旱寒黄土区渗滤液灌溉蒸发影响因素初探＊

胡泸丹，邵立明，蒲红霞，王素君，魏新庆，何品晶

（1.天津建昌环保股份有限公司，天津 300202；2.同济大学固体废物处理与资源化研究所，上海200092）

1 引言

渗滤液灌溉是指将渗滤液灌溉至土壤或覆盖层中的一种处理技术［1］。该技术作为处理渗滤液的方法，具有改善渗滤液水质［2-4］、减少渗滤液水量［5-9］、成本低廉［10-12］等优点。其中，张斌等［12］研究了不同灌溉强度下的水分减量及主要污染物COD 和氨氮的去除效果，结果表明，渗滤液灌溉有良好的水分减量和污染物去除效果，且当覆盖层有植被时效果更好。

旱寒黄土区气候干旱，蒸发量远高于降雨量，采用灌溉土质覆盖层方式蒸发减量是该区域填埋场渗滤液原位处理的可行途径。但是，西北旱寒黄土区的气象条件与中东部显著不同，而土壤蒸发与当地气象条件高度相关，前述在中东部较湿润气候区开展的研究，难以指导该地区渗滤液蒸发处理工程实践；同时，目前我国尚缺乏对渗滤液灌溉减量与当地气象条件的相关性研究，也没有对渗滤液灌溉减量的影响因素进行研究，使得旱寒黄土区填埋场渗滤液蒸发处理设计缺乏依据，无法对实际工程设计和运行进行指导。

为此，本研究分析兰州市某垃圾填埋场所在地水面蒸发量与气象参数的定量关系，在垃圾填埋场内建立模拟覆盖层，比较不同灌溉强度下渗滤液的蒸发量，灌溉强度以不同土壤含水量（即土中水的质量与土粒质量之比）作表征，同时比较不同水质情况下的渗滤液蒸发量，以期为渗滤液灌溉蒸发减量工程的设计提供依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料与方法

所用试验材料包括风干黄土、渗滤液和清水。其中，风干黄土取自兰州市某生活垃圾填埋场的存土场，摊铺风干3 d 后使用；渗滤液取自该填埋场内的渗滤液调蓄池，水质见表1。

表1 试验用渗滤液水质Table 1 Test leachate water quality

采用蒸发桶方法在上述填埋场土质覆盖层开展蒸发试验。蒸发桶为不锈钢制，直径10.5 cm、高度7.5 cm；试验时，按深度相等的准则，将适量风干黄土、水、渗滤液根据不同试验组的要求置于蒸发桶内，并分别称质量；再将蒸发桶置于填埋场覆盖层预先开挖的圆孔中，24 h 后取出，清除蒸发桶外表面附着颗粒物后称质量，按公式（1）计算当日蒸发量。然后，补入当日蒸发水分，再将蒸发桶放回原位置，如此重复；如遇降雨，称质量前要用滤纸吸干桶外表面附着水分，黄土蒸发桶还要倾倒出自由水分（模拟径流）。

计算的当日蒸发量为：

式中：C为当日蒸发量，mm/d；m1为蒸发前质量，g；m2为蒸发后质量，g；A为蒸发桶开口面积，mm2。

2.2 试验内容

本试验可分为纯液体和黄土液体混合2 类。纯液体设置了纯水，纯渗滤液，以及渗滤液与纯水质量比为2∶1、1∶1 和1∶2，共5 种试验工况。5 种试验工况的水质见表2。

表2 5 种试验工况液体水质Table 2 Water quality of liquid under five test conditions

黄土液体混合试验工况，依据黄土液限含水量为25.48%［13］，控制黄土含水量小于25%，设置渗滤液、黄土混合后，含水量分别为25%、20%、15%共3 种工况进行试验。

以上各种工况均设3 个平行试验。

2.3 气象数据及处理

所用历史气象数据来自国家气象局皋兰气象站（国家气象科学数据中心http：//data.cma.cn/），皋兰县气象局测得的蒸发量冬季为小型蒸发量，夏季为大型蒸发量。根据任芝花等［14］统计的甘肃省27 站点大型蒸发量与小型蒸发量的数据，得出不同月份的折算系数，将大型蒸发量按折算系数转化为小型蒸发量，统一按小型蒸发量数据计算；试验期间气象数据为场内小型气象站（型号：HQZDZ-8，北京有恒斯康通信技术有限公司）实测值；气象数据和蒸发量采用SPSS 软件进行回归分析。

