時移電阻率法在垃圾填埋場滲濾液監(jiān)測中的應(yīng)用

張建智

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

時移電阻率法是利用不同時間采集的電法數(shù)據(jù)，監(jiān)測地下介質(zhì)由于流體等參數(shù)的變化引起的物性變化。時移地球物理技術(shù)廣泛應(yīng)用于油氣藏動態(tài)監(jiān)測，在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方面，國內(nèi)外也做了一些嘗試。如Monica等采用時移電法對垃圾填埋場地下水?dāng)U散污染進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，論證了利用時移電法進(jìn)行地下水監(jiān)測是可行的。

滲濾液是垃圾填埋場的主要污染源，為求證時移電阻率法探測滲濾液徑流通道的可行性，我們在某生活垃圾填埋場開展了時移電阻率監(jiān)測試驗(yàn)，獲得了較好的效果。

1 填埋場地質(zhì)、地球物理電性條件

填埋場地形簡單，位于山前平原區(qū)，地層結(jié)構(gòu)為第四系松散土層與奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r。第四系松散土厚度0.8～3.5 m，平均厚度1.2 m?；鶐r為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組白云化灰?guī)r，巖性為灰、深灰色厚層灰?guī)r。

試驗(yàn)場為生活垃圾填埋場，經(jīng)調(diào)查，堆體四周及底部鋪設(shè)防滲層及HDPE膜，堆體厚度0～10m，填埋物為生活垃圾。

表1 填埋場電性參數(shù)統(tǒng)計表

根據(jù)堆體電測井成果，堆體、場地周邊、滲濾液電阻率差異明顯，為采用電阻率參數(shù)進(jìn)行滲濾液監(jiān)測提供了較好的地球物理前提條件。

2 正演模擬

堆體整體上呈層狀結(jié)構(gòu)，本次模擬了堆體內(nèi)存在有限水平板狀滲濾液和有限直立板滲流通道時的溫納斯倫貝斯混合測深裝置的正演響應(yīng)。

正演模擬參數(shù)：堆體封頂素混凝土平均電阻率8Ω·m，堆體平均電阻率4Ω·m，防滲層及基礎(chǔ)10Ω·m，滲濾液電阻率0.5Ω·m。素混凝土厚度0.5m，堆體厚度10m，防滲層及基礎(chǔ)模擬厚度10m。

圖1是層狀模型的正演響應(yīng)圖，從圖中可以看到，水平層狀結(jié)構(gòu)堆體的正演響應(yīng)為與電性模型對應(yīng)很好，且電性層特征明顯，素混凝土蓋層呈高電阻特征，堆體電阻率較低，防滲層及基礎(chǔ)為高電阻率特征，電阻率整體呈“高-低-高”分布。

圖2為模擬不同深度水平板狀和直立板低阻異常的正演響應(yīng)：對有限水平板狀低阻體，正演響應(yīng)曲線呈低阻圈閉，隨著模型深度增加，正演響應(yīng)的曲線形態(tài)隨模型深度增加異常幅度變?。粚τ邢拗绷?，其特征為以直立板頂部為極低點(diǎn)的水平方向延伸的低阻特征。

圖1 水平層狀結(jié)構(gòu)堆體正演響應(yīng)Figure 1 Forward response of horizontal layered structure dump

圖2 低阻異常正演響應(yīng)Figure 2 Low-resistivity anomaly forward responses

通過正演模擬,對于板狀模型，當(dāng)模型埋深大于6倍邊長時，正演響應(yīng)剖面上無明顯的電阻率畸變異常，本次測試堆體最大厚度為11.4m，計算堆體底部滲濾液匯集區(qū)最小分辨范圍為范圍為3m2。

3 工作方法

本次時移電阻率采集采用高密度電法在堆體頂部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得堆體電阻率在空間的分布狀況。

