温度和盐度对固体废物填埋场中粘土衬层渗透性和水力传导性演变的影响

《Visual Journal of Emergency Medicine》：The effect of temperature and salinity on permeability and hydraulic conductivity evolution of clayey liners in solid waste landfills

垃圾填埋场后期渗滤液-粘土衬层接触场景下，温度（5-30℃）与盐度（0-20g/L）协同影响粘土渗透率机制研究。实验发现：低温（5-20℃）与低盐（1-10g/L）时渗透率随温度升高呈显著正相关，高温（20-30℃）与中高盐（10-20g/L）时相关性减弱；温度通过改变流体粘度和孔隙结构，盐度通过调节液限和颗粒排列，二者耦合作用导致粘土渗透率非线性变化。模型验证显示，20℃和10g/L为关键阈值，可稳定渗透率。研究为长效防渗材料开发提供理论支撑。

　　近年来，随着城市固体废弃物处理需求的不断增长，垃圾填埋场成为一种常见的处理方式。然而，填埋场渗滤液的有效防渗是确保环境安全的核心挑战之一。在防渗工程中，压实黏土衬层（CCL）和高分子黏土衬层（GCL）常被用作关键的水力屏障，因此选择用于填埋场的黏土土壤的渗透性成为防止渗滤液渗漏和污染的重要参数。黏土土壤的渗透性主要由黏土颗粒与孔隙流体之间的相互作用决定，这些相互作用对环境条件、孔隙流体组成以及土壤基质特性变化非常敏感，导致渗透性不稳定。在实际应用中，外部因素如温度和盐度的变化会进一步影响黏土土壤的渗透性，使其成为防渗系统设计中的关键变量。

在填埋场运行过程中，生物化学降解会显著提升渗滤液的温度，通常达到30至60摄氏度（Kumar et al., 2021; Mallick et al., 2024）。同时，渗滤液中的盐度也可能超过10000毫克/升（Costa et al., 2019; Hussain et al., 2024）。在填埋场的后期阶段（8至10年后），渗滤液的温度会逐渐恢复至环境温度，而盐度则会下降至5000至10000毫克/升（Costa et al., 2019）。此外，填埋场附近的土壤和地下水的盐度通常高于背景值，波动范围在几十至几千毫克/升之间（Sangwan et al., 2025; de Jesus et al., 2022）。例如，印度北部Patvi垃圾填埋场的研究表明，地下水样品的总溶解固体（TDS）和电导率（EC）值较高，尤其是在雨季结束后，TDS范围在1189至1418毫克/升之间，EC范围在1858至2216微西门子/厘米之间（Sangwan et al., 2025）。巴西某垃圾填埋场附近的土壤氯离子浓度则在不同深度之间变化，从17至1270毫克/升，而地下水氯离子浓度则在843至3252毫克/升之间（de Jesus et al., 2022）。这些研究揭示了垃圾填埋场附近土壤和地下水盐度的普遍现象，也表明了填埋场防渗系统对盐度变化的敏感性。

垃圾填埋场的防渗系统通常依赖于复合衬层，包括防渗膜和黏土衬层（GCL和CCL），其中防渗膜作为主要的防渗屏障（Shu et al., 2019）。然而，在实际应用中，防渗膜可能会受到损坏，导致渗滤液直接接触黏土衬层，使得黏土的渗透性稳定性成为地下水保护的关键。在寒冷地区，季节性温度波动和渗滤液盐度变化进一步加剧了这种直接接触情况下渗透性的复杂性。忽视这些变化可能会削弱防渗屏障的功能，进而引发地下水污染问题，因此工程界对此给予了高度重视。

虽然已有大量研究探讨了温度或盐度对黏土土壤渗透性的影响，但这些研究大多集中于单一因素的作用机制，缺乏对温度和盐度联合影响的系统分析。温度通过改变流体的粘度和密度（Bear, 2013; Cheng et al., 2022; He et al., 2024）以及影响土壤微观结构（Joshaghani and Ghasemi-Fare, 2021; Zhang et al., 2021; Yao et al., 2021; Li et al., 2024a; Qiao et al., 2025）来影响渗透性。盐度的影响则因土壤类型而异：高塑性黏土的渗透性通常随着盐度增加而上升（Dutta and Mishra, 2015; Katsumi et al., 2008; Petrov and Rowe, 1997），而低塑性土壤，如高岭土，则可能由于矿物成分、比表面积和土壤微观结构的变化导致渗透性降低或保持不变（Hou et al., 2023）。此外，温度和盐度还会对土壤的物理和机械特性产生影响（Horpibulsuk et al., 2011; Ying et al., 2021）。例如，高塑性黏土的液限和塑限对温度和盐度的变化更为敏感，而低塑性黏土则表现出更小的影响或遵循不同的变化趋势（Ying et al., 2021）。

尽管已有一定的研究进展，但在垃圾填埋场黏土衬层的应用方面仍存在一些不足之处。首先，现有的研究大多集中在高温条件（20至100摄氏度）或狭窄的盐度范围内，这些条件与成熟填埋场后期阶段的实际环境条件并不匹配。特别是在寒冷地区，填埋场后期的温度和盐度变化往往较为温和，但对黏土衬层的性能仍具有重要影响。其次，目前的研究更多关注于膨胀压力、电导率或颗粒迁移等指标，而忽视了渗透性这一关键参数。最后，缺乏对温度驱动的流体特性变化（如粘度、密度）与盐度驱动的土壤微观结构变化（如颗粒聚集、孔隙直径）之间的多尺度耦合机制分析，这使得现有研究难以全面解释黏土衬层渗透性的变化。

