基于單節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)的垃圾填埋場(chǎng)滲漏定位

陳亞宇, 張 衛(wèi), 孫煥奕, 黃曉松

(河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院, 河北邯鄲056038)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)民生活節(jié)奏顯著加快，隨之產(chǎn)生的各種生活垃圾逐年遞增[1]。作為主要的處理手段，垃圾的安全填埋至關(guān)重要[2]。當(dāng)前生活垃圾填埋場(chǎng)主要結(jié)構(gòu)分為固體廢物層、土工織物層、卵石層、防滲層、土壤層。高密度聚乙烯(HDPE)[3-4]是當(dāng)前熱門(mén)的防滲材料，其化學(xué)性能穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，對(duì)水及空氣的滲透性小，作為阻止垃圾滲濾液泄露的最后一道防線，被廣泛應(yīng)用于各地垃圾填埋場(chǎng)，但在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，地質(zhì)變遷、膜間焊接不牢、環(huán)境應(yīng)力等作用會(huì)導(dǎo)致HDPE膜發(fā)生不同程度的破損。

垃圾滲濾液作為垃圾填埋場(chǎng)的副產(chǎn)物，富含鐵、銅、鋅等多種重金屬及其他類型污染物[5-7]，一旦滲入地下，會(huì)嚴(yán)重污染土壤及地下水，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳顜?lái)危害。為了保證垃圾填埋場(chǎng)周邊水土環(huán)境安全，及時(shí)準(zhǔn)確定位滲漏點(diǎn)位置，進(jìn)行快速補(bǔ)救具有非常重要的意義。

在現(xiàn)有垃圾填埋場(chǎng)滲漏定位檢測(cè)方法中，交流電法[8-9]檢測(cè)會(huì)因傳輸線間的電磁串?dāng)_問(wèn)題而影響終端檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)直流電法[10-11]檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的是偶極子法和電極柵格法。這2種方法的系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作材料廉價(jià)，安裝和運(yùn)行成本低，但都存在一定的缺點(diǎn)。偶極子法的缺點(diǎn)是電流會(huì)隨測(cè)量距離的增大而顯著衰減，即垃圾層的覆蓋厚度及導(dǎo)電性會(huì)影響電位分布，垃圾層越厚，表層電位分布越弱，檢測(cè)靈敏度越低，因此對(duì)漏洞的位置及數(shù)量判定上誤差越大。電極柵格法的電流場(chǎng)的電勢(shì)分布與膜下檢測(cè)電極布設(shè)方式有直接關(guān)系[12]，檢測(cè)電極對(duì)電流場(chǎng)的遞減擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)對(duì)滲漏點(diǎn)附近檢測(cè)電極產(chǎn)生干擾，容易造成檢測(cè)結(jié)果的誤判。針對(duì)上述問(wèn)題，本文中提出一種以土壤電導(dǎo)率變化為依據(jù)的傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)垃圾填埋場(chǎng)滲漏點(diǎn)的方法。

1 檢測(cè)原理

1.1 定位檢測(cè)原理

傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)模型的檢測(cè)原理是，滲濾液的泄漏會(huì)使膜下土壤層電導(dǎo)產(chǎn)生異常，利用傳輸交叉節(jié)點(diǎn)的傳感器可以對(duì)土壤層電導(dǎo)率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)原理如圖1所示。定位系統(tǒng)由傳輸交叉電路、電導(dǎo)率傳感器、多路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及電源系統(tǒng)組成。2排傳輸線以相同特定間隔平行安裝，且排與排空間正交排列，雙電極板在傳輸交叉節(jié)點(diǎn)處分別連接每個(gè)正交導(dǎo)線。交叉?zhèn)鬏斁€的一端通過(guò)分支線連接到多路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。通過(guò)將電源正、負(fù)極連接到裝有特定傳感器的2個(gè)網(wǎng)格線來(lái)執(zhí)行測(cè)量，在恒定電流狀態(tài)下測(cè)量電壓來(lái)獲得閉合回路的電導(dǎo)率。

如圖1所示，將定位系統(tǒng)鋪設(shè)于膜下土壤層中。在滲濾液泄漏前測(cè)定每個(gè)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)處電導(dǎo)率值，在泄漏后重新測(cè)定傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)率值，通過(guò)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)率分布的偏差值來(lái)判定漏點(diǎn)位置。由于該定位系統(tǒng)鋪設(shè)于膜下最底層的土壤層，因此該定位系統(tǒng)更適用于單土工膜襯墊的垃圾填埋場(chǎng)。

