并行电法在垃圾渗滤液污染动态监测中的应用

谭 磊，张平松，陈兴海，张成乾

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

并行电法在垃圾渗滤液污染动态监测中的应用

谭 磊，张平松，陈兴海，张成乾

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001)

为了查明垃圾渗滤液浸染土壤的污染范围、程度及扩散实时动态情况，利用并行电法系统对室内渗滤液浸染模型开展测试工作。根据垂向和面上两种扩散形式，采用不同布置方式，分别得到三维反演立体电阻率值和电极电流变化曲线图。实验结果显示，三维立体成像和不同时刻电极电流变化趋势两者结合使用，可圈定渗滤液浸润垂向和面上扩散特征，具有时空控制的全面性。此项技术可为实地污染区的探测提供技术支撑。

垃圾渗滤液;并行电法;动态监测;试验

收稿日期: 2013-12-10
第一作者简介:谭 磊( 1988-)，男，安徽省亳州人，硕士，研究方向:地质工程勘探，E-mail: ltan126@126．com。

垃圾渗滤液是一种成分多样、水质复杂、污染性很强的高浓度废水。如若处理不善，将会对周边环境产生二次污染的恶劣后果[1-2]，土壤、植被、地表水、地下水、生态环境甚至人类的身体健康都会遭受其直接或间接的损害，必须引起足够的重视[3-7]。因此，《生活垃圾填埋场污染控制标准( GB16889-2008)》中明确规定，需对填埋场中产生的垃圾渗滤液定期检测。当前，间接测试手段主要借助物探方法中的同位素示踪法、地温法、地震波法、测井法、瞬变电磁法、探地雷达和高密度电法等。其中，高密度电法是环境检测和城市垃圾调查中的一种重要物探手段[8-11]，而采用拟地震化开展数据采集工作的并行电法技术，几乎没有应用到这领域。

1并行电法测试技术

1. 1 测试地球物理基础

电法勘探是以岩土体电学性质的差异为基础，通过查找异常体的位置、形态、埋深及规模来定位空间参数，服务于工程地质勘察、水文地质调查、矿产资源开发和环境污染治理等领域。城市生活垃圾填埋场中的渗滤液，主要成分为以阴、阳离子形式存在的无机物质，电化学性质比较活泼，易于土壤发生复杂的系列反应，进而改变了原土壤介质的电学性质。由此，打破了原有土壤在垂向和横向上电性的稳定性、规律性与渐变性，与周围原土体的电学性质差异明显，具体表现为电阻率值相对较低。另外，渗滤液中含量相对较少的有机物，电学性质较多变。其中难溶于水的表现出成层现象，互溶且具有活性的有机物质也可引起土壤电学性质发生改变。表1列举了几种常见的介质电阻率值，可见受污染后的介质与正常介质电性差异显著，这是进行电法测试的前提条件和物质基础。

表1常见介质电阻率值Table 1 Resistivity values of common medium

1. 2 并行电法探测技术

并行电法由高密度电法数据采集技术的改进而形成的。它既可完成传统电法的各种测量装置的数据采集，也能极大的提高野外勘探的效率。庞大高效、丰富的数据采集与数据处理是该系统的核心。并行电法仪依数据采集方式的差异，可划分为AM法和ABM法两种。AM法所采集的电位为单点电源供电下的电场，此种方式与传统二极法基本无异。现场布置时供电电极B和公共电极N都置于无穷远处，作为电位的参照标准。位于测线上的任何一个电极供电时，剩余电极同时在并行采集电位数据。只需一次测量，AM法所采集得到的数据，完全可以实现二极、三极等装置的数据处理及反演，并可满足常规高密度电法勘探中的二极法，温纳三极A、B等装置类型的数据采集需求。ABM法采集数据所反映的是偶极子供电情况，测线上两点A和B为供电电源，现场把公用N极置于无穷远，作为电位的参照标准，其他电极为测量电极M，测试过程中没有空闲电极存在，一次测量结束后可实现高密度电法勘探中的各类四极装置反演数据的需求，极大地提高了采集效率。

AM法采集到的数据经过一次场解编处理后，可以提取所有电极的供电电流。当供电电压一定时，供电电流的大小与接地电阻相关[12]，间接指示出地下介质电阻率的变化情况。单点电源供电情况下，供电电压与电流符合欧姆定律:

