生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層工作原理及其在垃圾填埋場封場治理中的應用＊

詹良通，馮 嵩，李光耀，吳 濤，豐 田

（1. 浙江大學 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058；2. 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州 310058；3. 福州大學土木工程學院，福建 福州 350100；4. 北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124；5. 江蘇科技大學土木工程與建筑學院，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

1 引言

我國城市生活垃圾處置方式長期以填埋為主，導致城市及周邊分布著大量生活垃圾填埋場，包括1 800 余座衛(wèi)生填埋場和27 000 余座簡易填埋場（數(shù)據(jù)來源：住建部非正規(guī)垃圾堆放點排查整治信息系統(tǒng)）。目前全國生活垃圾堆存量約8.0×109t，占地面積超過3.3×104hm2，對城市土壤、地下水與大氣造成持久性污染風險，亟需進行無害化治理與生態(tài)恢復。2019 年，《“無廢城市”建設指標體系（試行）》已將非正規(guī)垃圾填埋場整治完成率納入考核指標［1］。2021 年《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設施發(fā)展規(guī)劃》要求開展庫容已滿填埋設施封場治理，著重做好“堆體覆蓋、植被恢復”等［2］。各省市積極響應中央政策，如浙江省已在2020 年底基本實現(xiàn)原生生活垃圾零填埋，“十四五”期間要在全省實施生活垃圾填埋場綜合治理行動?？梢姡罾盥駡龅姆鈭稣闻c改造，是推進我國“深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)”戰(zhàn)略的切實需求。

封場覆蓋是垃圾填埋場治理和生態(tài)恢復的重要技術。封場覆蓋的功能主要包括3 個方面：①通過控制雨水下滲量減少滲濾液產(chǎn)生量，降低地下水土污染風險，同時防止暴雨等極端氣象條件導致填埋體浸潤線上升而失穩(wěn)滑坡；②通過控制填埋氣無組織釋放實現(xiàn)溫室氣體和臭氣的減排；③通過種植植物實現(xiàn)場地生態(tài)恢復。填埋場封場覆蓋層已有約50 a 的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了如下主要發(fā)展階段［3］：單層簡易覆土→單層壓實黏土覆蓋層→復合型覆蓋層→騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層。其中，復合型覆蓋層的防滲層由土工膜與壓實黏土或膨潤土防水毯（Geosynthetic Clay Liner，GCL）組成。單層壓實黏土覆蓋層和復合型覆蓋層又被稱為阻斷型覆蓋層，這類覆蓋層依賴低滲透性材料實現(xiàn)防滲。無破洞土工膜與無裂隙的壓實黏土均具有良好的防滲性能，滲漏量低于10 mm/a［3］。然而，季節(jié)性干濕循環(huán)或持續(xù)干旱易導致黏土和GCL 開裂失效，使其防滲性能大打折扣；極端降雨易導致覆蓋層沿土工膜或GCL 界面失穩(wěn)滑動（圖1）。由于阻斷型覆蓋層存在上述問題，20 世紀90 年代末歐美國家提出了一種替代型覆蓋層，即騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層，其工作原理與海綿類似，主要利用細粒土的儲水能力實現(xiàn)防滲，即降雨時儲水，晴天時通過蒸發(fā)、植物蒸騰作用釋放儲存的水分。當時提出的騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層包括單層細粒土覆蓋層和細粒土與下臥的粗粒土組成的毛細阻滯覆蓋層兩種。多年實踐證明，這兩種覆蓋層在歐美非濕潤氣候區(qū)是適用的。目前美國加利福利亞、亞利桑那、科羅拉多、內(nèi)華達、愛荷華、密歇根和德克薩斯等州也已經(jīng)批準將騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層應用在填埋場封場覆蓋治理工程中［4］。截至2011年5 月，北美已完成至少167 項采用單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層和5 項采用毛細阻滯覆蓋層進行全場封場覆蓋治理的工程［4］，取得良好的經(jīng)濟與生態(tài)效益。然而，北美主要關注土質(zhì)覆蓋層防滲性能，缺乏對其閉氣性能的研究。

圖1 我國某填埋場覆蓋層沿土工膜滑動失穩(wěn)Figure 1 Sliding instability of a landfill cover along geomembrane in China

筆者團隊在我國率先開展土質(zhì)覆蓋層對我國生活垃圾填埋場的適用性研究［5-8］，建立了土質(zhì)覆蓋層-植被-大氣相互作用的數(shù)值模型，模擬分析了我國3 種典型氣候（干旱、半干旱和濕潤）條件下兩種騰發(fā)型土質(zhì)覆蓋層的服役性能性狀，發(fā)現(xiàn)我國大陸季風帶來的雨熱植生同期氣候特征非常有利于土質(zhì)覆蓋層防滲功能的發(fā)揮，這是由于我國多雨季節(jié)與氣溫較高及植被生長季節(jié)基本重疊，以致水汽蒸發(fā)和植物吸水蒸騰能大量消耗入滲到土質(zhì)覆蓋層中的雨水，因此土質(zhì)覆蓋層在雨季發(fā)生滲漏的風險低。針對極端降雨（如春季連綿陰雨）條件，筆者團隊提出了在毛細阻滯覆蓋層細/粗粒土層之間增設非飽和砂土導排層，利用其側(cè)向排水功能提升防滲性能［9］。針對我國南方濕潤氣候區(qū)，吳宏偉教授提出了全天候3 層土質(zhì)覆蓋層，即在毛細阻滯覆蓋層底部增設黏土層，形成從上至下依次由細粒土層、粗粒土層與黏土層組成的覆蓋結構，監(jiān)測結果表明其具有良好的防滲性能［10］。

土是自然界中耐久性最好、最廣泛、最低廉的土工材料，土質(zhì)覆蓋層具有耐久性好、維護成本低、穩(wěn)定性高的優(yōu)點［9,11］。針對當前較缺乏土質(zhì)覆蓋層閉氣性能研究的問題，筆者團隊在國際上較早對其進行研究［9,12-14］，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)覆蓋層中細粒土層飽和度超過85% 時其透氣性顯著降低，毛細阻滯作用提升了細粒土層的儲水能力，這使得填埋氣透過覆蓋層的排放量顯著降低。筆者還發(fā)現(xiàn)我國西北地區(qū)填埋場黃土覆蓋層因易生長甲烷氧化菌而具有甲烷氧化功能，對透過黃土覆蓋層的甲烷消減率達90% 以上［13］。垃圾填埋場被認為是排名第3 位的甲烷排放源，我國填埋場甲烷排放量約占甲烷總排放量的31.6%，達到3.599×108t 當量二氧化碳［15］，且甲烷的溫室效應約是二氧化碳的29 倍［16］。我國諸多學者的研究表明甲烷氧化作用受到多種因素影響，如土體含水量、溫度、土體類別、富鐵碳含量與硫化氫等［17-20］。土質(zhì)覆蓋層的甲烷氧化功能對生活垃圾填埋場甲烷減排具有重要貢獻，對我國碳達峰和碳中和戰(zhàn)略實施具有重要意義。

基于長期的研究與工程實踐，筆者團隊和同行針對我國垃圾填埋場特點和季風性氣候特征推薦使用如圖2 所示的3 種生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層，分別適用于我國干旱、半干旱-半濕潤和濕潤氣候區(qū)，這3 種覆蓋層均具有防滲、植生、閉氣、減碳、保土等生態(tài)功能。

圖2 適用于我國的3 種生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層結構Figue 2 Three configurations of ecological soil cover suitable for China

本研究旨在介紹生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的工作原理，同時結合國內(nèi)外規(guī)范，介紹生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層設計與分析方法及其在生活垃圾填埋場封場治理工程中的應用，最后總結生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層優(yōu)勢和發(fā)展前景。

2 生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的工作原理

2.1 防滲原理

生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層基于“水分存儲-釋放”原理實現(xiàn)防滲功能。如圖3 所示，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層猶如“吸水海綿”，在降雨時存儲雨水，晴天時通過土體蒸發(fā)、植物蒸騰等釋放存儲的水分，從而降低覆蓋層滲漏量。當覆蓋層的儲水量超過其儲水能力時，雨水會擊穿覆蓋層導致滲漏的發(fā)生［3,21-24］。

圖3 生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層水分儲存-釋放原理Figure 3 Water storage-release principle of ecological soil covers

