莫高窟旅游固體廢物現(xiàn)狀及填埋處置建議

韓淑嫻　王璐　張虎元

摘要：莫高窟是世界文化遺產(chǎn)地和全國重點文物保護單位，日益增加的由游客產(chǎn)生的固體廢棄物給莫高窟及我國其他世界文化遺產(chǎn)地保護提出了新課題。2007年選取莫高窟景區(qū)典型垃圾桶，對廢棄物進行實地抽樣調(diào)查，了解莫高窟旅游廢物數(shù)量和物理組分現(xiàn)狀。根據(jù)莫高窟環(huán)保部門10年間垃圾清運數(shù)量，統(tǒng)計并得出莫高窟旅游固體廢物與游客人數(shù)的相關(guān)關(guān)系，建立固體廢物發(fā)展趨勢預(yù)測模型。莫高窟氣候干燥，降水量稀少，蒸發(fā)強烈，適于建造基于蒸發(fā)蒸騰蓋層的準(zhǔn)好氧衛(wèi)生填埋場。從蒸發(fā)蒸騰蓋層原理出發(fā)，論文提出了毛細屏障蓋層的設(shè)計建議。通過室內(nèi)擊實試驗，確定了莫高窟澄板土（粉土）的最大干密度為1.885g/cm3，最優(yōu)含水率為12.2%；通過室內(nèi)非飽和導(dǎo)水率試驗結(jié)果，擬合出了澄板土含水率及非飽和導(dǎo)水率與吸力水頭的關(guān)系，試驗研究成果可供處理莫高窟固體廢物的衛(wèi)生填埋場底部襯里設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：莫高窟；旅游固體廢物；毛細屏障蓋層；底部襯里

中圖分類號：K854.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106（2018）01-0085-06

The Current Sanitary Situation and a Landfill Proposal for

Tourist Waste at the Mogao Grottoes of Dunhuang

HAN Shuxian1 WANG Lu1，2 ZHANG Huyuan1

（1. College of Civil Engineering and Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000；

2. AVIC Institute of Geotechnical Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100098）

Abstract：The waste produced by the increasing number of visitors at the Mogao Grottoes has become a new problem for the maintenance of this World Cultural Heritage site. Fortunately， the garbage cans in the tourist areas were selected in 2007 precisely to measure waste composition for the purpose of designing more efficient sanitary systems. Based on the waste collection data of the past 10 years from the Dunhuang Academy， a prediction model has been found predicting future waste levels with respect to visitor number. The area of this site is suitable for a semi-aerobic landfill with evapotranspiration（ET）cover due to rare rainfall and very strong evaporation. Based on the principle of ET cover， a primary design plan for a capillary cover has been proposed as well. Compaction tests indicate that the local Dengban soil（a kind of silted soil）has a maximum dry density of 1.885g/cm3 and anoptimum water content of 12.2%. In addition， unsaturated permeability tests have been conducted to establish a correlation between water content and unsaturated permeability withinthe suctionwater conservancy head. These research results are useful for designing the base of the proposed sanitary landfill at the Mogao Grottoes.

Keywords：Mogao Grottoes； tourist waste； capillary barrier cover； base design

1 引 言

旅游固體廢物是指在發(fā)展旅游業(yè)過程中，由游客、居民和相關(guān)旅游部門產(chǎn)生的對旅游區(qū)生態(tài)環(huán)境造成直接污染或存在潛在影響的固態(tài)或半固態(tài)物質(zhì)[1]。旅游固體廢物對旅游景點的威脅屬于世界性難題，我國的該情況尤為突出。敦煌莫高窟是我國及世界燦爛文化藝術(shù)的瑰寶，以博大精深的內(nèi)涵、輝煌燦爛的藝術(shù)和極高的知名度，每年吸引國內(nèi)外成千上萬的游客，游客數(shù)量持續(xù)增長[2]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，1984年游客數(shù)量突破10萬人次，1998年突破20萬人次，2001年突破30萬人次，2004年高達43萬人次，2015年首次突破100萬人次。隨著莫高窟游客數(shù)量持續(xù)增多，莫高窟旅游固體廢物數(shù)量也與日俱增，因此合理處置莫高窟旅游固體廢物成為一個亟待解決的大問題。如果莫高窟旅游區(qū)旅游固體廢物得不到正確的處理和處置，不但會降低參觀者的旅游體驗，而且廢物還會通過空氣、水、土壤等途徑污染生態(tài)環(huán)境，甚至對文物本體保護產(chǎn)生一定的影響。通過現(xiàn)場調(diào)查了解莫高窟旅游固體廢物現(xiàn)狀，根據(jù)敦煌地區(qū)的氣候特點，對旅游廢物處置提出建議。