式中，R——接地电阻。

因电极电阻相比于地下介质阻值极小，即R可近似看作为地下介质电阻

式中: a——供电电极的半径。

采用并行电法探测系统，可进行实验现场立体化布置，采集不同时刻渗滤液的电阻率影响值，进一步反演其三维立体电阻率值，对渗滤液流动变化范围进行追踪。其中电法三维反演数据的表达式:

式中: G——Jacobi矩阵;

Δd——观测数据d1和正演理论计算值d2之间的残差向量;

Δm——初始模型m的修改向量。

因式( 3)参数太多，常采用基于平滑约束的最小二乘法，反演的到稳定性较高的光滑模型。此种方式求解Δm的算法为

式中: C——模型光滑矩阵;

λ——阻尼因子。

通过求解Jacobi矩阵及大型矩阵逆的计算，来求取各三维网格的电性数据。

并行电法采集的数据为电场空间综合作用的参数值，即获得各个电极的供电电流值。自然电场、一次场、二次场测量值，可通过三维电法反演软件反映地质体三维电阻率的空间分布[13]。并行电法具有同步并行数据采集的特点，避免了常规电法不同时间采集数据的系统误差，确保电极接地条件的稳定性。

2 探测实验

2. 1 实验准备

根据物理模拟的相似性原理，结合实验现场的介质情况，现采用矿化质量浓度为0. 5 g/L的NaCl溶液模拟垃圾渗流滤液，与土壤的电阻率值差异为20～40 Ω·m，基本与实际无机渗滤液污染区电性差异相符。实验场地选择在土壤成分较均匀的宽阔草地，在实验区开挖一个直径60 cm、深度100 cm的圆柱形洞体作为垃圾掩埋场所。

面上扩散特征的研究采用类似电法超前探系统[14]布置方式，即各电极呈线性排列，可疑异常体位于测线正前方。实验采用自制的铜电极，横截面积为0. 5 mm2，共布置38个电极，电极埋深0. 5 cm左右。测线上共布置24个电极，其1号电极距洞体水平距离为20 cm，电极间距为10 cm。垂向扩散特征的研究采用并行三维电法技术[15]，观测电阻率在立体反演图垂向变化的情况。观测系统一般是围绕可疑异常体周围布置电极，利用并行电法系统展开工作。测试系统采用半包围“U”形式布置，即1号作为起点( 0，0)，38号电极为尾点( 0，2. 1)，16号(-4. 5，0)，23号(-4. 5，2. 1)号分别为“U”形的端点，电极间距为30 cm。A洞体距16～23号电极测线的垂直距离为130 cm(见图1)。

图1 现场测试布置Fig．1 Layout of field test

2. 2 数据采集

将配制好的NaCl溶液匀速加入圆洞，数据采样过程中始终保持圆洞内溶液充满、流速的稳定性，模拟各个方向溶液渗入的分布特征。其中，“U”形三维测量时采用并行电法系统的ABM法采集方式，供电电压为12 V，采样时间为0. 2 s，采样间隔为100 ms，供电方式为单正法，一组数据采集完成共历时约7 min。每隔0. 5 h采集一次，共获得7组监测数据。

线性排列方式采集时采用并行电法AM法数据采集方式。采样时间为0. 5 s，采样间隔为50 ms，一组数据采集完成需要约40 s。每隔0. 5 h采集一次，共得到12组数据。供电电极B极置于100 m处。

3结果与分析

3. 1 面上扩散特征

现场采用线性排列方式布置测试系统，观测渗滤液在多个时刻的扩散特征。土壤中的垃圾渗流液向外浸染的过程中，地下介质的电学性质会发生改变，预先安放在地面的电极会对其产生响应，表现为电性参数的突变。此次实验供电电压基本稳定，引起供电电流变化的原因主要为渗滤液浸润土壤所致[16]。将排列测线数据利用WBD软件解编，提取不同时刻电极的一次场电流，得到电流与时间的单因子变量关系(见图2)。

图2 1～24号电极不同时刻电流变化Fig．2 Electric current of 1-24 electrodes at different times

由图2可见，背景电流总体在40～55 mA范围内，后期测试电流数据整体分布于60～70 mA之间，可明显看到在不同时刻的跳跃情况。总体趋势电流先升高，后基本保持稳定。7、19和24号电极电流在整个实验过程中变化不大，可能与电极的接地不良有关。