單層騰發(fā)式覆蓋層由1 層非脹縮性細粒土層構成（圖2），因此避免了由于土體開裂引發(fā)的大規(guī)模滲漏行為。該類覆蓋層一方面利用細粒土的高儲水能力，使得覆蓋層有足夠的孔隙容量儲存雨水；另一方面利用細粒土低透水性，降低濕潤鋒擊穿覆蓋層底部的風險。一般認為，當單層土體的含水量超過田間持水量（對應的基質(zhì)吸力，即孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差，通常為33 kPa）時，水分在重力的作用下發(fā)生滲漏［3］。與單層騰發(fā)式覆蓋層相比，毛細阻滯覆蓋層（圖2）由1層非脹縮性細粒土下襯1 層粗粒土構成，利用細-粗粒土層界面處的毛細阻滯效應提升細粒土層儲水能力。在微觀方面，毛細阻滯效應是水分到達細-粗粒土界面后向毛細驅(qū)動力大的細粒土中優(yōu)先運移的直觀表現(xiàn)。Zhan 等［25］利用微流控技術在微觀尺度成功再現(xiàn)了毛細阻滯效應（圖4），相比于粗粒土，由于細粒土較小的孔徑提供較大的毛細吸力，使得水分更容易在細粒土中運移。

圖4 微流控實驗在微觀尺度再現(xiàn)毛細阻滯效應Figure 4 Capillary barrier effect captured by microfluidics technique

在宏觀尺度方面，毛細阻滯效應可以利用土體的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線進行解釋。圖5展示了3 種典型土類的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線，平均粒徑大小為黏土＜粉土＜碎石。由圖5（a）可見，對于相同基質(zhì)吸力，持水能力大小關系為黏土＞粉土＞碎石。然而由于黏土較高的脹縮性導致其容易干燥開裂，因此通常不作為上部儲水層。理想的儲水層材料為粉土。由圖5（b）可以看出，當土體較干燥時（如基質(zhì)吸力＞10 kPa），粗粒土（碎石）的滲透系數(shù)小于細粒土（粉土），導致粗粒土阻礙水分從細粒土向粗粒土入滲，即形成毛細阻滯效應。隨著細粒土含水量逐漸增至粗粒土的進水值φb對應的含水量時，粗粒土的滲透系數(shù)大于細粒土，此時水分大量入滲到粗粒土中，標志著毛細阻滯效應的失效［26-28］。通過圖5（a）可以看出，當細粒土（粉土）的基質(zhì)吸力達到粗粒土（碎石）進水值時，粉土含水量接近飽和含水量θb，這表明毛細阻滯效應顯著提升細粒土層的儲水能力，有利于提高覆蓋層的防滲性能。

圖5 3 種典型土類的土水特征曲線和滲透系數(shù)曲線Figure 5 Soil water characteristic curves and permeability functions curves of three representative types of soils

除此之外，Zhan 等［8］通過開展現(xiàn)場人工降雨試驗，測試了極端降雨條件下毛細阻滯覆蓋層細粒土不同深度處的孔隙水壓力（即基質(zhì)吸力的負值）的變化情況，結果如圖6 所示。降雨持續(xù)80 h后，粗-細粒土界面上方（即圖中0.85 m 深度處）的基質(zhì)吸力超過粗粒土的進水值φb，導致毛細阻滯效應失效，此時監(jiān)測到底部滲漏的發(fā)生。隨著進一步降雨，由于雨水滲入速率超過了底部滲漏速率，界面上方的孔隙水壓力持續(xù)升高，并在降雨結束時達到最大值。降雨結束后，底部滲漏并未停止，并導致界面上方的孔隙水壓力下降。值得注意的是，當?shù)撞繚B漏停止時，界面上方的基質(zhì)吸力約為10 kPa，低于田間持水量對應的33 kPa，說明毛細阻滯效應在失效之后出現(xiàn)了恢復行為，這使得細粒土在降雨后也可以維持較高的儲水量，有利于降低底部滲漏量。

圖6 極端降雨條件下毛細阻滯覆蓋層細粒土中孔隙水壓力變化Figure 6 Variation of pore water pressure in the fine layer of a capillary barrier cover in response to extreme rainfall

研究表明單層騰發(fā)式覆蓋層和毛細阻滯覆蓋層適用于非濕潤地區(qū)防滲［27-28］。華南濕潤地區(qū)降雨量大（1 500～2 000 mm/a）且強降雨事件頻發(fā)，導致強降雨期間土體吸力低，使得粗粒土的滲透系數(shù)大于細粒土。如圖5（b）所示，基質(zhì)吸力小于0.1 kPa 時，滲透系數(shù)大小關系為黏土＜粉土＜碎石，造成毛細阻滯效應失效。此時應采用圖2所示的全天候3 層覆蓋層，其防滲原理如下：當降雨量較大時，上覆兩層土之間的毛細阻滯效應失效，底部細粒土（如黏土）飽和度高，此時利用黏土的低滲透性阻滯濕潤鋒擊穿覆蓋層，并利用中間粗粒土層高滲透性導排雨水，從而減少滲漏量。干燥時期，土體飽和度低，如圖5（b）所示，基質(zhì)吸力＞100 kPa，上部細粒土與粗粒土的滲透系數(shù)低于底部黏土層，此時上部兩層土充當保護層，降低黏土層水分蒸發(fā)，避免干縮開裂，從而保障覆蓋層長期防滲性能。

2.2 植生原理

植物不僅能提升生態(tài)美觀和防止水土流失，而且可以通過蒸騰作用將生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層儲存的水分釋放到大氣，降低滲漏量。蒸騰作用約占根系吸收水分的95%［29］。植物根系吸水受到土體含水量（基質(zhì)吸力）與溫度的顯著影響。一方面，當土體的含水量低于植物枯萎點（對應的基質(zhì)吸力約為1 500 kPa）時，根系無法繼續(xù)從土體吸收水分［30］，導致植物枯萎；另一方面，當土壤溫度高于或者低于最優(yōu)溫度，都會抑制根系吸水［31］。土壤長期處于高溫甚至會導致根褐變乃至植物枯萎［32］。生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層通過儲水供給植被，連通地氣調(diào)節(jié)土體溫度、濕度，促進植物生長。在儲水方面，通過選用粉土、粉質(zhì)黏土等細粒土，利用細粒土孔徑小、孔隙度大的優(yōu)點，結合毛細阻滯效應，提升土體的儲水能力，為植物生長提供水分。此外，不同于歐美發(fā)達國家低廚余的“干冢”式填埋場，廚余垃圾是我國填埋垃圾的主要組成部分，造成我國城市生活垃圾填埋場滲濾液水位高［33］，形成“濕?！碧盥駡?。根據(jù)筆者團隊在西安江村溝填埋場的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)［34］，覆蓋層底部填埋氣的相對濕度接近100%。Li 等［34］針對黃土-碎石構建的毛細阻滯覆蓋層的數(shù)值模擬研究表明：由填埋氣中水蒸氣引起的覆蓋層有效儲水量最大增量為30 mm/a，相比于不考慮水蒸氣的工況，覆蓋層有效儲水量增加約40%。這些增加的儲水量能夠有效提升我國西部干旱、半干旱地區(qū)填埋場植物的抗旱能力。