2 莫高窟旅游廢物現(xiàn)狀及預(yù)測

2.1 莫高窟旅游廢物現(xiàn)狀調(diào)查

為確定莫高窟旅游固體廢物的類型、性質(zhì)和產(chǎn)量，以便提出更好的旅游固體廢物處置方法，我們于2007年對莫高窟廢物回收設(shè)施進行了調(diào)查，對所收集的旅游固體廢物進行了現(xiàn)場典型抽樣分析。

莫高窟分為3個區(qū)：辦公生活區(qū)、接待區(qū)、游覽區(qū)。經(jīng)調(diào)查，3個區(qū)共有大小垃圾桶120個，其中，實際投入使用的垃圾桶有112個。根據(jù)各區(qū)人流分布特點，在這3個區(qū)112個垃圾桶中選取了5個代表性垃圾桶。其中，在辦公生活區(qū)選擇食堂邊道路西側(cè)的大垃圾桶和3號住宅樓路東大垃圾桶，在接待區(qū)選擇停車場東南角和西北角的大垃圾桶，在游覽區(qū)選擇售票處西北側(cè)小垃圾桶。

按照產(chǎn)生或收集來源分類法，對這5個垃圾桶的旅游廢物進行分類，分別稱重，采用雙人雙規(guī)方式記錄數(shù)據(jù)。表1—5是抽樣調(diào)查的5個垃圾桶固體廢物的類型、物理組分、重量及質(zhì)量百分率計算數(shù)據(jù)結(jié)果。調(diào)查時間選在游客集中的中午12：30—14：30。當(dāng)天的游客人數(shù)共計5129人次。

由表1—5可以看出，不同位置點的廢物成分和含量具有各自不同的特征。位于辦公生活區(qū)的廢物成分主要以食品垃圾和普通垃圾為主，二者總量占各自總重的72.99%（食堂邊）和100%（住宅樓）。位于停車場東南角的廢物成分主要以庭院垃圾為主，占其總重的70.61%，其次為普通垃圾，占其總重的18.36%。位于停車場西北角處的廢物成分則主要以普通垃圾為主，占其總重的65.70%。而位于游覽區(qū)（售票口）的垃圾則主要以庭院垃圾為主，占其總重的81.8%，其次為普通垃圾，占其總重的15.32%。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，食品垃圾和普通垃圾是莫高窟旅游固體廢物的主要成分，占廢物總量的66.97%。也就是說，莫高窟的旅游固體廢物以有機物為主。

2.2 莫高窟旅游固體廢物產(chǎn)生量分析預(yù)測

根據(jù)環(huán)衛(wèi)部門提供的莫高窟旅游固體廢物產(chǎn)生量部分統(tǒng)計值（表6），對莫高窟旅游固體廢物產(chǎn)生量未來變化趨勢進行了預(yù)測。圖1顯示出了旅游固體廢物產(chǎn)生量和游客人數(shù)隨年份的變化趨勢。由圖1可知，旅游廢物總量隨年份的變化趨勢與游客人數(shù)隨年份的變化趨勢基本相同。式（1）表明旅游廢物總量（Q，kg）與游客人數(shù)（N，人次）之間有良好的線性增長關(guān)系。該式可以為莫高窟旅游廢物總量未來趨勢預(yù)測提供參考。