针对上述问题，本研究聚焦于填埋场后期阶段的实际场景，即防渗膜受损、渗滤液直接接触黏土衬层的情况，同时考虑温度（5至30摄氏度）和盐度（0至20克/升）的变化。本研究假设黏土土壤渗透性的演变主要受到温度驱动的流体特性变化和温度-盐度共同作用下的土壤微观结构变化的双重影响。为了验证这一假设，本研究旨在：（1）通过渗流实验、土壤物理测试和微观结构分析，揭示在温度和盐度联合作用下黏土土壤渗透性的演变机制；（2）利用渗透性模型进一步分析温度和盐度的联合影响，为黏土土壤渗透性的变化提供定量框架，从而更准确地预测其在填埋场环境中的行为。本研究为开发具有长期服役寿命、高防渗性能的垃圾填埋场黏土屏障提供了重要的理论支持，有助于防止地下水污染。

本研究的实验材料取自中国东北地区的吉林省，取样深度约为地表以下1米。在采集后，首先将土壤在105摄氏度下干燥8小时（得到干密度为1.45克/立方厘米），以去除残留水分。然后将土壤粉碎并通过0.25毫米的筛子，以去除细根碎片并提高黏土含量。通过一系列测试，如X射线衍射（XRD）分析（D8 DISCOVER，Bruker），获得了土壤样品的基本物理性质。这些测试不仅有助于了解土壤的矿物组成，也为后续的渗透性实验提供了必要的基础数据。

在研究黏土土壤渗透性变化时，考虑到渗流行为可能不遵循达西定律的线性关系，本研究在不同水力梯度条件下进行了渗流实验。实验在20摄氏度下进行，使用去离子水作为渗流流体，以确保实验结果的准确性。通过控制温度和盐度的变化，本研究能够更全面地评估黏土土壤在不同环境条件下的渗透性表现。同时，结合土壤物理测试和微观结构分析，进一步揭示了温度和盐度对土壤渗透性的影响机制。

本研究还探讨了盐度和温度对黏土土壤渗透性的单独影响。在20摄氏度和30摄氏度条件下，黏土土壤的渗透性与NaCl溶液浓度之间的关系被绘制在半对数坐标图上（见图S7(a））。实验数据显示，渗透性与盐度之间存在显著的线性关系，这一关系可以用以下公式表达：
K_{T,C} = K_0 + a ? log(C)
其中，C表示NaCl溶液的浓度（克/升）；K_0表示初始渗透性（米/秒）；a表示拟合曲线的斜率。该公式表明，随着盐度的增加，黏土土壤的渗透性也会相应变化，且这种变化具有一定的规律性。通过分析不同盐度和温度条件下的渗透性数据，可以更深入地理解其变化机制。

此外，本研究还探讨了盐度对黏土土壤渗透性的影响。实验数据显示，随着盐度的增加，黏土土壤的渗透性呈现出不同的变化趋势。在低盐度（0至5克/升）条件下，渗透性迅速上升；而在中等盐度（5至10克/升）条件下，渗透性上升速度减缓；而在高盐度（10至20克/升）条件下，渗透性趋于稳定。这一现象表明，盐度对黏土土壤渗透性的影响具有一定的阈值效应，且在不同盐度范围内表现出不同的变化模式。

本研究还发现，温度不仅影响黏土土壤的渗透性，还与盐度共同作用，影响黏土中的结合水。温度和盐度的变化会影响结合水的转化阈值，从而进一步影响黏土的渗透性。例如，在20摄氏度和10克/升盐度条件下，结合水的转化阈值达到最佳状态，使得黏土的渗透性趋于稳定。这一发现表明，温度和盐度的联合影响在控制黏土渗透性方面具有重要作用，且在不同温度和盐度范围内表现出不同的变化趋势。

在研究温度和盐度对黏土土壤渗透性的影响时，本研究还利用渗透性模型进一步分析了温度和盐度的联合作用。该模型考虑了盐度对液限的影响以及温度对流体粘度的影响，从而更全面地解释了黏土土壤渗透性的变化。通过模型分析，可以更准确地预测黏土土壤在不同温度和盐度条件下的渗透性表现，为填埋场防渗系统的优化设计提供了理论依据。

本研究的实验结果表明，在填埋场后期阶段，温度和盐度的变化对黏土土壤渗透性具有重要影响。特别是在低温（5至30摄氏度）和低盐度（0至20克/升）条件下，黏土土壤的渗透性呈现出不同的变化趋势。这些变化趋势不仅反映了黏土土壤对环境条件的敏感性，也为填埋场防渗系统的长期稳定性提供了重要参考。

综上所述，本研究通过实验和理论分析，揭示了温度和盐度对黏土土壤渗透性的影响机制。这些机制不仅包括温度驱动的流体特性变化和盐度驱动的土壤微观结构变化，还包括温度和盐度的联合作用对结合水转化阈值的影响。研究结果表明，温度和盐度的变化对黏土土壤渗透性具有显著影响，且在不同温度和盐度范围内表现出不同的变化模式。这些发现为开发高防渗性能、长期稳定的垃圾填埋场黏土屏障提供了重要的理论支持，有助于防止地下水污染，提高填埋场的环境安全性。