譚 磊，張平松，陳興海，張成乾

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

并行電法在垃圾滲濾液污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

譚 磊，張平松，陳興海，張成乾

(安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001)

為了查明垃圾滲濾液浸染土壤的污染范圍、程度及擴(kuò)散實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況，利用并行電法系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)滲濾液浸染模型開(kāi)展測(cè)試工作。根據(jù)垂向和面上兩種擴(kuò)散形式，采用不同布置方式，分別得到三維反演立體電阻率值和電極電流變化曲線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，三維立體成像和不同時(shí)刻電極電流變化趨勢(shì)兩者結(jié)合使用，可圈定滲濾液浸潤(rùn)垂向和面上擴(kuò)散特征，具有時(shí)空控制的全面性。此項(xiàng)技術(shù)可為實(shí)地污染區(qū)的探測(cè)提供技術(shù)支撐。

垃圾滲濾液;并行電法;動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);試驗(yàn)

收稿日期: 2013-12-10
第一作者簡(jiǎn)介:譚 磊( 1988-)，男，安徽省亳州人，碩士，研究方向:地質(zhì)工程勘探，E-mail: ltan126@126．com。

垃圾滲濾液是一種成分多樣、水質(zhì)復(fù)雜、污染性很強(qiáng)的高濃度廢水。如若處理不善，將會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生二次污染的惡劣后果[1-2]，土壤、植被、地表水、地下水、生態(tài)環(huán)境甚至人類的身體健康都會(huì)遭受其直接或間接的損害，必須引起足夠的重視[3-7]。因此，《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)( GB16889-2008)》中明確規(guī)定，需對(duì)填埋場(chǎng)中產(chǎn)生的垃圾滲濾液定期檢測(cè)。當(dāng)前，間接測(cè)試手段主要借助物探方法中的同位素示蹤法、地溫法、地震波法、測(cè)井法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)和高密度電法等。其中，高密度電法是環(huán)境檢測(cè)和城市垃圾調(diào)查中的一種重要物探手段[8-11]，而采用擬地震化開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作的并行電法技術(shù)，幾乎沒(méi)有應(yīng)用到這領(lǐng)域。

1并行電法測(cè)試技術(shù)

1. 1 測(cè)試地球物理基礎(chǔ)

電法勘探是以巖土體電學(xué)性質(zhì)的差異為基礎(chǔ)，通過(guò)查找異常體的位置、形態(tài)、埋深及規(guī)模來(lái)定位空間參數(shù)，服務(wù)于工程地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)和環(huán)境污染治理等領(lǐng)域。城市生活垃圾填埋場(chǎng)中的滲濾液，主要成分為以陰、陽(yáng)離子形式存在的無(wú)機(jī)物質(zhì)，電化學(xué)性質(zhì)比較活潑，易于土壤發(fā)生復(fù)雜的系列反應(yīng)，進(jìn)而改變了原土壤介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)。由此，打破了原有土壤在垂向和橫向上電性的穩(wěn)定性、規(guī)律性與漸變性，與周圍原土體的電學(xué)性質(zhì)差異明顯，具體表現(xiàn)為電阻率值相對(duì)較低。另外，滲濾液中含量相對(duì)較少的有機(jī)物，電學(xué)性質(zhì)較多變。其中難溶于水的表現(xiàn)出成層現(xiàn)象，互溶且具有活性的有機(jī)物質(zhì)也可引起土壤電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。表1列舉了幾種常見(jiàn)的介質(zhì)電阻率值，可見(jiàn)受污染后的介質(zhì)與正常介質(zhì)電性差異顯著，這是進(jìn)行電法測(cè)試的前提條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。

表1常見(jiàn)介質(zhì)電阻率值Table 1 Resistivity values of common medium

1. 2 并行電法探測(cè)技術(shù)