Q =0.42851N （R2=0.9995） （1）

式（1）顯示莫高窟旅游固體廢物總量隨著游客人數(shù)逐年增長還會不斷增長。例如，2015年莫高窟游客接待量首次突破100萬人次。由此估計，2015年莫高窟旅游廢物總量會達到2006年的5倍以上。照這個趨勢發(fā)展下去，如果旅游廢物處置不當(dāng)就會對莫高窟環(huán)境保護產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

3 莫高窟旅游廢物填埋處置方式

及蓋層設(shè)計建議

3.1 旅游廢物填埋處置方式建議

在國外旅游區(qū)已有設(shè)置專用廢物處理與處置設(shè)施的先例，而我國并不多見。例如，新加坡與印度尼西亞合資的BINTAN度假村在印度尼西亞建立的第一個處理城市廢物的衛(wèi)生填埋場，該填埋場對所有的滲濾液在排入地表水網(wǎng)之前進行處理，以保護地下水資源，并要求度假村員工掌握并嚴(yán)格執(zhí)行關(guān)于使用安全垃圾箱中心和密封垃圾箱的規(guī)定，要求員工在產(chǎn)生地對固體廢物進行分類。

莫高窟的旅游廢物采取混合收集的方式。為了防止夏天高溫發(fā)酵帶來的惡臭，建議加快廢物周轉(zhuǎn)速率，嚴(yán)格禁止廢物焚燒產(chǎn)生的廢氣對壁畫造成潛在的危害。建議將景區(qū)收集的廢物集中外運，納入敦煌市生活廢物回收體系，統(tǒng)一進行無害化填埋處理。

生活廢物衛(wèi)生填埋場主要分為厭氧、好氧和準(zhǔn)好氧三種。典型的準(zhǔn)好氧填埋場，滲濾液集水管末端敞開于空氣中，廢物堆體發(fā)酵產(chǎn)生的溫差使廢物填埋層產(chǎn)生負壓，將空氣從開放的集水管自然吸入廢物層。集水管附近和豎井周圍處于好氧狀態(tài)，而空氣不能到達的填埋層中部則處于厭氧狀態(tài)[3]。

敦煌氣候干燥，降雨量少，蒸發(fā)量大，屬于典型的暖溫帶干旱性氣候，并且屬于多風(fēng)地區(qū)。綜合考慮敦煌氣候和莫高窟旅游廢物類型和成分，填埋場采用準(zhǔn)好氧填埋場具有以下優(yōu)點：（1）無需強制通風(fēng)，節(jié)省能源；（2）滲濾液的水質(zhì)水量得到大大降低，降低滲濾液的處理難度和處理費用；（3）固體廢物分解較快，堆體穩(wěn)定速度快，便于填埋場的穩(wěn)定與修復(fù)，減少了由于填埋場穩(wěn)定時間過長帶來的填埋場管理和環(huán)境監(jiān)測費用；（4）減少了危險氣體CH4及H2S的產(chǎn)量，加之準(zhǔn)好氧填埋場的導(dǎo)氣系統(tǒng)比厭氧填埋所用排氣管管徑間距小，固體廢物分解產(chǎn)生的氣體易于排出，從而使填埋場安全性及衛(wèi)生條件好。

3.2 旅游廢物填埋場蓋層設(shè)計建議

敦煌深居內(nèi)陸戈壁沙漠之中，缺乏衛(wèi)生填埋需要的低滲透性天然黏土防滲材料。如果采用傳統(tǒng)蓋層作為防滲層，必然會增大處置成本。另外，敦煌年降水量僅有42.2mm，年蒸發(fā)量卻高達2505mm。如果巧妙地利用敦煌極度干旱的氣象條件，采用騰發(fā)（ET）蓋層，就會大大降低處置成本。

