填埋場滲漏磁法檢測的噪聲來源與剔噪方法綜述

能昌信，賈兆志，劉寬，孫新宇，錢璨，劉玉強(qiáng)，姚光遠(yuǎn)，徐亞*

1.山東工商學(xué)院信息與電子工程學(xué)院

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院

3.河北省張家口生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心

填埋是固體廢物集中處置的主要手段，填埋場則是固體廢物對地下水污染集中發(fā)生的場所[1]。近年來，隨著“3R（reduce,reuse,recycle）”[2]理念的盛行，固體廢物資源化比例上升，填埋占比在發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家有所下降。然而，作為固體廢物的最終處置方式，其在全球固體廢物管理中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位[3]。全世界收集的生活垃圾中，70%左右通過填埋方式處置，用于物質(zhì)再循環(huán)和能源回收的分別僅占19%和11%。作為世界排名前2 位的經(jīng)濟(jì)體，中國和美國的垃圾填埋量均接近1 億t/a，占其收集量的57%以上，歷年累計(jì)填埋量分別接近20 億和70 億t[4]。與此同時(shí)，固體廢物及其次生降解產(chǎn)物（滲濾液）中含有多種持久性、累積性的危害物質(zhì)，如重金屬、持久性有機(jī)污染物（POPs）等。盡管現(xiàn)代工程填埋場試圖通過多層復(fù)合屏障等冗余式設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的工程質(zhì)量控制（QC）和工程質(zhì)量保障（QA）等將防滲層的破損和滲濾液的滲漏控制到最小化的水平，但由于防滲工程材料HDPE 膜在使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)次生漏洞，滲漏仍難以完全避免[5]。鑒于全球歷年累積的巨大固體廢物填埋量以及填埋場的廣泛分布，填埋場帶“病”運(yùn)行，可能產(chǎn)生全球性的長期環(huán)境損害和人體健康危害。

填埋場的普遍滲漏和滲漏后的嚴(yán)重危害凸顯了對其防滲HDPE 膜進(jìn)行破損檢測和漏洞定位的重要性。及時(shí)探測并精確定位HDPE 膜的缺陷，進(jìn)而及時(shí)對其修補(bǔ)，可以有效避免滲濾液等有害物質(zhì)泄漏和環(huán)境污染，節(jié)省巨額的土壤和地下水體污染修復(fù)費(fèi)用[6]。不少學(xué)者對填埋場滲漏檢測進(jìn)行了研究，如能昌信等[7]構(gòu)建了高壓直流電法的等效模型，并利用該模型研究了電學(xué)滲漏檢測場景下的填埋場及漏洞處的電學(xué)特性；管紹朋等[8]通過構(gòu)建缺陷的探測模式，探討了在雙襯層填埋場用電學(xué)方式探測缺陷的基本原理，并推導(dǎo)出了檢測層中的電勢分配規(guī)則；楊萍等[9]開展了偶極子法防滲膜滲漏檢測研究，分析了膜上介質(zhì)厚度對偶極子檢測的影響；張辰等[10]構(gòu)建了電極陣列，采用分區(qū)檢測、多點(diǎn)供電的方式實(shí)現(xiàn)填埋場滲漏檢測?？偟膩砜矗陔妼W(xué)方法的滲漏檢測是目前填埋場防滲層檢測的最有效方法[11-13]。

然而，傳統(tǒng)電學(xué)滲漏檢測在針對雙層襯墊或多層襯墊系統(tǒng)中的下層襯墊檢測時(shí)會(huì)失效。原因是電學(xué)方法是根據(jù)檢測對象上方介質(zhì)的電勢及其異常進(jìn)行定位，而雙層襯墊中下層襯墊上方是絕緣的上層襯墊，難以形成電勢分布。由畢奧-薩伐爾定律可知，下層膜漏洞處的電流會(huì)產(chǎn)生磁場[14]。因此，通過磁場信號(hào)，磁法可能彌補(bǔ)這一缺陷，可以實(shí)現(xiàn)對下層膜的檢測。但是磁法產(chǎn)生的信號(hào)較為微弱，可能會(huì)受周圍背景磁場的影響。因此識(shí)別填埋場的背景磁噪聲，并提出相應(yīng)的去噪方法對于開展磁法滲漏檢測具有重要意義[15]，但該方面的研究卻鮮見報(bào)道。