1、2、3、4、5—橫、縱傳輸線編號(hào)。圖1 單傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

1.2 滲漏檢測(cè)模型建立

圖2所示為2×2階傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)模型的檢測(cè)原理。將傳輸交叉節(jié)點(diǎn)的電導(dǎo)傳感器等效為相同原理的節(jié)點(diǎn)電阻，Raa、Rab、Rba、Rbb分別為阻值相同的節(jié)點(diǎn)電阻，Rv為檢測(cè)終端阻值。除電流路徑1外，路徑2同樣可以完成電流循環(huán)，具有2個(gè)電流路徑的2×2階網(wǎng)格電路可看成并聯(lián)電路，其中

Raa、Rab、Rba、Rbb—阻值相同的傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電阻； Rv—檢測(cè)終端阻值； a、b—傳輸線編號(hào)； x、y—傳輸線橫、縱方向。圖2 傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)模型的檢測(cè)原理

(1)

式中：U為測(cè)量終端顯示電壓；I為測(cè)量終端顯示電流。

由圖2可得

(2)

(3)

在未發(fā)生滲漏時(shí)，Raa、Rab、Rba、Rbb的終端測(cè)量阻值在誤差允許的范圍內(nèi)相同，當(dāng)Rbb處發(fā)生滲漏時(shí)，則該處等效阻值Rbb顯著減小，導(dǎo)致終端測(cè)量阻值明顯變小，與非滲漏區(qū)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)的終端測(cè)量阻值產(chǎn)生明顯差異，由此可確定滲漏區(qū)坐標(biāo)為(2，2)。

根據(jù)未滲漏區(qū)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)等效阻值相同特性，未滲漏區(qū)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)阻值可進(jìn)一步等效為R0，滲漏區(qū)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)阻值表示為Rx，則式(3)可表示為

(4)

由2×2階傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)電路擴(kuò)展至3×3階電導(dǎo)電路可推出

(5)

根據(jù)電流傳導(dǎo)規(guī)律可進(jìn)一步推出4×4階及以上網(wǎng)格電路的求解模型為

(6)

式中n指?jìng)鬏斀徊婀?jié)點(diǎn)電導(dǎo)電路為n×n階。

2 模型參數(shù)

終端電導(dǎo)率檢測(cè)結(jié)果差異的決定因素主要有固液混合物酸堿度、含水率及鹽分濃度等，因此，有必要對(duì)這3個(gè)參數(shù)分別討論，以便更好地適用于不同地區(qū)的垃圾填埋場(chǎng)。

2.1 固液混合物酸堿度的影響

垃圾滲濾液的性質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生改變，這主要是由垃圾的穩(wěn)定化過(guò)程所決定。該過(guò)程共分為5個(gè)階段，分別為初始階段、過(guò)渡階段、酸化階段、發(fā)酵階段和成熟階段[13-16]。為了綜合考慮不同階段垃圾滲濾液的酸堿度變化情況，需要提取不同階段的垃圾滲濾液并檢測(cè)pH。

將等量不同階段的垃圾滲濾液作用于土壤，分別檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的變化情況。結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出：從初始階段到酸化階段，滲濾液中的有機(jī)酸及金屬離子濃度是持續(xù)上升的，因此土壤電導(dǎo)率隨著垃圾滲濾液pH的減小而增大；從酸化階段到成熟階段，有機(jī)酸及金屬離子濃度是減小的，因此土壤電導(dǎo)率隨著垃圾滲濾液pH的增大而減小。

圖3 垃圾滲透液酸堿度對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

2.2 土壤含水率的影響

水是影響土壤電導(dǎo)率的重要因素。為了檢測(cè)土壤含水率對(duì)電導(dǎo)率的影響，分別配置不同鹽分質(zhì)量濃度的溶液來(lái)逐漸改變土壤的含水率，同時(shí)檢測(cè)土壤電導(dǎo)率的變化情況，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，當(dāng)土壤中水的體積分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，電導(dǎo)率隨土壤含水率的增大而明顯增大，且隨著鹽分質(zhì)量濃度的增大，土壤電導(dǎo)率增大的趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。當(dāng)土壤中水的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)30%，此時(shí)土壤孔隙水接近飽和，土壤電導(dǎo)率增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。要想進(jìn)一步增大土壤電導(dǎo)率，需增大孔隙水中的離子濃度。由圖中曲線2、3可知，在土壤中水的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)30%時(shí)，隨溶液鹽分質(zhì)量濃度增大，土壤電導(dǎo)率明顯增大。

