文章导读
本文针对我国雨热植生同期气候特征与生活垃圾填埋结束后产气速率快速衰减特点，总结了生态型土质覆盖层的防渗、植生、闭气和碳减排原理，阐明了该类型覆盖层在我国生活垃圾填埋场封场覆盖及生态修复工程中具有天生的适用性。
图1 生态型土质覆盖层原理示意
生态型土质覆盖层的工作原理
基于长期的研究与工程实践，笔者团队和同行针对我国垃圾填埋场特点和季风性气候特征推荐使用如图2所示的生态型土质覆盖层，分别适用于我国干旱及半干旱地区和湿润气候区，这种覆盖层均具有防渗、植生、闭气、减碳、保土等生态功能。
（a） 适用于干旱及半干旱地区的毛细阻滞型覆盖层结构
1—绿化土层；2—储水层；3—无纺土工布；4—排气层；5—垃圾
（b）适用于湿润气候区填埋场斜坡区的复合防渗型土质覆盖层结构
1—绿化土层；2—储水层；3—无纺土工布；4—排水层；
5—低渗透性层；6—排气层；7—垃圾
图2 适用于我国生态型土质覆盖层结构
- 防渗原理
生态型土质覆盖层基于“水分存储-释放”原理实现防渗功能。如图3 所示，生态型土质覆盖层犹如“吸水海绵”，在降雨时存储雨水，晴天时通过土体蒸发、植物蒸腾等释放存储的水分，从而降低覆盖层渗漏量。当覆盖层的储水量超过其储水能力时，雨水会击穿覆盖层导致渗漏的发生。
图3 生态型土质覆盖层水分储存-释放原理
- 植生原理
生态型土质覆盖层通过储水供给植被，连通地气调节土体温度、湿度，促进植物生长。在储水方面，通过选用粉土、粉质黏土等细粒土，利用细粒土孔径小、孔隙度大的优点，结合毛细阻滞效应，提升土体的储水能力，为植物生长提供水分。在调节土体温度方面，由于土体具有较高体积比热容，且随含水量增加而增大，因此土体犹如“棉被”一样，有助于降低严苛的大气温度对根系的不利影响。相比于含土工膜的覆盖层（图4），生态型土质覆盖层具有连通地气、自我调节温度与湿度的优势，更有利于植物生长。
图4 铺设土工膜对填埋场覆盖层植被生长的影响
- 闭气原理
生态型土质覆盖层通常处于非饱和状态，主要利用含水细粒土的低透气性实现闭气。增大土体压实度或土体饱和度，均能减少充气的孔隙空间，增大气体运移路径的曲折度，从而降低非饱和土的气体渗透系数。以单层腾发式土质覆盖层为例（图5），其细粒土层应足够厚，使得覆盖层底部的土体较湿润且受气候波动影响小，从而实现良好的闭气效果。
图5 腾发式土质覆盖层含水量随深度和季节的变化示意
- 减碳原理
生态型土质覆盖层具有良好的闭气功能，能够有效降低填埋气排放。同时由于土体多孔的特性，生态型土质覆盖层不会完全阻断填埋气向大气迁移，而且覆盖层土壤中广泛存在分解污染性填埋气的微生物，这些微生物以污染性填埋气为“粮食”，能够实现填埋场长效碳减排（图6）。
图6 全场生物覆盖层
国外规范中腾发式土质覆盖层相关规定
美国环保部（US EPA）制定了城市固体废物填埋场封场覆盖的联邦法规：Title 40, Part 258, Subpart F（closure and post-closure care）of the Code of Federal Regulation（CFR），简称40 CFR 258。40 CFR 258第258.60（b）节条文授权各个州的环保部门批准使用有别于联邦法规规定的替代型覆盖层结构，但是要求开展现场试验证明其防渗效果与抗侵蚀能力与40 CFR 258条文规定的阻断型覆盖层相当。表1列出了北美地区覆盖层防渗标准。通常情况下，美国各个州制定的规范要求比40 CFR 258更为严格，直接用于各个州的覆盖层设计。美国腾发式覆盖层的重要设计规范主要有ITRC (2003)和US EPA（1993, 2003, 2004）。欧美腾发式土质覆盖层设计以主单层腾发式土质覆盖层为主，主要强调以下内容（US EPA , 2003）：①利用细粒土构建储水层，如具有较高储水能力的粉土和黏壤土；②利用当地的原生植被增加蒸散量；③利用当地土壤，便于施工并节约成本。单层腾发式土质覆盖层的厚度通常为0.60~2.00 m。毛细阻滞覆盖层的细粒层（储水层）厚度通常为0.45 ~1.50 m，粗粒层厚度一般为0.15~0.60 m。NSW EPA (2015)建议腾发式覆盖层的细粒土厚度不小于1.50 m，从而保障充足的储水能力，避免渗漏量超标。需要指出，当细粒层过厚时，其底部的水分难以通过蒸散作用释放到大气，不仅降低腾发式土质覆盖层的经济适用性，而且减少填埋场库容。
表1 土质覆盖层的目标防渗率
我国规范中土质覆盖层的相关规定
我国住建部颁布的GB 51220—2017 生活垃圾卫生填埋场封场技术规范中规定的封场覆盖层结构由上至下分别为：绿化土层、排水层、防渗层和排气层，其中防渗层并没有强制要求使用土工膜。国家行业标准CJJ 176—2012 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范和2021 年浙江大学编写的国家标准《生活垃圾卫生填埋处理岩土工程技术标准（报批稿）》推荐了图2所示毛细阻滞覆盖层，并对每一层的材料做出了详细规定。