在調(diào)節(jié)土體溫度方面，由于土體具有較高體積比熱容（單位體積的土體溫度升高1oC 所需要的熱量），且隨含水量增加而增大，因此土體猶如“棉被”一樣，有助于降低嚴苛的大氣溫度對根系的不利影響。例如夏季，土體降低外界高溫的影響，起到降溫作用；冬季，土體起到保溫作用。由于填埋場內(nèi)部生化反應釋放熱量，導致填埋堆體內(nèi)溫度高達60～70oC［35］，通過熱傳導與濕熱填埋氣提升覆蓋層溫度。筆者團隊在西安江村溝填埋場開展的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：即使在冬季大氣溫度降低至0oC 時，毛細阻滯覆蓋層表層0.10 m處土體的溫度依然維持在10oC 左右，而覆蓋層底部0.85 m 處土體的溫度約為30oC［13］，有效降低了植物凍害發(fā)生的可能性。相比之下，傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層使用的土工膜完全阻斷了膜內(nèi)外的水氣交換，使得濕熱的填埋氣無法調(diào)節(jié)土體溫度與濕度，也隔斷了膜內(nèi)外生態(tài)的連續(xù)性。如圖7 所示，筆者團隊在西安江村溝填埋場的現(xiàn)場試驗表明，相比于無膜覆蓋區(qū)域，有膜覆蓋區(qū)域的植被長勢明顯不佳。近年來工程界人士也逐漸認識到土工膜生態(tài)性差的缺點，例如在河道治理工程中，由于土工膜隔絕了河道水體與地下水的交換和相互調(diào)節(jié)，降低了生態(tài)系統(tǒng)自我凈化功能。此外，土工膜易形成“鍋蓋效應”，導致填埋氣中的水蒸氣在膜下冷凝，增大膜-土界面含水量，長期作用下易形成膜-土軟弱界面并產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。因此，相比于含土工膜的覆蓋層，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層具有連通地氣、自我調(diào)節(jié)溫度與濕度的優(yōu)勢，更有利于植物生長。需要指出由于填埋氣主要由二氧化碳與甲烷組成，導致土體中氧氣含量降低與二氧化碳濃度升高，對木本植物生長造成不利影響［36］。Chan 等［36］通過對比10 種木本植物品種，建議在亞熱帶地區(qū)的填埋場栽種紅膠木（Tristania conferta），因其填埋氣耐受性高且耐干旱。

圖7 鋪設土工膜對填埋場覆蓋層植被生長的影響Figure 7 Effects of geomembrane on vegetation growth in landfill cover

2.3 閉氣原理

生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層通常處于非飽和狀態(tài)，主要利用含水細粒土的低透氣性實現(xiàn)閉氣。非飽和土的氣體滲透系數(shù)主要取決于氣相的連續(xù)性、孔徑尺寸與孔隙聯(lián)通性等［9,37］。增大土體壓實度或土體飽和度，均能減少充氣的孔隙空間，增大氣體運移路徑的曲折度，從而降低非飽和土的氣體滲透系數(shù)。例如，Jucá 等［38］測試了巴西某填埋場覆蓋層使用的3 種黏土的氣體滲透系數(shù)和飽和度的關系（圖8），發(fā)現(xiàn)當土體的飽和度低于臨界值（如85%）時，土體氣體滲透系數(shù)隨飽和度的增加而緩慢降低；當土體的飽和度高于臨界值時，氣體滲透系數(shù)隨飽和度的略微增加而顯著下降，具有良好的閉氣性能。這是由于低于該臨界值時，土體中氣相處于連通狀態(tài)，透氣性好；高于該臨界值時，氣相處于閉塞狀態(tài)，透氣性差。該飽和度臨界值受土壤類型、壓實度和初始含水量的影響，常見范圍為60%～95%［38-42］。對于單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層（圖9），其細粒土層應足夠厚，使得覆蓋層底部的土體較濕潤且受氣候波動影響小，從而實現(xiàn)良好的閉氣效果。美國南加州Lopez Canyon 衛(wèi)生填埋場采用0.90 m 厚的單層騰發(fā)式覆蓋層，持續(xù)約3 a 的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：地表處覆蓋層體積含水量變化量接近飽和含水量的90%，而覆蓋層底部的土體常年保持濕潤狀態(tài)，且體積含水量隨季節(jié)變化量通常小于飽和含水量的5%［43］。受益于覆蓋層底部細粒土相對恒定的高含水量，單層騰發(fā)式覆蓋層在實際工程中取得良好的閉氣效果。例如，南加州Olinda 生活垃圾填埋場主要由單一層砂質(zhì)粉土覆蓋，能夠顯著提升填埋氣收集系統(tǒng)的有效性，使得甲烷排放量從約1 000 g/（m2·d）降低至小于10 g/（m2·d）［44］，滿足澳大利亞規(guī)范要求的甲烷通量限值（≤60 g·m-2·d-1）［45］。對于該填埋場局部由單一層黏質(zhì)粉土覆蓋的區(qū)域，由于該土體黏粒含量多，閉氣性能更佳，使得覆蓋層甲烷通量低至0.01 g/（m2·d）以下［44］。這表明單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層具有良好的閉氣功能，有助于提升填埋氣收集效率。對于毛細阻滯覆蓋層，由于毛細阻滯效應將粗-細粒土界面處的含水量從田間持水量增加至接近飽和含水量，見圖5（a），使得界面處細粒土體的氣體滲透系數(shù)比田間持水量對應的氣體滲透系數(shù)降低約兩個數(shù)量級，顯著增強閉氣性能［14］。對于全天候3 層覆蓋層，由于上覆兩層土體的保護，使得底層的低滲透性細粒土層處于較高飽和度狀態(tài)，具有良好的閉氣性能［42］。土工膜的滲透系數(shù)一般要求應低于1×10-14m/s，顯著低于生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的滲透系數(shù)（圖8），然而由于土工膜在建造期間以及長期服役過程中破損，填埋場地表甲烷濃度測試結果表明HDPE 土工膜上方的平均甲烷濃度高于土質(zhì)覆蓋層，其閉氣性能低于耐久性更好的生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層［46］。此外，對于生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層，也可通過在覆蓋層內(nèi)部滴灌水分，增加覆蓋層的含水量，有效降低土體氣體滲透系數(shù)，進一步減少通過覆蓋層的填埋氣排放［8,13-14］。

圖8 3 種黏土的氣體滲透系數(shù)與飽和度的關系Figure 8 Relationship between gas permeability coefficient and saturation of three clays

圖9 騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層含水量隨深度和季節(jié)的變化示意Figure 9 Schematic of the seasonal variations of water content of evaporatranspirative cover with depth

2.4 減碳原理

受氧氣濃度限制，微生物分解污染性填埋氣主要發(fā)生于深度小于0.4 m 的淺層。該區(qū)域存在復雜的大氣-植被-土體-微生物相互作用。Bohn等［56］研究了植被對土體甲烷氧化作用的影響，發(fā)現(xiàn)植被的生長增加了土壤中的有機質(zhì)含量，同時根系吸收水分并穿透到土壤中形成大孔隙，提升土體透氣性，增強了甲烷的氧化作用。此外，植物通過光合作用吸收空氣中的二氧化碳，實現(xiàn)固碳。研究表明每公頃由成熟植被覆蓋的土壤每年可以固碳約2.5 t［4］。Ng 等［57-58］的試驗表明植物對二氧化碳的固碳作用取決于植物品種與土體養(yǎng)分（如N、P、K 等）：當土體缺乏養(yǎng)分時，鵝掌柴在含1 964.3 mg/m3二氧化碳空氣下生長的葉面積與蒸騰速率均小于在含785.7 mg/m3二氧化碳的情況；當施加了N、P、K 肥之后，得到了與上述相反的結果。這表明在高濃度二氧化碳的情況下，宜施加N、P、K 肥，以促進植物生長與固碳。

3 國內(nèi)外規(guī)范中生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的相關規(guī)定

3.1 歐美規(guī)范中土質(zhì)覆蓋層的相關規(guī)定

3.1.1 騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層防滲設計、穩(wěn)定性與維護

美國環(huán)保部（US EPA）制定了城市固體廢物填埋場封場覆蓋的聯(lián)邦法規(guī)：Title 40, Part 258,Subpart F（closure and post-closure care）of the Code of Federal Regulation （CFR），簡稱40 CFR 258。40 CFR 258 第258.60（b）節(jié)條文授權各個州的環(huán)保部門批準使用有別于聯(lián)邦法規(guī)規(guī)定的替代型覆蓋層結構，但是要求開展現(xiàn)場試驗證明其防滲效果與抗侵蝕能力與40 CFR 258 條文規(guī)定的阻斷型覆蓋層相當［59］。表1 列出了北美地區(qū)覆蓋層防滲標準［60］。通常情況下，美國各個州制定的規(guī)范要求比40 CFR 258 更為嚴格，直接用于各個州的覆蓋層設計。美國騰發(fā)式覆蓋層的重要設計規(guī)范主要有ITRC［61］和US EPA［44,62-63］。另外，北美學者Albright 等［24］編制了詳細的騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層設計指南，被澳大利亞新南威爾士州的覆蓋層設計規(guī)范［64］所采納。迄今為止，美國EPA 尚未建議類似表1 的填埋場覆蓋系統(tǒng)的滲漏量限值［44］。此外，不同于覆蓋層最小滲漏量的要求，加拿大安大略省針對有滲濾液收集系統(tǒng)的填埋場，要求封場覆蓋層的滲漏量需要大于150 mm/a［65］。這是由于歐美主要為“干?！笔嚼盥駡?，限制了固體廢物的降解，延長了污染治理的時間。通過滲濾液回灌等措施適當增加垃圾堆體的水分有利于促進垃圾降解，形成生物反應器填埋場（Bioreactor Landfills）以加速固體廢物降解，從而減少維護和監(jiān)測時間，縮短現(xiàn)場的污染防治時間，確保工程設施的使用壽命長于污染防治時間［65］。

