用于估算填埋物或其它地下源产生的气体的方法和系统.pdf

本发明提供了一种用于估算填埋物或其它地下产气物料体中LFG产生和气体渗透率的有用方法和系统。一部分填埋物或其它地下产气物料体内的产气速率可通过以下步骤来估算：获得代表这部分填埋物或地下产气物料体的表面边界处大气压的大气压的时间关系记录，在该时间关系记录所包含的时间段内，在填埋(或地下体)位置的至少一个选定位置处测量气压，然后利用该大气压和该时间段上测得的气压估算这部分填埋物或地下产气物料体的LFG产生速率和气体渗透率。在优选实施方案中，要在该填埋物的废物部分内的多个选定位置、以及在填埋物未衬砌的情况下于填埋物下方的支撑土壤内测量气压，然后利用测得的压力估算填埋物的LFG产生速率和气体渗透率。

1.  一种估算位于填埋位置的填埋物的LFG产生速率的方法，其包括以下步骤：
a.获得代表填埋物表面边界处大气压的大气压的时间关系记录，
b.在步骤a的时间关系记录所包含的时间段内，于填埋位置的选定地下位置测量气压，以及
c.利用步骤a的大气压和步骤b的测量气压估算一部分填埋物的LFG产生速率。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中一部分填埋物的LFG产生速率的估算可由基于以下公式的数学方法来确定：
▿ · - k = e ρ μ ( ▿ P + ρg n ‾ ) = φ ∂ ρ ∂ t + ρ Q · ]]>
其中是这部分填埋物的多孔介质的每单位体积的体积产气速率，
是有效气体渗透率张量，
P是在这部分填埋物的废物内的某点处的压力，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，
φ是充气孔隙度，
μ是这部分填埋物中的LFG的动态粘度，
是指向下方的单位法向矢量，
t是时间，
以及项k_e、μ和p都取决于温度、压力和气体组成。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中一部分填埋物的LFG产生速率的估算可由基于以下公式的数学方法确定：
▿ · - k = e ρ μ ( ▿ P ‾ + ρg n ‾ ) = φ ∂ ρ ∂ t + ρ Q · ]]>
其中是这部分填埋物的多孔介质的每单位体积的体积产气速率，
是有效气体渗透率张量，
P是在这部分填埋物的废物内的某点处的压力，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，
φ是充气孔隙度，
μ是这部分填埋物中的气体的动态粘度，
是指向下方的单位法向矢量，
t是时间，
以及假设k_e、μ和ρ中的任何一个或全部为常数，或者不依赖于温度、压力或气体组成。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中根据连续方程和Darcy定律将依照步骤a获得的大气压和测得的地下压力用于计算过程，以算出这部分填埋物的气体渗透率，基于Darcy定律将该气体渗透率和大气压与所测地下压力之差用于进一步计算，以估算出这部分填埋物的产气速率。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中利用测得气压的步骤包括以下步骤：利用这部分填埋物中选定位置处的气压相对这部分填埋物边界处的大气压变化的变化来估算这部分填埋物的有效气体渗透率和产气速率。

6.  根据权利要求1所述的方法，其中填埋物包括顶部的土壤覆盖层和位于顶部土壤覆盖层下方的可产气的填埋物物料体，其中步骤b的压力测量值是在产气的填埋物料体内获得的。

7.  根据权利要求1所述的方法，其中气压测量步骤包括在填埋位置的多个地下位置、至少在产气的填埋物料体内的一个地下位置上测量气压。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中填埋位置包括支撑着产气填埋物料体的土体，所述至少一个地下位置位于该土体内。

9.  根据权利要求1所述的方法，其中填埋位置包括产气的填埋物料体和支撑着填埋物料体的土体，气压测量步骤包括测量土体内的至少一个选定位置处的气压。

10.  一种估算一定场所的地下物料体内的产气速率的方法，它包括以下步骤：
a.获得代表填埋物表面边界处大气压的大气压的时间关系记录，
b.在步骤a的时间关系记录所包含的时间段内，于地下物料体一定场所的选定地下位置测量气压，以及
c.利用步骤a的大气压和步骤b的测量气压估算一部分地下物料体的产气速率。

