莫高窟旅游固体废物现状及填埋处置建议

2018-03-20韩淑娴王璐张虎元

敦煌研究 2018年1期

韩淑娴　王璐　张虎元

摘要：莫高窟是世界文化遗产地和全国重点文物保护单位，日益增加的由游客产生的固体废弃物给莫高窟及我国其他世界文化遗产地保护提出了新课题。2007年选取莫高窟景区典型垃圾桶，对废弃物进行实地抽样调查，了解莫高窟旅游废物数量和物理组分现状。根据莫高窟环保部门10年间垃圾清运数量，统计并得出莫高窟旅游固体废物与游客人数的相关关系，建立固体废物发展趋势预测模型。莫高窟气候干燥，降水量稀少，蒸发强烈，适于建造基于蒸发蒸腾盖层的准好氧卫生填埋场。从蒸发蒸腾盖层原理出发，论文提出了毛细屏障盖层的设计建议。通过室内击实试验，确定了莫高窟澄板土（粉土）的最大干密度为1.885g/cm3，最优含水率为12.2%；通过室内非饱和导水率试验结果，拟合出了澄板土含水率及非饱和导水率与吸力水头的关系，试验研究成果可供处理莫高窟固体废物的卫生填埋场底部衬里设计参考。

关键词：莫高窟；旅游固体废物；毛细屏障盖层；底部衬里

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：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

旅游固體废物是指在发展旅游业过程中，由游客、居民和相关旅游部门产生的对旅游区生态环境造成直接污染或存在潜在影响的固态或半固态物质[1]。旅游固体废物对旅游景点的威胁属于世界性难题，我国的该情况尤为突出。敦煌莫高窟是我国及世界灿烂文化艺术的瑰宝，以博大精深的内涵、辉煌灿烂的艺术和极高的知名度，每年吸引国内外成千上万的游客，游客数量持续增长[2]。统计数据表明，1984年游客数量突破10万人次，1998年突破20万人次，2001年突破30万人次，2004年高达43万人次，2015年首次突破100万人次。随着莫高窟游客数量持续增多，莫高窟旅游固体废物数量也与日俱增，因此合理处置莫高窟旅游固体废物成为一个亟待解决的大问题。如果莫高窟旅游区旅游固体废物得不到正确的处理和处置，不但会降低参观者的旅游体验，而且废物还会通过空气、水、土壤等途径污染生态环境，甚至对文物本体保护产生一定的影响。通过现场调查了解莫高窟旅游固体废物现状，根据敦煌地区的气候特点，对旅游废物处置提出建议。

2 莫高窟旅游废物现状及预测

2.1 莫高窟旅游废物现状调查

为确定莫高窟旅游固体废物的类型、性质和产量，以便提出更好的旅游固体废物处置方法，我们于2007年对莫高窟废物回收设施进行了调查，对所收集的旅游固体废物进行了现场典型抽样分析。

莫高窟分为3个区：办公生活区、接待区、游览区。经调查，3个区共有大小垃圾桶120个，其中，实际投入使用的垃圾桶有112个。根据各区人流分布特点，在这3个区112个垃圾桶中选取了5个代表性垃圾桶。其中，在办公生活区选择食堂边道路西侧的大垃圾桶和3号住宅楼路东大垃圾桶，在接待区选择停车场东南角和西北角的大垃圾桶，在游览区选择售票处西北侧小垃圾桶。

按照产生或收集来源分类法，对这5个垃圾桶的旅游废物进行分类，分别称重，采用双人双规方式记录数据。表1—5是抽样调查的5个垃圾桶固体废物的类型、物理组分、重量及质量百分率计算数据结果。调查时间选在游客集中的中午12：30—14：30。当天的游客人数共计5129人次。

由表1—5可以看出，不同位置点的废物成分和含量具有各自不同的特征。位于办公生活区的废物成分主要以食品垃圾和普通垃圾为主，二者总量占各自总重的72.99%（食堂边）和100%（住宅楼）。位于停车场东南角的废物成分主要以庭院垃圾为主，占其总重的70.61%，其次为普通垃圾，占其总重的18.36%。位于停车场西北角处的废物成分则主要以普通垃圾为主，占其总重的65.70%。而位于游览区（售票口）的垃圾则主要以庭院垃圾为主，占其总重的81.8%，其次为普通垃圾，占其总重的15.32%。通过分析数据发现，食品垃圾和普通垃圾是莫高窟旅游固体废物的主要成分，占废物总量的66.97%。也就是说，莫高窟的旅游固体废物以有机物为主。

2.2 莫高窟旅游固体废物产生量分析预测

根据环卫部门提供的莫高窟旅游固体废物产生量部分统计值（表6），对莫高窟旅游固体废物产生量未来变化趋势进行了预测。图1显示出了旅游固体废物产生量和游客人数随年份的变化趋势。由图1可知，旅游廢物总量随年份的变化趋势与游客人数随年份的变化趋势基本相同。式（1）表明旅游废物总量（Q，kg）与游客人数（N，人次）之间有良好的线性增长关系。该式可以为莫高窟旅游废物总量未来趋势预测提供参考。