生态型土质覆盖层在生活垃圾填埋场封场治理工程中的应用
在对土质覆盖层进行的现场试验研究中，最具代表性的项目当属US EPA资助的ACAP项目。该项目旨在评价替代型土质覆盖层的现场防渗性能，并为替代型土质覆盖层的设计、施工及后期维护提供必要的指导。ACAP项目于1998年启动，先后在美国干旱、半干旱、半湿润及湿润地区的11个不同填埋场（图7）建设了10个传统阻断型覆盖层试验基地和14个替代型土质覆盖层现场试验基地。通过对试验基地的气象条件、覆盖层的径流、侧向导排、土层存储以及渗漏等指标进行长达1~3 a的监测，获得了各试验基地的水量平衡数据，对比评估了替代型土质覆盖层的适用性。ACAP项目的结果表明：在北美的干旱、半干旱和半湿润地区，单层腾发式覆盖层与毛细阻滞覆盖层的防渗效果与传统阻断型覆盖层相当，而且二者能够避免土体开裂引发的大规模渗漏行为。由此得出，生态型土质覆盖层的防渗性能优于传统阻断型覆盖层。
图7 ACAP 项目构建的土质覆盖层现场试验基地的分布情况
浙江大学岩土工程研究所在西安江村沟填埋场建设了黄土/碎石毛细阻滞覆盖层现场尺度试验基地（图8），该项目为我国首个土质覆盖层现场试验项目。根据西安黄土/碎石毛细阻滞覆盖层约2 a的监测结果，覆盖层在20个月内的累积渗漏量为16.16 mm，年平均渗漏量满足30 mm 的防渗标准。现场长期监测试验表明黄土层和碎石层之间的毛细阻滞作用可长时间维持黄土层底部饱和度高于85%，显著降低其气体渗透系数，促进填埋气减排。整个试验期间，测得的覆盖层甲烷氧化速率和溢出量的平均值分别为 1.2 g/(m2·h)和 0.9 g/(m2·h)，覆盖层对甲烷的减排率均值为57.1%，现场试验期间测得的覆盖层地表甲烷溢出量基本维持在澳大利亚甲烷排放标准之下，这表明覆盖层中的微生物甲烷氧化作用有效降低了填埋场甲烷排放量。
图8 黄土/碎石毛细阻滞覆盖层现场尺度试验基地
香港科技大学吴宏伟教授团队于2016 年在深圳下坪生活垃圾填埋场二期西段建设了全天候3层覆盖层试验区，如图9所示，其中一半覆盖层试验区种植百慕大草，另一半作为参照组，坡面不种植任何植物，并由无纺土工布覆盖，以防止降雨期间地表侵蚀。该覆盖层坡度为30°，经受深圳数次强台风暴雨依然稳定，有效提升了填埋场库容。为验证3层土质覆盖层的防渗性能，对覆盖层试验场进行了长达54个月的监测，包括降雨量、覆盖层渗漏量、孔隙水压力及含水量变化等。现场监测数据表明，无膜的全天候3层覆盖层在湿润区年均渗漏量低于北美湿润区覆盖层设计标准。
图9 深圳下坪垃圾填埋场现场试验场俯视图及现场试验场地仪器布置剖面示意
生态型土质覆盖层优势分析
- 防渗减碳性能
研究结果证明生态型土质覆盖层在防渗方面可与传统阻断型覆盖层相媲美。生态型土质覆盖层不易发生干湿循环导致的裂缝，而传统阻断型覆盖层的压实黏土防渗层在干湿循环作用下易开裂，显著降低覆盖层的防渗闭气性能。在碳减排方面，由于生态型土质覆盖层连通地气，自我调节覆盖层水气热，比传统阻断型覆盖层更有利于通过微生物甲烷氧化实现碳减排，也更有利于植被生长。植物通过光合作用不仅能促进固碳，根系分泌的有机物还能促进微生物甲烷氧化作用，提升土体的“碳汇”功能。此外，生态型土质覆盖层使用天然土体，减少了土工膜等土工合成材料生产造成的碳排放。
- 生态协调能力
生态型土质覆盖层基于水分储存-释放原理进行防渗，利用“天然工程师”植物与微生物分别促进防渗与减碳。相比之下，有膜的阻断型覆盖层隔绝地气，通过渗漏进入垃圾堆体的水分难以在干燥时期释放到大气中。由于我国地域辽阔，生搬硬套欧洲传统阻断型覆盖层的规范容易造成“水土不服”，如在我国南方湿润地区填埋场覆盖层易发生沿土工膜界面滑移失稳，而在较为干旱的华北与西北地区填埋场，由于土工膜隔绝地气，不利于覆盖层上植被生长，生态性较差。
- 安全性及经济性
在安全性方面，由于土体界面的抗剪强度高于土-土工膜/GCL 界面，因此生态型土质覆盖层比传统含土工膜/GCL 的阻断型覆盖层更加稳定，有助于提升填埋场库容。此外，土体属于多孔材料，具有一定的透气性，可以有效避免覆盖层底部填埋气气压的积聚所导致的土工膜鼓包。在经济性方面，由于生态型土质覆盖层就地取土构建，无须外购土工膜或黏土，能够显著降低成本；对于缺乏黏土的地区，可以采用砂或钢渣等工业固体废物掺入少量膨润土（5%~10%） 获得低成本的防渗材料，其成本对比如表2和表3所示。在施工方面，生态型土质覆盖层主要依赖土体储水能力防渗，无须满足规范对传统阻断型覆盖层防渗层渗透系数的严苛要求，施工简单。
表2 西安地区毛细阻滞覆盖层与传统有膜复合型覆盖层的经济适用性对比
表3 北美生态型土质覆盖层与传统有膜复合型覆盖层
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