11.  根据权利要求10所述的方法，其中地下物料体的产气速率的估算可由基于以下公式的数学算法来确定：
▿ · - k = e ρ μ ( ▿ P ‾ + ρg n ‾ ) = φ ∂ ρ ∂ t + ρ Q · ]]>
其中
是该地下物料体的多孔介质的每单位体积的体积产气速率，
是有效气体渗透率张量，
P是在该地下物料体内的某点处的压力，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，
φ是充气孔隙度，
μ是该地下物料体内的气体的动态粘度，
是指向下方的单位法向矢量，
t是时间，
以及项k_e、μ和p都取决于温度、压力和气体组成。

12.  根据权利要求10所述的方法，其中地下物料体的产气速率的估算可通过基于以下公式的数学算法来确定：
▿ · - k = e ρ μ ( ▿ P ‾ + ρg n ‾ ) = φ ∂ ρ ∂ t + ρ Q · ]]>
其中是该地下物料体的多孔介质的每单位体积的体积产气速率，
是有效气体渗透率张量，
P是在该地下物料体的某点处的压力，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，
φ是充气孔隙度，
μ是该地下物料体中的气体的动态粘度，
是指向下方的单位法向矢量，
t是时间，
以及假设k_e、μ和ρ中的任何一个或全部为常数，或者与温度、压力或气体组成无关。

13.  根据权利要求10所述的方法，其中根据连续方程和Darcy定律将依照步骤a获得的大气压和测得的地下压力用于计算过程，以算出该地下物料体的气体渗透率，根据Darcy定律将该气体渗透率和大气压与所测地下压力之差用于进一步计算，以算出该地下物料体的产气速率。

14.  根据权利要求10所述的方法，其中利用测量气压的步骤包括以下步骤：利用该地下物料体中选定位置处的气压相对该地下物料体边界处的大气压变化的变化估算出该地下物料体的有效气体渗透率和产气速率。

15.  根据权利要求10所述的方法，其中步骤b的压力测量值是在该地下物料体中的多个选定位置取得的。

16.  一种估算一部分产气填埋物的填埋物气体渗透率的方法，它包括以下步骤：
a.获得代表填埋物表面边界处大气压的大气压的时间关系记录，
b.在步骤a的时间关系记录所包含的时间段内，于填埋物的选定地下位置测量气压，以及
c.利用步骤a的大气压和步骤b的测量气压估算这部分产气填埋物的产气速率。

17.  根据权利要求16所述的方法，其中根据连续方程和Darcy定律，将根据步骤a获得的大气压和测得的地下压力用于以下计算过程，以算出这部分产气填埋物的气体渗透率分布：
▿ · - k = e ρ μ ( ▿ P + ρg n ‾ ) = φ ∂ ρ ∂ t ]]>
其中是有效气体渗透率张量，
P是在这部分填埋物的废物内的某点处的压力，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，
φ是充气孔隙度，
μ是这部分填埋物的动态粘度，
是指向下方的单位法向矢量，
t是时间，
以及项k_e、μ和p都取决于温度、压力和气体组成。

18.  根据权利要求16所述的方法，其中根据连续方程和Darcy定律将依照步骤a获得的大气压和测得的地下压力用于以下计算，以算出这部分产气填埋物的气体渗透率：
▿ · - k = e ρ μ ( ▿ P + ρg n ‾ ) = φ ∂ ρ ∂ t ]]>
其中是有效气体渗透率张量，
P是在这部分填埋物的废物内的某点处的压力，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，
φ是充气孔隙度，
μ是这部分填埋物的动态粘度，
是指向下方的单位法向矢量，
t是时间，
以及其中假设k_e、μ和ρ中的任何一个或全部为常数，或者与温度、压力或气体组成无关。