并行電法由高密度電法數(shù)據(jù)采集技術(shù)的改進(jìn)而形成的。它既可完成傳統(tǒng)電法的各種測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采集，也能極大的提高野外勘探的效率。龐大高效、豐富的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理是該系統(tǒng)的核心。并行電法儀依數(shù)據(jù)采集方式的差異，可劃分為AM法和ABM法兩種。AM法所采集的電位為單點(diǎn)電源供電下的電場(chǎng)，此種方式與傳統(tǒng)二極法基本無(wú)異?，F(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)供電電極B和公共電極N都置于無(wú)窮遠(yuǎn)處，作為電位的參照標(biāo)準(zhǔn)。位于測(cè)線上的任何一個(gè)電極供電時(shí)，剩余電極同時(shí)在并行采集電位數(shù)據(jù)。只需一次測(cè)量，AM法所采集得到的數(shù)據(jù)，完全可以實(shí)現(xiàn)二極、三極等裝置的數(shù)據(jù)處理及反演，并可滿足常規(guī)高密度電法勘探中的二極法，溫納三極A、B等裝置類型的數(shù)據(jù)采集需求。ABM法采集數(shù)據(jù)所反映的是偶極子供電情況，測(cè)線上兩點(diǎn)A和B為供電電源，現(xiàn)場(chǎng)把公用N極置于無(wú)窮遠(yuǎn)，作為電位的參照標(biāo)準(zhǔn)，其他電極為測(cè)量電極M，測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有空閑電極存在，一次測(cè)量結(jié)束后可實(shí)現(xiàn)高密度電法勘探中的各類四極裝置反演數(shù)據(jù)的需求，極大地提高了采集效率。

AM法采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一次場(chǎng)解編處理后，可以提取所有電極的供電電流。當(dāng)供電電壓一定時(shí)，供電電流的大小與接地電阻相關(guān)[12]，間接指示出地下介質(zhì)電阻率的變化情況。單點(diǎn)電源供電情況下，供電電壓與電流符合歐姆定律:

式中，R——接地電阻。

因電極電阻相比于地下介質(zhì)阻值極小，即R可近似看作為地下介質(zhì)電阻

式中: a——供電電極的半徑。

采用并行電法探測(cè)系統(tǒng)，可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)立體化布置，采集不同時(shí)刻滲濾液的電阻率影響值，進(jìn)一步反演其三維立體電阻率值，對(duì)滲濾液流動(dòng)變化范圍進(jìn)行追蹤。其中電法三維反演數(shù)據(jù)的表達(dá)式:

式中: G——Jacobi矩陣;

Δd——觀測(cè)數(shù)據(jù)d1和正演理論計(jì)算值d2之間的殘差向量;

Δm——初始模型m的修改向量。

因式( 3)參數(shù)太多，常采用基于平滑約束的最小二乘法，反演的到穩(wěn)定性較高的光滑模型。此種方式求解Δm的算法為

式中: C——模型光滑矩陣;

λ——阻尼因子。

通過(guò)求解Jacobi矩陣及大型矩陣逆的計(jì)算，來(lái)求取各三維網(wǎng)格的電性數(shù)據(jù)。

并行電法采集的數(shù)據(jù)為電場(chǎng)空間綜合作用的參數(shù)值，即獲得各個(gè)電極的供電電流值。自然電場(chǎng)、一次場(chǎng)、二次場(chǎng)測(cè)量值，可通過(guò)三維電法反演軟件反映地質(zhì)體三維電阻率的空間分布[13]。并行電法具有同步并行數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，避免了常規(guī)電法不同時(shí)間采集數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，確保電極接地條件的穩(wěn)定性。

2 探測(cè)實(shí)驗(yàn)

2. 1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)物理模擬的相似性原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的介質(zhì)情況，現(xiàn)采用礦化質(zhì)量濃度為0. 5 g/L的NaCl溶液模擬垃圾滲流濾液，與土壤的電阻率值差異為20～40 Ω·m，基本與實(shí)際無(wú)機(jī)滲濾液污染區(qū)電性差異相符。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇在土壤成分較均勻的寬闊草地，在實(shí)驗(yàn)區(qū)開(kāi)挖一個(gè)直徑60 cm、深度100 cm的圓柱形洞體作為垃圾掩埋場(chǎng)所。

