典型垃圾填埋场地下水化学类型的分析研究

汪 惠,郭宗会,杨在文,2,赵文楷,杨广焱

(1.四川省天晟源环保股份有限公司,四川 成都 610037;2.四川省地质矿产勘查开发局成都水文地质工程地质队,四川 成都 610032)

地下水作为我国重要的淡水资源,也是我国主要的战略储备水资源。随着地下水环境状况调查的开展,越来越多的地下水污染问题暴露于众,其中垃圾填埋场就是主要的污染源之一[1]。改革开放以来,我国对生活垃圾处置方式发生了多级转变,由原始的随意堆放到正规填埋,直至2021年,我国垃圾焚烧站数量首次超过卫生填埋场所数量,垃圾焚烧量为18 019.7万 t,填埋处置量为5 208.5万 t,焚烧量占无害化处置总量的72.55%,较2019年提升了21.85%[2-3]。但由于垃圾填埋场具有运行周期长、填埋量大、隐蔽性强等特点,易对周边土壤和地下水环境造成难以逆转污染[4-6],尤其是地下水环境[7]。但是目前更多的学者偏向研究非正规垃圾填埋场对周边地下水水质污染的研究[8-10],却少有从水化学类型上开展相关研究。本文采用数理统计、piper三线图解法、聚类分析法对长江上游某典型正规垃圾填埋场使用前后地下水化学类型的变化,为分析填埋场对地下水化学类型的影响提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于长江上游属侵蚀-剥蚀浅丘陵地貌区,距离长江直线距离约4 km,位于长江二级支流旁(图),属亚热带季风性湿润气候,年平均降雨量为1 081.6 mm。区内地层主要为第四系残坡积层覆盖(Q4el+dl),下伏基岩为侏罗系中下统自流井组(J1-2z)泥、页岩及砂岩。地下水类型主要为基岩(红层)风化孔隙裂隙水和层间裂隙水,以潜水为主,局部层间裂隙水具有微承压,补、径、排条件受降雨及地形影响较大,一般由坡顶向沟谷径流,剖面图如图1所示。

填埋场建于2001,并于2016年关停,占地约1 037亩,目前已填埋生活垃圾约1 100万 t。累计产生量渗滤液约550万 t。对周边人类活动影响较大。

图1 填埋场水文地质剖面图

图2 填埋场监测点位布设图

1.2 数据来源分析

1.2.1 现状水质数据

为开展此次研究,此次分别针对填埋区、渗滤液处理区下游设置地下水监测井,同时在填埋场上游设置地下水质现状对照点,如图中CJ08所示 ,监测井位置设置如图2所示。其中CJ01和CJ02位于填埋场渗滤液出口附近,其中CJ02距离渗滤液出口更近,可有效监测填埋场渗滤液渗漏情况;CJ03～CJ05为渗滤液收集池及处置区下游和侧向扩散监测点;CJ07位于整个填埋场下游,观测下游水质变化情况。分别对上述监测点的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-、HCO3-、Cl-采用《生活饮用水标准检验方法》、《水和废水监测分析方法》进行监测,同时监测pH、TDS、NH4+等填埋场特征指标。

1.2.2 历史水质数据

为对比填埋场运行前后对地下水化学组分产生的影响,此次收集填埋场建设前开展水文地质勘察时的地下水水质监测数据,历史数据位于填埋场规划区内,且均为侏罗系自流井组红层砂岩风化裂隙水,与现状水质数据属同一水位地质单元。

1.3 数据处理与分析

对现状水质数据和采历史水质数据采用Microsoft Excel整合处理后,将已整合的数据导入AqQA软件[11-12]中绘制Piper三线图和离子含量变化图。同时将数据导入spss26中开展离子含量组分分析[13],并根据各监测点之间离子含量的亲疏关系开展聚类分析,最终将相似强的要素划为一类,差异性大的要素划为不同类。

2 结果与分析

2.1 水化学指标分布特征

通过分析研究区内水化学指标组分变化情况,统计结果如表1所示,整体上变异系数在0.041～2.272之间,变异系数由大到小分别为NH4+>SO42-> Cl-> K+>1.0>TDS> HCO3-> Ca2+> Mg2+>Na+> pH;其中NH4+变异系数最大,pH变异系数最小,变异系数越大,说明受垃圾填埋场的影响较大,随后期填埋场的使用运行,地下水中离子含量易产生变化。通过对单指标分析结果可见矿化度(TDS)分布在299～1 173 mg/L之间,仅填埋场下方CJ02号孔矿化度超地下水质量标准III类水质标准,其余均小于1 000 mg/L;NH4+含量在0～28.7 mg/L之间,平均值3.894 mg/L,中位数0.16 mg/L,整体含量偏高;Cl-含量9.41～557 mg/L之间,平均值132.594 mg/L,中位数29.140 mg/L,变异系数1.365,整体含量偏高,且受垃圾填埋场的影响较大。

