等值反磁通瞬變電磁法在城市生活垃圾填埋場滲漏檢測中的應用

康方平，鄧 岳，曹創華，荊進福，劉春明，彭 杰，周 磊

(1.湖南省地質調查所,湖南 長沙 410116;2.湖南地質資源與環境綠色高效探測技術創新團隊,湖南 長沙 410116;3.中南大學 地球科學與信息物理學院,湖南 長沙 410083)

1 引言

隨著城市的快速發展,城市人口不斷增加,城市生活垃圾也與日俱增,隨之而來的對生活垃圾的處理已成為亟待解決的環境問題,而采用填埋手段處理生活垃圾是我國目前的主要處理方式[1,2]。隨著填埋進入高峰期,垃圾填埋場的滲漏污染事件頻頻發生,對地下水源造成了不同程度的污染,嚴重威脅到了人類生存環境,影響城市的高質量發展[3-5]。因此,城市生活垃圾填埋場的滲漏污染防治迫在眉睫。如何及時準確地查明出場地滲漏位置,實現快速補救,為污染評估和治理提供科學依據,具有非常重要的現實意義,現已成為當前物探工作者研究的熱點課題之一。

針對城市生活垃圾填埋場滲漏檢測,前人做了大量的富有成效的研究工作。郭高山等對垃圾填埋場污染土的電性與磁性響應做了深入研究,得出了電阻率和磁化率都能較好反映出土壤的污染程度[6];夏凡等通過開展高密度電法工作找到了填埋場內垃圾滲漏的主要裂隙通道[7];龔育齡等采用高密度電法溫納裝置,能夠有效地檢測出HDPE(High Density Polyethylene,高密度聚乙烯)防滲土工膜的存在,可實現對垃圾填埋場邊界的確定[8];康思奇采用2-D與3-D高密度電法相結合的模式,實現了對填埋場防滲土工膜破損位置和泄漏滲濾液污染范圍的確定[9];程業勛等通過高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質雷達法和地溫法等物探手段查明了北京某垃圾填埋場的滲漏區及污染范圍[10];劉兆平等采用高密度電阻率法、探地雷達法、高精度磁測法、激發極化法和瞬變電磁法等綜合物探方法在圈定和監測垃圾填埋場的污染范圍和擴散趨勢時效果顯著[11]。目前,國內外常用的城市生活垃圾填埋場滲漏檢測物探方法主要有高密度電法、探地雷達法、淺層地震法以及瞬變電磁法等。然而,高密度電法對接地條件要求較高,且勘探深度依賴于測線布置長度,一旦場地受限,測線長度不夠或接地條件不好,都將嚴重影響應用效果[12]。探地雷達法的有效探測深度僅十來米左右,絕大部分情況下無法滿足勘探深度要求[13]。淺層地震法在疏松地層的地震波激發條件較差,傳播時能量損失較快,故其勘探深度不宜太大,且垃圾填埋場內檢測選擇合適的震源也不太容易[14]。

因此,在眾多檢測方法中,瞬變電磁法是目前最具應用前景的方法之一,它不像電剖面法那樣需要布置眾多接地電極,從而造成對垃圾堆體表層雨污分流膜的破壞,其只需在垃圾堆體表層觀測即可詳細了解深部滲漏點位置及污染影響范圍等信息,實現真正的無損檢測。

2 基本原理及技術特點

瞬變電磁法是近年來發展很快的一種時間域的電磁測深勘探方法,在工程勘探領域應用廣泛,其利用不接地的回線或接地電源向地下目標地層發射一次脈沖磁場,在一次脈沖磁場間歇期間,通過線圈或接地電極觀測隨時間變化的二次感應電動勢,進而達到探測地下地質體的目的。

但是當發射電流關斷時,接收線圈本身會產生感應電動勢,使得接收線圈內一次場磁通量不會馬上為零,并與地下介質產生的二次場疊加,造成瞬變電磁法實測早期信號失真(不是純二次場),影響淺部勘探精度,形成探測盲區[15]。此外,瞬變電磁法有著收發距離和發射回線邊長短,線圈匝數多,收發線圈的互感明顯的缺陷。

為了消除其接收線圈本身產生的感應電動勢,使關斷前后接收線圈中的一次場磁通量保持不變,中南大學席振銖教授等開創性地提出基于等值反磁通原理的瞬變電磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method,簡稱OCTEM)。該方法巧妙地采用了特殊對稱線圈采集裝置,選取在一條縱軸線上下平行的兩組一致線圈同時發射逆向電流,在該雙線圈源合成的一次場零磁通平面上,產生方向相反、數值相同的電磁場,故能有效消除一次場干擾,從而實現對地中心耦合的純二次場進行觀測,實現了消除收發一體天線互感技術,有效地解決了傳統電磁法的探測盲區,實現了從淺部(0～100 m)到深部的有效連續探測[15]。

圖1 等值反磁通瞬變電磁裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of opposing coils transient electromagnetic device