19.  根据权利要求16所述的方法，其中根据连续方程和Darcy定律，将依照步骤a获得的大气压和测得的地下压力用于计算过程，以算出这部分产气填埋物的气体渗透率

20.  根据权利要求19所述的方法，其中产气填埋物包括顶部的土壤覆盖层和位于顶部土壤覆盖层下方的可产气的填埋物料体，其中压力测量步骤包括在产气的填埋物料体内的多个位置上测量气体压力。

用于估算填埋物或其它地下源产生的气体的方法和系统
                        技术领域
本发明提供了一种用于估算其中可产生气流的填埋物或其它地下物料体的产气速率的方法和系统。还提供了一种用于估算产气填埋物的有效气体渗透率的方法。
                          背景
根据美国现行法律，为了成功地设计出LFG-能量转化过程以及其它LFG控制系统的LFG收集系统，计算排放的非甲烷有机化合物(NMOC)要求估算填埋物气体(LFG)的产生速率。在NMOC的排放方面，美国法规准许填埋物所有人利用基于估算和/或测量填埋物内产生的LFG浓度和NMOC浓度的分级法(tiered approach)计算排放量。Tier1和2利用了LFG产生公式，该公式部分基于填埋物的尺寸和龄期，它不涉及对LFG的直接测量。由于该公式设计得保守，因此通过该方法得到的产生LFG的估算结果可能高于实际速率，尤其对于干燥环境下的填埋物而言，其低的废物水分含量会限制LFG的产生。Tier3涉及可计算LFG产生速率的测量。在设计LFG-能量转化过程和LFG控制系统时，人们一般采用类似测量和估算方法来估算LFG的产生速率。
计算NMOC排放一般不用Tier3的方法，除非用Tier1和2的方法进行的计算指示NMOC排放每年超过50兆克(MG/yr)。美国法规要求填埋物所有人安装LFG控制系统，除非通过Tier1、2或3计算出的NMOC排放低于50MG/yr。需要操作控制系统，直到NMOC排放降到50MG/yr以下，对于封闭的填埋物，随着它的老化最后才出现这种情况。但是还需要定期重新计算NMOC排放，以证明该排放低于该阈值，这导致了额外的花费。Tier3的方法耗时又昂贵，而且按照下面所描述的，它不能提供对LFG产生速率或NMOC排放速率的可靠估算。通过这些方法中的任意一种得到的对LFG产生的过高估算如果导致了所估算的NMOC排放大于50MG/yr，进而需要安装LFG控制系统，那么对于填埋物操作人员来说是很浪费的。对LFG产生速率的过高或过低估算如果导致了过高或过低设计的LFG收集或控制系统，这也是很浪费的。
Tier3的方法包括从在填埋物料内钻出的井或井群中抽气，并在离抽气井不同深度和距离之处测量监测探针中的压降，以确定抽气井的“影响半径”(ROI)。一般将Tier3的ROI看作是不产生可测压降的距离。将压降定义为所测填埋物中在抽气以前的“平均静压”与抽气过程中测得的平均压力之差。采用平均压力是为了试图去除大气压波动对测量的影响。假设“平均静压”作为抽气开始后计算压降的参考压力是可确定的。图1作为压力对离抽气井距离的归纳曲线，表示与Tier3的方法相关的某些测量值。可将离抽气井给定距离处的压降或“影响”定义为：
I = P 0 ‾ - P e ‾ - - - ( 1 ) ]]>
其中是平均静态绝对压力101(参见图1)，以及
是平均抽气绝对压力102(也参见图1)。