高密度電法統(tǒng)一采用溫納斯倫貝斯混合測深裝置，電極距2m，每條剖面74個電極。

在進(jìn)行時移電阻率監(jiān)測前，在堆體上布置P1～P5共5條測線(圖3)，對堆體進(jìn)行了一次系統(tǒng)的高密度電法探測，確定了P2為時移電移率監(jiān)測線。

為監(jiān)測滲濾液范圍隨時間、外界大氣降水等條件的變化，對P2剖面進(jìn)行了3次時移電阻率觀測，觀測時間見表2。

圖3 工程布置示意圖Figure 3 A schematic diagram of project layout

表2 電阻率監(jiān)測情況一覽表

4 電阻率測量成果

4.1 常規(guī)電阻率法測量成果

P1—P5高密度電法電阻率成果按2m的視深度間距切取了8個切片(圖4)，是堆體內(nèi)填埋物的地電響應(yīng)。從平面切片圖上看，堆體中低電阻率異常主要是在堆體的東部和西部，結(jié)合電阻率斷面圖，把電阻率為1 Ω·m作為滲濾液異常上限解釋滲濾液異常范圍，共解釋了10個滲濾液滲濾通道。由于堆體防滲層位于40m高程位置，結(jié)合42、40、38和36 m高程切片，解釋堆體與防滲層滲漏點(diǎn)4個，分別為SL1、SL3、SL8和SL9異常；SL5和SL7位于防滲層下部，分析為地下含水裂隙通道；其它為堆體內(nèi)部滲濾液流通通道。

為客觀評價高密度電法成果，對SL1、SL8和SL10和相對正常區(qū)布置了4個鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。通過巖心及樣品含水量測定結(jié)果可以看出，WJ-101、WJ103、WJ104明顯含水率高于WJ-102，據(jù)此認(rèn)為：堆體內(nèi)部電阻率與含水率基本呈正相關(guān)，根據(jù)電阻率值可以探測滲濾液的分布。

根據(jù)高密度電法成果，選擇P2線作為時移電阻率監(jiān)測線。

圖4 堆體各高程高密度電法電阻率平面切片圖Figure 4 High density electric method resistivity planar slices of different dump heights

4.2 時移電阻率測量

由于填埋場頂部用素混凝土封頂后覆蓋HDPE膜，探測時經(jīng)填埋場管理方同意，采用了直接刺穿HDPE膜的方式進(jìn)行測量，每個電極位置經(jīng)RTK測量后在HDPE膜上留下孔洞，保證了后3次重復(fù)測量都在同一位置。為了防止雨水沿鉆孔灌入堆體，取樣后，4個孔進(jìn)行了封孔處理。

圖5是4個不同時間P2電阻率斷面圖。堆體上高密度電法測量電阻率在0～10 Ω·m，平均電阻率2.9 Ω·m，剖面上無跳點(diǎn)和畸變點(diǎn)。從電阻率斷面圖上可以看到，在縱向上電阻率基本上呈高-低-高特征，反應(yīng)了堆體表層濕度低電阻率高，堆體內(nèi)部電阻率低和底部基層高電阻率的特征。從橫向上看，在剖面30、55、80和124m樁號附近電阻率呈基本連續(xù)的不均勻分布，反應(yīng)了堆體內(nèi)部填埋體的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性。但整體上剖面特征一致，反映了填埋場內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性。

圖5 P2線時移電阻率斷面圖Figure 5 Line P2 time-lapse resistivity section

5 時移電阻率監(jiān)測成果

本次時移電阻率測量的目的是通過對填埋場的堆體的電阻率監(jiān)測，掌握堆體內(nèi)部滲濾液的運(yùn)移特征，為填埋場安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐。

在時移電阻率監(jiān)測成果解釋中引入了殘值和視反射系數(shù)R值的概念。殘值反映了堆體內(nèi)部電阻率隨時間的變化特征，同一位置殘值越大說明其含水量增加越大，滲濾液增多，殘值變小說明其含水量減小，滲濾液減少；視反射系數(shù)的物理意義是當(dāng)ρ0→時，R=1,電流趨向在ρi介質(zhì)中分布，電阻率減小，滲濾液增加，當(dāng)ρ0→0時，R=-1,電流趨向在ρ0介質(zhì)中分布，滲濾液減少。