面上擴(kuò)散特征的研究采用類似電法超前探系統(tǒng)[14]布置方式，即各電極呈線性排列，可疑異常體位于測(cè)線正前方。實(shí)驗(yàn)采用自制的銅電極，橫截面積為0. 5 mm2，共布置38個(gè)電極，電極埋深0. 5 cm左右。測(cè)線上共布置24個(gè)電極，其1號(hào)電極距洞體水平距離為20 cm，電極間距為10 cm。垂向擴(kuò)散特征的研究采用并行三維電法技術(shù)[15]，觀測(cè)電阻率在立體反演圖垂向變化的情況。觀測(cè)系統(tǒng)一般是圍繞可疑異常體周圍布置電極，利用并行電法系統(tǒng)展開(kāi)工作。測(cè)試系統(tǒng)采用半包圍“U”形式布置，即1號(hào)作為起點(diǎn)( 0，0)，38號(hào)電極為尾點(diǎn)( 0，2. 1)，16號(hào)(-4. 5，0)，23號(hào)(-4. 5，2. 1)號(hào)分別為“U”形的端點(diǎn)，電極間距為30 cm。A洞體距16～23號(hào)電極測(cè)線的垂直距離為130 cm(見(jiàn)圖1)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試布置Fig．1 Layout of field test

2. 2 數(shù)據(jù)采集

將配制好的NaCl溶液勻速加入圓洞，數(shù)據(jù)采樣過(guò)程中始終保持圓洞內(nèi)溶液充滿、流速的穩(wěn)定性，模擬各個(gè)方向溶液滲入的分布特征。其中，“U”形三維測(cè)量時(shí)采用并行電法系統(tǒng)的ABM法采集方式，供電電壓為12 V，采樣時(shí)間為0. 2 s，采樣間隔為100 ms，供電方式為單正法，一組數(shù)據(jù)采集完成共歷時(shí)約7 min。每隔0. 5 h采集一次，共獲得7組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

線性排列方式采集時(shí)采用并行電法AM法數(shù)據(jù)采集方式。采樣時(shí)間為0. 5 s，采樣間隔為50 ms，一組數(shù)據(jù)采集完成需要約40 s。每隔0. 5 h采集一次，共得到12組數(shù)據(jù)。供電電極B極置于100 m處。

3結(jié)果與分析

3. 1 面上擴(kuò)散特征

現(xiàn)場(chǎng)采用線性排列方式布置測(cè)試系統(tǒng)，觀測(cè)滲濾液在多個(gè)時(shí)刻的擴(kuò)散特征。土壤中的垃圾滲流液向外浸染的過(guò)程中，地下介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，預(yù)先安放在地面的電極會(huì)對(duì)其產(chǎn)生響應(yīng)，表現(xiàn)為電性參數(shù)的突變。此次實(shí)驗(yàn)供電電壓基本穩(wěn)定，引起供電電流變化的原因主要為滲濾液浸潤(rùn)土壤所致[16]。將排列測(cè)線數(shù)據(jù)利用WBD軟件解編，提取不同時(shí)刻電極的一次場(chǎng)電流，得到電流與時(shí)間的單因子變量關(guān)系(見(jiàn)圖2)。

圖2 1～24號(hào)電極不同時(shí)刻電流變化Fig．2 Electric current of 1-24 electrodes at different times

由圖2可見(jiàn)，背景電流總體在40～55 mA范圍內(nèi)，后期測(cè)試電流數(shù)據(jù)整體分布于60～70 mA之間，可明顯看到在不同時(shí)刻的跳躍情況?？傮w趨勢(shì)電流先升高，后基本保持穩(wěn)定。7、19和24號(hào)電極電流在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變化不大，可能與電極的接地不良有關(guān)。

1～3號(hào)電極在注水后0. 5 h間隔內(nèi)，電流強(qiáng)度數(shù)值突然升高，說(shuō)明了污染液可能浸潤(rùn)到這些區(qū)域，沿測(cè)線方向有50 cm左右。

在0. 5～1. 0 h時(shí)，4～6號(hào)電極電流升高，基本上都升高了10 mA左右。

在1. 0～1. 5 h時(shí)，8～13號(hào)電極電流在這個(gè)時(shí)刻升高，其中11號(hào)電極幾乎升高了20 mA。污染液已滲到2 m左右的位置。

