曲彥丞，劉笑笑，郭 朋，張景宇，李典超，張燕揮

(山東省物化探勘查院 山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250013)

1 引言

農(nóng)村地區(qū)一直是垃圾處理流程中較為薄弱的一環(huán),近年來農(nóng)村發(fā)展迅速,生產(chǎn)、生活垃圾暴增,農(nóng)村的生活垃圾治理問題變得日益嚴(yán)峻[1]。直接填埋是處理垃圾的一種重要方式,但某些老垃圾填埋場(chǎng)由于年代久遠(yuǎn),相關(guān)資料缺失嚴(yán)重,無(wú)法準(zhǔn)確獲知填埋垃圾的范圍和深度,給處理污染帶來困難。但是垃圾與周圍土壤的物性特征(電性和密度等)差異明顯,因此采用高密度電法[2]與探地雷達(dá)法探測(cè)老垃圾填埋場(chǎng),為治理垃圾提供了一種新思路。

高密度電(阻率)法以巖﹑礦石之間的電阻率差異為基礎(chǔ),通過觀測(cè)和研究地下電流的分布,分析推斷地下介質(zhì)在空間上的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律[3]。高密度電法測(cè)量技術(shù)自誕生以來,經(jīng)過了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,方法理論和儀器設(shè)備等都趨于成熟,目前高密度電法在地災(zāi)監(jiān)測(cè)[4-5]、礦產(chǎn)勘查[6]、工程勘查[7-8]、地質(zhì)勘探[9-10]、考古[11-12]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。探地雷達(dá)是采用線圈或天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻電磁脈沖,然后通過反射回波來區(qū)分目標(biāo)的一種地球物理探測(cè)技術(shù)[13-14]。探地雷達(dá)技術(shù)起源較早,1904年Hulsmeyer首次提出可以利用電磁波來探測(cè)地下介質(zhì)的分布[15];20世紀(jì)50年代以來,探地雷達(dá)技術(shù)得到重視,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大[16-17],最初用于冰層厚度探測(cè)和月球地質(zhì)探測(cè)[18],目前已經(jīng)拓展到了土壤監(jiān)測(cè)[19-20]、地質(zhì)和巖土工程勘查[21]、城市地下設(shè)施探測(cè)[22]、隧道探測(cè)[23-24]、水利工程監(jiān)測(cè)[25]、環(huán)境檢測(cè)[26]、考古[27-28]等領(lǐng)域。

某村存在一處老生活垃圾填埋場(chǎng),填埋物包括建筑垃圾、生活垃圾及糞便等,填埋層與土壤的界面未設(shè)置隔離帶,有害物與土壤直接接觸,對(duì)周邊環(huán)境及居民健康造成了一定的危害。為保護(hù)生態(tài)環(huán)境,提升居民生活質(zhì)量,必須對(duì)垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行綜合治理。在實(shí)施治理之前,采用高密度電法與探地雷達(dá)法對(duì)老生活垃圾填埋場(chǎng)地進(jìn)行綜合物探勘查,統(tǒng)計(jì)回填物的面積,推測(cè)回填物類型、填埋范圍及深度,在此基礎(chǔ)上計(jì)算回填物的體積,為后續(xù)開展治理工作提供參考和技術(shù)支持。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北平原,出露地層為第四系全新統(tǒng)(Qh),層底埋深21.00～33.00 m。上部為土黃、灰黃色粉土、粉質(zhì)黏土;中部多為灰黑色淤泥質(zhì)土或淤泥;下部多為一層砂,以細(xì)砂或粉細(xì)砂為主,厚約1.9～8.0 m。結(jié)構(gòu)松散,具鈣核、銹染。

研究區(qū)地層為第四系黏土、粉土、淤泥質(zhì)土、砂層,回填物據(jù)調(diào)查為建筑垃圾、生活垃圾、糞便等。由表1所列的物性參數(shù)可知,不同地層的物性特征存在較明顯的差異。第四系黏土、粉土、淤泥質(zhì)土波阻抗及電阻率相對(duì)較低,砂層相對(duì)較高,而建筑垃圾(>200 Ω·m)、生活垃圾及糞便等回填物分布極不均勻,且結(jié)構(gòu)較為松散雜亂,其電阻率與波阻抗等物性參數(shù)波動(dòng)較大。這些地球物理性質(zhì)的差異構(gòu)成了開展地球物理工作的前提。

表1 土壤物性參數(shù)