进一步如图1所示，可将ROI103直接确定为所测I≤0(在测量误差104范围内)处的离抽气井的距离，或者通过利用半对数回归法对所测I值进行外插来确定。将压力测量值的精度规定为±0.02mm汞柱或者每平方英寸4×10^-4磅(psi)。
在从抽气井和监测探针抽气的过程中还收集气体样品，并分析其中的氮，以确定从表面漏到填埋物中的大气空气是否构成了进入抽气井的气流的大部分。人们认为氮浓度过量20％意味着过量表面泄漏。如果表面泄漏不用气体分析或浅土监测探针中的负表压来表示，那么就要假设该井的抽气速率等于ROI所包括的填埋物料体积内的LFG产生速率。不考虑ROI外部的填埋物料会形成进入抽气井的气流。
Tier3的方法完全基于以下假设：抽气速率等于在抽气井与ROI之间的废物体积内的LFG产生速率。该假设与气体流向抽气井的基本原理相矛盾。为了说明这一点，假设LFG产生速率在整个填埋物中是均匀的，并且废物的有效气体渗透率比覆盖层的气体渗透率大得多，这样就可以忽略废物中的垂直压力梯度。该情况下，废物与大气之间由于通过覆盖层地气流而产生的平均压差可由Darcy定律(Al’Hussainy和其他人，1966)简单给定：
q LFG = k C μ Δ P 0 b c - - - ( 2 ) ]]>
或
Δ P 0 = q LFG μ c b c k c - - - ( 3 ) ]]>
其中q_LFG是填埋物单位面积的产气速率
k_c是覆盖层的有效气体渗透率
μ是LFG的动态粘度
b_c是覆盖层厚度
ΔP₀是压差P₀-P_a
P_a是大气压
P₀是废物中的压力假设LFG的产生速率均一，并且填埋物的分布很广，那么废物中的静压是：
P ‾ 0 = P 0 ‾ + Δ P 0 - - - ( 4 ) ]]>
其中是平均大气压。假设同上，则在整个填埋物范围内是均匀的。
对于小压差而言，抽气井产生的压降可由下式给出(假设是理想气体和稳流条件，并且忽略了可压缩效应)：
Δ P e = - Q e μ 2 π k r b r P D i - - - ( 5 ) ]]>
其中K_r是废物的有效水平气体渗透率，
Q_e是井的抽气速率，
P_D是流向井的气流的适当无量纲压力解式(pressuresolution)，
ΔP_e是静压与流动压力之差，以及
b_r是废物厚度
对于井完全穿透衬砌填埋物(其覆盖层的渗透率较低)中的高渗透性废物的情况，合适的P_D函数是Hantush(1964)相对在有限的床体内没有流体储存的渗漏的有限地层给出的函数：
P D = K 0 ( r / B ) ; B = ( k r b r b c k c ) 1 / 2 - - - ( 6 ) ]]>
其中K₀是零次的修正Bessel函数。于是方程(5)变为
Δ P e = - Q e μ 2 π k r b r K 0 ( r / B ) - - - ( 7 ) ]]>
那么抽气过程中废物内的平均绝对压力就是
         P_e＝P₀+ΔP_e                                (8)
根据(7)的废物102中的广义绝对压力以及它与静压101的关系都示于图1中。在Tier3的方法中，将ROI103定义为距离抽气井的径向距离，在该距离处抽气过程中的绝对压力与静态绝对压力之差在测量误差104的范围内为零，即：
P₀-P_e＝0                                  (9)
利用Tier3的判据，作出以下假设：
