Hydrogeological classification of municipal solid waste landfill sites in China and correlation with groundwater contaminant migration

Abstract

Tens of thousands of municipal solid waste (MSW) landfill sites worldwide hold a high risk of contaminating groundwater. This study aimed to establish a practical hydrogeological classification system for MSW landfill sites and explores the correlation between the classification and the risk of groundwater contamination. Hydrogeological information and groundwater contamination data from 80 MSW landfill sites in China were collected and analyzed, and a general hydrogeological model was proposed. The key hydrogeological parameters in the model were identified and analyzed, including the relative depth to the water table, the ratio of the length of the MSW site’s recharge boundary to the combined length of the discharge boundary and hydrobalance boundary, the hydraulic conductivity of the bearing layer, and the background hydraulic gradient. On the basis of the general model, hydrogeological conditions at the landfill sites were categorized into seven subtypes. By using chloride, ammoniacal nitrogen and chemical oxygen demand as the characteristic contaminants, the migration features of groundwater contaminants within the seven subtypes of landfill sites were revealed. It was found that the maximum contaminant migration distance could be 2,000 and 300 m at the landfill sites with ‘plain and intensive runoff’ type and ‘valley and weak runoff’ type, respectively, and the corresponding concentration gradients of the characteristic contaminants were less than 10 mg/(L × m) and greater than 10 mg/(L × m). This work provides a guide for implementing cost-effective site investigation and environmental risk management at landfill sites with different types of hydrogeological conditions.

Résumé

Des dizaines de milliers de sites de dépôts de déchets solides municipaux (MSW) dans le monde ont un haut risque de contaminer les eaux souterraines. Cette étude a pour objectif d’établir un système pratique de classification hydrogéologique des sites de dépôts de MSW et d’explorer la corrélation entre cette classification et le risque de contamination des eaux souterraines. Les informations hydrogéologiques et données de contamination des eaux souterraines de 80 sites de dépôts de MSW en Chine ont été collectées et analysées et un modèle hydrogéologique général a été proposé. Les paramètres hydrogéologiques clés du modèle ont été identifiés et analysés, notamment la profondeur relative de la nappe phréatique, le rapport entre la longueur de la limite de recharge des sites de MSW et la longueur combinée de la limite de décharge et de la limite d'équilibre hydrologique, la conductivité hydraulique de la couche portante et le gradient hydraulique de fond. Sur la base du modèle général, les conditions hydrogéologiques des sites de dépôts ont été catégorisées en sept sous-types. En considérant le chlorure, l’ammonium et la demande chimique en oxygène comme caractéristiques des contaminations, les schémas de migration des contaminants des eaux souterraines pour les sept sous-types ont été déterminés. Il a été montré que la distance maximum de migration des contaminants peut-être de 2000 m et 300 m du site de dépôts respectivement pour le type “ruissellement intensif de plaine” et le type “ruissellement faible de vallée” et le gradient de concentration des contaminants caractéristiques est inférieur à 10 mg/( L × m) et supérieur à 10 mg/( L × m). Ce travail fournit un guide pour la mise en œuvre d'une investigation rentable et d'une gestion des risques environnementaux sur les sites de décharge présentant différents types de conditions hydrogéologiques.

Resumen

Decenas de miles de vertederos de residuos sólidos urbanos (MSW) de todo el mundo presentan un alto riesgo de contaminación de las aguas subterráneas. El objetivo de este estudio es definir un sistema práctico de clasificación hidrogeológica de los vertederos de MSW y estudiar la correlación entre la clasificación y el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas. Se recopiló y analizó información hidrogeológica y datos de contaminación de aguas subterráneas de 80 vertederos de MSW de China, y se propuso un modelo hidrogeológico general. Se identificaron y analizaron los parámetros hidrogeológicos clave del modelo, incluida la profundidad relativa a la capa freática, la relación entre la longitud del límite de recarga del vertedero de MSW y la longitud combinada del límite de descarga y el límite de balance hídrico, la conductividad hidráulica de la capa portante y el gradiente hídrico de fondo. Sobre la base del modelo general, las condiciones hidrogeológicas de los vertederos se clasificaron en siete subtipos. Utilizando el cloruro, el nitrógeno amoniacal y la demanda química de oxígeno como contaminantes característicos, se revelaron las características de migración de los contaminantes de las aguas subterráneas dentro de los siete subtipos de vertederos. Se descubrió que la distancia máxima de migración de contaminantes podía ser de 2000 m y 300 m en los vertederos de tipo “llanura y escorrentía intensiva” y “valle y escorrentía débil”, respectivamente, y los gradientes de concentración correspondientes de los contaminantes característicos eran inferiores a 10 mg/(L × m) y superiores a 10 mg/(L × m). Este trabajo proporciona una guía para llevar a cabo una investigación rentable del emplazamiento y una gestión del riesgo medioambiental en vertederos con diferentes tipos de condiciones hidrogeológicas.

