汪 惠,郭宗會,楊在文,2,趙文楷,楊廣焱

(1.四川省天晟源環(huán)保股份有限公司,四川 成都 610037;2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊,四川 成都 610032)

地下水作為我國重要的淡水資源,也是我國主要的戰(zhàn)略儲備水資源。隨著地下水環(huán)境狀況調(diào)查的開展,越來越多的地下水污染問題暴露于眾,其中垃圾填埋場就是主要的污染源之一[1]。改革開放以來,我國對生活垃圾處置方式發(fā)生了多級轉(zhuǎn)變,由原始的隨意堆放到正規(guī)填埋,直至2021年,我國垃圾焚燒站數(shù)量首次超過衛(wèi)生填埋場所數(shù)量,垃圾焚燒量為18 019.7萬 t,填埋處置量為5 208.5萬 t,焚燒量占無害化處置總量的72.55%,較2019年提升了21.85%[2-3]。但由于垃圾填埋場具有運行周期長、填埋量大、隱蔽性強等特點,易對周邊土壤和地下水環(huán)境造成難以逆轉(zhuǎn)污染[4-6],尤其是地下水環(huán)境[7]。但是目前更多的學者偏向研究非正規(guī)垃圾填埋場對周邊地下水水質(zhì)污染的研究[8-10],卻少有從水化學類型上開展相關(guān)研究。本文采用數(shù)理統(tǒng)計、piper三線圖解法、聚類分析法對長江上游某典型正規(guī)垃圾填埋場使用前后地下水化學類型的變化,為分析填埋場對地下水化學類型的影響提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長江上游屬侵蝕-剝蝕淺丘陵地貌區(qū),距離長江直線距離約4 km,位于長江二級支流旁(圖),屬亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均降雨量為1 081.6 mm。區(qū)內(nèi)地層主要為第四系殘坡積層覆蓋(Q4el+dl),下伏基巖為侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J1-2z)泥、頁巖及砂巖。地下水類型主要為基巖(紅層)風化孔隙裂隙水和層間裂隙水,以潛水為主,局部層間裂隙水具有微承壓,補、徑、排條件受降雨及地形影響較大,一般由坡頂向溝谷徑流,剖面圖如圖1所示。

填埋場建于2001,并于2016年關(guān)停,占地約1 037畝,目前已填埋生活垃圾約1 100萬 t。累計產(chǎn)生量滲濾液約550萬 t。對周邊人類活動影響較大。

圖1 填埋場水文地質(zhì)剖面圖

圖2 填埋場監(jiān)測點位布設圖

1.2 數(shù)據(jù)來源分析

1.2.1 現(xiàn)狀水質(zhì)數(shù)據(jù)

為開展此次研究,此次分別針對填埋區(qū)、滲濾液處理區(qū)下游設置地下水監(jiān)測井,同時在填埋場上游設置地下水質(zhì)現(xiàn)狀對照點,如圖中CJ08所示 ,監(jiān)測井位置設置如圖2所示。其中CJ01和CJ02位于填埋場滲濾液出口附近,其中CJ02距離滲濾液出口更近,可有效監(jiān)測填埋場滲濾液滲漏情況;CJ03～CJ05為滲濾液收集池及處置區(qū)下游和側(cè)向擴散監(jiān)測點;CJ07位于整個填埋場下游,觀測下游水質(zhì)變化情況。分別對上述監(jiān)測點的K++Na+、Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-、HCO3-、Cl-采用《生活飲用水標準檢驗方法》、《水和廢水監(jiān)測分析方法》進行監(jiān)測,同時監(jiān)測pH、TDS、NH4+等填埋場特征指標。

1.2.2 歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)

為對比填埋場運行前后對地下水化學組分產(chǎn)生的影響,此次收集填埋場建設前開展水文地質(zhì)勘察時的地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),歷史數(shù)據(jù)位于填埋場規(guī)劃區(qū)內(nèi),且均為侏羅系自流井組紅層砂巖風化裂隙水,與現(xiàn)狀水質(zhì)數(shù)據(jù)屬同一水位地質(zhì)單元。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

對現(xiàn)狀水質(zhì)數(shù)據(jù)和采歷史水質(zhì)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel整合處理后,將已整合的數(shù)據(jù)導入AqQA軟件[11-12]中繪制Piper三線圖和離子含量變化圖。同時將數(shù)據(jù)導入spss26中開展離子含量組分分析[13],并根據(jù)各監(jiān)測點之間離子含量的親疏關(guān)系開展聚類分析,最終將相似強的要素劃為一類,差異性大的要素劃為不同類。

2 結(jié)果與分析

2.1 水化學指標分布特征

通過分析研究區(qū)內(nèi)水化學指標組分變化情況,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示,整體上變異系數(shù)在0.041～2.272之間,變異系數(shù)由大到小分別為NH4+>SO42-> Cl-> K+>1.0>TDS> HCO3-> Ca2+> Mg2+>Na+> pH;其中NH4+變異系數(shù)最大,pH變異系數(shù)最小,變異系數(shù)越大,說明受垃圾填埋場的影響較大,隨后期填埋場的使用運行,地下水中離子含量易產(chǎn)生變化。通過對單指標分析結(jié)果可見礦化度(TDS)分布在299～1 173 mg/L之間,僅填埋場下方CJ02號孔礦化度超地下水質(zhì)量標準III類水質(zhì)標準,其余均小于1 000 mg/L;NH4+含量在0～28.7 mg/L之間,平均值3.894 mg/L,中位數(shù)0.16 mg/L,整體含量偏高;Cl-含量9.41～557 mg/L之間,平均值132.594 mg/L,中位數(shù)29.140 mg/L,變異系數(shù)1.365,整體含量偏高,且受垃圾填埋場的影響較大。