Δ P e ≅ 0 = - Q e μ 2 π k r b r K 0 ( r e / B ) - - - ( 10 ) ]]>
其中r_e是影响半径。
方程(8)和(10)以及图1示出了Tier3方法的两个问题。首先，尽管抽气井产生的压降随着r增加接近零(随着r→∞，K₀→0)，但它实际上不会达到零，影响半径取决于测量误差。误差越大，影响半径越小，反之亦然。其次，更为重要的是，LFG的产生速率在方程(7)中不起作用，这样在测量误差范围内ΔP_e为零处的距离(r_e)就与LFG的产生速率无关。因此，就不能利用Tier3的方法确定LFG的产生速率了。
美国专利5063519提供了对“影响半径”的补充分析法(即Tier3)以及其它LFG收集方法。‘519专利提供了以下方法作为解决方案：独立于通过利用测试期间收集的土壤样品确定土壤渗透率得到的填埋物气体压力的测量结果，进行填埋物覆盖层土壤的有效气体渗透率的测量。在‘519专利中，建议测试者不要将探针(压力测量装置)插到填埋物的废物部分中。测试者利用渗透率及其空间变率、压力数据及其空间变率、以及其它数据计算流过填埋物表面的LFG气流的累积频率分布。此外，在‘519专利的方法中，假设填埋物中产生的所有气体都穿过土壤覆盖层离开填埋物(除了井抽走的那些以外)。
                     发明概述
本发明提供了一种新颖而有用的方法和系统，用于通过较便宜、能有效实施的方式估算LFG的产生，它们被设计成能提高对气体产生进行估算的精度。
与利用Tier3的方法相比，利用本发明能更精确地估算出要求填埋物操作者安装LFG控制系统的填埋物条件，由此最大限度地减小了填埋物不需要LFG控制系统的可能性。在LFG-能量转化过程中，能更精确地估算出填埋物的产能潜力，并且提高了过程收益率。
此外，与‘519专利的方法不同的是，本发明的方法采用大气压和填埋物压力来估算填埋物的渗透率和LFG产生速率，而不是要求采集土壤样品、然后进行分析以确定土壤的渗透率(象‘519专利中那样)。另外，鉴于’519专利的方法是假设填埋物内产生的所有气体都穿过土壤覆盖层离开填埋物(除了井抽走的那部分以外)，并且要求从土壤覆盖层(而非产生气体的废物)内获取气体压力测量值，本发明的方法认识到，在未衬砌的填埋物情况下，某些气体将通过支撑填埋物的土壤离开填埋物，于是它提供了在填埋物的废物部分内以及某些条件下在填埋物的产气废物部分下方或其旁边的支撑土壤内取得气压测量结果。
依照本发明，一部分填埋物内的产气速率可通过以下方式估算：获得代表填埋物表面边界处大气压的大气压的时间关系记录，在时间关系记录所包括的时间段内测量填埋物的至少一个选定地下位置上的气压，然后利用大气压和该时间段内测得的气压估算这部分填埋物的LFG产生速率。
在优选实施方案中，要在填埋物的表面边界处和填埋物产气废物部分内的多个选定位置处测量气压，在填埋物未被衬砌的情况下，还要在填埋物下方(某些情况下是在填埋物旁边)的支撑土壤内测量气压，然后利用所测压力估算填埋物的LFG产生速率。
本发明认识到，可通过测量填埋物(例如市政固体废物填埋物)内部及其表面处的气压(以及在填埋物未被衬砌的情况下，测量填埋物下方和旁边的气压)，然后分析它对大气压变化的响应性，由此以合理的工程精度确定填埋物的填埋物产气速率。
此外，可将本发明的原理用于估算一部分产气填埋物的气体渗透率，它独立于产气速率的确定。
通过以下详细描述和附图，将使本发明的其它特征变得显而易见。
                    附图的简要说明