ρS=ρ0-ρi

(1)

(2)

式中，ρS:殘值；R:視反射系數(shù)；ρ0：基準(zhǔn)測量電阻率(6月10日測量)；ρi：其它時間測量電阻率，i為測量的次數(shù)。

5.1 殘值成果

圖6為P2斷面不同時間的電阻率殘值等值圖。通過殘值可以看到，P2測線控制范圍內(nèi)，殘值在-2～11Ω·m。根據(jù)殘值物理意義，殘值大于0Ω·m的區(qū)域電阻率減小，滲濾液增加。堆體頂部電阻率整體變化較大，是堆體封頂?shù)乃鼗炷两?jīng)過雨水浸潤濕度明顯增大的結(jié)果。對SL1、SL2、SL4、SL5、SL8、SL9和SL10等幾個滲濾液匯聚通道，相對殘差值變化比較明顯的SL2、SL5、SL8和SL10，分析可能為大氣降水導(dǎo)致堆體頂部積水下滲形成滲濾液通道，在后期應(yīng)進(jìn)行針對性防滲處理。

5.2 視反射系數(shù)

由于本次監(jiān)測目標(biāo)滲濾液富含金屬離子，為良導(dǎo)體，引入類似于反射系數(shù)的視反射系數(shù)(R)概念。通過R值等值圖，3次監(jiān)測電阻率中SL1的R值均接近-50%，說明SL1位置電阻率在持續(xù)增大，滲濾

圖6 P2線電阻率殘差圖Figure 6 Line P2 resistivity residuals

液在減少，SL5的R值在7、8月接近+40%，到9月回落到+10%左右，說明SL5點(diǎn)電阻率在7、8月份減小，到9月份開始增大，滲濾液呈先增后減的趨勢，SL10的R值從7月到9月有+60%減小到-40%，說明SL10點(diǎn)電阻率7月減小后到8、9月份持續(xù)增大，滲濾液呈先增后減的趨勢。其它異常位置R值變化較小，滲濾液變化不大。

從殘差和R值等值線異常對比可以看到，由于這2個參數(shù)均基于電阻率的數(shù)學(xué)計算，當(dāng)兩次測量電阻率相差較小時，采用R值等值線異常更明顯。

通過填埋場的時移電阻率監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)解釋的SL1、SL2、SL4和SL9電阻率隨時間推移在逐漸增大，分析為堆體內(nèi)填埋物經(jīng)過物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)形成的滲濾液在減少，SL5和SL10可能與堆體頂部積水區(qū)連通條件較好，容易受到大氣降水的影響。

圖7 P2線R值圖Figure 7 Line P2 R values

6 結(jié)論

對垃圾填埋場滲濾液監(jiān)測是保證填埋場安全運(yùn)營的基礎(chǔ)，通過對以高密度電法為基礎(chǔ)的時移電阻率法對填埋場滲濾液監(jiān)測試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

①通過正演模擬分析，低電阻率特征的垃圾填埋場滲濾液采用溫納斯倫貝斯混合測深裝置具有較好的響應(yīng)特征，低阻異常中心與模型中心相對應(yīng)。

②本次試驗(yàn)的垃圾填埋場高密度電法實(shí)測數(shù)據(jù)整體較低，滲濾液匯集區(qū)電阻率在0.06～1 Ω·m，低電阻率特征明顯。

③分析時移電阻率不同時間剖面的殘值和R值，可以對填埋場內(nèi)部滲濾液進(jìn)行定性分析。

通過本次試驗(yàn)證實(shí)，在垃圾填埋場采用高密度電法進(jìn)行滲濾液監(jiān)測具有較好的效果，對未預(yù)置監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的填埋場有非常好的推廣前景。