3 方法原理

3.1 高密度電法

高密度電(阻率)法是一種陣列勘探方法[29],野外的施工測(cè)量過程比較簡(jiǎn)單,操作程控開關(guān)和微機(jī)電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)所有電極數(shù)據(jù)的快速自動(dòng)采集,還可快速得出地電斷面的分布結(jié)果。

(1)

其中,ΔUMN為MN兩點(diǎn)之間的電壓差,單位為V;該裝置的設(shè)置系數(shù)KAB為：

(2)

當(dāng)各電極呈現(xiàn)對(duì)稱等距離排列,即極距AM=MN=NB=a時(shí),就構(gòu)成了溫納α裝置。測(cè)量時(shí)A、M、N、B逐點(diǎn)沿測(cè)線移動(dòng),即得到一條剖面;然后增大相鄰兩電極之間的電極距,再次沿測(cè)線移動(dòng),得到下一條剖面。重復(fù)上述步驟不斷測(cè)量,最終可以獲得一個(gè)倒梯形的電阻率斷面圖。

在實(shí)際測(cè)量時(shí),電極極距(點(diǎn)距)為2 m。根據(jù)精度要求和場(chǎng)地實(shí)際情況,按剖面方向打入地下一排電極,把電極接入專用電纜后,由主機(jī)控制WGMD-9型高密度電法儀自主完成供電與測(cè)量任務(wù)。

圖1 高密度電阻率法工作示意圖(修改自馬媛媛,2010)[32]Fig.1 High density resistivity method working schematic (modified from Ma Yuanyuan,2010[32])

3.2 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)是一種較為成熟的地球物理勘探方法,它通過向地下發(fā)射高頻電磁波,然后分析解譯回波數(shù)據(jù),以推斷地下目標(biāo)體的巖性或材質(zhì)、大小、埋深等信息[33-34]。

探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)為麥克斯韋方程,探地雷達(dá)的向地下發(fā)射的電磁波信號(hào)為：

其中,假設(shè)傳播方向?yàn)閅軸,單位為m;E0為發(fā)射位置的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng),Ex為測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度,單位為V/m;H0為發(fā)射位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度,Hz為測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度,單位為A/m;ω為極化過程中的角速度,單位rad/s;t為時(shí)間,單位為s;α為吸收系數(shù);β為相位系數(shù);k為傳播系數(shù)。

發(fā)射天線的耦合系數(shù)Lt和接收天線的耦合系數(shù)Lr為：

式中,Tt、Tr分別為發(fā)射天線、接收天線的絕對(duì)溫度,單位為K;εr1為介電常數(shù),單位為F/m。

探地雷達(dá)的最大探測(cè)深度Rmax為：

(8)

式中,Rmax的單位為m;Pt為發(fā)射功率,單位為W;Gt為發(fā)射天線的增益強(qiáng)度,Gr為接收天線的增益強(qiáng)度,單位為dB;λ0為電磁波在空氣內(nèi)的波長(zhǎng),單位為m;S為目標(biāo)體的截面積,單位為m2;K為玻爾茲曼常數(shù),即K=1.380 649×10-23J/K;T0為工作時(shí)接收器的絕對(duì)溫度;Δf為等效的噪聲頻寬,單位為Hz;F為噪聲系數(shù);M0為接收器可以檢測(cè)到的最小信噪比,單位為dB。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 高密度電法資料處理

高密度電法的測(cè)量過程容易受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件的影響,導(dǎo)致數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變或畸變值[35],因此在進(jìn)行預(yù)處理時(shí)應(yīng)將異常點(diǎn)剔除,然后以線性插值的方式補(bǔ)足缺失的數(shù)據(jù)。

高密度電法數(shù)據(jù)的處理流程包括數(shù)據(jù)平滑、噪聲壓制、反演參數(shù)調(diào)試、成果輸出與成圖等。其中,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、平滑和噪聲壓制的軟件為Surfer 15、GMT 5.4.5、R2V等;反演軟件為RES2DINV,使用最小二乘法對(duì)已有二維數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,記錄三次迭代誤差,最終得到符合要求的二維電阻率斷面圖。

4.2 探地雷達(dá)法資料處理

探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要是為了壓制干擾,以盡可能高的分辨率在圖像剖面上顯示反射波,提取和判讀明顯的反射信息,以幫助解釋[36-37]。