此外,由于收發天線集中在一起,設備小巧,對場地條件要求低,極大地提高了勘探效率;采用雙源線圈的創新技術,增強了設備的抗干擾能力,提高了橫向分辨率,使用小采樣間隔,同時增強了縱向分辨率,可快速對地下地質體進行精確反演成像,解釋成果直觀、分辨率高[16]?？傊?因其獨特創新性的裝置特點,相對傳統瞬變電磁法,OCTEM 法具有消除一次場干擾、分辨率高、精度高、操作簡便等技術特點。

3 工程應用

3.1 工程概況

研究區龍山縣城市生活垃圾填埋場位于湖南省湘西自治州龍山縣城東南興隆街道辦事處一條狹窄山谷中,項目總占地面積約270畝,主要由垃圾填埋區、滲濾液調節池及處理區、生產管理區等組成,采用改良型厭氧衛生填埋形式。本次研究主要對垃圾填埋場一期庫區進行檢測,該處為一條近南北向沖溝,地形狹窄,兩側為陡坎,場地長、寬均非常有限,不適宜大范圍開展長剖面的高密度電法等工作(圖2)。

圖2 研究區地貌特征及垃圾填埋場功能分區略圖Fig.2 Geomorphic characteristics and functional zoning of landfill in the study area

研究區位于龍山向斜南東翼,區內地層為志留紀,巖性以粉砂質頁巖及泥質粉砂巖為主,局部夾鈣質砂巖,區內斷層構造不發育。

3.2 測線布置與工作參數

考慮到滲漏引起的污染暈通常會受到地下水影響,特別在地下水流向上,其影響范圍往往寬達十幾平米甚至更大,因此,本次研究區滲漏檢測選擇布置高密度的物探測線,測線垂直一期庫區的沖溝近乎平行布置,測線方位北西西向(約280°),點距5 m,線距5～10 m不等(圖3)。在明顯異常部位適當地加密測點,達到更加精準地把控異常影響范圍的目的。

圖3 研究區工作布置簡圖Fig.3 Schematic diagram of work layout in the research area

本次數據采集采用湖南五維地質科技有限公司研制的新一代HPTEM-18高精度瞬變電磁系統,其野外采集數據時,效果好壞的關鍵在于選擇合適的測量模式、發射頻率和疊加次數[17]。

HPTEM-18設計了定點測量和動態測量兩種方式,考慮工作效率和定位精度,本次野外檢測采用定點測量方式。

與其它電磁法一樣,HPTEM-18勘探深度與發射頻率有關?？碧缴疃仍缴?所要求的發送頻率越低;反之,則要求越高。HPTEM-18發送頻率為0.1～250 Hz,而OCTEM主要適用于淺部勘探(多在100 m以內),故在野外工作中,6.25 Hz、12.5 Hz與25 Hz這三個頻率使用相對較多。本次目標體深度多在20～30 m之間,要求勘探深度在60 m以內,根據現場試驗,本次選用25 Hz作為發射頻率。

疊加次數的選擇則主要與當地的噪聲水平有關,理論上疊加次數越多,采集到的衰減曲線信號信噪比越高。本次野外工作中,平衡了工作效率與數據質量,綜合考慮后采用疊加次數為400次,并重復觀測兩次。

數據采集時,對測點逐個測量,儀器天線水平放置在測點上,確保采集數據的準確可靠;測量時,保證大線不纏繞,主機、電腦和工作人員等均遠離天線,盡量減少人為干擾。

3.3 數據處理與解釋分析

OCTEM數據處理主要包括對原始數據進行預處理、定性分析、定量解釋和綜合解釋等步驟。預處理主要有平滑濾波、地形加載和數據編輯等,達到剔除飛點數據和去除干擾信號的目標;定性分析主要為參數分析、曲線類型分析及視電阻率分析等;定量解釋主要為擬二維反演,通常根據反演深度和發射頻率來選擇合適的約束系數,一般約束系數越小,反演的深度越淺,反之越深[18-21]。最后再結合地質資料進行綜合解釋。

解釋成果綜合原始一維數據曲線、二維反演成像圖進行分析,結合已有地質信息進行約束和綜合研判,主要通過成果圖中電阻率橫向梯度變化、等值線下凹低阻異常等特征,綜合分析后確定垃圾堆體、底部防滲膜與基巖界面,圈定滲漏區范圍。

4 地球物理特征

填埋場場底及邊坡為防滲系統,材料由無紡土工布、HDPE、土工膜、土工布、卵石層及碎石層等組成。堆體主要由生活垃圾堆積而成,厚幾米至十來米不等。垃圾堆體多為生活垃圾,其中含大量滲瀝液,富含鐵、銅、鋅等多種重金屬離子[22],具有很強的導電性,電阻率值多在80 Ω·m以下;HDPE(高密度聚乙烯),是當前熱門的防滲材料,其化學性能穩定,具有很強的耐腐蝕性,對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,被廣泛地應用于各地垃圾填埋場[23]。HDPE具有明顯的高阻特性,電阻率值往往達幾百至上千Ω·m;而場地外圍及膜下基巖,主要為泥質粉砂巖和粉砂質頁巖等,其電阻率值介于上述兩者之間,一般為幾百Ω·m。它們之間的電性差異明顯,充分具備了地球物理勘探的前提。