1～3号电极在注水后0. 5 h间隔内，电流强度数值突然升高，说明了污染液可能浸润到这些区域，沿测线方向有50 cm左右。

在0. 5～1. 0 h时，4～6号电极电流升高，基本上都升高了10 mA左右。

在1. 0～1. 5 h时，8～13号电极电流在这个时刻升高，其中11号电极几乎升高了20 mA。污染液已渗到2 m左右的位置。

在1. 5～2. 0 h时，14～18号电极电流也开始升高。

在2. 0～2. 5 h这段时间内，19～23号电极电流也有明显升高。

至此，有效电极电流基本上都集中在65 mA左右，相比注水前背景电流值有15 mA左右的升高。由此，可以根据不同时刻对应电极电流的变化情况，判断渗滤液在面上扩散的过程及速度，界定流动变化范围。

3. 2 垂向扩散特征

采用“U”形观测系统，利用并行电法系统对孔A内外电阻率实时变化开展监测工作。对“U”形三维数据体的解编，利用AGI软件反演计算，获得测试空间范围内的三电位电极系反演结果图像。切片处理后，得到不同深度的电阻率切片，反应渗滤液在垂向扩散特征。

土壤被NaCl溶液浸染后，其电阻率较背景值有所降低，表现为低阻异常，与周围介质存在明显的界限。图3为注NaCl溶液2. 5 h后的电阻率立体反演图，可明显看出图中x =-3. 0～-4. 5 m、y =0～-2. 1 m、z = 0～-0. 7 m区域电阻率值在0. 5～4 Ω·m变化，且有明显分界。电阻范围和洞体基本吻合，说明并行电法技术可测试和判定渗漏液浸入区准确位置。

图3 电阻率立体反演结果Fig．3 Resistivity three-dimensional inversion results

实验过程中，采用多个时间段的连续采样，最终经过处理可以获得温纳α排列、温纳β排列、温纳γ排列等不同装置类型的反演图像。由于获得切片图像数量众多，限于篇幅，现选择温纳四极-0. 69 m深度下不同时刻的三维切片图进行对比分析(见图4)。

在NaCl溶液浸入后0. 5～3. 0 h过程中，可清晰分辨其在土壤中的浸润趋势。其中0. 5 h后，电阻主要集中在洞体A附近，随着溶液的不断加入，浸润区域范围逐渐扩大。在1. 5 h时，渗滤液向16～22电极测线方向流动，可能由地下介质不均匀引起。不过，此种现象可以从另一个角度证明并行电法可以检测NaCl溶液的动态变化过程。总之，NaCl溶液基本上保持着向四周等速率扩散的特点，图像上异常区域呈现圆环分布，即为污染晕，完全可以圈定不同时刻浸润的范围与程度。

图4 不同时刻三维反演切片Fig．4 Slices of 3-D inversion at different times

4结论

( 1)并行电法系统可圆满完成垃圾渗滤液污染的检测任务，且取得良好的实验效果，不仅具备常规电法静态可圈定污染场位置深度的无损快捷的探测效果，还可揭示渗滤液流动机理，可用于实地探测。

( 2)三维立体成像及电极电流时间变化两者结合使用，有力地圈定渗滤液浸润面上和垂向扩散特征，具有时空控制的全面性。不同时间段的测试结果分析，起到了多方位、多渠道、多方法补充验证的效果，推进了该方法在此领域的应用水平。

( 3)探测污染区域是垃圾渗滤液污染的前提。并行电法技术有着广阔的应用前景，将是一种不可或缺的检测手段。今后还需从不同渗滤液类型等复杂环境下多角度、多方面更深层次的研究，给渗滤液污染等相似环境探测提供技术理论支撑，为长期环境监测提供科学依据。

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(编辑 晁晓筠)

Application research on dynamic monitoring for landfill leachate pollution by parallel electrical method

TAN Lei，ZHANG Pingsong，CHEN Xinghai，ZHANG Chengqian
( School of Earth&Environment，Anhui University of Science&Technology，Huainan 232001，China)

Aimed at investigating the scope at which and the extent to which landfill leachate contaminates soil and identifying real-time dynamic diffusion，this paper is focused on a model test of indoor leachate contamination by parallel electrical system．The test produces three-dimensional resistivity of 3D inversion and electrode current change curves using the vertical and plane diffusion in two forms．The comprehensive test suggests that the combined use of three-dimensional imaging and electrode current trends at different times ensures a strong delineation of the vertical and surface diffusion characteristics of leachate infiltration，hence the complete control of time and space．The test may provide technical support for on-site detection of pollution area．

landfill leachate; parallel electrical method; dynamic monitoring;test

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 014

X83

2095-7262( 2014) 01-0063-04

A