基于植被与覆盖土复合传输机制的填埋场甲烷释放预测模型构建

Global climate change and ecological problems bring about by the greenhouse gas effect become a severe challenge in the 21st century. Methane is not only the main greenhouse gas, but also the clean energy source, how to reduce and reuse methane play an important role on mitigation of the global warming and energy crisis. Landfill as the main anthropogenic methane emission source, to analysis the methane produce, transportation and emission regulation efficiently, establish an effective methane production and emission model are the fundamental to evaluate the greenhouse effect from landfill methane, perfect the global methane emission inventory and reuse landfill methane. The objective of this study is to investigate the effect of vegetation characteristics on the methane emission from landfill, elucidate the methane transportation and emission mechanism, calculate the methane emission flux from vegetation path, clarify the effect of meteorological conditions on the vegetation physiological properties and methane emission flux, establish the methane emission 3-D model based on an interactive mechanism of cover soil and vegetation, provide the reliable method for greenhouse effect estimation of landfill methane and the basic data for global methane emission inventory, which play an important theoretic and practical significance on the landfill methane control and reuse.

温室效应所导致的全球性气候变化和生态问题已成为21世纪人类面临的一个严重挑战。甲烷不仅是一种重要的温室气体，同时也是一种清洁能源；如何有效的实现甲烷减排与再利用对缓解温室效应与能源危机均具有重要作用。填埋场作为最重要的人为甲烷排放源，解析填埋场中甲烷的产生、传输与释放规律，建立科学有效的填埋场甲烷产生、释放量预测模型，是准确评估填埋场甲烷温室效应、完善全球甲烷排放清单、实现甲烷资源化利用的重要依据。本课题通过填埋场植被特性对甲烷释放影响规律的系统研究，解析填埋场植被甲烷传输机制，计算植被传输途径对于甲烷释放通量的贡献率；阐明气象条件对植被生理特性与甲烷释放通量的影响规律，建立基于植被与覆盖土复合传输机制的三维甲烷释放预测模型；为填埋场甲烷温室效应的影响估算提供可靠的方法，为全球填埋场甲烷排放清单建立提供准确的基础数据，对填埋场甲烷无序释放的有效控制和资源化利用均具有重要的现实与理论意义。

填埋场作为重要的人为甲烷排放源，解析填埋场中甲烷的产生、传输与释放规律，建立科学有效的填埋场甲烷产生、释放量预测模型，是准确评估填埋场甲烷温室效应、完善全球甲烷排放清单、实现甲烷资源化利用的重要依据。本课题通过填埋场植被特性对甲烷释放影响规律的系统研究，解析填埋场植被甲烷传输机制，建立了基于植被与覆盖土复合传输机制的甲烷释放预测模型。主要研究结论如下：.（1）植被可通过改变覆盖层理化特性增强甲烷氧化作用（如多花黑麦草、碱蓬），同时植被也可作为高效的甲烷传输途径促进甲烷释放（如碱地肤、狗尾草）；.（2）填埋场植被覆盖点甲烷释放通量的日变化规律为双峰曲线，填埋场环境条件改变了甲烷的释放机制。填埋场植被覆盖点日间甲烷传输机制为太阳辐射强度升高引起的对流与扩散复合传输；而夜间甲烷传输机制为风速升高引起的对流与扩散复合传输；.（3）通过多孔介质中填埋气Maxwell-Stefan扩散方程、Darcy对流传输方程、水传输、热传输和双底物甲烷氧化动力学方程的耦合，构建了填埋场覆盖层中的水－热－气耦合模型。模型分析结果表明填埋气传输方程，可较好的模拟填埋场填埋气的传输过程，填埋气释放通量与甲烷氧化比例的模拟值均接近实测值。植被甲烷传输与释放子模块结合填埋场植被特征对填埋气传输、氧化与释放的三方面影响，模拟了植被覆盖条件下的甲烷传输与释放全过程，实现了不同植被覆盖特征下填埋场甲烷释放通量的预测。植物子模块分析表明植被根系吸水对甲烷氧化的作用取决于初始含水率，具有抛物线分布的根系结构初始含水率较高时可提高覆盖土甲烷氧化效率，且植被甲烷传输成为甲烷释放的主要途径；当根系释氧速率大于1.0×10-4 mol/m2·s可显著增加甲烷氧化效率。.（4）基于模型预测了西安江村沟垃圾填埋场填埋时间分别为1.5年与2年的填埋单元的日甲烷释放量,并结合可观测的气象数据实现了不同地区填埋场植被覆盖区和非植被覆盖区甲烷释放通量的年预测。