摘要

全世界数以万计的生活垃圾(MSW)填埋场是污染地下水的高风险源。本研究旨在为MSW填埋场地建立一个实用的水文地质分类系统，并探讨该分类与地下水污染风险之间的关联性。收集并分析了中国80个MSW填埋场地的水文地质信息和地下水污染数据，并提出了一个通用的水文地质模型。确定并分析了模型中的关键水文地质参数，包括潜水位相对埋深、堆体补给边界长度与排泄边界加和水力平衡边界长度之比、堆体下游下卧层的渗透系数和堆体上游背景地下水水力坡度。在一般模型的基础上，垃圾填埋场地的水文地质条件被分为七个子类型。选取氯化物、氨氮和化学需氧量作为特征污染物，揭示了地下水污染物在填埋场地七个亚类型中的迁移特征。研究发现，在 “平原-强径流 ”型和“山谷-弱径流”型的垃圾填埋场地，污染物的最大迁移距离分别为2000 m和300 m，相应的特征污染物的浓度梯度绝对值分别小于10 mg/(L × m)和大于10 mg/(L × m)。这项工作为在具有不同类型水文地质条件的垃圾填埋场地实施经济有效的场地调查和环境风险管理提供了指导。

Resumo

Dezenas de milhares de aterros municipais de resíduos sólidos (MRS) no mundo representam alto risco de contaminação das águas subterrâneas. Este estudo visou estabelecer um sistema prático de classificação hidrogeológica para aterros MRS e explora a correlação entre a classificação e o risco de contaminação da água subterrânea. Informações hidrogeológicas e dados de contaminação de águas subterrâneas de 80 aterros MRS na China foram coletados e analisados, e um modelo hidrogeológico geral foi proposto. Os parâmetros hidrogeológicos chave no modelo foram identificados e analisados, incluindo a profundidade relativa do nível d’água, a razão do comprimento do limite da zona de recarga com o comprimento combinado da zona de recarga e de hidrobalanço, condutividade hidráulica da camada aquífera, e o gradiente hidráulico histórico. Com base no modelo geral, as condições hidrogeológicas dos aterros foram categorizadas em sete subtipos. Usando cloreto, nitrogênio amoniacal e demanda química de oxigênio como característicos da contaminação, os aspectos dos contaminantes nas águas subterrâneas dos sete subtipos de aterros foram revelados. Verificou-se que a distância máxima de migração de contaminantes poderia ser de 2000 m e 300 m nos aterros do tipo “escoamento simples e intensivo” e do tipo “vale e escoamento fraco”, respectivamente, e os gradientes de concentração correspondentes dos contaminantes característicos eram inferiores a 10 mg/(L × m) e superiores a 10 mg/(L × m). Este trabalho fornece um guia para a implementação de investigação local econômica e gestão de riscos ambientais em aterros com diferentes tipos de condições hidrogeológicas.

Appendix

Abbreviations and notation

MWS	Municipal solid waste
HCA	Hierarchical clustering analysis
P-IR	Plain type and intensive runoff
P-WR	Plain type and weak runoff
P-QH	Plain type and quasi-hydrostatic
T-IR	Terrace type and intensive runoff
T-WR	Terrace type and weak runoff
V-IR	Valley type and intensive runoff
V-WR	Valley type and weak runoff
Cl	Chloride
NH	Ammoniacal nitrogen
CODCr	Chemical oxygen demand
α	General slope of outer surface around the waste pile
d	Distance from boundary of the waste pile
C 0, Cm	Average contaminant concentration in leachate, and in groundwater at outer surface of the contamination plume
K	Hydraulic conductivity
I	Hydraulic gradient
L, Lm	Migration distance of the analyzed groundwater contaminant with the specified concentration, the furthest L away from the waste-pile boundary
G m	Negative gradient of contaminant concentration in the Lm range
R r/d	The ratio of length of the MSW site’s recharge boundary to the combined length of the discharge boundary and hydrobalance boundary
D r	Relative depth of the water table at the landfill site