在1. 5～2. 0 h時(shí)，14～18號(hào)電極電流也開(kāi)始升高。

在2. 0～2. 5 h這段時(shí)間內(nèi)，19～23號(hào)電極電流也有明顯升高。

至此，有效電極電流基本上都集中在65 mA左右，相比注水前背景電流值有15 mA左右的升高。由此，可以根據(jù)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)電極電流的變化情況，判斷滲濾液在面上擴(kuò)散的過(guò)程及速度，界定流動(dòng)變化范圍。

3. 2 垂向擴(kuò)散特征

采用“U”形觀測(cè)系統(tǒng)，利用并行電法系統(tǒng)對(duì)孔A內(nèi)外電阻率實(shí)時(shí)變化開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作。對(duì)“U”形三維數(shù)據(jù)體的解編，利用AGI軟件反演計(jì)算，獲得測(cè)試空間范圍內(nèi)的三電位電極系反演結(jié)果圖像。切片處理后，得到不同深度的電阻率切片，反應(yīng)滲濾液在垂向擴(kuò)散特征。

土壤被NaCl溶液浸染后，其電阻率較背景值有所降低，表現(xiàn)為低阻異常，與周圍介質(zhì)存在明顯的界限。圖3為注NaCl溶液2. 5 h后的電阻率立體反演圖，可明顯看出圖中x =-3. 0～-4. 5 m、y =0～-2. 1 m、z = 0～-0. 7 m區(qū)域電阻率值在0. 5～4 Ω·m變化，且有明顯分界。電阻范圍和洞體基本吻合，說(shuō)明并行電法技術(shù)可測(cè)試和判定滲漏液浸入?yún)^(qū)準(zhǔn)確位置。

圖3 電阻率立體反演結(jié)果Fig．3 Resistivity three-dimensional inversion results

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用多個(gè)時(shí)間段的連續(xù)采樣，最終經(jīng)過(guò)處理可以獲得溫納α排列、溫納β排列、溫納γ排列等不同裝置類型的反演圖像。由于獲得切片圖像數(shù)量眾多，限于篇幅，現(xiàn)選擇溫納四極-0. 69 m深度下不同時(shí)刻的三維切片圖進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖4)。

在NaCl溶液浸入后0. 5～3. 0 h過(guò)程中，可清晰分辨其在土壤中的浸潤(rùn)趨勢(shì)。其中0. 5 h后，電阻主要集中在洞體A附近，隨著溶液的不斷加入，浸潤(rùn)區(qū)域范圍逐漸擴(kuò)大。在1. 5 h時(shí)，滲濾液向16～22電極測(cè)線方向流動(dòng)，可能由地下介質(zhì)不均勻引起。不過(guò)，此種現(xiàn)象可以從另一個(gè)角度證明并行電法可以檢測(cè)NaCl溶液的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。總之，NaCl溶液基本上保持著向四周等速率擴(kuò)散的特點(diǎn)，圖像上異常區(qū)域呈現(xiàn)圓環(huán)分布，即為污染暈，完全可以圈定不同時(shí)刻浸潤(rùn)的范圍與程度。

圖4 不同時(shí)刻三維反演切片F(xiàn)ig．4 Slices of 3-D inversion at different times

4結(jié)論

( 1)并行電法系統(tǒng)可圓滿完成垃圾滲濾液污染的檢測(cè)任務(wù)，且取得良好的實(shí)驗(yàn)效果，不僅具備常規(guī)電法靜態(tài)可圈定污染場(chǎng)位置深度的無(wú)損快捷的探測(cè)效果，還可揭示滲濾液流動(dòng)機(jī)理，可用于實(shí)地探測(cè)。

( 2)三維立體成像及電極電流時(shí)間變化兩者結(jié)合使用，有力地圈定滲濾液浸潤(rùn)面上和垂向擴(kuò)散特征，具有時(shí)空控制的全面性。不同時(shí)間段的測(cè)試結(jié)果分析，起到了多方位、多渠道、多方法補(bǔ)充驗(yàn)證的效果，推進(jìn)了該方法在此領(lǐng)域的應(yīng)用水平。

