，滲漏量評(píng)價(jià)覆蓋系統(tǒng)防滲性能的最核心指標(biāo)，基質(zhì)吸力與含水率的變化有助于定性分析雨水下滲的過程。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)儀器布置縱剖面圖Fig.3 Longitudinal section view of the layout of instrumentation in the field test plot

為幫助分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，從2017年11月開始，每隔3個(gè)月定期從植草三層覆蓋系統(tǒng)表層100mm區(qū)域取土樣(直徑76mm，長(zhǎng)度100mm)，用以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定植物生長(zhǎng)對(duì)根長(zhǎng)密度(RLD)以及ks的影響。百慕大草具有持續(xù)的生長(zhǎng)能力，文獻(xiàn)中表明其在播種后4個(gè)月時(shí)仍然保持一定的生長(zhǎng)速率(Vignolio et al.，2002；Kamchoom et al.，2022)，長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)也報(bào)告了百慕大草在種植一年后仍有根系生長(zhǎng)的情況(Ntoulas et al.，2011；Ng et al.，2020)。此外，有文獻(xiàn)表明植物根系短時(shí)間(如兩周或1個(gè)月)的生長(zhǎng)對(duì)于土壤入滲速率的影響較小(Leung et al.，2017)。因此，為了更好地反映百慕大草在長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的生長(zhǎng)情況及其對(duì)土壤水力特性的影響，本研究選用3個(gè)月為間隔測(cè)量根系密度及相應(yīng)植草土的飽和滲透系數(shù)。為使測(cè)量結(jié)果更加精確，每次取樣數(shù)為3個(gè)。同時(shí)，百慕大草的葉面積指數(shù)(LAI)也通過記錄地表采樣區(qū)域內(nèi)葉片面積計(jì)算得到。相關(guān)植物參數(shù)測(cè)量方法詳見Ng et al.(2020)的研究。為了更好理解植物的存在對(duì)雨水入滲的影響，參照ASTM 3385-09(2009)，于2018年3月在裸露和植草三層覆蓋系統(tǒng)較平坦區(qū)域開展了雙環(huán)入滲實(shí)驗(yàn)。

2 數(shù)值分析模型建立

2.1 控制方程

為進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二維瞬態(tài)分析。數(shù)值分析模型可以分別利用Darcy-Richards方程與輻射能量分配方程，滿足水分與能量在土體-植物-水-大氣之間運(yùn)移的平衡要求(Ng et al.，2022a)。

利用修正的Darcy-Richards方程控制二維模型中水分運(yùn)移：

式中：α(h，z)為植被蒸騰衰減函數(shù)，數(shù)值為0～1(Feddes et al.，2001)；G(η)為植物根系分布函數(shù)；PET為潛在蒸騰量；k是植物葉片截獲輻射能量的參數(shù)(百慕大草為0.5；Ni et al.，2017)；LAI為植物葉面積指數(shù)。

式中：hwp和hfc為分別對(duì)應(yīng)于萎蔫點(diǎn)和田間含水率對(duì)應(yīng)的壓力水頭(Feddes et al.，2001)。

根據(jù)Ni et al.(2017)的數(shù)值分析結(jié)果可知，根系引起的SWRC變化對(duì)水分在土體中的入滲情況影響有限。因此，本研究中忽略了根系對(duì)SWRC的影響。

2.2 邊界條件

為分析植被對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)水分入滲的影響，將植被覆蓋系統(tǒng)模型分成兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)為根區(qū)土體，另一個(gè)為根區(qū)下的非根區(qū)土體。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間，植被根深為0.6m，即為根區(qū)深度。為簡(jiǎn)化模擬參數(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中實(shí)測(cè)的覆蓋系統(tǒng)表面0.1m深度土體的飽和滲透系數(shù)應(yīng)用于數(shù)值模型中整個(gè)根區(qū)土體。

在數(shù)值模型中，為了更好考慮降雨與蒸發(fā)，將模型的頂部邊界設(shè)置為隨時(shí)間變化的混合通量邊界。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于覆蓋系統(tǒng)表面土體的飽和滲透系數(shù)時(shí)，通量邊界變?yōu)閴毫λ^為1mm的壓力邊界(Chui et al.，2009)。這種設(shè)置更符合頂部邊界的實(shí)際情況。模型的左右邊界設(shè)置為潛在滲流面邊界條件。模型的底部邊界設(shè)置為自由排水邊界條件，以更真實(shí)的模擬覆蓋系統(tǒng)底部與蒸滲儀之間的接觸面。