表1 土質(zhì)覆蓋層的目標防滲率Table 1 Allowable annual percolation for soil covers

騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層設計主要考慮覆蓋層的水分平衡，包括土壤儲水能力、降雨、地表徑流、蒸散和滲漏。主要通過增大儲水量和蒸散量，降低覆蓋層的滲漏量。騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層設計主要強調(diào)以下內(nèi)容［63］：①利用細粒土構建儲水層，如具有較高儲水能力的粉土和黏壤土；②利用當?shù)氐脑脖辉黾诱羯⒘?；③利用當?shù)赝寥?，便于施工并?jié)約成本。單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層的厚度通常為0.60～2.00 m［4,44］。毛細阻滯覆蓋層的細粒層（儲水層）厚度通常為0.45～1.50 m，粗粒層厚度一般為0.15～0.60 m［4］。新 南 威 爾 士 環(huán) 保 部 門［64］（New South Wales Environmental Protection Agency，NSW EPA）建議騰發(fā)式覆蓋層的細粒土厚度不小于1.50 m，從而保障充足的儲水能力，避免滲漏量超標。需要指出，當細粒層過厚時，其底部的水分難以通過蒸散作用釋放到大氣，不僅降低騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層的經(jīng)濟適用性，而且減少填埋場庫容。

由于毛細阻滯覆蓋層細粒土容易遷移到粗粒層的孔隙，造成粗粒層堵塞，減弱毛細阻滯效應，因此土工布常用于阻隔粗/細粒土界面的土顆粒遷移。Koerner 等［66］建議在毛細阻滯覆蓋層細-粗土層界面處設置玻璃纖維材質(zhì)的土工布。研究表明玻璃纖維材質(zhì)土工布的服役年限可以長達百年以上。然而，當土工布位于細-粗粒土層界面時，毛細阻滯效應發(fā)生在細粒土和土工布之間，而非細粒土和粗粒土之間［67］，有可能降低細粒層的儲水能力。此外由于土工布的滲透系數(shù)通常大于細粒土，土工布還可起到側(cè)向排水的作用。US EPA［44］建議如果使用土工布，則應在最終毛細阻滯覆蓋層設計中考慮并解決使用土工布帶來的相關影響，如蓄水能力降低和橫向排水的增加。

在覆蓋層穩(wěn)定性方面，US EPA［62］基于剪切強度參數(shù)測量的不確定性以及覆蓋層滑坡的危害性，要求覆蓋層穩(wěn)定性安全系數(shù)需滿足表2［44］所示數(shù)值。

表2 US EPA 建議的覆蓋層安全系數(shù)值Table 2 Safety factor of landfill cover recommended by US EPA

植被覆蓋率與生長狀況在騰發(fā)式覆蓋層防滲與抗侵蝕方面至關重要。騰發(fā)式覆蓋層一般采用深根植物以去除覆蓋層儲水層內(nèi)的水分。這不同于傳統(tǒng)利用黏土、土工膜等建設的阻斷型覆蓋層采用淺根植物，以避免根系扎穿防滲層，導致滲漏量增加［64］。當毛細阻滯覆蓋層的粗粒層由至少0.30 m厚的碎石構建時，由于碎石含水量低，能夠起到阻止植物的根系擊穿覆蓋層的作用［44］。當前騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層選用的植物種類包括草、灌木和樹。澳大利亞新南威爾士州規(guī)范［64］規(guī)定應根據(jù)以下原則選擇植被品種：①植被應包含能夠快速、可持續(xù)地建立植被群落，抗逆性強（如抗旱），確保四季生長和高覆蓋率，維持高蒸散率，能夠?qū)⒏笛由斓礁采w層的所有區(qū)域以去除水分，降低地表侵蝕；②應混種不同植物品種，優(yōu)選本地原生植物品種，以確保達到覆蓋層的設計目標。通常需要將不同種類的草、灌木和樹木組合在一起，最大限度地降低單一植物品種群落易退化和發(fā)生火災的風險。一般來說，氣候越潮濕，蒸騰速率高的植物（如大葉樹木）占比就越大。此外，Rock 等［4］還建議混種暖季型和冷季型本地植物品種，保證植物在一年四季都能通過蒸騰作用釋放土體水分。

在覆蓋層后期維護方面，美國、澳大利亞的規(guī)范強制性要求生活垃圾填埋場封場后進行30 a的維護，包括監(jiān)測覆蓋層完整性與服役性能在內(nèi)的填埋場各工程設施性能（40 CFR 258.61）；同時授權各個州根據(jù)填埋場對人類健康與生態(tài)環(huán)境的實際威脅程度，適當延長或縮短相應的維護時間。不均勻沉降導致的騰發(fā)式覆蓋層的裂縫可能導致降雨入滲優(yōu)勢流，顯著降低覆蓋層的防滲性能，需要對其進行維修。相比于傳統(tǒng)有膜的阻斷型覆蓋層，騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層的維修更為簡單［44］：對于單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層，可通過向地表凹陷處鋪設土體進行修復；對于毛細阻滯覆蓋層，應首先開挖細粒土直到粗粒土層，然后用粗粒土填充該層的凹陷，以便使細粒土和粗粒土之間的界面與相鄰界面保持一致，最后修復位置的細粒土與周圍的細粒土界面應采用階梯式接觸，以減少修復區(qū)域與周圍細粒土界面的降雨優(yōu)勢流。

3.1.2 甲烷排放及微生物甲烷氧化

隨著全球氣候變化，填埋場的甲烷排放受到越來越多的關注。歐美研究表明對于老舊填埋場或者有填埋氣收集系統(tǒng)的填埋場，甲烷排放量約為85 g/（m2·d）；對于還在接收垃圾的填埋場，甲烷排放量可以高達1 300 g/（m2·d）；封場10～15 a 后的填埋場甲烷通量的范圍約為200～300 g/（m2·d）［49］。大量研究表明土體微生物甲烷氧化速率可達到94～525 g/（m2·d），為填埋場甲烷減排提供了經(jīng)濟適用的方法［49］。如表3 所示，多國規(guī)范明確了甲烷排放要求。

表3 填埋場甲烷容許濃度與甲烷通量Table 3 Allowable concentration and emission flux of methane in landfills

在有填埋氣收集系統(tǒng)的情況下，微生物甲烷氧化有助于進一步降低甲烷排放。對于填埋氣中甲烷濃度太低，以至于收集填埋氣進行焚燒處理的方法不適用或者無填埋氣收集系統(tǒng)的情況下，英國環(huán)保部門要求必須通過微生物甲烷氧化減少填埋場甲烷排放［71］，如生物覆蓋層（Biocover）與生物過濾器（Biofilter）。生物覆蓋層用于無填埋氣收集系統(tǒng)的填埋場，填埋氣體通過覆蓋層被動排放，包括全場生物覆蓋層（Full Surface Biocover）、生物窗口（Biowindow）系統(tǒng)和生物活性攔截溝（Bioactive Intercepting Trenches）。如圖10 所示，全場生物覆蓋層覆蓋于整個填埋場表面，由底部的氣體導排層與上覆的均質(zhì)且具有生物活性的甲烷氧化層組成［71］。