本次探地雷達(dá)資料采用EKKO PROJECT 5探地雷達(dá)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)處理之前,首先要對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)、圖形屬性、測(cè)線長(zhǎng)、成圖模式、成圖比例、選取的波速等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,然后進(jìn)行圖像的二次處理。處理流程的重點(diǎn)在于對(duì)濾波的處理,本次采用的方法為：靜校正切除、去除直流飄移、增益、巴特沃斯帶通濾波、滑動(dòng)平均。

靜校正切除,其目的是切除掉直達(dá)波以上的位置(空氣層);去除直流飄移,即去除零偏,保證波形正負(fù)周期的對(duì)稱;增益,是為了放大深部信號(hào),提高深部數(shù)據(jù)的可讀性;巴特沃斯帶通濾波,主要是為了有效去除低頻和高頻信號(hào);滑動(dòng)平均,主要是使得雷達(dá)圖成像更加平滑,同相軸更加連續(xù),便于拾取分層。

5 成果分析

本次物探工作研究區(qū)的回填物為建筑垃圾、生活垃圾及糞便,與原狀土有較大的物性差異。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知,回填區(qū)較原狀地層松散、密實(shí)度差,各回填物分布不均勻,表現(xiàn)為回填區(qū)域淺部電阻率值較高,電磁波振幅增強(qiáng)等。

經(jīng)踏勘和討論分析,本次在研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)高密度電法測(cè)線13條,探地雷達(dá)法測(cè)線31條(圖2),依據(jù)高密度電法和探地雷達(dá)法探測(cè)確定垃圾的分布范圍和埋藏厚度,然后利用高密度電法對(duì)原土與填埋物的界面進(jìn)行識(shí)別,根據(jù)垃圾填埋層分布范圍和厚度計(jì)算填埋層的體積;同時(shí)依據(jù)電阻率斷面圖,圈定被垃圾滲漏液污染的土壤的位置,為后期開展污染治理提供重要依據(jù)。

圖2 測(cè)線位置Fig.2 Survey line location

圖3 G03線綜合斷面Fig.3 Comprehensive cross section of line G03

5.1 高密度電法解釋

不同類型介質(zhì)的電阻率差異較大,由表1可知,土壤的電阻率約為10～100 Ω·m,建筑垃圾的電阻率一般大于200 Ω·m,在電阻率剖面圖內(nèi)表現(xiàn)為團(tuán)塊狀高阻異常或高阻異常帶;生活垃圾的電阻率在1～10 Ω·m,垃圾滲透液的電阻率通常小于1 Ω·m,在電阻率剖面圖內(nèi)表現(xiàn)為低阻異常。在13條高密度電法測(cè)線中,選取了3條具有代表性的測(cè)線展示其綜合斷面圖(G03、G10和 G13線),并結(jié)合其電阻率的分布特征進(jìn)行分析(圖3～圖5)。

G03測(cè)線布線方向75°,橫跨整個(gè)研究區(qū),測(cè)線長(zhǎng)度188 m,電極距2 m,共布設(shè)95個(gè)測(cè)點(diǎn)。G03線電阻率等值線均勻平緩,層狀特征明顯;淺部電阻率較高,為地表回填引起;深部電阻率相對(duì)較低,為原狀土反映(圖3)。在測(cè)線水平位置36～188 m、埋深0～6.2 m,電阻率值相對(duì)較高,推斷為回填區(qū)域。據(jù)坑探結(jié)果,回填物以建筑垃圾、生活垃圾為主。

G10測(cè)線布線方向352°,自南向北貫穿測(cè)區(qū),測(cè)線長(zhǎng)度238 m,電極距2 m,共計(jì)120個(gè)測(cè)點(diǎn)。由圖4可知,電阻率等值線均勻平緩,電性層層狀特征明顯。淺部電阻率較高,為地表回填引起。深部電阻率相對(duì)較低,為原狀土反映。

在測(cè)線水平位置0～206 m、埋深0～6.0 m,電阻率值相對(duì)較高,據(jù)收集到的資料,回填物以建筑垃圾、糞便、生活垃圾為主;此外,在測(cè)線水平位置183～197 m、埋深3.8～8.0 m的土壤電阻率值較低(0～2 Ω·m),與深層土壤的電性差異明顯,推測(cè)該處土壤已經(jīng)受到了滲液污染,治理時(shí)需要對(duì)土壤進(jìn)行凈化。

圖4 G10線綜合斷面Fig.4 Comprehensive cross section of line G10

G13測(cè)線布線方向346°,位于G10測(cè)線以東,測(cè)線長(zhǎng)度238 m,電極距2 m,共計(jì)120個(gè)測(cè)點(diǎn)。由圖5可知,電阻率等值線均勻平緩,電性層層狀特征明顯。淺部電阻率較高,為地表回填引起。深部電阻率相對(duì)較低,為原狀土反映。