本研究數(shù)值分析主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間，由自然降雨與干燥引起的土體基質(zhì)吸力的變化。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析

3.1 草類根系生長(zhǎng)對(duì)土體飽和滲透系數(shù)的影響

圖4 植草土根長(zhǎng)密度與飽和滲透系數(shù)隨時(shí)間的演化Fig.4 Time evolution of RLD and ks

如圖5所示，ks與RLD非常明顯的線性相關(guān)性(R2>0.80)。這一結(jié)果進(jìn)一步證明了植物根系對(duì)土體滲透特性的影響。植物的根長(zhǎng)密度可能是控制植被土飽和滲透系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)之一(Chen et al.，2015)。前人的研究也證明了這一發(fā)現(xiàn)。在Leung et al.(2017)和Ng et al.(2020)的研究中，也發(fā)現(xiàn)了類似的ks-RLD相關(guān)性。Ni (2017)與Chen et al.(2019)的研究中也觀察到植物根系的存在降低了土體的飽和滲透系數(shù)以及土體入滲速率。這可能是因?yàn)樵谧畛醯闹参锷L(zhǎng)期間內(nèi)，土體孔隙空間逐漸被新鮮植物根系生長(zhǎng)并占據(jù)，土體中的流動(dòng)通道被封堵造成的(Scanlan et al.，2010)。

圖5 植草土根長(zhǎng)密度與飽和滲透系數(shù)的相關(guān)性Fig.5 Correlation between RLD and ks

值得注意的是，ks在監(jiān)測(cè)期結(jié)束時(shí)低于其初始值時(shí)，且遠(yuǎn)低于裸土。這結(jié)果表明，植被土滲透特性的變化很大程度上取決于生長(zhǎng)時(shí)間和根系發(fā)育情況。

3.2 草類對(duì)水分入滲的影響

如圖6所示，通過開展為期兩個(gè)小時(shí)的雙環(huán)入滲試驗(yàn)，測(cè)量并比較了通過裸露(B)與植草(G)土的累積入滲量與入滲速度隨時(shí)間的變化情況。在裸露土的試驗(yàn)中，入滲量增速隨著時(shí)間的推移不斷地降低。在試驗(yàn)進(jìn)行80min后，入滲量隨時(shí)間呈線性增加，這表明入滲試驗(yàn)達(dá)到了穩(wěn)態(tài)。植草土與裸露土的變化趨勢(shì)相似，在植草土的試驗(yàn)中，也觀察到了相似的結(jié)果。在兩個(gè)小時(shí)的入滲試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，裸露草與植草土的累積入滲量分別為22×10-3m3和18×10-3m3。草的存在將進(jìn)入土體的累積入滲量降低了18%?？紤]到試驗(yàn)起始時(shí)，裸露土與植草土具有相近的初始土體吸力。入滲量的顯著差異主要?dú)w因于植物根系對(duì)土體孔隙的影響，進(jìn)而降低了土體的滲透系數(shù)(圖4)。試驗(yàn)結(jié)果表明植物-土體相互作用在減少水分入滲量方面具有顯著效果。

圖6 植草對(duì)雙環(huán)入滲試驗(yàn)累積入滲量和入滲速率的影響Fig.6 Effects of grass on cumulative infiltration amount and infiltration rate in double ring infiltration test

兩組雙環(huán)入滲試驗(yàn)開展于2018年3月，與第2次現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)間接近(圖4)，而植被土雙環(huán)入滲試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)入滲速度高于取自植草覆蓋系統(tǒng)土樣的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定值。這主要原因是百慕大草的根系在不同土體深度并不是均勻分布(Ng et al.，2020)。淺層土體中，植物的根長(zhǎng)密度更高，因此能夠占據(jù)更多的土體孔隙空間，顯著的降低土的滲透特性。在較深部的土體，由于根系并不發(fā)達(dá)，植物對(duì)滲透特性的影響可能并不顯著。

圖7 (a)裸露與(b)植草三層覆蓋系統(tǒng)中不同深度實(shí)測(cè)與數(shù)值計(jì)算基質(zhì)吸力的變化情況Fig.7 Variations of measured and computed soil suction at different depths in(a) bare and (b) grassed three-layer landfill cover systems