圖10 全場生物覆蓋層Figure 10 Full surface biocover

目前關于生物覆蓋層的設計規(guī)范較少，澳大利亞新南威爾士州環(huán)境和氣候變化部［72］與丹麥環(huán)境部制定了相關規(guī)范［73］。理想的甲烷氧化層材料為持水性好、不易降解、有機質(zhì)含量高且具有良好的孔隙率和透氣性的多孔材料［49,72］。奧地利、丹麥、澳大利亞等常用的甲烷氧化層材料包括市政污泥與木屑制備的堆肥，或由城市固體廢物/污水污泥/木屑制備的堆肥［49］。研究表明熟化的堆肥的甲烷氧化能力顯著高于天然土體［72］。受益于堆肥多孔透氣的特性，堆肥具有良好的保溫性能，使得堆肥能夠儲存甲烷氧化、細菌呼吸作用釋放的熱量［74］?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明即使冬季大氣溫度低于0oC，堆肥10～15 cm 深度之下的溫度可以高達30～40oC，從而避免低溫對甲烷氧化的抑制作用［73］。需要注意堆肥在長期使用下易降解，導致淤堵與透氣性降低，堆肥自身降解也有可能產(chǎn)生NH3等刺激性氣體，因此在使用堆肥的情況下，需要注意生物覆蓋層的長期維護。除了堆肥構建甲烷氧化層之外，當前也有眾多學者利用堆肥與土體的混合物構建甲烷氧化層。例如，Berger 等［75］在毛細阻滯覆蓋層表面鋪設300 mm 厚的砂與堆肥混合物構建的甲烷氧化層，實測數(shù)據(jù)表明在55 g/（m2·d）的甲烷通量下，甲烷氧化效率（甲烷氧化量與覆蓋層底部甲烷通量的比值） 可達80%～95%。筆者團隊在西安江村溝開展的現(xiàn)場試驗，利用黃土與堆肥的混合物（堆肥摻量3%，混合物壓實度76%）作為甲烷氧化層，直接建設于毛細阻滯覆蓋層表面，實測最大甲烷氧化能力達到93 g/（m2·d）［13］。當前也有用生物炭為基材建設生物覆蓋層［76］，促進甲烷減排。與堆肥相比，生物炭物理化學性質(zhì)更為穩(wěn)定，不容易被降解,具有良好的固碳效果。

合理的甲烷氧化層設計需要避免局部區(qū)域產(chǎn)生甲烷優(yōu)勢流，即所謂“熱點”區(qū)域［73］。“熱點”的存在縮短了甲烷在土中的滯留時間，降低甲烷氧化效率［47,77］。因此，保障甲烷氧化層底部甲烷通量的均勻分布對于提升甲烷氧化能力至關重要［72-73］，為此澳洲與丹麥規(guī)范均建議在甲烷氧化層底部設置氣體導排層。氣體導排層由高透氣性的粗骨料構建，如碎混凝土、卵石等。丹麥規(guī)范［73］建議甲烷氧化層的厚度為80～100 cm，氣體導排層最小厚度為30 cm，宜為50 cm；建議生物覆蓋層的甲烷氧化能力設計值為50 g/（m2·d），在該甲烷氧化能力作用下，丹麥的生物覆蓋層現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明甲烷氧化效率達到約80%。

3.2 我國規(guī)范中土質(zhì)覆蓋層的相關規(guī)定

我國住建部頒布的GB 51220—2017 生活垃圾衛(wèi)生填埋場封場技術規(guī)范中規(guī)定的封場覆蓋層結構如圖11 所示，由上至下分別為：綠化土層、排水層、防滲層和排氣層。該標準中規(guī)定防滲層可選用人工防滲材料或天然黏土，當采用天然黏土作為防滲層時，滲透系數(shù)應小于1×10-7cm/s，厚度不宜小于300 mm，頂部壓實度不宜小于90%，邊坡壓實度不宜小于85%；排氣層可采用碎石等顆粒材料或?qū)庑暂^好的土工網(wǎng)狀材料，當采用碎石等顆粒材料時，堆體頂部鋪設厚度不宜小于300 mm，粒徑宜為20～40 mm；排水層應選用導水性能較好的材料，其滲透系數(shù)應大于1×10-3cm/s，當采用碎石作為排水層時，厚度不宜小于300 mm，粒徑宜為20～40 mm，當采用復合土工排水網(wǎng)作為排水層時，厚度不宜小于5 mm；綠化土層厚度不宜小于500 mm，壓實度不宜小于80%。

圖11 GB 51220—2017 規(guī)定的覆蓋層結構Figure 11 Profile texture of final cover prescribed by GB 51220—2017

國家行業(yè)標準CJJ 176—2012 生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術規(guī)范針對干旱和半干旱地區(qū)且封場坡度大于10% 的斜坡區(qū)，推薦了毛細阻滯覆蓋層，其推薦的結構示意如圖12 所示，并滿足如下要求：①植被層土質(zhì)適合植被生長，厚度不應小于15 cm；②細粒土層應采用儲水性能良好的粉土、粉質(zhì)黏土、細砂等，厚度宜為50～150 cm，該層具體設計厚度取決于土料的水力特性及當?shù)貧夂驐l件，如表4 顯示的我國西北地區(qū)黃土儲水層的設計厚度；③粗粒土層應采用導氣性能良好的粗砂、碎石等，厚度宜為20～30 cm。

圖12 CJJ 176—2012 推薦的毛細阻滯覆蓋層結構示意Figure 12 Profile schematic of capillary barrier cover prescribed by CJJ 176—2012

表4 我國西北代表城市采用黃土構建毛細阻滯覆蓋層的設計厚度Table 4 Designed thicknesses of capillary barrier covers constructed by loess in representative cities in Northwest China

2021 年浙江大學編寫的國家標準《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理巖土工程技術標準（報批稿）》也推薦了圖12 所示的毛細阻滯覆蓋層的使用。除此之外，該標準還推薦在濕潤氣候區(qū)宜采用圖13 所示的全天候3 層覆蓋層，并做出如下規(guī)定：①植被層土質(zhì)適合植被生長，厚度應不小于15 cm；②儲水層采用儲水性能良好的粉土、粉質(zhì)黏土或再生細粒料等，壓實度不低于85%，厚度不小于50 cm；③導排層采用導水性能良好的粗砂、碎石或再生粗骨料等，厚度為20～40 cm；④低滲透性層采用滲透性能較低的壓實黏土，壓實度不低于90%，厚度為40～80 cm；⑤氣體擴散層采用導氣性能良好的粗砂、碎石等，厚度為20～30 cm。

圖13 《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理巖土工程技術標準（報批稿）》新增的覆蓋層結構Figure 13 Profile texture of final cover added in Technical Code for Geotechnical Engineering of Municipal Solid Waste Sanitary Landfill

由上可知，GB 51220—2017 推薦的覆蓋結構屬于傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層，其主要利用防滲層自身的低滲透性阻斷雨水的下滲和填埋氣的排出，從而實現(xiàn)覆蓋層的防滲減排目標。CJJ 176—2012 和《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理巖土工程技術標準（報批稿）》推薦的兩種生態(tài)型土質(zhì)覆蓋結構則是利用毛細阻滯效應提升覆蓋層儲水量，從而減少雨水的下滲和填埋氣的排放。因此，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層與傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層在防滲減排原理方面存在差異，但是在功能層面不存在矛盾。

4 生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層在生活垃圾填埋場封場治理工程中的應用

4.1 國外土質(zhì)覆蓋層的應用

20 世紀90 年代末，美國能源部（US DOE）與EPA 先后在北美分別發(fā)起了ALCD（Alternative Landfill Cover Demonstration）與ACAP（Alternative Cover Assessment Program）的替代型土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場示范驗證項目，旨在推廣包括騰發(fā)式覆蓋層在內(nèi)的替代型覆蓋層。US EPA 建立了相應的線上數(shù)據(jù)庫（http://cluin.org/products/altcovers）。此外，Albright 等［78］、Abdolahzadeh 等［79］、Melchior 等［80］分別在美國、加拿大、德國的不同地區(qū)進行了毛細阻滯覆蓋層底部滲漏量的長期監(jiān)測工作，證明了毛細阻滯覆蓋層與單層騰發(fā)式覆蓋層在干旱、半干旱地區(qū)的優(yōu)良防滲性能。焦衛(wèi)國［81］整理了北美和歐洲在填埋場現(xiàn)場開展的大尺度土質(zhì)覆蓋層試驗（表5）。這些現(xiàn)場大尺寸覆蓋層試驗注重利用實測水量數(shù)據(jù)，從水量分配的角度整體宏觀上評估其防滲效果。通過這些現(xiàn)場測試獲得了土質(zhì)覆蓋層的水文模型并以此來指導和完善土質(zhì)覆蓋層的設計方法和參數(shù)。

表5 土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場大尺度試驗總結Table 5 Summary of field-scale tests of soil covers