3 结果与讨论

3.1 气象因素对水面蒸发量的影响

对2017 年6 月上旬至2021 年12 月下旬共5 a的皋兰县气象数据进行分析，以温度、湿度、压强、风速、日照时间和降水量6 个气象数据与水面蒸发量进行多元线性分析［15-16］，对6 个自变量（温度、湿度、压强、风速、日照时间和降水量）进行共线性诊断，结果显示方差膨胀因子（Variance Inflation Factor，VIF）均小于5，可认为自变量之间不存在共线性，得到多元线性方程如公式（2） 所示：

式中：E1为水的水面蒸发量，mm/d；T为当日平均温度，℃；P为当日平均气压，kPa；HUM为当日平均空气相对湿度，%；W为当日平均风速，m/s；R为当日累计降水量，mm；S为当日累计日照时数，h。

将2022 年1 月6 日至6 月30 日场内小型气象站测得的每日气象数据代入公式（1）计算逐日水面蒸发量，与此期间试验实测的每日水面蒸发量进行对比，结果如图1 所示。由图1 可以看出，两者变化趋势基本一致，但存在一定差异；经计算为实测值正偏差，偏差均值为1.92 mm/d，且随气温升高而扩大。主要原因是蒸发桶埋于覆盖土层，其因阳光辐照增温速度快于盛水的蒸发桶而形成温差，使蒸发桶得到额外的蒸发能量，蒸发面积扩大后，此影响将逐步削弱。

图1 实测和计算水面蒸发量对比Figure 1 Comparison of measured and calculated water surface evaporation

3.2 渗滤液水质对蒸发量的影响

为了研究纯水和渗滤液的水面蒸发量之间的差异，自2022 年3 月21 日至6 月30 日对纯水和渗滤液原液的水面蒸发量进行场内试验，两组蒸发量（ES表示渗滤液原液的水面蒸发量，mm/d；E1表示纯水的水面蒸发量，mm/d）数据的线性回归结果见图2。

图2 水和渗滤液原液的水面蒸发量线性回归分析Figure 2 Linear regression analysis of surface evaporation of water and leachate

回归方程为：

在95% 的置信区间内，系数的上下限范围为0.549～0.702，常量的上下限范围为0.693～2.379。显然，渗滤液原液蒸发量低于纯水，此现象符合拉乌尔定律（溶液的沸点上升与溶质的质量摩尔浓度成正比），潘松青等［17］实验研究渗滤液蒸发时也发现，当渗滤液加热到108 ℃以上时，才可收集到蒸发液。

为了进一步研究不同水质对蒸发量的影响，2022 年5 月11 日至6 月28 日，对纯水，纯渗滤液，渗滤液与纯水质量比为2∶1、1∶1 和1∶2 共5 种工况进行了试验并对每日的数据进行周平均，所得结果如图3 所示。渗滤液和纯水的蒸发量差异比较明显，渗滤液与纯水质量比为2∶1、1∶1、1∶2的蒸发量差距相对较小，可能是因为这3 种水质的COD 和电导率（表2）差异相对较小，因此对蒸发量的影响表现不明显；纯渗滤液、渗滤液与纯水质量比为2∶1、1∶1、1∶2 占水的水面蒸发量的比值范围分别为0.47～0.75、0.89～0.93、0.81～0.97 和0.84～0.98；可以看出，随着水质变差（有机物和盐分等浓度增加），渗滤液的水面蒸发量逐渐减少。

图3 不同水质的蒸发量数据对比Figure 3 Comparison of evaporation data of different water quality

3.3 水和渗滤液的土壤蒸发量结果分析

为了研究纯水和渗滤液的土壤蒸发量之间的差异，自2022 年4 月7 日至6 月30 日对纯水和渗滤液原液的土壤蒸发量进行场内试验，并将每日结果进行记录分析，得出如图4 所示的线性回归关系。回归方程为：

图4 水和渗滤液原液的土壤蒸发量线性回归分析Figure 4 Linear regression analysis of soil evaporation of water and leachate

式中：ES1为渗滤液的土壤蒸发量，mm/d；EW1为水的土壤蒸发量，mm/d。

在95% 的置信区间内，系数的上下限范围为0.186～0.318，常量的上下限范围为0.820～1.909。可以看出，渗滤液的土壤蒸发量与水的土壤蒸发量成正比（P＜0.001），即随着水的土壤蒸发量增大，渗滤液的土壤蒸发量也呈现增大的趋势。

3.4 不同灌溉强度下渗滤液的土壤蒸发量结果分析

2022 年4 月7 日至7 月13 日，对渗滤液灌溉至不同含水量（25%、20% 和15%）土壤的蒸发量和纯渗滤液的水面蒸发量进行试验对比，并对蒸发量数据进行了周平均处理，结果如图5 所示。