表1 研究区水化学组分统计表

通过分析不同点位化学组分的变化情况,绘制离子组分变化折线图如图3所示,根据折线图可见,TDS、Ca2+、HCO3-、NH4+、Cl-在CJ02、CJ06号点处明显增高,SO42-历史背景值较高,填埋场运行后含量降低并区域稳定,与上述离子数理统计结果基本一致。根据图2可见,CJ02位于填埋区下游较近处,CJ06位于渗滤液处理区下游,均可能主要受渗滤液渗漏迁移变化影响。

2.2 水化学类型分析

地下水化学类型是反应地下水中化学成分的直接体现,根据水化学类型的不同可以初步推测地下水的来源和成因,根据研究区各点位的水化学组分含量,采用AqQA软件绘制piper三线图如图4所示。由图4可知,阳离子主要集中在左下角,以Ca2+和Na++K+为主,仅历史背景点中Mg2+含量百分比相对大于25%;历史数据的阴离子主要以SO42 -为主,水化学类型以SO4·HCO3-Ca·Mg型水为主;现状数据的阴离子主要以HCO3-为主,其中位于下游的点位中Cl-含量较高,地下水水化学类型主要以Cl·HCO3-Ca(·Na)、HCO3-Ca(·Na)、HCO3·Cl-Ca为主。地下水水化学类型与离子相对含量组分密切相关,也导致了地下水化学类型的多样性,但对比历史水化学类型和现状水化学类型明显可见地下水中Cl-含量明显增大,受农业面源和人类生活的影响较大;对比填埋场上游点位和下游点位离子组分含量关系可见,阳离子变化较小,阴离子上游以HCO3-为主,下游点位均表现为Cl-含量不同程度的升高。

图3 研究区点位离子含量变化图折线图

图4 研究区水化学类型piper三线图

聚类分析主要用来反映个体之间的差异性,对研究区地下水中的离子组分开展系统聚类分析,通过选择组间联接的聚类方法、欧氏距离的度量标准绘制聚类分析谱系图如图5所示。根据研究区特征,设置9作为参考线,将数据类型分为4类,即①CJ03～CJ08;②ZK19、ZK21及ZK22;③CJ01;④CJ02。该分类结果也充分展现了地下水采样点的时空变化关系。

图5 研究区地下水谱系图

3 讨论

由于地下水中水化学离子组分来源与含水层岩性、人类活动息息相关,根据上述piper三线图及谱系图,可将研究区内地下水中化学离子来源开展如下讨论:①对比历史数据(ZK19、ZK21、ZK22)与现状数据(CJ01～CJ08)之间的关系可知,现状数据中Mg2+及SO42-含量百分比明显减少,取而代之的为Ca2+、HCO3-、Cl-等,离子来源可能为含水层溶滤、农业面源、填埋场渗滤液;②对比上游背景点(CJ08)和下游扩散点(CJ01～CJ07)可见,离填埋场或渗滤液收集处置区越近,表现为Cl-含量的明显增高,可见Cl-来源主要为后期填埋场的影响。

4 结语

本研究以某正规垃圾填埋场为例,选取研究区历史和现状水质数据,对地下水中7大离子及主要的pH、TDS、NH4+等采用数理统计、piper三线图、聚类分析等方法进行对比分析,分析出地下水水化学离子组分的主要来源及时空变化关系。

(1)通过统计地下水水中水化学组分,变异系数在0.041～2.272之间,由大到小分别为NH4+>SO42-> Cl-> K+>TDS> HCO3-> Ca2+> Mg2+>Na+>pH,且NH4+、SO42-、Cl-、K+变异系数均大于1,分布较为不均。

(2)对研究区地下水水化学类型进行分析,其中历史背景点地下水化学类型以SO4·HCO3-Ca·Mg型水为主,现状数据中地下水化学类型以Cl·HCO3-Ca(·Na)、HCO3-Ca(·Na)、HCO3·Cl-Ca为主。

(3)对研究区历史数据和现状数据进行系统聚类分析,可将其分为4类,大致归纳为填埋区下游2类、渗滤液处理区下游及历史背景点。

(4)对比历史背景点和填埋场上下游背景点可见,填埋场对地下水中Cl-贡献较大,整体表现为距离填埋区或渗滤液处置区越近,Cl-含量越高;Ca2+和HCO3-可能受地层岩性影响。