在對土質(zhì)覆蓋層進行的現(xiàn)場試驗研究中，最具代表性的項目當屬US EPA 資助的ACAP 項目［82-83］。該項目旨在評價替代型土質(zhì)覆蓋層的現(xiàn)場防滲性能，并為替代型土質(zhì)覆蓋層的設計、施工及后期維護提供必要的指導。ACAP 項目于1998 年啟動，先后在美國干旱、半干旱、半濕潤及濕潤地區(qū)的11 個不同填埋場（圖14）建設了10 個傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層試驗基地和14 個替代型土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場試驗基地（包括8 個單層騰發(fā)式覆蓋層和6 個毛細阻滯覆蓋層）。通過對試驗基地的氣象條件、覆蓋層的徑流、側(cè)向?qū)?、土層存儲以及滲漏等指標進行長達1～3 a 的監(jiān)測，獲得了各試驗基地的水量平衡數(shù)據(jù)，對比評估了替代型土質(zhì)覆蓋層的適用性。結果顯示，傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層在土工膜、黏土等防滲層無破洞與開裂的情況下，具有良好的防滲性能，在干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)的年滲漏量低于1.5 mm/a（年降雨量的0.4%），在濕潤地區(qū)的年均滲漏量低于12 mm/a（年降雨量的1.4%）。但是對于防滲層發(fā)生破壞或失效的傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層，其防滲表現(xiàn)顯著下降，在半干旱地區(qū)的年滲漏量可高達291.9 mm/a（年降雨量的32.1%）。在干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，單層騰發(fā)式覆蓋層和毛細阻滯覆蓋層的防滲表現(xiàn)與傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層相當，年均滲漏量低于1.5 mm/a（年降雨量的0.4%），且不會出現(xiàn)結構層開裂而引發(fā)大量滲漏的問題。但是，這兩種覆蓋結構在濕潤氣候區(qū)均不能起到良好的防滲作用，單層騰發(fā)式覆蓋層年平均滲漏量為123～160 mm/a（年降雨量的10.0%～18.0%），毛細阻滯覆蓋層年平均滲漏量為33～57 mm/a （年降雨量的6.0%～10.0%）。綜上所述，ACAP 項目的結果表明：在北美的干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，單層騰發(fā)式覆蓋層與毛細阻滯覆蓋層的防滲效果與傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層相當，而且二者能夠避免土體開裂引發(fā)的大規(guī)模滲漏行為。由此得出，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的防滲性能優(yōu)于傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層。

圖14 ACAP 項目構建的土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場試驗基地的分布情況［24］Figure 14 Locations of ACAP field-scale test sites of soil covers［24］

為了評價不同結構型式覆蓋層的長期服役性能，Melchior 等［80］對德國Hamburg-Georgswerder填埋場的8 個覆蓋層試驗基地進行了長達18 a 的連續(xù)監(jiān)測，覆蓋層結構型式見圖15，包括2 個含有低滲透性土層的壓實黏土覆蓋層（S1、F1）、3個含有低滲透性土層和土工膜的復合型覆蓋層（S2、F2、F3）、1 個毛細阻滯覆蓋層（S3）和2 個含有GCL 的復合型覆蓋層（B1、B2）。監(jiān)測結果表明：含有低滲透性土層和GCL 的傳統(tǒng)覆蓋層防滲效果不佳，監(jiān)測期間年均滲漏量達到90～220 mm/a，約為雨水入滲率的50.0%。這主要是由于阻隔層在干燥、根系生長和離子交換等作用下發(fā)生開裂且無法自愈，導致裂隙優(yōu)勢流。毛細阻滯覆蓋層沒有發(fā)生由于土體開裂而引發(fā)的大規(guī)模滲漏事件，取得了良好的防滲效果，年均滲漏量為22 mm/a?，F(xiàn)場水量平衡分析結果表明，在德國漢堡地區(qū)（年均降雨量約768 mm），植被蒸騰和土體側(cè)向?qū)趴梢杂行п尫鸥采w層儲存的水分，分別為年均降雨量的64.0%和35.0%。

圖15 德國Hamburg-Georgswerder 填埋場8 個試驗基地的覆蓋層結構剖面［80］Figure 15 Profile textures of eight soil covers on the landfill Hamburg-Georgswerder in Germany［80］

4.2 我國土質(zhì)覆蓋層的應用

4.2.1 毛細阻滯覆蓋層現(xiàn)場示范

浙江大學巖土工程研究所在西安江村溝填埋場建設了黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層現(xiàn)場尺度試驗基地（圖16），該項目為我國首個土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場試驗項目。

圖16 黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層現(xiàn)場尺度試驗基地Figure16 Field-scale test lysimeter for loess-gravel capillary barrier cover

西安位于我國半濕潤區(qū)，江村溝填埋場是我國最大的溝壑式填埋場，采用階梯狀堆填方式，每級臺階的邊坡坡度為3H∶1V。試驗區(qū)位于第8級邊坡的封場覆蓋區(qū)域，尺寸為20 m × 30 m，核心測試區(qū)尺寸為10 m × 24 m。利用HDPE 膜隔斷了核心測試區(qū)與周圍土體和填埋垃圾的水氣聯(lián)系，使之形成一個獨立的水氣傳導測試單元（圖17）。

圖17 覆蓋層儀器布置示意Figure 17 Schematic of instrument layout of landfill cover

HDPE 膜以內(nèi)核心測試區(qū)域的剖面結構從上至下分別是植被層、黃土層和碎石層。在覆蓋層坡不同深度成排布置了TDR 含水量探頭、張力計、溫度傳感器、氣壓測試以及氣體取樣裝置，并在試驗區(qū)布置氣象站進行氣象監(jiān)測。

1）毛細阻滯覆蓋層防滲性能。

根據(jù)西安黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層約2 a 的監(jiān)測結果（圖18），覆蓋層在20 個月內(nèi)的累積滲漏量為16.16 mm，年平均滲漏量滿足30 mm 的防滲標準（表1，西安地區(qū)的P/PET 分布在0.5～1.0）。覆蓋層在多雨的夏季無滲漏發(fā)生，但在相對少雨的秋季（9—11 月）卻發(fā)生了連續(xù)的滲漏。這是由于進入覆蓋層的雨水在放晴后的高溫天氣下迅速蒸發(fā)；秋季的降雨強度小但持續(xù)時間長，加之蒸發(fā)量有限，儲存在覆蓋層中的水分不易被消耗，覆蓋層底部的壓實黃土長時間維持在接近飽和的狀態(tài)，使得儲水能力降低，導致滲漏發(fā)生。為研究黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層的儲水能力，焦衛(wèi)國［81］對裸露條件下的黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層進行了人工極端降雨試驗，控制雨強為3 mm/h，降雨時間從2014 年6 月24 日至29 日，累積降雨量為214.8 mm，約占西安年均降雨量（550 mm）的39.0%。圖19 展示了實測的降雨量、徑流量、滲漏量和土層存儲量［81］。由圖19 可見，在6 月27 日累積降雨量達121 mm 時，覆蓋層開始出現(xiàn)滲漏，此時覆蓋層底部黃土的孔隙水壓力為3 kPa；在極端降雨試驗期間，土層存儲是降雨的主要消耗途徑，約占總降雨量的92.9%。滲漏停止時覆蓋層底部的孔隙水壓力降低至約-10 kPa，表明毛細阻滯效應恢復，此時覆蓋層的有效儲水能力為262.0 mm，相比于單一黃土覆蓋層的有效儲水能力提高了40%。

圖18 累積滲漏量的長期監(jiān)測結果［84］Figure 18 Long-term monitoring results of cumulative percolation［84］

圖19 極端降雨試驗期間的水量分配隨時間的變化Figure 19 Variation of water balance with time during extreme rainfall test

2）毛細阻滯覆蓋層閉氣性能。

Zhan 等［40］開展了現(xiàn)場通氣試驗，測試了壓實黃土層（ρd=1.45 g/cm3）的導氣性能，發(fā)現(xiàn)黃土/碎石界面處的毛細阻滯作用可以有效降低該區(qū)域黃土的氣體滲透系數(shù)，增強覆蓋層的閉氣性能。現(xiàn)場通氣試驗在覆蓋層植草前后依次進行，測得的現(xiàn)場壓實黃土的氣體滲透系數(shù)與室內(nèi)單元體試驗的測試結果如圖20 所示。由于現(xiàn)場土體含有大顆粒結團，使得裸露條件下測得的氣體滲透系數(shù)顯著高于室內(nèi)試驗結果；植草后測得的覆蓋層氣體滲透系數(shù)低于裸露條件下約1 個數(shù)量級，這是由于根系占據(jù)了土體的大孔隙，減少了裂隙優(yōu)勢流通道。當壓實黃土的飽和度低于0.85 時，黃土層的氣體滲透系數(shù)隨含水量的增加而緩慢降低；當飽和度高于0.85 時，氣體滲透系數(shù)隨含水量的微量增加而顯著減小?，F(xiàn)場長期監(jiān)測試驗表明黃土層和碎石層之間的毛細阻滯作用可長時間維持黃土層底部飽和度高于0.85，顯著降低其氣體滲透系數(shù)，促進填埋氣減排。

