旱寒黃土區滲濾液灌溉蒸發影響因素初探＊

胡瀘丹，邵立明，蒲紅霞，王素君，魏新慶，何品晶

（1.天津建昌環保股份有限公司，天津 300202；2.同濟大學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［1］。該技術作為處理滲濾液的方法，具有改善滲濾液水質［2-4］、減少滲濾液水量［5-9］、成本低廉［10-12］等優點。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，且當覆蓋層有植被時效果更好。

旱寒黃土區氣候干旱，蒸發量遠高于降雨量，采用灌溉土質覆蓋層方式蒸發減量是該區域填埋場滲濾液原位處理的可行途徑。但是，西北旱寒黃土區的氣象條件與中東部顯著不同，而土壤蒸發與當地氣象條件高度相關，前述在中東部較濕潤氣候區開展的研究，難以指導該地區滲濾液蒸發處理工程實踐；同時，目前我國尚缺乏對滲濾液灌溉減量與當地氣象條件的相關性研究，也沒有對滲濾液灌溉減量的影響因素進行研究，使得旱寒黃土區填埋場滲濾液蒸發處理設計缺乏依據，無法對實際工程設計和運行進行指導。

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

2 材料與方法

2.1 試驗材料與方法

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

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

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

計算的當日蒸發量為：

式中：C為當日蒸發量，mm/d；m1為蒸發前質量，g；m2為蒸發后質量，g；A為蒸發桶開口面積，mm2。

2.2 試驗內容

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

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

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

以上各種工況均設3 個平行試驗。

2.3 氣象數據及處理

所用歷史氣象數據來自國家氣象局皋蘭氣象站（國家氣象科學數據中心http：//data.cma.cn/），皋蘭縣氣象局測得的蒸發量冬季為小型蒸發量，夏季為大型蒸發量。根據任芝花等［14］統計的甘肅省27 站點大型蒸發量與小型蒸發量的數據，得出不同月份的折算系數，將大型蒸發量按折算系數轉化為小型蒸發量，統一按小型蒸發量數據計算；試驗期間氣象數據為場內小型氣象站（型號：HQZDZ-8，北京有恒斯康通信技術有限公司）實測值；氣象數據和蒸發量采用SPSS 軟件進行回歸分析。

3 結果與討論

3.1 氣象因素對水面蒸發量的影響

對2017 年6 月上旬至2021 年12 月下旬共5 a的皋蘭縣氣象數據進行分析，以溫度、濕度、壓強、風速、日照時間和降水量6 個氣象數據與水面蒸發量進行多元線性分析［15-16］，對6 個自變量（溫度、濕度、壓強、風速、日照時間和降水量）進行共線性診斷，結果顯示方差膨脹因子（Variance Inflation Factor，VIF）均小于5，可認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為水的水面蒸發量，mm/d；T為當日平均溫度，℃；P為當日平均氣壓，kPa；HUM為當日平均空氣相對濕度，%；W為當日平均風速，m/s；R為當日累計降水量，mm；S為當日累計日照時數，h。

將2022 年1 月6 日至6 月30 日場內小型氣象站測得的每日氣象數據代入公式（1）計算逐日水面蒸發量，與此期間試驗實測的每日水面蒸發量進行對比，結果如圖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，且隨氣溫升高而擴大。主要原因是蒸發桶埋于覆蓋土層，其因陽光輻照增溫速度快于盛水的蒸發桶而形成溫差，使蒸發桶得到額外的蒸發能量，蒸發面積擴大后，此影響將逐步削弱。

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

3.2 滲濾液水質對蒸發量的影響

為了研究純水和滲濾液的水面蒸發量之間的差異，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量進行場內試驗，兩組蒸發量（ES表示滲濾液原液的水面蒸發量，mm/d；E1表示純水的水面蒸發量，mm/d）數據的線性回歸結果見圖2。

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

回歸方程為：

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

為了進一步研究不同水質對蒸發量的影響，2022 年5 月11 日至6 月28 日，對純水，純滲濾液，滲濾液與純水質量比為2∶1、1∶1 和1∶2 共5 種工況進行了試驗并對每日的數據進行周平均，所得結果如圖3 所示。滲濾液和純水的蒸發量差異比較明顯，滲濾液與純水質量比為2∶1、1∶1、1∶2的蒸發量差距相對較小，可能是因為這3 種水質的COD 和電導率（表2）差異相對較小，因此對蒸發量的影響表現不明顯；純滲濾液、滲濾液與純水質量比為2∶1、1∶1、1∶2 占水的水面蒸發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，隨著水質變差（有機物和鹽分等濃度增加），滲濾液的水面蒸發量逐漸減少。

圖3 不同水質的蒸發量數據對比Figure 3 Comparison of evaporation data of different water quality

3.3 水和滲濾液的土壤蒸發量結果分析

為了研究純水和滲濾液的土壤蒸發量之間的差異，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量進行場內試驗，并將每日結果進行記錄分析，得出如圖4 所示的線性回歸關系。回歸方程為：

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

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

在95% 的置信區間內，系數的上下限范圍為0.186～0.318，常量的上下限范圍為0.820～1.909。可以看出，滲濾液的土壤蒸發量與水的土壤蒸發量成正比（P＜0.001），即隨著水的土壤蒸發量增大，滲濾液的土壤蒸發量也呈現增大的趨勢。

3.4 不同灌溉強度下滲濾液的土壤蒸發量結果分析

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%）土壤的蒸發量和純滲濾液的水面蒸發量進行試驗對比，并對蒸發量數據進行了周平均處理，結果如圖5 所示。

圖5 不同灌溉強度下滲濾液的土壤蒸發量數據對比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量變化趨勢為：滲濾液水面蒸發量明顯大于灌溉土壤蒸發量，土壤蒸發量隨含水量增加而增加。這是因為，含水量越高，土壤的導水率越高，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，與周邊環境的壓力梯度增大，從而使得蒸發量增高［18］。旱寒黃土區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含水量。對于不同含水量的土壤蒸發量來說，含水量越大，土壤蒸發量越大。

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

圖6 滲濾液的水面蒸發量和土壤蒸發量（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% 的置信區間內，系數的上下限范圍為0.029～0.212，常量的上下限范圍為1.140～2.610。

3.5 應用展望

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

圖7 滲濾液灌溉蒸發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

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

4 結論

1）水面蒸發量主要與溫度（T）、氣壓（P）、空氣濕度（HUM）、風速（W）、降水量（R）和日照時長（S）相關，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量（分別用ES和E1表示）進行了線性回歸分析，得出ES=0.624 6E1+1.550 2，R2=0.740 9；且隨著滲濾液濃度增加，滲濾液的蒸發量變小。

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

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

5）依據試驗所在地氣象數據計算得全年水面蒸發量為1 405.82 mm，滲濾液灌溉蒸發量為806.09 mm，單位面積黃土覆蓋層全年可蒸發減量滲濾液約0.8 m3/m2。在西北黃土區域的生活垃圾填埋場，可利用蒸發潛力，通過在覆蓋層灌溉滲濾液，有望原位蒸發減量，達到減少滲濾液外排、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施，膜處理濃水也可灌溉處理。