3.3 草類對(duì)三層覆蓋系統(tǒng)基質(zhì)吸力變化的影響

圖7a和圖7b分別顯示了2017年4月至2018年6月間，裸露(B)和植草(G)三層覆蓋系統(tǒng)中不同深度土體基質(zhì)吸力實(shí)測(cè)值(M)的變化。通常，在干旱季節(jié)，裸露和植草覆蓋系統(tǒng)中基質(zhì)吸力均達(dá)到峰值。但是，在蒸騰作用下，植草覆蓋系統(tǒng)內(nèi)的基質(zhì)吸力普遍高于裸露覆蓋系統(tǒng)。然而，2017年6月至8月期間，植物蒸騰導(dǎo)致的土體吸力低于裸露土。Leung et al.(2015)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。這是由于在濕潤(rùn)土體中通氣往往不足，導(dǎo)致植物的蒸騰作用并不一定能產(chǎn)生較高吸力，因此，植草土中的吸力相比裸露土也可能比較低。盡管如此，在經(jīng)歷雨季的降雨后，在植草三層覆蓋系統(tǒng)內(nèi)仍能保持較高的土體吸力，且數(shù)值往往高于同時(shí)刻裸露系統(tǒng)中的吸力測(cè)量值。例如，但在2017年7月18日的降雨后，裸露覆蓋系統(tǒng)在該深度處維持的吸力比植草土更低(分別為8kPa和14kPa)。該降雨總量為157mm，持續(xù)約16h，接近深圳地區(qū)十年一遇的降雨(深圳氣象局，2015)，且降雨前兩覆蓋系統(tǒng)中吸力接近(21kPa)。然而，在此降雨強(qiáng)度下，植物根系仍能發(fā)揮作用降低雨水的入滲。植被土的室內(nèi)飽和滲透系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)以及雙環(huán)入滲試驗(yàn)也取得了與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一致的結(jié)果(參考圖4與圖6)。這是由于覆蓋系統(tǒng)中的植物根系通過占據(jù)土體孔隙，導(dǎo)致了土體滲透系數(shù)降低(Scholl et al.，2014；Ni，2017)。

總體上，降雨引發(fā)的裸露與植草三層覆蓋系統(tǒng)吸力響應(yīng)之間也存在一些相似之處。在降雨前后，地表淺層(0.2m深度)土體基質(zhì)吸力變化最為劇烈。隨著土體深度加深，吸力的變化幅度逐漸減小。地表附近的土體吸力率先受到降雨的影響，隨著深度的變化，濕潤(rùn)鋒的向下運(yùn)動(dòng)減慢，覆蓋系統(tǒng)較深土體對(duì)降雨的響應(yīng)速度會(huì)越來(lái)越慢。在干旱季節(jié)的監(jiān)測(cè)中，也在兩覆蓋系統(tǒng)中觀察到相似的趨勢(shì)。在植物蒸騰或者土體蒸發(fā)的帶動(dòng)下，覆蓋系統(tǒng)表面土體附近的總水頭梯度會(huì)比深部土體更高，從而容易在淺層土體中產(chǎn)生較高的吸力。隨著淺部土體吸力的增大，土體滲透系數(shù)降低，這也會(huì)降低雨水入滲速度。此外，降雨量較小的降雨(降雨量小于10mm)基本不會(huì)影響三層覆蓋系統(tǒng)底層(即1.6m深度)的吸力。這是由于上兩土層交界面處利用兩層土滲透特性差異，形成了毛細(xì)阻滯效應(yīng)，進(jìn)而減少了雨水的下滲。植物的存在可以降低頂層土的滲透系數(shù)，從而可以進(jìn)一步增強(qiáng)毛細(xì)阻滯作用，減少雨水的下滲。