為彌補(bǔ)上述不足，筆者擬開展文獻(xiàn)和理論研究，分析填埋場的電磁噪聲來源和噪聲信號(hào)特征，以及去噪的方式。結(jié)合填埋場實(shí)際條件，系統(tǒng)識(shí)別可能存在的地電噪聲、人文噪聲等干擾源，結(jié)合其產(chǎn)生原因、特征等，篩選適宜的噪聲剔除方法，以期為后續(xù)進(jìn)一步開展磁法滲漏檢測研究提供基礎(chǔ)。

1 磁法檢測的原理和磁異常信號(hào)的強(qiáng)度特征

1.1 磁法檢測的基本原理

傳統(tǒng)電法滲漏檢測的原理是在防滲膜上方和下方鋪設(shè)點(diǎn)電極，對2 個(gè)電極施加高壓直流電，由于防滲膜具有電絕緣性，電流會(huì)通過漏洞流出，形成電流通路[16]。通過利用電壓檢測儀采集目標(biāo)防滲膜上方介質(zhì)的電勢分布，可以根據(jù)電勢或電勢差異常對漏洞進(jìn)行定位。然而，在雙層或多層防滲結(jié)構(gòu)下，下層膜上方被絕緣的上層膜覆蓋，無法采集到下層膜的電勢分布，因而也無法對漏洞進(jìn)行定位。磁法檢測是在電法基礎(chǔ)上，通過使用高精度磁力儀在漏洞上方捕捉漏洞磁場信號(hào)來定位漏洞。漏洞處的磁場信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值上可以用空氣中的磁場信號(hào)強(qiáng)度來等效代替，因?yàn)橥寥馈? 層土工膜（HDPE 膜）以及雙層膜之間的導(dǎo)排層這3 種磁介質(zhì)和磁感應(yīng)強(qiáng)度之比接近于1，即磁導(dǎo)率均接近于1，空氣中的磁場信號(hào)由漏洞處的磁場傳導(dǎo)而來[16]。

由畢奧-薩伐爾定律可知，恒定電流元可以激發(fā)磁場。對于雙襯層填埋場，在下層HDPE 膜兩側(cè)施加高壓直流電，通過測量漏洞處電流產(chǎn)生的磁場（目標(biāo)磁場）實(shí)現(xiàn)對漏洞定位，從而實(shí)現(xiàn)對雙襯層填埋場下層HDPE 膜的破損檢測。圖1 為雙襯層填埋場下層HDPE 膜破損檢測原理。

圖1 雙襯層填埋場下層HDPE 膜破損檢測原理[16]Fig.1 Principle diagram of HDPE membrane damage detection in the lower layer of double lining landfill

1.2 磁異常信號(hào)的強(qiáng)度特征

根據(jù)上述磁法檢測原理，漏洞位置處的磁特征信號(hào)強(qiáng)度主要影響因素包括流經(jīng)漏洞電流、流經(jīng)HDPE 膜上潮濕石子電流和流入HDPE 膜下大地電流。漏洞處的電流受激勵(lì)電壓、傳感器的位置、供電電極的位置、漏洞的位置和大小等因素影響。

理論上，磁場強(qiáng)度與電流成正比，據(jù)此推算由于漏洞產(chǎn)生的磁異常強(qiáng)度應(yīng)該要求精度在1 nT 以下。馬彪彪等[15]現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，施加高壓直流電前后，HDPE 膜漏洞附近的磁感應(yīng)強(qiáng)度存在明顯差異，差值可達(dá)0.5～1.0 nT；孫新宇[16]通過高仿真數(shù)值模擬模型和現(xiàn)場試驗(yàn)表明，在供給電極高壓直流穩(wěn)壓電源并向?qū)殴軆?nèi)注入鹽水的狀態(tài)下，膜漏洞附近電流可高達(dá)10 A，對應(yīng)漏洞處磁場強(qiáng)度可達(dá)到13 nT。

