旱寒黃土區(qū)滲濾液灌溉蒸發(fā)影響因素初探＊

胡瀘丹，邵立明，蒲紅霞，王素君，魏新慶，何品晶

（1.天津建昌環(huán)保股份有限公司，天津 300202；2.同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海200092）

1 引言

滲濾液灌溉是指將滲濾液灌溉至土壤或覆蓋層中的一種處理技術(shù)［1］。該技術(shù)作為處理滲濾液的方法，具有改善滲濾液水質(zhì)［2-4］、減少滲濾液水量［5-9］、成本低廉［10-12］等優(yōu)點。其中，張斌等［12］研究了不同灌溉強度下的水分減量及主要污染物COD 和氨氮的去除效果，結(jié)果表明，滲濾液灌溉有良好的水分減量和污染物去除效果，且當(dāng)覆蓋層有植被時效果更好。

旱寒黃土區(qū)氣候干旱，蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于降雨量，采用灌溉土質(zhì)覆蓋層方式蒸發(fā)減量是該區(qū)域填埋場滲濾液原位處理的可行途徑。但是，西北旱寒黃土區(qū)的氣象條件與中東部顯著不同，而土壤蒸發(fā)與當(dāng)?shù)貧庀髼l件高度相關(guān)，前述在中東部較濕潤氣候區(qū)開展的研究，難以指導(dǎo)該地區(qū)滲濾液蒸發(fā)處理工程實踐；同時，目前我國尚缺乏對滲濾液灌溉減量與當(dāng)?shù)貧庀髼l件的相關(guān)性研究，也沒有對滲濾液灌溉減量的影響因素進(jìn)行研究，使得旱寒黃土區(qū)填埋場滲濾液蒸發(fā)處理設(shè)計缺乏依據(jù)，無法對實際工程設(shè)計和運行進(jìn)行指導(dǎo)。

為此，本研究分析蘭州市某垃圾填埋場所在地水面蒸發(fā)量與氣象參數(shù)的定量關(guān)系，在垃圾填埋場內(nèi)建立模擬覆蓋層，比較不同灌溉強度下滲濾液的蒸發(fā)量，灌溉強度以不同土壤含水量（即土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比）作表征，同時比較不同水質(zhì)情況下的滲濾液蒸發(fā)量，以期為滲濾液灌溉蒸發(fā)減量工程的設(shè)計提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與方法

所用試驗材料包括風(fēng)干黃土、滲濾液和清水。其中，風(fēng)干黃土取自蘭州市某生活垃圾填埋場的存土場，攤鋪風(fēng)干3 d 后使用；滲濾液取自該填埋場內(nèi)的滲濾液調(diào)蓄池，水質(zhì)見表1。

表1 試驗用滲濾液水質(zhì)Table 1 Test leachate water quality

采用蒸發(fā)桶方法在上述填埋場土質(zhì)覆蓋層開展蒸發(fā)試驗。蒸發(fā)桶為不銹鋼制，直徑10.5 cm、高度7.5 cm；試驗時，按深度相等的準(zhǔn)則，將適量風(fēng)干黃土、水、滲濾液根據(jù)不同試驗組的要求置于蒸發(fā)桶內(nèi)，并分別稱質(zhì)量；再將蒸發(fā)桶置于填埋場覆蓋層預(yù)先開挖的圓孔中，24 h 后取出，清除蒸發(fā)桶外表面附著顆粒物后稱質(zhì)量，按公式（1）計算當(dāng)日蒸發(fā)量。然后，補入當(dāng)日蒸發(fā)水分，再將蒸發(fā)桶放回原位置，如此重復(fù)；如遇降雨，稱質(zhì)量前要用濾紙吸干桶外表面附著水分，黃土蒸發(fā)桶還要傾倒出自由水分（模擬徑流）。

計算的當(dāng)日蒸發(fā)量為：

式中：C為當(dāng)日蒸發(fā)量，mm/d；m1為蒸發(fā)前質(zhì)量，g；m2為蒸發(fā)后質(zhì)量，g；A為蒸發(fā)桶開口面積，mm2。

2.2 試驗內(nèi)容

本試驗可分為純液體和黃土液體混合2 類。純液體設(shè)置了純水，純滲濾液，以及滲濾液與純水質(zhì)量比為2∶1、1∶1 和1∶2，共5 種試驗工況。5 種試驗工況的水質(zhì)見表2。