圖20 不同尺度壓實黃土層的氣體滲透系數(shù)隨飽和度的變化Figure 20 Variation of gas permeability coefficient with saturation of compacted loess layers with different scales

圖21 對比了不同填埋氣壓條件下，單層黃土騰發(fā)式覆蓋層和黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層填埋氣溢出量的水氣耦合數(shù)值模擬結果［85］。數(shù)值模擬考慮了西安歷史記錄的極端氣象條件：最濕潤年（1983 年）和最干旱年（1995 年）；考慮的氣壓范圍為0～0.8 kPa，其中現(xiàn)場實測的氣壓變化范圍為0.06～0.24 kPa（平均值為0.11 kPa）；考慮的填埋氣中甲烷與二氧化碳的濃度均為50%。由圖21 可知，兩種覆蓋層的年填埋氣溢出量均隨底部氣壓的增加而提高，但黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層的填埋氣減排性能優(yōu)于單層黃土騰發(fā)式覆蓋層。在最濕潤年，當?shù)撞繗鈮簽閷崪y平均值0.11 kPa 時，黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層和單層黃土騰發(fā)式覆蓋層的年填埋氣溢出量分別為33.8、71.3 kg/m2，均低于澳大利亞年填埋氣排放標準82 kg/m2。在最干旱年，黃土/碎石毛細阻滯覆蓋層的填埋氣溢出量為221.3 kg/m2，但是當黃土層的初始體積含水量從30%提高至41%，填埋氣溢出量可減低至79 kg/m2。因此，針對干旱季節(jié)，可通過灌溉增加覆蓋層體積含水量、降低其氣體滲透系數(shù)來減少填埋氣的溢出量，使其滿足填埋氣排放標準。

圖21 不同類型覆蓋層在不同條件下的甲烷年排放量隨覆蓋層底部氣壓的變化Figure 21 Variation of annual methane emission from different types of landfill cover with the pressure at the bottom of landfill cover under different conditions

3）毛細阻滯覆蓋層碳減排。

吳濤［86］在該試驗基地開展了覆蓋層甲烷氧化能力的現(xiàn)場試驗研究，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明試驗期間覆蓋層底部的甲烷通量平均值低于2.5 g/（m2·h），滿足澳大利亞多數(shù)州的甲烷排放標準（表3）。圖22展示了試驗區(qū)覆蓋層的實測甲烷氧化速率均值和地表甲烷溢出量均值變化情況，其均呈現(xiàn)出明顯的振蕩特性，這主要是由于覆蓋層的甲烷氧化能力受大氣溫度和土體含水量的影響：在2015 年12月至2016 年1 月測試期間，由于冬季降溫，降低了覆蓋層中的甲烷氧化菌活性，使得覆蓋層的甲烷氧化能力隨之下降；在2016 年7 月上旬，由于夏季高溫，使得部分測量時間內(nèi)覆蓋層表層體積含水量低于17%，限制了甲烷氧化菌活性，導致覆蓋層幾乎沒有甲烷氧化能力。整個試驗期間，測得的覆蓋層甲烷氧化速率和溢出量的平均值分別為1.2 g/（m2·h）和0.9 g/（m2·h），覆蓋層對甲烷的減排率均值為57.1%，甲烷氧化速率均值的最大值可達2.93 g/（m2·h）。由于覆蓋層通過甲烷氧化作用消耗了填埋氣中的部分甲烷，使得現(xiàn)場試驗期間測得的覆蓋層地表甲烷溢出量基本維持在澳大利亞甲烷排放標準之下，這表明覆蓋層中的微生物甲烷氧化作用有效降低了填埋場甲烷排放量。

圖22 現(xiàn)場測量的覆蓋層甲烷氧化速率均值和地表甲烷溢出量均值［86］Figure 22 Mean methane oxidation rate and mean methane emission at surface of landfill cover by field measuring results［86］

需要指出，我國高廚余含量垃圾呈現(xiàn)快速降解產(chǎn)氣的規(guī)律，約60% 的甲烷主要在填埋2 a 內(nèi)產(chǎn)生，填埋2～15 a 內(nèi)產(chǎn)生約20%的填埋氣［87］，此后甲烷產(chǎn)氣速率大幅衰減。從填埋到封場一般需要至少2 a 時間，因此封場時填埋氣產(chǎn)氣量較低。例如，在西安江村溝填埋場開始進行封場工程時，填埋垃圾的齡期基本在2 a 以上，此時實測甲烷產(chǎn)氣量約為1.39～2.32 g/（m2·h），低于測得的生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層最大甲烷氧化速率。根據(jù)試驗測得的覆蓋層甲烷氧化速率均值和最大值，封場后覆蓋層的甲烷減排率能達到51.7%～100.0%。

4.2.2 全天候3 層覆蓋層現(xiàn)場示范

深圳下坪生活垃圾填埋場是我國南方最大的垃圾填埋場之一。該填埋場位于濕潤區(qū)，年均降雨量約1 900 mm，年降雨量與潛在蒸散比值大于0.75，且大部分降雨集中在每年4 月至10 月。香港科技大學吳宏偉教授團隊于2016 年在該填埋場二期西段建設了全天候3 層覆蓋層試驗區(qū)，如圖23（a）所示［88］，核心試驗區(qū)尺寸為20 m×12 m，其中一半覆蓋層試驗區(qū)種植百慕大草（也叫狗牙根），另一半作為參照組，坡面不種植任何植物，并由無紡土工布覆蓋，以防止降雨期間地表侵蝕。該覆蓋層坡度為30°，遠高于GB 51220—2017 規(guī)定的垃圾堆體最大邊坡坡度不宜大于18.4o（坡比1V:3H）， 經(jīng)受深圳數(shù)次強臺風暴雨依然穩(wěn)定，能夠有效提升填埋場庫容。覆蓋層由當?shù)厝L化花崗巖土（Completely Decomposed Granite，CDG、粉砂）、 粒徑為1～11 mm 的壓碎的廢混凝土（Crushed Recycled Concrete，CRC）等構建。如圖23（b）所示，該覆蓋層從下至上分別是0.8 m 厚過篩的CDG（防滲層）、0.4 m 厚CRC（排水層）和0.6 m 厚不過篩的CDG（儲水層）。過篩后CDG防滲層的飽和滲透系數(shù)ks為8.1×10-8m/s，遠大于我國規(guī)范要求的黏土防滲層的ks≤10-9m/s。

圖23 深圳下坪垃圾填埋場現(xiàn)場試驗場俯視圖及現(xiàn)場試驗場地儀器布置剖面示意Figure 23 The top view and instrument layout cross sectional schematic in field test site of Xiaping landfill in Shenzhen

為驗證3 層土質(zhì)覆蓋層的防滲性能，Ng等［89-90］對覆蓋層試驗場進行了長達54 個月（2016年6 月至2021 年1 月）的監(jiān)測，包括降雨量、覆蓋層滲漏量、孔隙水壓力及含水量變化等?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，無膜的全天候3 層覆蓋層在濕潤區(qū)年均滲漏量低于北美濕潤區(qū)覆蓋層設計標準（30 mm/a，表1）。如圖24 所示，監(jiān)測期間，累積降雨量約為8 800 mm，植草和裸露3 層土質(zhì)覆蓋層的年平均滲漏量分別為21 mm 和23 mm，防滲性能良好。實測的土質(zhì)覆蓋系統(tǒng)中間CRC 層排水量高達降雨總量的51%，表明CRC 層的水力特性和厚度可有效促進側(cè)向排水，且覆蓋層底部過篩的CDG 層的低滲透性也有利于降低覆蓋層滲漏量。