騰發(fā)蓋層主要是通過入滲持水-蒸發(fā)釋水的循環(huán)效應(yīng)來防止入滲水分透過蓋層，其設(shè)計理念主要依賴毛細孔隙吸水和大氣泵釋水雙重作用達到標(biāo)準(zhǔn)蓋層的相同防滲效果。騰發(fā)蓋層的作用機理如圖2所示。針對騰發(fā)蓋層的研究，在我國濕潤地區(qū)和寒冷地區(qū)，王康[4]、張文杰[5]等做過相關(guān)騰發(fā)蓋層設(shè)計研究和數(shù)值模擬分析。在干旱半干旱地區(qū)，張虎元等[6]進行了對蘭州垃圾填埋場騰發(fā)蓋層設(shè)計研究，并得出騰發(fā)蓋層與傳統(tǒng)蓋層相比，不僅能夠得到規(guī)范要求的防滲效果，而且較傳統(tǒng)蓋層成本低，施工簡單的結(jié)論。以上研究對敦煌旅游廢物填埋場蓋層設(shè)計具有參考價值。

在敦煌這樣的干旱地區(qū)，土體的滲透系數(shù)較高。如果依據(jù)騰發(fā)蓋層理論，將蓋層設(shè)計成一定厚度形成非飽和帶，吸收和保持稀少的大氣降水入滲水分。那么這些水分在隨后強烈的蒸發(fā)作用下絕大部分返回到大氣中去，從而成功攔截降水入滲，達到防滲效果。圖3顯示的是莫高窟旅游廢物填埋場毛細屏障蓋層的初步設(shè)計方案。

4 莫高窟旅游廢物填埋場底襯設(shè)計建議

除了選擇合適的填埋方式和蓋層外，還需要對防止?jié)B濾液向場外擴散的處理莫高窟旅游廢物的填埋場底部襯里（以下簡稱底襯）進行設(shè)計。依據(jù)澄板土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[7]，建議在填埋場底襯設(shè)計時，參考敦煌澄板土力學(xué)性質(zhì)進行設(shè)計?？紤]到低滲透性以及敦煌極度干旱的氣象條件，需要的設(shè)計參數(shù)主要有三種：最大干密度、最優(yōu)含水率及非飽和特征。為了給填埋場底襯設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)，使用澄板土開展擊實試驗和非飽和特征參數(shù)試驗。

4.1 擊實試驗

在底襯設(shè)計過程中，為了降低土體滲透性而對土體進行壓實，一般將干密度作為壓實的質(zhì)量檢驗指標(biāo)。采用適用于粒徑小于5mm的細粒土的輕型擊實試驗方法，確定所需的最大干密度和最優(yōu)含水率。

在試驗過程中，為了計算試樣風(fēng)干含水率，首先利用試樣的塑限預(yù)估其最優(yōu)含水率，然后依次以相差2%的含水率制備一組試樣（不少于5個）。其中，一半大于最優(yōu)含水率，一半小于最優(yōu)含水率，加水量按式（2）計算。

式中：m ω為所需的加水量（g），m ω 0為風(fēng)干試樣質(zhì)量（g），ω0為風(fēng)干試樣含水率（%），按小數(shù)計，ω為要求達到的含水率（%），按小數(shù)計。

在試驗過程中按式（3）和式（4）計算擊實后試樣的密度和干密度，并計算至0.01g/cm3。

式中：m 為擊實后濕土質(zhì)量（g），V為擊實桶容積（cm3），ω為含水率（以小數(shù)計）。

最后得出澄板土的最大干密度為1.885g/cm3，最優(yōu)含水率為12.2%。

4.2 非飽和特征參數(shù)測量試驗

4.2.1 試驗方法

在敦煌極度干旱的氣象條件下，土樣一般處于不斷發(fā)生變化的非飽和狀態(tài)，因此在設(shè)計填埋場底襯時，需要進行非飽和特征參數(shù)測量。實驗室測量非飽和特征參數(shù)一般有張力計法、壓力板法和簡易向上入滲法。本次試驗利用德國UGT公司生產(chǎn)制造的DT04-01型Ku-pF非飽和導(dǎo)水率測量系統(tǒng)，其理論基礎(chǔ)源于SCHINDLER[8]。