圖4 土壤中水的體積分?jǐn)?shù)對(duì)土壤電導(dǎo)率影響

2.3 鹽分濃度的影響

垃圾滲濾液電導(dǎo)率大小主要受其中離子濃度的影響。滲濾液中溶解的陽(yáng)離子、陰離子作為電荷載體，決定了土壤電導(dǎo)率的大小。配制不同濃度的氯化銨(NH4Cl)溶液來(lái)模擬不同鹽分質(zhì)量濃度的垃圾滲濾液，分別融入不同含水率的土壤中，測(cè)試土壤的電導(dǎo)率，結(jié)果如圖5所示。由圖可以看出，隨著NH4Cl質(zhì)量濃度增大，土壤點(diǎn)電導(dǎo)率線性增大，且土壤含水率增大時(shí)，這一趨勢(shì)更加明顯。

圖5 鹽分質(zhì)量濃度對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器及性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用儀器包括：直流電源(WL30005型)，輸出電壓為0.5 mV～300 V，輸出電流為0.5 mA～5 A； 電導(dǎo)率傳感器為雙極板式； 不極化電極； 土壤溫濕鹽pH速測(cè)儀(HM-TWSY型)，供電電壓為5～24 V； 傳輸網(wǎng)格線選擇電導(dǎo)率為5×104S/m、直徑為 3 mm炭黑系纖維。垃圾滲濾液取自河北省邯鄲市臨漳生活垃圾填埋場(chǎng)，其成分及濃度見(jiàn)表1。

表1 垃圾滲濾液成分及質(zhì)量濃度 (mg·L-1)

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了模擬野外地下情況，布置尺寸長(zhǎng)度、寬度均為90 cm、深度為50 cm的實(shí)驗(yàn)土槽，在土槽中填充土壤。第1組實(shí)驗(yàn)?zāi)M電極柵格法，在土壤層布設(shè)間距為15 cm的網(wǎng)狀不極化電極系，膜上導(dǎo)排層中埋設(shè)電流發(fā)生電極，在HDPE膜上預(yù)設(shè)3個(gè)漏點(diǎn)，膜下土壤層布設(shè)遠(yuǎn)端回流電極，在遠(yuǎn)離土槽的土壤中布設(shè)相同規(guī)格的遠(yuǎn)端測(cè)量電極N。電極布置完成后，在漏點(diǎn)附近注入滲濾液，之后測(cè)量各電極的電位變化情況。電極鋪設(shè)方式如圖6所示。

圖6 電極柵格法電極鋪設(shè)示意圖

第2組設(shè)置為單傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。將2組垂直的10根水平傳輸電纜以15 cm的間隔安裝在土壤中形成網(wǎng)格，然后在傳輸電纜的每個(gè)垂直交叉處的土壤中安裝25個(gè)電導(dǎo)率測(cè)量傳感器。在安裝帶有傳感器的網(wǎng)格電路之后，通過(guò)將傳輸交叉電路的分支線連接到測(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成定位模型驗(yàn)證。在滲濾液釋放到實(shí)驗(yàn)土壤前后，測(cè)量每個(gè)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)處電導(dǎo)率值。布線示意圖見(jiàn)圖7。

1、2、3、4、5—橫、縱傳輸線編號(hào)； x、y—傳輸線橫、縱方向。圖7 單傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)法布線示意圖

電極柵格法的電位分布如圖8(a)所示。從圖中可以看出，在真實(shí)漏點(diǎn)1位置電極檢測(cè)表現(xiàn)高電位異常，可準(zhǔn)確判定滲漏位置，在真實(shí)漏點(diǎn)2、3附近多個(gè)電極表現(xiàn)高電位異常，存在漏點(diǎn)誤判可能性。單傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)法垃圾滲濾液滲漏模型次表面中的電導(dǎo)率分布如圖8(b)所示。從圖中可以看出，真實(shí)漏點(diǎn)1與傳輸交叉節(jié)點(diǎn)重合，該節(jié)點(diǎn)處電導(dǎo)率變化最明顯，為漏點(diǎn)1的最佳異常點(diǎn)。真實(shí)漏點(diǎn)2、3與傳輸交叉節(jié)點(diǎn)具有一定距離，分別距離漏點(diǎn)2、3最近傳輸交叉節(jié)點(diǎn)處的電導(dǎo)率值變化最為明顯，這2處傳輸交叉節(jié)點(diǎn)為最佳異常點(diǎn)2及最佳異常點(diǎn)3。不同真實(shí)漏點(diǎn)和最佳異常點(diǎn)的坐標(biāo)及誤差見(jiàn)表2。