2 填埋場電磁噪聲來源及特征

2.1 主要噪聲來源

基于雙襯層填埋場下層膜破損檢測的磁法原理，是通過檢測下層HDPE 膜漏洞處的磁場信號(hào)來定位漏洞[16]。而漏洞處的磁場信號(hào)是多種磁場疊加產(chǎn)生的。雙襯層填埋場下層膜下與大地連接，而地球自身就是一個(gè)磁場，因此，填埋場的磁場包含地磁場。同時(shí)，人類在鋪設(shè)填埋場覆蓋層或進(jìn)行其他檢測修理的作業(yè)活動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的磁場。所以，填埋場電磁噪聲的干擾主要來自大地電磁噪聲和人文電磁噪聲[16]。

如表1 所示，根據(jù)噪聲來源，大地電磁噪聲分為外部干擾源和內(nèi)部干擾源。內(nèi)部干擾源主要是起源于固體地球內(nèi)部（即內(nèi)源場），包括起源于地核的主磁場（地核場）和起源于地殼的巖石圈磁場（地殼場）[17]，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場，如礦井、地下水等地質(zhì)噪聲。外部干擾源起源于固體地球外部（即外源場），主要分布在地球的磁層和電離層，其產(chǎn)生與星際空間中的電流體系相關(guān)。雖然它們相對較微弱[18]，但卻是驅(qū)動(dòng)地球磁場變化的主要因素。這些外部干擾源在空間電磁環(huán)境中形成，然后通過復(fù)雜的相互作用影響地球磁場。地球磁變化場可分為平靜變化和干擾變化兩大主要類型，這些變化磁場涵蓋了地磁場的各種短期變化，如太陽活動(dòng)和磁暴等現(xiàn)象?？梢哉f，外部干擾源通過與地球磁場相互作用，引發(fā)了這些磁場的變化。人文電磁噪聲主要有人員及設(shè)備的影響因素，人員因素包括人員走動(dòng)、人員密集度，設(shè)備因素包括填埋場機(jī)械設(shè)備、電力設(shè)備、通訊設(shè)備等[16]。

表1 填埋場電磁噪聲主要來源Table 1 Sources of electromagnetic noise in landfills

2.2 大地電磁噪聲來源及其特征

2.2.1 大地電磁噪聲的來源

大地電磁噪聲疊加在地磁場中，地磁場是指地球內(nèi)部存在的天然磁性現(xiàn)象，由地球內(nèi)部磁性巖石及分布于地球內(nèi)部和外部的電流產(chǎn)生的多種磁場疊加形成[19]。地磁場由地核場、地殼場和變化磁場3 部分組成。地核場又稱主磁場，占總磁場的95%以上，是由地核磁流體發(fā)電機(jī)過程產(chǎn)生的，具有長期變化和倒轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，其變化尺度可達(dá)千百甚至萬年；地殼場占總磁場的4%，由地殼和上地幔中的磁性巖石所產(chǎn)生，并且基本穩(wěn)定；變化磁場占總磁場的1%以下，受太陽、磁暴和亞磁暴、地磁擾動(dòng)等干擾[20]，其特點(diǎn)是隨時(shí)間變化劇烈。

然而，地磁場并不總是保持穩(wěn)定，它會(huì)受到來自大地電磁噪聲的干擾。大地電磁噪聲的主要來源分為地磁日變、地磁擾動(dòng)和地質(zhì)噪聲。地磁日變是受太陽活動(dòng)影響而產(chǎn)生的以太陽日為周期的地磁場變化，幅度相對穩(wěn)定，振幅約為102nT；地磁擾動(dòng)是受雷電、磁暴和亞磁暴等干擾引起的。這些擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致地磁場的強(qiáng)度和方向發(fā)生劇烈變化，頻率范圍通常在10?4～104Hz[21]；地質(zhì)噪聲主要由地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地球物理現(xiàn)象引起的，特別是地下鐵磁性礦藏對地磁場分布產(chǎn)生影響。這些不同來源的噪聲共同影響地磁場的強(qiáng)度和方向，導(dǎo)致地磁場中存在各種頻率和振幅的電磁噪聲，形成了復(fù)雜的地磁場分布。