图1是压力对离单个抽气井的距离的归纳曲线，上面已结合Tier3的方法的限制条件对此作了讨论；
图2是填埋物的示意图，利用本发明的原理对它来估算产气速率；
图3是用于演示本发明的方法对估算填埋物产气速率的有用性的数据曲线图；以及
图4是表示在Arizona的Tucson中的填埋物收集的压力数据的曲线图以及它与本发明方法的模型仿真数据的拟合。
                        详细描述
如上所述，本发明对于估算填埋物气体(LFG)的产生速率特别有用，下面结合对LFG产生速率的估算描述它的原理。对于本领域普通技术人员来说，在了解了本发明的原理的情况下，将这些原理用于估算其它地下产气物料体的气体产生的方式是显而易见的。
首先，描述构成本发明基础的理论是很有用的。具体而言，本发明认识到，由填埋物(例如市政的固体废弃填埋物)产生填埋物气体的速率可通过以下步骤以合理的工程精度来确定：测量填埋物内部及其表面处的气压，以及在填埋物未衬砌的情况下测量填埋物下方的支撑土壤中的气压(以及某些情况下测量填埋物旁边的支撑土壤中的气压)，然后分析其对大气压变化的响应。在含有正经历生物或化学转化、从而变成气体的有机物质的填埋物内，给定深度和位置上的气压可由Darcy定律确定：
q → = - k ‾ ‾ e μ ( ▿ P + pg n → ) - - - ( 11 ) ]]>
其中是气体体积通量的矢量，
是有效气体渗透率张量，
P是在废物中的某一点上的压力，
μ是气体动态粘度，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，以及
是指向下方的单位法向矢量。
尽管许多实际情况下填埋物的有效气体渗透率、粘度和密度都取决于温度、压力和气体组成，但为了估算LFG的产生速率，可将这些参数作为常量来处理。如需要更高的精度，就要使用能解释气体性能变化的数学模型。
根据方程(11)，产生LFG的填埋物内的平均压力(校正压力测量点的标高)将大于平均大气压。方程(11)还暗示着如果有效气体渗透率和孔隙度已知或者能被合理地估算出来，那么LFG的产生速率可根据对大气压与填埋物内部压力之差的测量来计算。但是，由于大气压经常变化，进行这种分析是很复杂的。此外，大气压的变化遍及填埋物覆盖层、废物和周围的土壤，引起废物内的气压与其平均值有差异。给定位置处填埋物内部压力因大气压变化而产生的变化取决于覆盖层、废物和周围土壤的有效气体渗透率和充气孔隙度以及填埋物的尺寸和形状。
气体渗透率和充气孔隙度对内部压力响应的影响能通过考虑位于很大填埋物中心处(此处渗透率和孔隙度在深度上是均匀的)的压力响应的理想情形进行最好的说明。在该理想情况下，压力响应可通过假设气流仅在垂直方向上发生来概算。如果流域的上界是地表面，而下界是不透气流的(例如地下水面或填埋物衬砌)，那么大气压以简单的谐波方式变化，并可以忽略前面的暂时项，于是内部压力可通过Carslaw和Jaeger(1959第105页，方程(1))推导出的模拟热流方程给出：
P 2 ( z ) = A ( z ) sin ( ωt + ϵ + θ ( z ) ) + P 0 2 ‾ ( z ) - - - ( 12 ) ]]>
其中A(z)是深度z处的压力变化幅度，
ω是大气压变化的频率，
ε是大气压变化的相位，
z是深度，
是内部的平均平方压力，
θ是深度z处的相位滞后，以及
深度z处平方压力变化的幅度A(z)由下式给出：