圖24 植草和裸露3 層填埋場覆蓋系統(tǒng)累積滲漏量和日降雨量Figure 24 Cumulative rainfall percolation and daily rainfall of grass planting and bare three-layer landfill cover system

5 生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層優(yōu)勢分析

5.1 防滲減碳性能

研究結果證明生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層在防滲方面可與傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層相媲美。此外，當土中黏粒等細粒含量高時，土體在干燥作用下產(chǎn)生的體變更大，導致更高的開裂風險［91-92］。 Tay 等［91］發(fā)現(xiàn)膨潤土-砂混合物中膨潤土含量越低，干燥引起的體積收縮越小，從而開裂風險越低。通過優(yōu)選黏性低的粉土、粉砂等材料，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層不易發(fā)生干濕循環(huán)導致的裂縫，而傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層的壓實黏土防滲層在干濕循環(huán)作用下易開裂，顯著降低覆蓋層的防滲閉氣性能。在碳減排方面，浙江大學在西安開展的毛細阻滯覆蓋層現(xiàn)場示范表明［13,86］，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層可以滿足甲烷減排目標。由于生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層連通地氣，自我調(diào)節(jié)覆蓋層水氣熱，比傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層更有利于通過微生物甲烷氧化實現(xiàn)碳減排，也更有利于植被生長。植物通過光合作用不僅能促進固碳，根系分泌的有機物還能促進微生物甲烷氧化作用，提升土體的“碳匯”功能［77］。此外，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層使用天然土體，減少了土工膜等土工合成材料生產(chǎn)造成的碳排放。目前已有學者采用建筑垃圾、疏浚淤泥等固體廢物建設覆蓋層，進一步提升減碳作用。例如，薛強教授團隊采用改性污泥、炭化污泥等固體廢物建設土質(zhì)覆蓋層，提出了填埋場生態(tài)污泥騰發(fā)覆蓋層防滲技術［93］；Chetri等［76］利用鋼渣吸收填埋氣中的二氧化碳、典型臭氣硫化氫氣體等，利用生物炭提升土體微生物甲烷氧化作用。因此相比于傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層更能促進碳減排。

5.2 生態(tài)協(xié)調(diào)能力

生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層基于水分儲存-釋放原理進行防滲，利用“天然工程師”植物與微生物分別促進防滲與減碳。水分儲存-釋放還發(fā)生于覆蓋層與垃圾堆體之間：由于填埋的垃圾具有一定的持水能力［94］，垃圾堆體猶如一塊巨大的“海綿”，在降雨時儲水，在干燥時通過覆蓋層-垃圾堆體水分交換釋放到大氣中，進一步減少進入垃圾堆體的凈滲漏量。相比之下，有膜的阻斷型覆蓋層隔絕地氣，通過滲漏進入垃圾堆體的水分難以在干燥時期釋放到大氣中。此外，當前我國標準中有膜封場覆蓋層設計是參照歐洲的規(guī)范，歐洲由于長時間處于濕冷氣候，多采用由土工膜和壓實黏土或GCL 組成復合阻斷型覆蓋層。由于我國地域遼闊，生搬硬套歐洲規(guī)范容易造成“水土不服”，如在我國南方濕潤地區(qū)填埋場覆蓋層易發(fā)生沿土工膜界面滑移失穩(wěn)，而在較為干旱的華北與西北地區(qū)填埋場，由于土工膜隔絕地氣，不利于覆蓋層上植被生長，生態(tài)性較差。

5.3 安全性及經(jīng)濟性

在安全性方面，由于土體界面的抗剪強度高于土-土工膜/GCL 界面，因此生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層比傳統(tǒng)含土工膜/GCL 的阻斷型覆蓋層更加穩(wěn)定，有助于提升填埋場庫容，如香港科技大學建設的全天候3 層覆蓋層的坡度達到30o，遠高于我國GB 51220—2017 規(guī)定的垃圾堆體最大邊坡坡度18.4o（坡比1V∶3H）。此外，土體屬于多孔材料，具有一定的透氣性，可以有效避免覆蓋層底部填埋氣氣壓的積聚所導致的土工膜鼓包。在經(jīng)濟性方面，由于生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層就地取土構建，無須外購土工膜或黏土，能夠顯著降低成本；對于缺乏黏土的地區(qū)，可以采用砂或鋼渣等工業(yè)固體廢物摻入少量膨潤土（5%～10%）獲得低成本的防滲材料［95-96］，黏土并非生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層所必需的材料。CJJ 176—2012 中指出，對于單層騰發(fā)式覆蓋層與毛細阻滯型覆蓋層（圖2），細粒土層應采用儲水性能良好的粉土、細砂或粉質(zhì)黏土等。對于全天候3 層覆蓋層，其底部低滲透性細粒土層僅要求其飽和滲透系數(shù)在10-8m/s 的量級，比黏土的飽和滲透系數(shù)大了約1 個數(shù)量級。表6 給出了我國西安某填埋場采用傳統(tǒng)覆蓋層和毛細阻滯覆蓋層的經(jīng)濟適用性對比，可以看出，采用毛細阻滯覆蓋層的造價與傳統(tǒng)覆蓋層相比可降低約50%。

表6 西安地區(qū)毛細阻滯覆蓋層與傳統(tǒng)有膜復合型覆蓋層的經(jīng)濟適用性對比Table 6 Comparison of economic applicability between the capillary barrier cover and conventional cover with geomembrane in Xi’an area

表7 展示了北美地區(qū)生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層與傳統(tǒng)有膜復合型覆蓋層的造價對比［97］，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層能夠顯著降低覆蓋層建設成本，其成本僅為傳統(tǒng)有膜復合型覆蓋層的46%～61%。

表7 北美生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層與傳統(tǒng)有膜復合型覆蓋層的造價對比Table 7 Comparison of construction cost between the ecological soil covers and conventional cover with geomembrane in North America

在施工方面，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層主要依賴土體儲水能力防滲，無須滿足規(guī)范對傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層防滲層滲透系數(shù)的嚴苛要求，施工簡單。例如，對于全天候3 層覆蓋層底部的細粒土層的滲透系數(shù)在10-8m/s 的量級即可滿足濕潤區(qū)防滲要求，無須滿足規(guī)范限定的傳統(tǒng)壓實黏土層飽和滲透系數(shù)ks不超過10-9m/s 的苛刻要求，也避免了對GCL、土工膜幅間接縫以及土工膜與壓實黏土界面褶皺的處理，顯著降低建設成本。在后期運行維護方面，土體是自然界中耐久性最好的材料，不會發(fā)生土工膜的刺穿、撕裂與褶皺等影響覆蓋層的長期服役性能的現(xiàn)象。對于含水量低的填埋場，如歐美“干?！笔教盥駡觥⑽覈I(yè)固體廢物與生活垃圾混填場地，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層可以提供適量的滲漏量，促進固體廢物降解，縮短后期維護周期。因此生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的后期維護成本低。

6 展望

生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層采用天然土體、無土工膜，基于水分儲存-釋放原理防滲，利用植物與微生物促進長效防滲與減碳，實現(xiàn)防滲、閉氣、植生、保土和減碳的功能，具有阻而不斷、隔而不絕、綠色減碳、自然和諧、“會呼吸”的特征。從20世紀90 年代末的單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層至今，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的發(fā)展已有20 余年，其中騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層已經(jīng)廣泛應用于美國、加拿大等國家的非濕潤區(qū)城市生活垃圾填埋場封場治理，防滲效果能夠媲美甚至優(yōu)于傳統(tǒng)有土工膜的阻斷型覆蓋層，且建設成本僅為傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層的46%～61%。不同于北美以濕冷氣候為主，我國氣候雨熱同期，更有利于生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的應用。浙江大學與香港科技大學分別在西安與深圳開展的現(xiàn)場示范驗證均表明生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層具有優(yōu)良的服役性能，因此，我國《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理巖土工程技術標準（報批稿）》已經(jīng)納入毛細阻滯覆蓋層和全天候3 層覆蓋層。相比于傳統(tǒng)有土工膜的阻斷型覆蓋層，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層在安全性、經(jīng)濟性、耐久性、碳減排和生態(tài)性方面均有優(yōu)勢，在我國生活垃圾填埋場封場覆蓋治理領域大有可為，對鹽堿地復墾、海綿城市建設、工業(yè)固體廢物填埋場治理、礦山復綠等方面也有工程應用價值，同時助力我國“雙碳”目標與生態(tài)文明建設。