表1 研究區(qū)水化學組分統(tǒng)計表

通過分析不同點位化學組分的變化情況,繪制離子組分變化折線圖如圖3所示,根據(jù)折線圖可見,TDS、Ca2+、HCO3-、NH4+、Cl-在CJ02、CJ06號點處明顯增高,SO42-歷史背景值較高,填埋場運行后含量降低并區(qū)域穩(wěn)定,與上述離子數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果基本一致。根據(jù)圖2可見,CJ02位于填埋區(qū)下游較近處,CJ06位于滲濾液處理區(qū)下游,均可能主要受滲濾液滲漏遷移變化影響。

2.2 水化學類型分析

地下水化學類型是反應地下水中化學成分的直接體現(xiàn),根據(jù)水化學類型的不同可以初步推測地下水的來源和成因,根據(jù)研究區(qū)各點位的水化學組分含量,采用AqQA軟件繪制piper三線圖如圖4所示。由圖4可知,陽離子主要集中在左下角,以Ca2+和Na++K+為主,僅歷史背景點中Mg2+含量百分比相對大于25%;歷史數(shù)據(jù)的陰離子主要以SO42 -為主,水化學類型以SO4·HCO3-Ca·Mg型水為主;現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的陰離子主要以HCO3-為主,其中位于下游的點位中Cl-含量較高,地下水水化學類型主要以Cl·HCO3-Ca(·Na)、HCO3-Ca(·Na)、HCO3·Cl-Ca為主。地下水水化學類型與離子相對含量組分密切相關(guān),也導致了地下水化學類型的多樣性,但對比歷史水化學類型和現(xiàn)狀水化學類型明顯可見地下水中Cl-含量明顯增大,受農(nóng)業(yè)面源和人類生活的影響較大;對比填埋場上游點位和下游點位離子組分含量關(guān)系可見,陽離子變化較小,陰離子上游以HCO3-為主,下游點位均表現(xiàn)為Cl-含量不同程度的升高。

圖3 研究區(qū)點位離子含量變化圖折線圖

圖4 研究區(qū)水化學類型piper三線圖

聚類分析主要用來反映個體之間的差異性,對研究區(qū)地下水中的離子組分開展系統(tǒng)聚類分析,通過選擇組間聯(lián)接的聚類方法、歐氏距離的度量標準繪制聚類分析譜系圖如圖5所示。根據(jù)研究區(qū)特征,設置9作為參考線,將數(shù)據(jù)類型分為4類,即①CJ03～CJ08;②ZK19、ZK21及ZK22;③CJ01;④CJ02。該分類結(jié)果也充分展現(xiàn)了地下水采樣點的時空變化關(guān)系。

圖5 研究區(qū)地下水譜系圖

3 討論

由于地下水中水化學離子組分來源與含水層巖性、人類活動息息相關(guān),根據(jù)上述piper三線圖及譜系圖,可將研究區(qū)內(nèi)地下水中化學離子來源開展如下討論:①對比歷史數(shù)據(jù)(ZK19、ZK21、ZK22)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(CJ01～CJ08)之間的關(guān)系可知,現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中Mg2+及SO42-含量百分比明顯減少,取而代之的為Ca2+、HCO3-、Cl-等,離子來源可能為含水層溶濾、農(nóng)業(yè)面源、填埋場滲濾液;②對比上游背景點(CJ08)和下游擴散點(CJ01～CJ07)可見,離填埋場或滲濾液收集處置區(qū)越近,表現(xiàn)為Cl-含量的明顯增高,可見Cl-來源主要為后期填埋場的影響。

4 結(jié)語

本研究以某正規(guī)垃圾填埋場為例,選取研究區(qū)歷史和現(xiàn)狀水質(zhì)數(shù)據(jù),對地下水中7大離子及主要的pH、TDS、NH4+等采用數(shù)理統(tǒng)計、piper三線圖、聚類分析等方法進行對比分析,分析出地下水水化學離子組分的主要來源及時空變化關(guān)系。

(1)通過統(tǒng)計地下水水中水化學組分,變異系數(shù)在0.041～2.272之間,由大到小分別為NH4+>SO42-> Cl-> K+>TDS> HCO3-> Ca2+> Mg2+>Na+>pH,且NH4+、SO42-、Cl-、K+變異系數(shù)均大于1,分布較為不均。

(2)對研究區(qū)地下水水化學類型進行分析,其中歷史背景點地下水化學類型以SO4·HCO3-Ca·Mg型水為主,現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中地下水化學類型以Cl·HCO3-Ca(·Na)、HCO3-Ca(·Na)、HCO3·Cl-Ca為主。

(3)對研究區(qū)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類分析,可將其分為4類,大致歸納為填埋區(qū)下游2類、滲濾液處理區(qū)下游及歷史背景點。

(4)對比歷史背景點和填埋場上下游背景點可見,填埋場對地下水中Cl-貢獻較大,整體表現(xiàn)為距離填埋區(qū)或滲濾液處置區(qū)越近,Cl-含量越高;Ca2+和HCO3-可能受地層巖性影響。