表2 5 種試驗工況液體水質(zhì)Table 2 Water quality of liquid under five test conditions

黃土液體混合試驗工況，依據(jù)黃土液限含水量為25.48%［13］，控制黃土含水量小于25%，設(shè)置滲濾液、黃土混合后，含水量分別為25%、20%、15%共3 種工況進(jìn)行試驗。

以上各種工況均設(shè)3 個平行試驗。

2.3 氣象數(shù)據(jù)及處理

所用歷史氣象數(shù)據(jù)來自國家氣象局皋蘭氣象站（國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心http：//data.cma.cn/），皋蘭縣氣象局測得的蒸發(fā)量冬季為小型蒸發(fā)量，夏季為大型蒸發(fā)量。根據(jù)任芝花等［14］統(tǒng)計的甘肅省27 站點大型蒸發(fā)量與小型蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)，得出不同月份的折算系數(shù)，將大型蒸發(fā)量按折算系數(shù)轉(zhuǎn)化為小型蒸發(fā)量，統(tǒng)一按小型蒸發(fā)量數(shù)據(jù)計算；試驗期間氣象數(shù)據(jù)為場內(nèi)小型氣象站（型號：HQZDZ-8，北京有恒斯康通信技術(shù)有限公司）實測值；氣象數(shù)據(jù)和蒸發(fā)量采用SPSS 軟件進(jìn)行回歸分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣象因素對水面蒸發(fā)量的影響

對2017 年6 月上旬至2021 年12 月下旬共5 a的皋蘭縣氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以溫度、濕度、壓強、風(fēng)速、日照時間和降水量6 個氣象數(shù)據(jù)與水面蒸發(fā)量進(jìn)行多元線性分析［15-16］，對6 個自變量（溫度、濕度、壓強、風(fēng)速、日照時間和降水量）進(jìn)行共線性診斷，結(jié)果顯示方差膨脹因子（Variance Inflation Factor，VIF）均小于5，可認(rèn)為自變量之間不存在共線性，得到多元線性方程如公式（2） 所示：

式中：E1為水的水面蒸發(fā)量，mm/d；T為當(dāng)日平均溫度，℃；P為當(dāng)日平均氣壓，kPa；HUM為當(dāng)日平均空氣相對濕度，%；W為當(dāng)日平均風(fēng)速，m/s；R為當(dāng)日累計降水量，mm；S為當(dāng)日累計日照時數(shù)，h。

將2022 年1 月6 日至6 月30 日場內(nèi)小型氣象站測得的每日氣象數(shù)據(jù)代入公式（1）計算逐日水面蒸發(fā)量，與此期間試驗實測的每日水面蒸發(fā)量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1 所示。由圖1 可以看出，兩者變化趨勢基本一致，但存在一定差異；經(jīng)計算為實測值正偏差，偏差均值為1.92 mm/d，且隨氣溫升高而擴(kuò)大。主要原因是蒸發(fā)桶埋于覆蓋土層，其因陽光輻照增溫速度快于盛水的蒸發(fā)桶而形成溫差，使蒸發(fā)桶得到額外的蒸發(fā)能量，蒸發(fā)面積擴(kuò)大后，此影響將逐步削弱。

圖1 實測和計算水面蒸發(fā)量對比Figure 1 Comparison of measured and calculated water surface evaporation

3.2 滲濾液水質(zhì)對蒸發(fā)量的影響

為了研究純水和滲濾液的水面蒸發(fā)量之間的差異，自2022 年3 月21 日至6 月30 日對純水和滲濾液原液的水面蒸發(fā)量進(jìn)行場內(nèi)試驗，兩組蒸發(fā)量（ES表示滲濾液原液的水面蒸發(fā)量，mm/d；E1表示純水的水面蒸發(fā)量，mm/d）數(shù)據(jù)的線性回歸結(jié)果見圖2。

圖2 水和滲濾液原液的水面蒸發(fā)量線性回歸分析Figure 2 Linear regression analysis of surface evaporation of water and leachate

回歸方程為：

在95% 的置信區(qū)間內(nèi)，系數(shù)的上下限范圍為0.549～0.702，常量的上下限范圍為0.693～2.379。顯然，滲濾液原液蒸發(fā)量低于純水，此現(xiàn)象符合拉烏爾定律（溶液的沸點上升與溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度成正比），潘松青等［17］實驗研究滲濾液蒸發(fā)時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滲濾液加熱到108 ℃以上時，才可收集到蒸發(fā)液。