根據ρs值大小,結合鉆探等地質資料進行地質分層?？v向上,將ρs值小于100 Ω·m且橫向變化較為平緩的區域判斷為垃圾堆體覆蓋層;ρs值大于200 Ω·m的區域判斷為基巖;堆體底部為高阻防滲膜,當堆體下部底膜破損且存在滲漏時,將ρs斷面圖上電阻率呈低阻凹陷異常且異常下延穿透高阻防滲膜層部位判定為滲漏區。

表1 研究區巖土電阻率

5 成果分析解釋

圖4(a)、圖4(b)分別為L24測線不同測點距(5 m和2 m)的電阻率反演剖面。從圖4(a)可以看出,淺部電阻率值較低,基本在100 Ω·m以下,橫向連續性總體較好,垂向分層明顯,推測淺部低阻層為垃圾堆體的反映,堆體厚10～15 m,堆體底部相對高阻為防滲膜的反映(圖4白色虛線);下部電阻率值較高,推測為基巖的反映;44～50號測點之間,淺部等值線橫向不連續呈下凹趨勢,且下凹深度已深至防滲膜下部基巖內。此外,圖4(b)(對應圖4(a)黑色虛線邊框)為該測線異常部位(35～55號測點)的加密測量成果圖,其電阻率反演形態與異常位置均與圖4(a)完全一致,吻合度極高。通過圖4(a)、圖4(b)進行綜合判斷,L24測線的35～55號測點間為一處較明顯的滲漏區。

圖4 L24線電阻率反演剖面成果Fig.4 Resistivity inversion profile of line L24

圖5 三條典型測線OCTEM法反演成果三維切片Fig.5 3D slices of inversion results of three typical survey lines by OCTEM method

X方向長度是145 m;Y方向長度是160 m;Z方向長度是120 m圖6 研究區OCTEM法反演成果三維椅切圖Fig.6 3D chair cut map of OCTEM inversion results in the study area

圖7 OCTEM推測滲漏區開挖驗證照片Fig.7 Excavation verification photos of the inferred leakage area by OCTEM

圖5為具有明顯低阻異常的三條典型測線L24、 L25與L26的反演成果三維切片圖,三條測線左右相鄰,基本平行布置。從圖5中可以看出:三條測線均存在一處或多處具有一定規模的低阻凹陷異常區(圖5中紅色虛線內),異常區大致呈漏斗狀,上寬下窄,主異常區的形態大體一致,位置比較接近,且其在平面上呈連續發育之勢。綜合推測,該三處低阻異常為同一處相連的滲漏區的共同反映。此外,由于上述三測線左右兩側的L23與L27測線均無明顯異常反映,因此,推測該滲漏異常區主要集中分布在L24線40～50號測點間、L25線35～45號測點間及L26線50～60號測點間的范圍內,異常影響范圍約為10 m×20 m,深度基本在35 m以淺(圖6紅色虛線)。

根據OCTEM法檢測成果,選擇在典型測線的低阻異常部位進行開挖驗證。開挖結果顯示(圖7),該處底部的防滲膜破損非常嚴重,防滲膜接縫處可見多條大小不等的裂縫和漏洞,最長的裂縫長度接近1 m,最大的漏洞直徑大于30 cm,滲濾液污染的影響深度已深達膜下十來米。通過開挖驗證分析,異常處垃圾堆體厚度及滲漏點位置均與物探推斷成果吻合較好,有力地說明了本次OCTEM檢測成果準確可靠,同時也說明了OCTEM技術在生活垃圾填埋場滲漏檢測中具有良好的應用效果。

6 結論

在研究場地范圍有限、不適宜開展長剖面常規電法工作且探測深度要求較淺的場區,采用OCTEM技術進行滲漏污染檢測,獲得了較為滿意的結果。

OCTEM技術并未形成明顯的淺層盲區,其有效地穿透了上部低阻覆蓋層,對地下不同深度、不同位置的地質體均成像清晰直觀、反映明顯,不僅平面上能準確有效地確定滲漏區域位置;而且剖面上對垃圾堆體的厚度與基巖面的劃分也十分準確。更重要的是,OCTEM技術對填埋場表層的雨污分流膜不會造成任何破壞,實現了真正的無損檢測。

通過OCTEM技術在龍山縣生活垃圾填埋場滲漏檢測中的成功應用,表明了該方法在城市生活垃圾填埋場滲漏檢測中切實可行,且行之有效,在城市環保檢測領域具有廣泛的應用前景,為類似的城市生活垃圾填埋場滲漏檢測提供了寶貴的經驗借鑒。此外,也有力地說明了地球物理技術越來越受到人們的重視,已成為解決環境污染問題時不可或缺的重要手段。

致謝:特別感謝北京金浩林勘探技術有限公司的浩拓地球物理軟件給與的支持。