填埋场植物-建筑垃圾相互作用机理及生态覆盖系统研发

Landfilling is one major solution to manage solid wastes in the world especially in China. The closure of landfills requires a final cover system to prevent water infiltration and minimize gas emission. Conventional landfill covers utilize HDPE geomembranes that are highly susceptible to interface stability, defects/holes, and high maintenance cost. A new concept, the aim of this project, is to propose and develop a new sustainable landfill cover system, which is constructed using different gradings of construction waste and will also optimize the positive effects of vegetation. This project will study the key parameters that govern water and gas flow within construction wastes under different temperature and humidity. The findings will then provide a scientific framework for a more optimal design of landfill covers. This project will also investigate the effects of different plant root morphology to its water uptake capabilities. Then study the influence of vegetation and temperature on the water-heat coupled modelling of landfill cover system which will provide a theoretical basis for analyzing the performance of the newly proposed landfill cover system. The theoretical and experimental results from this project can effectively help solve the environmental problems of pollution emitting from landfills which is a critical matter of public health, environmental quality, quality of life and economic development.

我国正面临着大量生活垃圾填埋场由于库容枯竭而封场的局面，目前普遍采用的土工膜封场覆盖系统存在滑动破坏与破损等情况，利用建筑垃圾和植被研发填埋场生态覆盖系统无疑具有重大的社会经济效益。现有研究侧重于建筑垃圾的力学特性，急需揭示典型建筑垃圾的水气传导特性、建筑垃圾与植物的相互作用机理。本项目拟通过一维土柱试验、大型模型槽试验、理论分析和现场监测等手段开展系统深入的研究，旨在明确不同温度和湿度条件下建筑垃圾的水气传导特性；揭示植物-建筑垃圾的相互作用机理；开发土质覆盖系统水气热耦合运移模型，创新性考虑不同根系形态的植物作用和温度效应；在此基础上研发新型填埋场生态覆盖系统，仅利用不同粒径的建筑垃圾作为覆盖材料；综合考虑植被的防渗闭气与生态功能，优化植被种植方案。本项目的理论与试验成果将有助于解决垃圾填埋场恶臭扰民和地下水污染等环境问题，实现填埋场区域土地资源和建筑垃圾的再生利用。

在我国大量城市生活垃圾填埋场即将由于库容枯竭而封场的背景下，为克服土工膜覆盖系统的缺点，本项目旨在揭示植物与建筑垃圾的相互作用机理，研发绿色环保的新型覆盖系统。本项目通过理论模型构建、室内土柱、模型槽与现场监测等手段，结合数值分析，系统开展了不同温度、湿度、植被作用下填埋场覆盖系统服役性能的研究。主要研究内容与成果包括：（1）典型建筑垃圾在不同温度和湿度条件下的水气传导特性：结合高等非饱和土力学理论，提出主要建筑垃圾的分类方法，自主研发适用于建筑垃圾的温控试验装置，揭示了不同粒径建筑垃圾的水气传导特性。（2）植物与填埋场覆盖系统的相互作用机理：根据非饱和土水气传导规律，探明了不同植被条件下覆盖系统内的水气分布规律，发现了指数型根系更有利于维持土体较低的水气传导特性，提出了0.8m的植被最优种植间距。（3）新土质覆盖系统水气耦合运移模型：创新地考虑不同根系形态和温度作用，开发了适用于填埋场覆盖系统的水气热耦合运移模型，揭示了新型覆盖系统中水气运移规律，为分析新型覆盖系统的服役性能提供理论依据。（4）新型覆盖系统的关键技术参数与设计方法：依据新理论模型，开展数值分析，提出了新型三层土质覆盖系统各功能层中建筑垃圾骨料的粒径范围，构建了新型覆盖系统的设计方法。（5）新型覆盖系统的现场监测：在新理论模型与室内试验的支撑下，建立了新型覆盖系统的现场测试平台。监测期间实测年最大渗漏量低于国际相关规范的设计要求。在植被作用下，年渗漏量可降低达22%。现场试验很好地验证了新型覆盖系统的有效性。. 本项目首创了考虑植被与填埋场覆盖系统相互影响机理的理论体系，深入揭示了植物与覆盖系统在不同温、湿度情况下的作用规律，研制了新型土质覆盖系统，丰富和发展了复杂气候下填埋场覆盖系统的分析理论与设计手段，有助于解决恶臭扰民和地下水污染等环境问题，有效缓解我国“垃圾围城”的现象，推动降碳与碳中和战略先前迈进。