為了進(jìn)一步研究不同水質(zhì)對蒸發(fā)量的影響，2022 年5 月11 日至6 月28 日，對純水，純滲濾液，滲濾液與純水質(zhì)量比為2∶1、1∶1 和1∶2 共5 種工況進(jìn)行了試驗并對每日的數(shù)據(jù)進(jìn)行周平均，所得結(jié)果如圖3 所示。滲濾液和純水的蒸發(fā)量差異比較明顯，滲濾液與純水質(zhì)量比為2∶1、1∶1、1∶2的蒸發(fā)量差距相對較小，可能是因為這3 種水質(zhì)的COD 和電導(dǎo)率（表2）差異相對較小，因此對蒸發(fā)量的影響表現(xiàn)不明顯；純滲濾液、滲濾液與純水質(zhì)量比為2∶1、1∶1、1∶2 占水的水面蒸發(fā)量的比值范圍分別為0.47～0.75、0.89～0.93、0.81～0.97 和0.84～0.98；可以看出，隨著水質(zhì)變差（有機物和鹽分等濃度增加），滲濾液的水面蒸發(fā)量逐漸減少。

圖3 不同水質(zhì)的蒸發(fā)量數(shù)據(jù)對比Figure 3 Comparison of evaporation data of different water quality

3.3 水和滲濾液的土壤蒸發(fā)量結(jié)果分析

為了研究純水和滲濾液的土壤蒸發(fā)量之間的差異，自2022 年4 月7 日至6 月30 日對純水和滲濾液原液的土壤蒸發(fā)量進(jìn)行場內(nèi)試驗，并將每日結(jié)果進(jìn)行記錄分析，得出如圖4 所示的線性回歸關(guān)系?；貧w方程為：

圖4 水和滲濾液原液的土壤蒸發(fā)量線性回歸分析Figure 4 Linear regression analysis of soil evaporation of water and leachate

式中：ES1為滲濾液的土壤蒸發(fā)量，mm/d；EW1為水的土壤蒸發(fā)量，mm/d。

在95% 的置信區(qū)間內(nèi)，系數(shù)的上下限范圍為0.186～0.318，常量的上下限范圍為0.820～1.909?？梢钥闯?，滲濾液的土壤蒸發(fā)量與水的土壤蒸發(fā)量成正比（P＜0.001），即隨著水的土壤蒸發(fā)量增大，滲濾液的土壤蒸發(fā)量也呈現(xiàn)增大的趨勢。

3.4 不同灌溉強度下滲濾液的土壤蒸發(fā)量結(jié)果分析

2022 年4 月7 日至7 月13 日，對滲濾液灌溉至不同含水量（25%、20% 和15%）土壤的蒸發(fā)量和純滲濾液的水面蒸發(fā)量進(jìn)行試驗對比，并對蒸發(fā)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了周平均處理，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同灌溉強度下滲濾液的土壤蒸發(fā)量數(shù)據(jù)對比Figure 5 Comparison of soil evaporation data of leachate with different water contents

滲濾液和灌溉土壤后的蒸發(fā)量變化趨勢為：滲濾液水面蒸發(fā)量明顯大于灌溉土壤蒸發(fā)量，土壤蒸發(fā)量隨含水量增加而增加。這是因為，含水量越高，土壤的導(dǎo)水率越高，土壤水分向上運移的吸力梯度越高；另一方面，土壤的含水量升高，土壤的水汽壓也隨之增高，與周邊環(huán)境的壓力梯度增大，從而使得蒸發(fā)量增高［18］。旱寒黃土區(qū)代表性的馬蘭黃土的液限為25.48%，因此，覆蓋層含水量為25% 是滲濾液灌溉的最優(yōu)含水量。對于不同含水量的土壤蒸發(fā)量來說，含水量越大，土壤蒸發(fā)量越大。

對滲濾液的水面蒸發(fā)量（ES）和含水量為25%的土壤蒸發(fā)量（ES1）進(jìn)行線性回歸（圖6），回歸方程為：

圖6 滲濾液的水面蒸發(fā)量和土壤蒸發(fā)量（含水量25%）線性回歸分析Figure 6 Linear regression analysis of water surface evaporation and soil evaporation （water content 25%）of leachate