其中A₀是平方大气压变化的幅度，L是不渗透的下界的深度，α(气动扩散率)按下式来定义：
α = k e P a ‾ φμ - - - ( 14 ) ]]>
其中φ是充气孔隙度，是填埋位置的平均大气压。深度z处的相位滞后θ(z)由下式给出：
θ ( z ) = arg [ cosh [ ( ω / ( 2 α ) ) 1 / 2 z ( 1 + i ) ] cosh [ ( ω / ( 2 α ) ) 1 / 2 L ( 1 + i ) ] ] - - - ( 15 ) ]]>
其中i是(-1)^1/2，arg是方程(15)中括号内的复数的幅角。尽管方程(12)不太精确，它也可以写成压力项、而非平方压力项的形式。
方程(12)到(15)表示深度z处的压力响应取决于土壤的气动扩散率，深度z处的压力响应幅度相对大气压波的幅度而减少，它是k_e/φ的函数，深度z处的压力波落在地表压力波的后面，它是k_e/φ的函数。就大气压变化可通过简单的谐波函数来概算的程度而言，诸如(12)到(15)之类的分析方程能用于、并且已用于估算土壤和其它自然产生的地下物料的气动扩散率(例如Weeks，1978；Rojstaczer和Turk，1995；Lu，1999)。就本发明人所知道的，它们还未被用于填埋物。假设可以合理地估算土壤和废物的充气孔隙度，就可由气动扩散率估算有效气体渗透率。如果也确定了平均内部压力与平均大气压之差，那么就可利用方程(2)计算每个单位面积的LFG产生速率。
尽管诸如(12)到(15)之类的方程示出了由大气压响应来估算LFG产生速率的基本原理，但现实世界的条件很少会象推导和应用这些方程时假设的那么简单。首先，大气压对许多因素响应而变化，不能总用简单的谐波函数来描述。另外，填埋物中的压力响应取决于土壤和废物的气动性能，而它们在空间上是不均匀的。该压力响应还取决于填埋物的几何形状和压力测量点的位置。最后，由于平均内部压力和平均大气压都是常常变化的，因此很难精确测得它们之间的差值。这些复杂性通常要求采用数字模型，由测得的大气压和地下压力响应推导出有效气体渗透率和LFG产生速率。
假设有计算地下压力的合适数学模型(不管是分析的，还是数字的)，其输入值包括有效气体渗透率、充气孔隙度、填埋物产气速率、填埋物的几何尺寸、以及作为边界条件的大气压对时间的函数，可通过对有效气体渗透率、充气孔隙度和LFG产生速率的假设值计算地下压力响应，然后将算得的压力响应与测得的压力响应作比较，以此估算出LFG产生速率和有效气体渗透率。有效气体渗透率、充气孔隙度和LFG产生速率的实际值可通过调整它们的输入值、以便使算得的压力与测得的压力之差最小来估算。该调整过程可通过人工方式经反复实验或采用各种自动参数估算法来进行。
合适的数学模型可基于Darcy定律来解答气流和连续方程的偏微分方程。该偏微分方程的一种表达式是：
▿ · - k e ‾ ‾ ρ μ ( ▿ P + ρg n ‾ ) = φ ∂ ρ ∂ t + ρ Q · - - - ( 16 ) ]]>
其中是多孔介质的每单位体积的体积产气速率，
是有效气体渗透率张量，
P是地下物料体内某一点处的压力，
是梯度算子，
ρ是气体密度，
g是重力加速度，
φ是充气孔隙度，
μ是地下物料体的动态粘度，
是指向下方的单位法向矢量，
t是时间，
以及项k_e、μ和ρ都取决于温度、压力和气体组成。
根据填埋位置的环境和希望得到的精度水平，也可对方程(16)进行各种简化处理(例如但不限于假定k_e、μ和ρ为常数)。还可假设这些参数不依赖于温度、压力或气体组成，该情况下在方程(16)中将它们作为常数来处理。另一种简化是利用理想气体的Ideal Gas定律或对Ideal Gas定律的各种调正来消掉(16)中的密度项，从而用压力或压力平方的形式表达方程(16)。这些简化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。当与描述地表大气压变化的边界条件结合时，基于方程(16)的方程解法提供了利用上面描述的建模和参数估算程序仅由大气压和地下压力响应的测量值来确定LFG产生速率和有效气体渗透率的基础。
图2中示意性地示出了填埋物200在填埋位置210中的剖视图。填埋物200包括土壤覆盖层201和位于土壤覆盖层201下方的产气废物202的填埋体。支撑土壤203位于产气废物202的填埋体的下方和旁边。传感器204检测位于填埋物上界处的大气压。利用在气象站获得、并外推到填埋位置的大气测量值还可获得代表填埋物表面边界处大气压的大气压的时间关系记录。