綜上所述，地球的地磁場由地核場、地殼場和變化磁場組成，但受到來自地磁日變、地磁擾動(dòng)和地質(zhì)噪聲的影響，產(chǎn)生了復(fù)雜多樣的電磁噪聲，進(jìn)而影響了地磁場的強(qiáng)度和方向分布。

2.2.2 大地電磁噪聲的特征

地磁日變、地磁擾動(dòng)和地質(zhì)噪聲之間可能有一定的重疊和交叉影響。地磁日變在1 個(gè)太陽日的時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)生變化，受緯度影響較大。季節(jié)性差異和晝夜差異是地磁日變的顯著特征。夏季地磁日變波動(dòng)幅度通常高于冬季，而白天地磁場變化劇烈，峰值高于30 nT，夜間變化相對平緩，峰值低于10 nT，全球最大日變化量為30～200 nT[22]。不同地區(qū)的緯度差異也會(huì)導(dǎo)致地磁日變曲線的差異。

地磁擾動(dòng)是指非周期性的短期磁場變化，擾動(dòng)變化有時(shí)可達(dá)103nT，主要表現(xiàn)為地球磁暴現(xiàn)象。典型的磁暴表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間短暫但強(qiáng)度很大，同時(shí)頻率范圍很廣。它的形態(tài)特征呈現(xiàn)出三角波形狀，初相比較陡峭，而恢復(fù)相的變化趨勢則相對平緩。具體而言，在某典型磁暴中，15:30 是磁暴初相值最高的時(shí)刻，到17:00 則衰減至0。整個(gè)過程中，地磁場的方向和強(qiáng)度會(huì)瞬間發(fā)生變化，持續(xù)時(shí)間短暫、強(qiáng)度大、頻率范圍廣[23]。

地質(zhì)噪聲是由地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和介質(zhì)導(dǎo)致的磁場變化，包括地殼運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)、地震、地?zé)崃鞯?。地質(zhì)噪聲的特征是持續(xù)時(shí)間較長、幅度相對較小，頻率范圍較窄，并且對自然電場的影響較小，其電勢強(qiáng)度為幾十～1 000 mV/km。當(dāng)淺層介質(zhì)的導(dǎo)電性不均勻時(shí)，會(huì)引起電流分布的不同，特別是地下鐵磁性介質(zhì)會(huì)引起地磁場局部異常分布[24]。

2.3 人文電磁噪聲的來源及特征

填埋場中人文電磁噪聲來源廣泛，主要包括以下幾方面：1）機(jī)械設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的噪聲，填埋場中常見的機(jī)械設(shè)備包括推土機(jī)、挖掘機(jī)、破碎機(jī)等，這些設(shè)備的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械噪聲，其中工程車輛產(chǎn)生的地磁干擾占比最大，一般速度為20 km/h 的重型汽車在直線距離10 m 時(shí)對地磁場的垂直干擾達(dá)到15 nT，在30 m 處基本衰減完畢。2）垃圾處理過程中的電器設(shè)備噪聲，如軋機(jī)、壓縮機(jī)、輸送機(jī)等，這些設(shè)備通常使用電力驅(qū)動(dòng)，因此在其運(yùn)行時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁輻射和電磁噪聲。3）外部環(huán)境干擾，如雷電、通信設(shè)施、航空器、無線電設(shè)備等外部因素的電磁干擾也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁噪聲。雷雨惡劣天氣發(fā)生時(shí)，強(qiáng)大的閃電電流，引起電磁場、光輻射、沖擊波和雷聲等物理效應(yīng)[25]；通信設(shè)施，特別是無線通訊設(shè)備在信號(hào)的傳遞、輸送過程中會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲。4）填埋場工作人員及測試人員隨身攜帶的鑰匙等具有鐵磁性質(zhì)的物品會(huì)產(chǎn)生一定的磁場，但是對整體的磁場影響效果不大，可通過人員自身控制并消除干擾。