試驗前將試樣完全飽和放置在試樣容器中（底面積A=41.3cm3），測試過程中將試樣及試樣容器放置在具有星型吊臂的測試系統(tǒng)上，以一定的時間進行周期性運轉(zhuǎn)，并在每運行一個周期后，用天平測量其質(zhì)量以確定水分變化情況[9]。每個樣品容器配有兩個張力計，兩者之間的距離為3cm。水分變化情況和張力計讀數(shù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下來。

非飽和導(dǎo)水率是結(jié)合DARCY方程（式5、式6）計算出來的，認為試樣容器中的壓力梯度不變，由張力計測量的數(shù)據(jù)和地心引力勢能表達這一壓力梯度。試驗完成后，將試樣烘干并稱量，便可以確定不同時刻試樣含水率和吸力水頭之間的關(guān)系。

式中，vz為水分運移的流速，k為非飽和導(dǎo)水率，？漬為水勢，z為空間坐標(biāo)，？鬃0為上端張力計的張力，？鬃u為下端張力計的張力，？駐h為地心引力勢能（高度）。

張力計間的流速用式（7）計算，最終用式（8）得出非飽和導(dǎo)水率數(shù)值。

vm=■（7）

式中，vm為張力計間的流速，？駐V為？駐t時間內(nèi)水分的蒸發(fā)量，？駐t為每個樣品的測量時間間隔，A為可組合的試樣容器面積。

k=vm·■（8）

式中，？駐z為每個試樣容器兩個張力計之間的距離（3cm），？駐h為每個試樣容器兩個張力計之間的高度差。

4.2.2 試驗結(jié)果

圖4顯示隨著吸力水頭的增大，試樣的質(zhì)量含水率總體趨勢呈現(xiàn)下降趨勢。其中，當(dāng)吸力水頭數(shù)值范圍在14.5cm到19.8cm之間時，質(zhì)量含水率呈現(xiàn)急劇下降趨勢；當(dāng)吸力水頭數(shù)值范圍在41.3cm到45.1cm之間時，質(zhì)量含水率出現(xiàn)微小的急劇上升段；當(dāng)吸力水頭數(shù)值為45.1cm以后，隨著吸力水頭進一步增大，質(zhì)量含水率又呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢。

圖5顯示隨著吸力水頭的增大，試樣的非飽和導(dǎo)水率總體呈現(xiàn)下降趨勢，速率先快后慢。這一變化趨勢與非飽和導(dǎo)水率隨著吸力水頭的總體變化趨勢一致，這可以很好地將質(zhì)量含水率與非飽和導(dǎo)水率建立聯(lián)系，即非飽和導(dǎo)水率與質(zhì)量含水率之間存在相關(guān)關(guān)系。

因此，建議在對處理莫高窟旅游廢物的填埋場底襯進行設(shè)計時，在小誤差情況下，利用質(zhì)量含水率推算出非飽和導(dǎo)水率。

5 結(jié) 論

（1）調(diào)查數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，莫高窟的旅游固體廢物主要以有機物成分為主，旅游固體廢物數(shù)量與游客人數(shù)呈線性關(guān)系。

（2）建議對處理莫高窟旅游廢物的填埋場采用準(zhǔn)好氧的方式，對填埋場蓋層采用基于騰發(fā)蓋層理論的毛細屏障蓋層。

（3）在對處理莫高窟旅游廢物的填埋場底襯進行設(shè)計時，建議使用敦煌澄板土，其干密度和含水率分別設(shè)計為1.885g/cm3和 12.2%。并且為了節(jié)約成本，建議在小誤差情況下，在對處理莫高窟旅游廢物的填埋場底襯進行設(shè)計時，利用澄板土的質(zhì)量含水率推算出非飽和導(dǎo)水率。

本研究是蘭州大學(xué)2006年君政基金項目（主持人：王璐）的一部分，在此特別感謝君政基金的大力支持。同時感謝敦煌研究院對現(xiàn)場調(diào)查工作的配合與幫助。

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