图5 不同灌溉强度下渗滤液的土壤蒸发量数据对比Figure 5 Comparison of soil evaporation data of leachate with different water contents

渗滤液和灌溉土壤后的蒸发量变化趋势为：渗滤液水面蒸发量明显大于灌溉土壤蒸发量，土壤蒸发量随含水量增加而增加。这是因为，含水量越高，土壤的导水率越高，土壤水分向上运移的吸力梯度越高；另一方面，土壤的含水量升高，土壤的水汽压也随之增高，与周边环境的压力梯度增大，从而使得蒸发量增高［18］。旱寒黄土区代表性的马兰黄土的液限为25.48%，因此，覆盖层含水量为25% 是渗滤液灌溉的最优含水量。对于不同含水量的土壤蒸发量来说，含水量越大，土壤蒸发量越大。

对渗滤液的水面蒸发量（ES）和含水量为25%的土壤蒸发量（ES1）进行线性回归（图6），回归方程为：

图6 渗滤液的水面蒸发量和土壤蒸发量（含水量25%）线性回归分析Figure 6 Linear regression analysis of water surface evaporation and soil evaporation （water content 25%）of leachate

在95% 的置信区间内，系数的上下限范围为0.029～0.212，常量的上下限范围为1.140～2.610。

3.5 应用展望

就本次试验所在的填埋场（皋兰县境内）而言，依据该县气象数据，第1 步由公式（2）计算水面蒸发量，第2 步由公式（3）计算渗滤液水面蒸发量，第3 步由公式（5）计算渗滤液灌溉蒸发量。公式（4）可通过水的土壤蒸发量计算出渗滤液灌溉蒸发量，作为校核使用。经过上述计算过程，得出全年的水面蒸发量为1 405.82 mm，渗滤液灌溉蒸发量为806.09 mm，单位面积黄土覆盖层全年可蒸发减量渗滤液约0.8 m3/m2。其中，2022 年4 月至6 月计算结果与现场测试结果的比较见图7。图7 表明，按公式（2）、公式（3）和公式（5）计算的渗滤液灌溉蒸发量与现场实测值具有可比性。

图7 渗滤液灌溉蒸发量计算值与实测值累计比较Figure 7 Cumulative comparison between calculated value and measured value of leachate irrigation evaporation

根据以上计算方法，可以获得填埋场渗滤液灌溉蒸发减量的最大潜力。在西北黄土区域的生活垃圾填埋场，可利用蒸发潜力，通过在覆盖层灌溉渗滤液，有望原位蒸发减量［19］。渗滤液灌溉的水力负荷可按采用当日预报气象参数计算的蒸发量确定，水力负荷大于10 cm 土层的液限水分时，应分次灌溉。若填埋场已配置生物-膜处理渗滤液处理设施，膜处理浓水可灌溉处理；因水分蒸发后，浓水中的盐分存留于覆盖层中，比之回灌入填埋垃圾体内，膜处理浓水灌溉的盐分累积效应更低。

4 结论

1）水面蒸发量主要与温度（T）、气压（P）、空气湿度（HUM）、风速（W）、降水量（R）和日照时长（S）相关，拟合方程为E1=12.529+0.256T-0.010P-0.062HUM+0.351W-0.007R+0.022S。

2）对渗滤液原液和纯水的水面蒸发量（分别用ES和E1表示）进行了线性回归分析，得出ES=0.624 6E1+1.550 2，R2=0.740 9；且随着渗滤液浓度增加，渗滤液的蒸发量变小。

3）对纯水和渗滤液原液的土壤蒸发量（分别用EW1和ES1表示）进行线性回归分析，得出回归方程为ES1=0.252 1EW1+1.364 3，R2=0.424 7。

4）渗滤液的水面蒸发量明显大于不同含水量的土壤蒸发量；对渗滤液原液的水面蒸发量（ES）和含水量为25% 的土壤蒸发量（ES1）进行线性回归分析，得出ES1=0.104 2ES+1.771 4；对于不同含水量的土壤蒸发量来说，含水量越大，土壤蒸发量越大。

5）依据试验所在地气象数据计算得全年水面蒸发量为1 405.82 mm，渗滤液灌溉蒸发量为806.09 mm，单位面积黄土覆盖层全年可蒸发减量渗滤液约0.8 m3/m2。在西北黄土区域的生活垃圾填埋场，可利用蒸发潜力，通过在覆盖层灌溉渗滤液，有望原位蒸发减量，达到减少渗滤液外排、甚至无外排的目的，从而极大地降低填埋场的运行成本。若填埋场已配置生物-膜处理渗滤液处理设施，膜处理浓水也可灌溉处理。