圖7也顯示了裸露(B)和植草(G)三層覆蓋系統(tǒng)不同深度吸力數(shù)值計(jì)算值(C)的變化。通過與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值結(jié)果很好地反映了氣象條件變化對(duì)覆蓋系統(tǒng)內(nèi)水分運(yùn)移的影響。數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)具有很好地一致性。如圖7a所示，裸露覆蓋系統(tǒng)中實(shí)測(cè)值與模擬值的大小很接近，數(shù)值模擬很好地反映了裸露覆蓋系統(tǒng)所處環(huán)境與空間因素的影響。在干旱季節(jié)，數(shù)值計(jì)算的吸力值急劇增加，當(dāng)遇到大降雨時(shí)急劇降低，當(dāng)遇到降雨量較小降雨，吸力值緩慢減小。然而，相比裸露系統(tǒng)，植草覆蓋系統(tǒng)中吸力的實(shí)測(cè)值與數(shù)值計(jì)算值相差較大。例如，2017年12月份與2018年4月份，吸力值的差距達(dá)20kPa。造成該結(jié)果的原因，一方面是Jet-fill張力計(jì)在吸力超過80kPa以后，陶土頭發(fā)生氣化，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量土體吸力，造成實(shí)測(cè)值與數(shù)值結(jié)果的不一致。另一方面，在數(shù)值模擬中，本研究考慮了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間植被根系根長(zhǎng)密度變化對(duì)土體滲透系數(shù)的影響(參考圖5)，將0.1m深度處的植被土滲透系數(shù)賦予整個(gè)覆蓋系統(tǒng)底層土，導(dǎo)致雨季中與降雨后的吸力模擬值比實(shí)測(cè)結(jié)果偏大。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果表明，土體水力響應(yīng)和與植物的根系結(jié)構(gòu)以及氣候因素是高度動(dòng)態(tài)相關(guān)的。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的合理性。為改善填埋土質(zhì)覆蓋層的服役性能，合適的植被種植方案可以為防滲效果帶來(lái)有益幫助。

3.4 草類對(duì)通過三層覆蓋系統(tǒng)滲漏量的影響

圖8顯示了2016年6月至2018年6月兩年監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，在裸露(B)和植草(G)三層覆蓋系統(tǒng)底部3個(gè)位置(即坡頂、坡中和坡腳)通過蒸滲儀實(shí)測(cè)的年累積滲漏量。為便于分析數(shù)據(jù)，圖中還包括了兩年內(nèi)測(cè)得的年累積降雨量。在兩年的監(jiān)測(cè)期間，第1年的年降雨量為2166mm，第2年的年降雨量約為2120mm。

在第1年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間，在裸露覆蓋系統(tǒng)坡頂、坡中和坡腳位置蒸滲儀測(cè)得的滲漏量分別為21mm，19mm和20mm。在植物的作用下，根系占據(jù)土體孔隙空間，導(dǎo)致土體的滲透系數(shù)以及入滲速率降低(圖5，圖6)，進(jìn)而降低滲漏量的產(chǎn)生。在第1年結(jié)束時(shí)，在植被三層覆蓋系統(tǒng)坡頂、坡中和坡腳位置蒸滲儀測(cè)得的滲漏量分別為18mm，17mm和17mm。雖然第2年的年降雨量略低于第1年的測(cè)量值，但是通過裸露與植草覆蓋系統(tǒng)的滲漏量大于第1年。如圖9所示，通過裸露覆蓋系統(tǒng)坡頂、坡中和坡腳位置蒸滲儀測(cè)得的滲漏量分別為25mm，24mm和25mm，通過植草覆蓋系統(tǒng)坡頂、坡中和坡腳位置蒸滲儀測(cè)得的滲漏量分別為20mm，18mm和19mm。年降雨量與年滲漏量變化不一致可能歸因于覆蓋系統(tǒng)下部垃圾體不均勻沉降產(chǎn)生的張拉裂縫。優(yōu)勢(shì)流可能通過這些裂縫產(chǎn)生，進(jìn)而影響滲漏量。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)兩年監(jiān)測(cè)間通過裸露與植草三層覆蓋系統(tǒng)的實(shí)測(cè)年滲漏量Fig.8 The measured annual percolation through bare and grassed three-layer landfill covers during the two years monitoring

圖9 濕潤(rùn)氣候百年一遇降雨前后裸露和植草三層覆蓋系統(tǒng)中數(shù)值計(jì)算吸力變化情況Fig.9 Variations of computed suction profiles in the bare and grassed three-layer landfill cover systems before and after the rainfall with 100-year return period