在图2的实施方案中，气压传感器205位于要测量LFG产生速率的填埋物的废物部分202的选定位置。通过将传感器设置在填埋物的表面上，并通过管子或导管将其与205处的透气插入物相连，可以提供等效的气压测量值。可在填埋物内(即在填埋物的废物部分202内)的多个选定位置设置一个或多个附加传感器或插入物206，用以检测这些位置处的压力。在填埋物覆盖层201内可设置一个或多个传感器或插入物207。如果填埋物是未衬砌的，可在填埋物外部的支撑土壤203内(例如，在所示例子中，支撑土壤203包括在填埋物的废物部分202下面和旁边的土壤)设置一个或多个传感器或插入物208。利用所有地下传感器或插入物的测量压力来估算填埋物的产气速率。
另外，虽然图2的例子示出了位于填埋物的废物部分202内的至少一个传感器或插入物205，但如果填埋物是未衬砌的，本发明的原理就可用于仅利用位于支撑土壤内的传感器或插入物(例如，仅利用图2中诸如208处所示的传感器或插入物)来估算LFG产生速率。
在应用本发明方法的过程中，必需在时间长度足以包括至少一个每日大气压最大值或一个大气压最小值的时间内进行大气压测量。该测量应当建立代表填埋物上界处大气压的大气压时间关系记录。大气压时间关系记录无需连续，而是可由多个测量大气压的不连续时间段组成。如果在至少两天的时间段内测量，就可以改善LFG产生速率的估算精度。可利用各种设备进行压力测量，其包括流体压力计、机械压力表、以及电子压力表。所需的压力测量装置的精度由LFG的产生速率、废物和覆盖层以及周围土壤的有效气体渗透率、以及大气压的变化范围决定。一般而言，对于大气压和地下压力的测量应当检测到每平方英寸±0.001磅的差或者更低。如果测量大气压和地下压力之差的误差大于每平方英寸0.001磅，就会降低该方法的精度。地下压力的测量既可通过将压力测量装置放置在地下的理想位置来测量，也可通过利用管子或导管将地表的压力测量装置与地下位置连接起来而测量。地下压力测量可在大气压时间关系记录所包含的时间段内进行。在根据上述方法测得了压力后，通过利用上述的合适数学模型(例如11、12页针对方程(16)描述的内容)分析这些测量值，以此估算出LFG的产生速率。
图3是取自对本发明方法的模拟，其在填埋物的中心于30英寸的深度上测得压力B，于60英寸的深度上测得压力A。该模拟揭示了压力滞后和幅度衰减，人们发现它们随着覆盖层渗透率的减少而增加，因衬砌的存在而增强。在图3所示的例子中，由于填埋物物料的渗透率很高，因此填埋物中在所模拟的30英寸深的压力和60英寸深的压力之间几乎没有滞后或衰减。填埋物内相对大气压C的压力增加是由于填埋物的气源、主要由于填埋物覆盖层的渗透率降低造成的。
图4表示利用设置于Arizona的Tucson的100英亩未衬砌填埋物表面上的传感器测得的大气压F，和利用位于该填埋物的表面上、并通过管子与植入填埋物表面以下100英寸的支撑土壤100内的透气插入物相连的传感器测得的压力D。压力E可通过在本发明方法的模型仿真过程中调整垂直气体渗透率和填埋物产生的气体来获得。假设填埋物的废物孔隙度为45％，填埋物覆盖层和周围土壤的充气孔隙度为35％。土地覆盖层内产生观测压力的垂直气体渗透率为1.0达西，填埋物废物内是15达西，浅层土内是1.0达西，填埋物下方的土壤内是1.5达西。各处的水平土壤气体渗透率要高10倍。通过将穿过填埋物覆盖层和穿过位于废物下方和旁边的土壤排出填埋物废物的LFG量加起来，获得总产量740scfm。
虽然前面的讨论涉及估算填埋物的LFG产生速率，但对本领域普通技术人员来说清楚的是，本发明的原理还可用于估算废物和覆盖层的渗透率，而它不用依赖于估算LFG的产气速率。在该情况下，可通过改变渗透率以获得地下传感器内测得的压力幅度变化和压力滞后相对大气压传感器内测得的压力的拟合来应用该方法的模型仿真。用于该目的的模型可基于方程16，其右手侧的最后项包含了设定为零的产气速率。
于是，依照前面公开的内容已经描述了用于估算地下体如填埋物的产气速率的方法。对本领域普通技术人员来说清楚的是，本发明的原理可用于确定其它地下物料体(可在该地下物料内部或由该物料产生气体)的产气速率。此外，对本领域普通技术人员来说清楚的是，本发明的原理可用于估算一部分产气填埋物的渗透率。
参考文献
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