(a)電極柵格法(b)單傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)法X、 Y—檢測(cè)點(diǎn)的橫、 縱坐標(biāo)。圖8 電極柵格法的電位分布及單傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)法的電導(dǎo)分布

表2 不同真實(shí)漏點(diǎn)和最佳異常點(diǎn)的坐標(biāo)及誤差

3.3 結(jié)果分析

由圖8(a)可知，實(shí)驗(yàn)共有5處區(qū)域電位表現(xiàn)異常，其中3處為漏點(diǎn)位置，土壤的不均勻性及電極對(duì)電流場(chǎng)擴(kuò)散效應(yīng)等的綜合影響，導(dǎo)致漏點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)局部高電位異常區(qū)，最終漏點(diǎn)判定數(shù)目增多。由圖8(b)可知，實(shí)驗(yàn)共有3處區(qū)域的電導(dǎo)率明顯增大，且實(shí)驗(yàn)前模擬的滲漏點(diǎn)個(gè)數(shù)為3。通過(guò)對(duì)比真實(shí)漏點(diǎn)坐標(biāo)與最佳異常點(diǎn)坐標(biāo)可以看出：當(dāng)真實(shí)漏點(diǎn)位于傳輸交叉節(jié)點(diǎn)正上方時(shí)，電導(dǎo)率傳感器可以第一時(shí)間檢測(cè)到的土壤電導(dǎo)率的變化情況，傳輸交叉節(jié)點(diǎn)處坐標(biāo)為真實(shí)漏點(diǎn)坐標(biāo)；當(dāng)真實(shí)漏點(diǎn)偏離傳輸交叉節(jié)點(diǎn)時(shí)，距離漏點(diǎn)最近的傳輸交叉節(jié)點(diǎn)處的定位傳感器最先檢測(cè)到電導(dǎo)率變化，定位偏差為

|Yi-Yn|≤7.5 ,

(7)

式中：d為定位偏差； (Xi，Yi)為最佳異常點(diǎn)坐標(biāo)； (Xn，Yn)為真實(shí)漏點(diǎn)坐標(biāo)。

真實(shí)漏點(diǎn)位置的變化會(huì)改變最佳異常點(diǎn)的位置坐標(biāo)，圖9陰影部分為某一傳輸交叉節(jié)點(diǎn)傳感器覆蓋的優(yōu)先檢測(cè)區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生泄漏會(huì)優(yōu)先被區(qū)域內(nèi)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)處的傳感器檢測(cè)到，進(jìn)一步求出

H—單點(diǎn)優(yōu)先檢測(cè)區(qū)邊距。圖9 單傳輸交叉節(jié)點(diǎn)優(yōu)先檢測(cè)區(qū)

定位模型的定位精度G為

(8)

式中：H為單點(diǎn)優(yōu)先檢測(cè)區(qū)邊距；L為實(shí)驗(yàn)全部傳感器覆蓋區(qū)邊距。

實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)滲漏區(qū)進(jìn)行滲漏定位，最大定位誤差dmax=10.6 cm，根據(jù)式(8)可得，在實(shí)驗(yàn)條件下定位精度G為6.25%。

4 結(jié)論

1)利用垃圾滲濾液泄漏會(huì)導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率增強(qiáng)特性，建立了傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)定位系統(tǒng)。根據(jù)傳輸交叉節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)電導(dǎo)反饋，綜合分析出異常傳輸交叉節(jié)點(diǎn)的電導(dǎo)率值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滲漏點(diǎn)的二維空間定位，解決了傳統(tǒng)電學(xué)方法中檢測(cè)電極對(duì)電流場(chǎng)的遞減擴(kuò)散效應(yīng)的問(wèn)題。

2)對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響因素進(jìn)行了研究，土壤電導(dǎo)率會(huì)隨著滲透液pH的增大而減小，且不同階段的滲濾液pH差異明顯；在土壤中水的體積分?jǐn)?shù)小于30%時(shí)，含水率對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響顯著；當(dāng)土壤中水的體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)，土壤電導(dǎo)率會(huì)隨著土壤鹽分濃度的增大而增大。

3)在綜合分析影響因素的基礎(chǔ)上對(duì)比電極柵格法進(jìn)行了垃圾滲濾液滲漏模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出傳輸交叉節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)檢測(cè)定位模型對(duì)填埋場(chǎng)的最大定位偏差為10.6 cm，定位精度為6.25%，精度較高。