經(jīng)計(jì)算，在兩年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，通過裸露三層覆蓋系統(tǒng)的年均滲漏量分別為20mm和25mm，通過植草覆蓋系統(tǒng)的年均滲漏量分別為17mm和19mm。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，與裸露覆蓋系統(tǒng)相比，植草覆蓋系統(tǒng)可顯著降低累積滲漏量達(dá)21%。這一試驗(yàn)結(jié)果也與Ng et al.(2019b)進(jìn)行的一維柱試驗(yàn)結(jié)果一致，較高的土體吸力導(dǎo)致水滲透性降低。因此，雨水的入滲會(huì)減少。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過裸露與植草三層覆蓋系統(tǒng)的年滲漏量均符合美國(guó)環(huán)保局(USEPA，1993)推薦的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(30mm·a-1)。這再次證明了無(wú)土工膜的三層填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)在防止雨水入滲方面的有效性。

3.5 濕潤(rùn)氣候極端降雨下草類對(duì)三層覆蓋系統(tǒng)基質(zhì)吸力響應(yīng)的影響

在降雨結(jié)束時(shí)，兩種覆蓋系統(tǒng)底部細(xì)粒CDG層中基質(zhì)吸力均未有顯著變化。這表明在濕潤(rùn)氣候100年一遇的降雨條件下，底部低滲透層仍在發(fā)揮作用阻止雨水的下滲。數(shù)值參數(shù)分析結(jié)果表明，即使在濕潤(rùn)氣候百年一遇的強(qiáng)降雨下，以建筑垃圾為原材料構(gòu)建的裸露和植草三層覆蓋系統(tǒng)，在不使用土工膜情況下，仍能有效減少雨水的下滲。

4 結(jié) 論

本文通過在下坪固體廢棄物填埋場(chǎng)開展的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，比較了由建筑垃圾構(gòu)建的裸露與植草三層覆蓋系統(tǒng)，在不使用土工膜情況下的服役性能。在兩年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間(2016年6月至2018年6月)，監(jiān)測(cè)了裸露與植草覆蓋系統(tǒng)中土體基質(zhì)吸力，滲漏量與氣象參數(shù)的變化。此外，本研究開展了雙環(huán)入滲試驗(yàn)，探究了植物根系對(duì)雨水入滲的影響。監(jiān)測(cè)期間，通過在試驗(yàn)場(chǎng)地取土樣，也研究了植物根系參數(shù)對(duì)土體滲透特性的影響。通過數(shù)值模擬，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并通過參數(shù)化研究，評(píng)估了三層土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)在濕潤(rùn)氣候百年一遇的極端降雨下的服役效果，得出以下結(jié)論：

(1)植物根系的存在可以顯著的降低土體的飽和滲透系數(shù)(達(dá)55%)。植物根系對(duì)土體飽和滲透特性的影響，與根長(zhǎng)密度呈線性相關(guān)性。結(jié)果表明，植被土滲透特性的變化很大程度上取決于植物生長(zhǎng)時(shí)間和根系發(fā)育情況。

(2)由于植物根系對(duì)土體孔隙的占據(jù)作用，雨水下滲進(jìn)入土體的水量以及入滲深度都明顯降低。相比于裸露土，植物根系的存在將雨水的入滲量降低了18%，入滲速度減小達(dá)35%。

(3)植物通過蒸騰作用誘導(dǎo)根系吸水，顯著增加三層覆蓋系統(tǒng)內(nèi)的基質(zhì)吸力，數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性較好。植物根系可以通過改變土體孔隙結(jié)構(gòu)，改變土體滲透特性，使得植草覆蓋系統(tǒng)在深圳100年一遇的強(qiáng)降雨下仍能取得良好服役效果。

(4)在兩年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)期間，通過裸露三層覆蓋系統(tǒng)的年均滲漏量分別為20mm和25mm，通過植草覆蓋系統(tǒng)的年均滲漏量分別為17mm和19mm。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，草類將通過三層覆蓋系統(tǒng)的累積滲漏量降低了21%?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的裸露與植草覆蓋系統(tǒng)年均滲漏量均達(dá)到美國(guó)環(huán)保局建議的覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求(即每年30mm)。

(5)兩年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，使用建筑垃圾構(gòu)筑的植草三層覆蓋系統(tǒng)可作為現(xiàn)代填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)的有效替代方案。即使在年降雨量超過2100mm的潮濕氣候地區(qū)，該型覆蓋系統(tǒng)也能發(fā)揮良好的服役性能。