( 3)探測(cè)污染區(qū)域是垃圾滲濾液污染的前提。并行電法技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，將是一種不可或缺的檢測(cè)手段。今后還需從不同滲濾液類型等復(fù)雜環(huán)境下多角度、多方面更深層次的研究，給滲濾液污染等相似環(huán)境探測(cè)提供技術(shù)理論支撐，為長(zhǎng)期環(huán)境監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 李建亞．城市垃圾滲濾液的治理[J]．環(huán)境工程，2009，27 ( S) : 166-168．

[2]LOU ZIYANG，ZHAO YOUCAI，YUAN TAO，et al．Natural attenuation and characterization of contaminants composition in landfill leachate under different disposing ages[J]．Science of the Total Environment，2009，40( 7) : 3385-3391．[3] 付美如．垃圾滲濾液的環(huán)境污染特征及其研究進(jìn)展[J]．南華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，23( 2) : 90-95．

[4] 苗國(guó)斌．垃圾滲濾液的污染現(xiàn)狀與防治對(duì)策[J]．山西化工，2010，30( 1) : 64-67．

[5] 卓 潔．垃圾滲濾液危害及其處理工藝探討[J]．能源與環(huán)境，2012，3( 11) : 81-82．

[6] 程業(yè)勛，劉海生，趙章元．城市垃圾污染的地球物理調(diào)查[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2004，21( 1) : 26-30．

[7] 唐俊紅，張秀芝，彭征宇．城市垃圾填埋場(chǎng)滲濾液的環(huán)境污染分析[J]．杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30( 1) : 50-53．

[8]郭秀軍．污染含水介質(zhì)ERT法探測(cè)技術(shù)研究[D]．青島:中國(guó)海洋大學(xué)，2009．

[9] 賈 嵩，葉騰飛，龔育齡．高精度磁測(cè)在圈定垃圾填埋場(chǎng)范圍中的應(yīng)用[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2011，8( 5) : 556-559．[10] 徐子?xùn)|，師學(xué)明，傅慶凱，等．武漢某回填土堆場(chǎng)高密度電法污染調(diào)查研究[J]．工程地球物理學(xué)報(bào)，2011，8 ( 5) : 542-546．

[11] 白 蘭，周仲華，張虎元，等．污染土的電阻率特征分析[J]．環(huán)境工程，2008，26( 2) : 66-69．

[12] 強(qiáng)建科，肖俊平．電測(cè)井中電流參數(shù)對(duì)地層的分辨能力分析[J]．2014，23( 1) : 65-70．

[13] 吳榮新，張 衛(wèi)，張平松．并行電法監(jiān)測(cè)工作面“垮落帶”巖層動(dòng)態(tài)變化[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2012，37( 4) : 571-577．

[14] 張平松，李永盛，胡雄武．巷道掘進(jìn)直流電阻率法超前探測(cè)技術(shù)應(yīng)用探討[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9 ( 1) : 135-139．

[15] 胡雄武，張平松，江曉益．并行電法在快速檢測(cè)水壩滲漏通道中的應(yīng)用[J]．水利水電技術(shù)，2012，43( 11) : 51-54．

[16] 吳榮新，劉盛東，張平松．雙巷并行三維電法探測(cè)煤層工作面底板富水區(qū)[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2010，35( 3) : 454-457．

(編輯 晁曉筠)

Application research on dynamic monitoring for landfill leachate pollution by parallel electrical method

TAN Lei，ZHANG Pingsong，CHEN Xinghai，ZHANG Chengqian
( School of Earth&Environment，Anhui University of Science&Technology，Huainan 232001，China)

Aimed at investigating the scope at which and the extent to which landfill leachate contaminates soil and identifying real-time dynamic diffusion，this paper is focused on a model test of indoor leachate contamination by parallel electrical system．The test produces three-dimensional resistivity of 3D inversion and electrode current change curves using the vertical and plane diffusion in two forms．The comprehensive test suggests that the combined use of three-dimensional imaging and electrode current trends at different times ensures a strong delineation of the vertical and surface diffusion characteristics of leachate infiltration，hence the complete control of time and space．The test may provide technical support for on-site detection of pollution area．

landfill leachate; parallel electrical method; dynamic monitoring;test

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 014

X83

2095-7262( 2014) 01-0063-04

A