在95% 的置信區(qū)間內(nèi)，系數(shù)的上下限范圍為0.029～0.212，常量的上下限范圍為1.140～2.610。

3.5 應(yīng)用展望

就本次試驗所在的填埋場（皋蘭縣境內(nèi)）而言，依據(jù)該縣氣象數(shù)據(jù)，第1 步由公式（2）計算水面蒸發(fā)量，第2 步由公式（3）計算滲濾液水面蒸發(fā)量，第3 步由公式（5）計算滲濾液灌溉蒸發(fā)量。公式（4）可通過水的土壤蒸發(fā)量計算出滲濾液灌溉蒸發(fā)量，作為校核使用。經(jīng)過上述計算過程，得出全年的水面蒸發(fā)量為1 405.82 mm，滲濾液灌溉蒸發(fā)量為806.09 mm，單位面積黃土覆蓋層全年可蒸發(fā)減量滲濾液約0.8 m3/m2。其中，2022 年4 月至6 月計算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果的比較見圖7。圖7 表明，按公式（2）、公式（3）和公式（5）計算的滲濾液灌溉蒸發(fā)量與現(xiàn)場實測值具有可比性。

圖7 滲濾液灌溉蒸發(fā)量計算值與實測值累計比較Figure 7 Cumulative comparison between calculated value and measured value of leachate irrigation evaporation

根據(jù)以上計算方法，可以獲得填埋場滲濾液灌溉蒸發(fā)減量的最大潛力。在西北黃土區(qū)域的生活垃圾填埋場，可利用蒸發(fā)潛力，通過在覆蓋層灌溉滲濾液，有望原位蒸發(fā)減量［19］。滲濾液灌溉的水力負(fù)荷可按采用當(dāng)日預(yù)報氣象參數(shù)計算的蒸發(fā)量確定，水力負(fù)荷大于10 cm 土層的液限水分時，應(yīng)分次灌溉。若填埋場已配置生物-膜處理滲濾液處理設(shè)施，膜處理濃水可灌溉處理；因水分蒸發(fā)后，濃水中的鹽分存留于覆蓋層中，比之回灌入填埋垃圾體內(nèi)，膜處理濃水灌溉的鹽分累積效應(yīng)更低。

4 結(jié)論

1）水面蒸發(fā)量主要與溫度（T）、氣壓（P）、空氣濕度（HUM）、風(fēng)速（W）、降水量（R）和日照時長（S）相關(guān)，擬合方程為E1=12.529+0.256T-0.010P-0.062HUM+0.351W-0.007R+0.022S。

2）對滲濾液原液和純水的水面蒸發(fā)量（分別用ES和E1表示）進(jìn)行了線性回歸分析，得出ES=0.624 6E1+1.550 2，R2=0.740 9；且隨著滲濾液濃度增加，滲濾液的蒸發(fā)量變小。

3）對純水和滲濾液原液的土壤蒸發(fā)量（分別用EW1和ES1表示）進(jìn)行線性回歸分析，得出回歸方程為ES1=0.252 1EW1+1.364 3，R2=0.424 7。

4）滲濾液的水面蒸發(fā)量明顯大于不同含水量的土壤蒸發(fā)量；對滲濾液原液的水面蒸發(fā)量（ES）和含水量為25% 的土壤蒸發(fā)量（ES1）進(jìn)行線性回歸分析，得出ES1=0.104 2ES+1.771 4；對于不同含水量的土壤蒸發(fā)量來說，含水量越大，土壤蒸發(fā)量越大。

5）依據(jù)試驗所在地氣象數(shù)據(jù)計算得全年水面蒸發(fā)量為1 405.82 mm，滲濾液灌溉蒸發(fā)量為806.09 mm，單位面積黃土覆蓋層全年可蒸發(fā)減量滲濾液約0.8 m3/m2。在西北黃土區(qū)域的生活垃圾填埋場，可利用蒸發(fā)潛力，通過在覆蓋層灌溉滲濾液，有望原位蒸發(fā)減量，達(dá)到減少滲濾液外排、甚至無外排的目的，從而極大地降低填埋場的運行成本。若填埋場已配置生物-膜處理滲濾液處理設(shè)施，膜處理濃水也可灌溉處理。