總體來說，填埋場中的人文電磁噪聲具有以下特征：電磁波頻率范圍較廣，涵蓋從低頻到高頻的范圍；電磁場強(qiáng)度較大，特別是在電力設(shè)備運(yùn)行過程中，能量分布不均勻，有些頻段的輻射強(qiáng)度比其他頻段更突出。隨環(huán)境和設(shè)備的變化而變化，不同時(shí)間段和地點(diǎn)的電磁噪聲強(qiáng)度和頻率特征都可能存在差異。

3 電磁噪聲的去除方式

3.1 檢測前的預(yù)處理

在進(jìn)行填埋場地磁噪聲檢測之前，需要進(jìn)行以下預(yù)處理操作：1）清理填埋物表面和周圍環(huán)境。清除填埋物表面和周圍環(huán)境上的金屬和其他雜物，以避免它們對磁場測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。2）建立基準(zhǔn)點(diǎn)。在填埋場地周圍建立基準(zhǔn)點(diǎn)，用于進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。3）進(jìn)行基線校準(zhǔn)。通過采集基準(zhǔn)點(diǎn)和填埋場地內(nèi)不同位置的磁場數(shù)據(jù)，對基線進(jìn)行校準(zhǔn)，以消除儀器誤差和漂移等因素對數(shù)據(jù)的影響。4）確定測量方向。確定磁場測量方向和距離，以確保測量數(shù)據(jù)的精度和可靠性。5）選取合適的磁場檢測儀器。選擇能夠滿足填埋場地尺寸和深度要求的磁場檢測儀器，并進(jìn)行儀器校準(zhǔn)和質(zhì)量控制。6）排除填埋場可控的噪聲干擾。

排除噪聲的干擾主要是移除現(xiàn)場人員隨身攜帶的或現(xiàn)場設(shè)備的鐵磁性材料，這些材料一般屬于可控干擾源。典型來源包括填埋場機(jī)械、車輛等；現(xiàn)場工作人員攜帶的鐵磁性物品如鐵腰帶，鐵拉鏈、鐵勞保鞋、手表、金屬眼鏡，錘子、螺絲刀等工具。對于這些噪聲源，在磁法檢測前要求在場人員去除攜帶的上述鐵磁性物品；確認(rèn)50 m 以內(nèi)沒有施工機(jī)械、運(yùn)輸車輛的干擾；對于其他目標(biāo)檢測區(qū)域內(nèi)殘留的鐵磁性材料，手動(dòng)移除使之處于擾動(dòng)距離外[16]。

3.2 檢測過程中的去噪

在填埋場地磁噪聲檢測過程中，根據(jù)噪聲的頻率特征不同，可分為低頻噪聲和高頻噪聲。針對這2 種不同類型的噪聲，填埋場地磁噪聲的去除方式包括以下幾種：工頻濾波、差分濾波、空間多極子展開法、低通濾波、磁場梯度測量法。檢測過程中的去噪方式及其原理和效果如表2 所示。

表2 檢測過程中的去噪方式、原理及效果Table 2 Method,principle and effect of denoising in the detection process

不同的去噪方法適用于不同的噪聲場景和應(yīng)用需求。工頻濾波、差分濾波、空間多極子展開法均可去除低頻噪聲。其中，工頻濾波簡單實(shí)用，適用于去除特定頻率的低頻噪聲；差分濾波適合去除共模噪聲和高頻瞬時(shí)噪聲；空間多極子展開法可以去除環(huán)境和人為因素產(chǎn)生的低頻噪聲，對數(shù)據(jù)處理要求較高。低通濾波、磁場梯度測量法均適用于去除高頻噪聲，且磁場梯度測量法能夠提高信號(hào)的精度和分辨率，適用于去除高頻振動(dòng)和電器設(shè)備干擾等高頻環(huán)境噪聲。