Q =0.42851N （R2=0.9995）（1）

式（1）显示莫高窟旅游固体废物总量随着游客人数逐年增长还会不断增长。例如，2015年莫高窟游客接待量首次突破100万人次。由此估计，2015年莫高窟旅游废物总量会达到2006年的5倍以上。照这个趋势发展下去，如果旅游废物处置不当就会对莫高窟环境保护产生严重的影响。

3 莫高窟旅游废物填埋处置方式

及盖层设计建议

3.1 旅游废物填埋处置方式建议

在国外旅游区已有设置专用废物处理与处置设施的先例，而我国并不多见。例如，新加坡与印度尼西亚合资的BINTAN度假村在印度尼西亚建立的第一个处理城市废物的卫生填埋场，该填埋场对所有的渗滤液在排入地表水网之前进行处理，以保护地下水资源，并要求度假村员工掌握并严格执行关于使用安全垃圾箱中心和密封垃圾箱的规定，要求员工在产生地对固体废物进行分类。

莫高窟的旅游废物采取混合收集的方式。为了防止夏天高温发酵带来的恶臭，建议加快废物周转速率，严格禁止废物焚烧产生的废气对壁画造成潜在的危害。建议将景区收集的废物集中外运，纳入敦煌市生活废物回收体系，统一进行无害化填埋处理。

生活废物卫生填埋场主要分为厌氧、好氧和准好氧三种。典型的准好氧填埋场，渗滤液集水管末端敞开于空气中，废物堆体发酵产生的温差使废物填埋层产生负压，将空气从开放的集水管自然吸入废物层。集水管附近和竖井周围处于好氧状态，而空气不能到达的填埋层中部则处于厌氧状态[3]。

敦煌气候干燥，降雨量少，蒸发量大，属于典型的暖温带干旱性气候，并且属于多风地区。综合考虑敦煌气候和莫高窟旅游废物类型和成分，填埋场采用准好氧填埋场具有以下优点：（1）无需强制通风，节省能源；（2）渗滤液的水质水量得到大大降低，降低渗滤液的处理难度和处理费用；（3）固体废物分解较快，堆体稳定速度快，便于填埋场的稳定与修复，减少了由于填埋场稳定时间过长带来的填埋场管理和环境监测费用；（4）减少了危险气体CH4及H2S的产量，加之准好氧填埋场的导气系统比厌氧填埋所用排气管管径间距小，固体废物分解产生的气体易于排出，从而使填埋场安全性及卫生条件好。

3.2 旅游废物填埋场盖层设计建议

敦煌深居内陆戈壁沙漠之中，缺乏卫生填埋需要的低渗透性天然黏土防渗材料。如果采用传统盖层作为防渗层，必然会增大处置成本。另外，敦煌年降水量仅有42.2mm，年蒸发量却高达2505mm。如果巧妙地利用敦煌极度干旱的气象条件，采用腾发（ET）盖层，就会大大降低处置成本。

腾发盖层主要是通过入渗持水-蒸发释水的循环效应来防止入渗水分透过盖层，其设计理念主要依赖毛细孔隙吸水和大气泵释水双重作用达到标准盖层的相同防渗效果。腾发盖层的作用机理如图2所示。针对腾发盖层的研究，在我国湿润地区和寒冷地区，王康[4]、张文杰[5]等做过相关腾发盖层设计研究和数值模拟分析。在干旱半干旱地区，张虎元等[6]进行了对兰州垃圾填埋场腾发盖层设计研究，并得出腾发盖层与传统盖层相比，不仅能够得到规范要求的防渗效果，而且较传统盖层成本低，施工简单的结论。以上研究对敦煌旅游废物填埋场盖层设计具有参考价值。

在敦煌这样的干旱地区，土体的渗透系数较高。如果依据腾发盖层理论，将盖层设计成一定厚度形成非饱和带，吸收和保持稀少的大气降水入渗水分。那么这些水分在随后强烈的蒸发作用下绝大部分返回到大气中去，从而成功拦截降水入渗，达到防渗效果。图3显示的是莫高窟旅游废物填埋场毛细屏障盖层的初步设计方案。

4 莫高窟旅游废物填埋场底衬设计建议

除了选择合适的填埋方式和盖层外，还需要对防止渗滤液向场外扩散的处理莫高窟旅游废物的填埋场底部衬里（以下简称底衬）进行设计。依据澄板土的基本物理力学性质指标[7]，建议在填埋场底衬设计时，参考敦煌澄板土力学性质进行设计。考虑到低渗透性以及敦煌极度干旱的气象条件，需要的设计参数主要有三种：最大干密度、最优含水率及非饱和特征。为了给填埋场底衬设计提供参考数据，使用澄板土开展击实试验和非饱和特征参数试验。

4.1 击实试验

在底衬设计过程中，为了降低土体渗透性而对土体进行压实，一般将干密度作为压实的质量检验指标。采用适用于粒径小于5mm的细粒土的轻型击实试验方法，确定所需的最大干密度和最优含水率。