在測(cè)線水平位置0～194 m、埋深0～6.0 m,電阻率值相對(duì)較高,結(jié)合地質(zhì)資料推斷為回填區(qū)域。據(jù)收集到的資料,回填物以建筑垃圾、生活垃圾為主。

圖5 G13線綜合斷面Fig.5 Comprehensive cross section of line G13

5.2 探地雷達(dá)法解釋

探地雷達(dá)對(duì)均勻?qū)觾?nèi)的奇異點(diǎn),層間的長(zhǎng)波長(zhǎng)、短波長(zhǎng)奇點(diǎn)等都有較好的辨識(shí)度[38-40]。垃圾回填層的組成較為復(fù)雜,縱向分布不均勻,與原位土壤的電性差異較大,是進(jìn)行探地雷達(dá)測(cè)量的基礎(chǔ)。在31條探地雷達(dá)法測(cè)線中,選取了2條具有代表性的測(cè)線展示其斷面圖。

L05線布線方向87°,點(diǎn)距0.5 m,測(cè)線長(zhǎng)度120 m(圖6)。由圖6可知：水平方向0～120 m,反射波波形較雜亂、振幅較大,推測(cè)為回填區(qū)域,回填深度約3.3 m,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查推測(cè)回填物為建筑垃圾、糞便及生活垃圾。

圖6 L05線雷達(dá)探測(cè)斷面Fig.6 Radar detection cross-section of line L05

L09線布線方向350°,點(diǎn)距0.5 m,測(cè)線長(zhǎng)度160 m。由圖7可知：水平方向0～160 m,反射波波形較雜亂、振幅較大,推測(cè)為回填區(qū)域,回填深度約3.0 m,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查推測(cè)回填物為建筑垃圾、糞便及生活垃圾。

圖7 L09線雷達(dá)探測(cè)斷面Fig.7 Radar detection cross-section of of line L09

5.3 填埋方量計(jì)算及驗(yàn)證

污染物填埋方量計(jì)算及驗(yàn)證是填埋場(chǎng)綜合治理最重要的一環(huán),具體過程如下：

1)利用R2V軟件數(shù)字化每條測(cè)線的污染物厚度和大地坐標(biāo),并在部分位置采取挖機(jī)驗(yàn)證(圖8);

2)采用Surfer 15軟件將污染物的厚度與坐標(biāo)位置進(jìn)行網(wǎng)格化;

3)利用Surfer 15自帶的體積計(jì)算功能計(jì)算出需要綜合治理的土石方量(污染物及被污染的土壤等)。

根據(jù)計(jì)算,回填區(qū)域總面積約35 900 m2,需要綜合治理的土石方量為132 454 m3,實(shí)際清理方量約為133 080 m3,理論方量與實(shí)際方量的誤差為0.47 %,達(dá)到了清除污染物的初步目標(biāo)。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和清理污染物Fig.8 On-site verification and cleanup of contaminants

6 結(jié)論

本文使用高密度電法和探地雷達(dá)法對(duì)某老垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了聯(lián)合探測(cè),分析總結(jié)得到以下結(jié)論：

1)高密度電阻率法在探測(cè)垃圾層范圍和厚度的過程中取得了良好的成果。工作區(qū)地層的電阻率大致呈水平層狀分布,近地表的覆土和垃圾層為高阻層,第四系原狀土層為低阻層;依據(jù)電阻率的差異可以較為清晰地分辨出建筑垃圾、生活垃圾和糞便等的分布范圍。在電阻率斷面圖中觀測(cè)到生活垃圾和糞便的滲液污染地下原狀土的現(xiàn)象,威脅耕地安全和地下水安全。

2)探地雷達(dá)法在老垃圾填埋場(chǎng)的治理中具有極大的優(yōu)勢(shì)：價(jià)格低廉、檢測(cè)效率高、分辨率高,檢測(cè)結(jié)果可靠,可用于快速確定填埋層的厚度。

3)根據(jù)高密度電法、探地雷達(dá)法以及坑探的成果,計(jì)算出老垃圾填埋場(chǎng)的回填區(qū)域總面積約35 900 m2,回填深度0～7.0 m,回填平均厚度約3.68 m,回填方量約132 454 m3,為污染物的清理提供了重要的參考。