相對于其他復(fù)雜的濾波方法，差分濾波方法在填埋場地中具有較好的噪聲去除效果。這是由于填埋場地的磁噪聲包含許多高頻成分，如機(jī)械振動(dòng)、電器設(shè)備干擾等。差分濾波方法通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行微分處理，可以濾除高頻噪聲和低頻漂移信號(hào)，同時(shí)消除填埋場地內(nèi)部的常規(guī)性噪聲和系統(tǒng)誤差，保留較為穩(wěn)定和準(zhǔn)確的磁場梯度信號(hào)。

為驗(yàn)證差分濾波方法的科學(xué)性和有效性，在新疆某填埋場選擇差分采集方式進(jìn)行工程現(xiàn)場降噪的有效性驗(yàn)證。該試驗(yàn)使用2 組磁力儀，在1 m 間距的支架上固定2 個(gè)磁探頭，并記錄2 個(gè)磁力儀的測量數(shù)據(jù)。磁場信號(hào)以1 次/s 的速度進(jìn)行采集，總共采集了2 000～8 000 s 的數(shù)據(jù)，共計(jì)6 000 個(gè)。圖2顯示了#1 和#2 設(shè)備分別測量的背景磁場圖像及差分結(jié)果。2 臺(tái)設(shè)備單獨(dú)測試數(shù)據(jù)的最大值和最小值之差分別為3.85 和3.26 nT；通過差分后的數(shù)據(jù)對比可見，最大值和最小值的差異明顯減小，僅為1.13 nT，表明差分濾波方法在填埋場背景磁場采集中起到了有效的降噪作用[16]。

圖2 填埋場背景磁場差分方式采集[16]Fig.2 Collection of background magnetic field of landfill by differential method[16]

4 結(jié)論

（1）當(dāng)電流通過漏洞附近的區(qū)域時(shí)，漏洞距離越近，其磁場信號(hào)就會(huì)越強(qiáng)。磁通量密度與電流強(qiáng)度成正比，即電流強(qiáng)度越大，磁通量密度就越大。在供電電極處也會(huì)出現(xiàn)與漏洞磁場相同的特征信號(hào)，從而干擾周圍的漏洞磁場特征。而電流強(qiáng)度越大，漏洞處的磁場信號(hào)也會(huì)越強(qiáng)。此外，漏洞處的磁場強(qiáng)度越大，對周圍的影響范圍也就越遠(yuǎn)。

（2）填埋場噪聲主要由地磁場和人造磁場引起的。其中，地磁噪聲可以分為地磁日變、地磁擾動(dòng)和地質(zhì)噪聲3 類。地磁日變產(chǎn)生周期為太陽日的變化，與太陽活動(dòng)有關(guān)。地磁擾動(dòng)則是由于雷電、磁暴、亞磁暴以及地磁脈動(dòng)等干擾所致。而地質(zhì)噪聲主要來自地下礦藏、水體等自然因素。人文電磁噪聲主要是由電力網(wǎng)線、通訊設(shè)備、工程車輛以及測試人員攜帶的鐵磁性材料引起的磁場變化而產(chǎn)生的噪聲。

（3）填埋場不同的噪聲源具有不同的噪聲信號(hào)特征，需要根據(jù)不同的噪聲特征，選用不同的剔除方式。填埋場去噪主要采用2 個(gè)步驟，包括檢測前的預(yù)處理、檢測過程中的噪聲去除。檢測前要確認(rèn)沒有施工機(jī)械或運(yùn)輸車輛的干擾，并手動(dòng)移除噪聲源使之處于擾動(dòng)距離外。檢測過程中的主要去噪方式有5 種，對于50 Hz 的噪聲采用工頻濾波去除；對于高頻信號(hào)噪聲采用低通濾波去除；對于共模噪聲采用差分濾波的方式去除；空間多極子法和磁場梯度測量法可以去除低頻噪聲、高頻噪聲和系統(tǒng)誤差。為了更好地降低填埋場中的噪聲干擾影響，在噪聲的降低和去除方面可進(jìn)一步研究采用線纜測試裝置或者點(diǎn)陣測試裝置的可行性。