在试验过程中，为了计算试样风干含水率，首先利用试样的塑限预估其最优含水率，然后依次以相差2%的含水率制备一组试样（不少于5个）。其中，一半大于最优含水率，一半小于最优含水率，加水量按式（2）计算。

式中：m ω为所需的加水量（g），m ω 0为风干试样质量（g），ω0为风干试样含水率（%），按小数计，ω为要求达到的含水率（%），按小数计。

在试验过程中按式（3）和式（4）计算击实后试样的密度和干密度，并計算至0.01g/cm3。

式中：m 为击实后湿土质量（g），V为击实桶容积（cm3），ω为含水率（以小数计）。

最后得出澄板土的最大干密度为1.885g/cm3，最优含水率为12.2%。

4.2 非饱和特征参数测量试验

4.2.1 试验方法

在敦煌极度干旱的气象条件下，土样一般处于不断发生变化的非饱和状态，因此在设计填埋场底衬时，需要进行非饱和特征参数测量。实验室测量非饱和特征参数一般有张力计法、压力板法和简易向上入渗法。本次试验利用德国UGT公司生产制造的DT04-01型Ku-pF非饱和导水率测量系统，其理论基础源于SCHINDLER[8]。

试验前将试样完全饱和放置在试样容器中（底面积A=41.3cm3），测试过程中将试样及试样容器放置在具有星型吊臂的测试系统上，以一定的时间进行周期性运转，并在每运行一个周期后，用天平测量其质量以确定水分变化情况[9]。每个样品容器配有两个张力计，两者之间的距离为3cm。水分变化情况和张力计读数通过数据采集系统记录下来。

非饱和导水率是结合DARCY方程（式5、式6）计算出来的，认为试样容器中的压力梯度不变，由张力计测量的数据和地心引力势能表达这一压力梯度。试验完成后，将试样烘干并称量，便可以确定不同时刻试样含水率和吸力水头之间的关系。

式中，vz为水分运移的流速，k为非饱和导水率，？渍为水势，z为空间坐标，？鬃0为上端张力计的张力，？鬃u为下端张力计的张力，？驻h为地心引力势能（高度）。

张力计间的流速用式（7）计算，最终用式（8）得出非饱和导水率数值。

vm=■（7）

式中，vm为张力计间的流速，？驻V为？驻t时间内水分的蒸发量，？驻t为每个样品的测量时间间隔，A为可组合的试样容器面积。

k=vm·■（8）

式中，？驻z为每个试样容器两个张力计之间的距离（3cm），？驻h为每个试样容器两个张力计之间的高度差。

4.2.2 试验结果

图4显示随着吸力水头的增大，试样的质量含水率总体趋势呈现下降趋势。其中，当吸力水头数值范围在14.5cm到19.8cm之间时，质量含水率呈现急剧下降趋势；当吸力水头数值范围在41.3cm到45.1cm之间时，质量含水率出现微小的急剧上升段；当吸力水头数值为45.1cm以后，随着吸力水头进一步增大，质量含水率又呈现稳定下降趋势。

图5显示随着吸力水头的增大，试样的非饱和导水率总体呈现下降趋势，速率先快后慢。这一变化趋势与非饱和导水率随着吸力水头的总体变化趋势一致，这可以很好地将质量含水率与非饱和导水率建立联系，即非饱和导水率与质量含水率之间存在相关关系。

因此，建议在对处理莫高窟旅游废物的填埋场底衬进行设计时，在小误差情况下，利用质量含水率推算出非饱和导水率。

5 结论

（1）调查数据分析结果表明，莫高窟的旅游固体废物主要以有机物成分为主，旅游固体废物数量与游客人数呈线性关系。

（2）建议对处理莫高窟旅游废物的填埋场采用准好氧的方式，对填埋场盖层采用基于腾发盖层理论的毛细屏障盖层。

（3）在对处理莫高窟旅游废物的填埋场底衬进行设计时，建议使用敦煌澄板土，其干密度和含水率分别设计为1.885g/cm3和 12.2%。并且为了节约成本，建议在小误差情况下，在对处理莫高窟旅游废物的填埋场底衬进行设计时，利用澄板土的质量含水率推算出非饱和导水率。

本研究是兰州大学2006年君政基金项目（主持人：王璐）的一部分，在此特别感谢君政基金的大力支持。同时感谢敦煌研究院对现场调查工作的配合与帮助。

参考文献：

[1]章锦河.旅游废弃物生态影响评价：以九寨沟、黄山风景区为例[J].生态学报，2008，28（6）：2764-2773.

[2]樊锦诗.莫高窟保护和旅游的矛盾以及对策[J].敦煌研究， 2005（4）：1-3.

[3]曹霞，刘丹.对城市生活垃圾填埋处置技术的思考[J].四川环境，2004，23（3）：60-63.

[4]王康，刘川顺，王富庆，等.腾发覆盖垃圾填埋场覆盖层机理试验研究及结构分析[J].环境科学，2007，28（10）：