固体废物填埋场渗漏检测系统软件开发研究

朱思涵 ，王 斌，王 晶，刘景财

(1.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京100083；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

固体废物的处理方法主要有焚烧法、堆肥法和填埋法。填埋法是城市生活垃圾处理的最基本方法。目前的填埋场通常把大量剧毒、有毒物质与生活垃圾混合在一起进行填埋，填埋场防渗膜渗漏引起的后患不可低估。如果能及时检测到填埋场防渗膜(HDPE膜)漏洞并进行修补，将可有效地控制渗漏造成的大气、土壤和地下水污染。渗漏检测方法主要有双电极法、电容传感器法、化学示剂跟踪法、电阻率法和电极栅格法。基于分区电极供电的填埋场实时渗漏检测系统采用分区检测、电极供电的方法对大面积填埋场进行实时监测，实现了电势数据的采集、保存、管理和处理。本文介绍在这些数据的基础上应用定位算法进行漏洞定位，该软件经现场试验，检测定位准确[1]。

1 渗漏检测基本原理

渗漏检测法是利用土工膜的电绝缘性和被渗滤液浸湿的垃圾能导电的特点来实现的。其基本原理是利用HDPE膜的绝缘性和HDPE膜两侧介质的导电性，在HDPE膜上、下介质中各放一个供电电极，接在高压直流电源的两端。HDPE膜完好的情况下，由于膜的高阻特性，使得回路电流很小(近似为零)，因此该电流场中各点的电势(相对无穷远处)近似为零，电势分布均匀；若膜破损，则其高阻特性被破坏，电流将从电源的正极流出后经漏洞回到电源的负极，从而形成电流回路，并在膜上、下介质中形成稳恒的电流场。此时，通过测量膜上或膜下介质中不同点位的电势分布，经过数值分析及模型演练情况进行漏洞定位。固体废物填埋场渗漏检测系统就是基于此原理而设计的自动渗漏检测系统[2]，如图1所示。

2 硬件系统介绍

图1 渗漏检测基本原理

填埋场的面积一般较大，检测系统布置的电极数量较多，检测区域庞大，整个系统采用模块化设计、分层分布式结构，并同时兼顾以后的扩展和维修的方便性[3]。

2.1 功能介绍

硬件系统主要完成3个功能：(1)实现供电电极切换、区域供电；(2)实现数据采集、FFT计算、数据存储；(3)根据设计的串口通信协议，通过485总线与上位机进行通信。

2.2 硬件构成

系统的硬件主要包括信号发射源、信号控制单元和数据采集单元三部分。

高压信号发射源采用直流开关电源，能够给填埋场提供电压幅度为0～1 000 V、电流幅度为 0～1 A的高压直流信号。

采用西门子的s7-200系列PLC对高压直流电源进行电压、电流、频率设置,可有效地控制供电电源，同时能准确地开关设备，节省能源，方便运行。

以dsPIC33F单片机为控制核心，负责完成各区域供电电极的切换、数据采集、FFT计算、数据存储和上位机软件的串口通信。

3 渗漏定位软件设计

3.1 系统开发平台

开发工具：本系统以Microsoft Visual Studio 2010 C#.Net作为开发工具，采用面向对象的技术开发设计，具有友好的用户界面和稳定的运行特性[4]。

数据库：采用Microsoft SQL Server 2005作为采样数据库，对采样数据进行系统化的管理、分析和计算。所设计的数据库包含14个相互关联和约束的表，这些表中有管理用户数据的、管理日志信息的、管理配置信息的和管理采样数据的。

数据可视化：将Matlab图像界面[5]嵌入到窗口界面中，实现对采样数据的多样化的直观表述。根据电极布置，以电极点作为X-Y坐标，采样电压值为高度，实现采样数据的三维可视化，极大地增加了对泄漏点的预判准确性和直观性[6]。

提供了4种可视化方式：泄漏点二维平面分析、三维曲面模拟图、三维网格模拟图和采样值等值线图，如图2所示。

3.2 功能设计

上位机软件是为满足固体废弃物填埋场渗漏检测需求而设计开发的上位机采集检测系统，用于实现系统基础数据管理，通过485总线进行串口通信，读取下位机采样值和相应数据信息，对采集到的数据进行存储和分析，实现泄漏预判和定位，提供良好的人机交互界面。

图2 采样数据的可视化

配合填埋场下位机系统，可完成如下功能：用户管理、数据库设置、串口通信参数设置、系统设置、采样检测记录管理、日志信息管理、供电设置、采样操作(分为手动采样和自动定时采样)、数据可视化。

4 渗漏定位算法和数据分析

渗漏定位分为预判和定位两个过程[3]。

渗漏点预判原则：最大采样值点、最大极差值点。

采样值：采样电极获得的采样值(电压值)。

极差值：采样点与周围点差值的绝对值和的均值。计算方法如下：

设电极(i，j)，采样净值为 V(i，j)，极差值 Vjc。 电极布置如图3所示，极差值Vjc由如下原则确定：

(1)边缘点不计算极差值,因为边缘点在泄漏判断中，假设为非泄漏点，因此设Vjc=0；

(2)非边缘点，如图3时，Vjc有如下计算公式：

(3)非边缘点，如图4时，Vjc的计算公式可参考图3，少算其中一点即可。

渗漏点定位计算：基于上面找到的预判点。

如图 4，假设 O 为预判电极点，A、B、C、D、E、F 分别为其周围采样电极点，泄漏判断步骤如下：

(1)确定包含所有电极的最小矩形区域Rect(JKLM)，以步长Setp等分矩形Rect，形成如图示网格；

(2)确定电极 A、B、C、D、E、F 所组成的多边形(此处为六边形)Polygon；

图3 采样数据的极差值计算方法

图4 渗漏点定位计算方法

(3)获取网格点 P(Xi，Yj)，判断网格点是否在电极组成的多边形 Polygon内,是否与电极点 O、A、B、C、D、E、F重合。同时满足条件在Polygon内并与已有电极点不重合，则进入下一步；否则重新回到步骤(3)；

(4)分别以采样电极 O 及 A、B、C、D、E、F 计算 P 点插 值 平 方 值 Vpo、Vpa、Vpb、Vpc、Vpd、Vpe、Vpf。 电 极 O 点 公 式如下：

式 中 ：Xo、Yo，Xi、Yj为 O 点 和 P 点 坐 标 值 ；A、B、C、D、E为计算参数；Vo为电极O采样值；

(5)求和 Vpsum=Vpo+Vpa+Vpb+Vpc+Vpd+Vpe+Vpf;

(6)重复步骤(3)，遍历所有网格点，计算其 Vsum；

(7)网格点中，Vsum最小值点，即为泄漏估计点所在位置。

渗漏分析定位结果如图5所示。

本文针对原有的垃圾填埋场渗漏检测系统检测大面积填埋场时存在成本高、电极铺设困难和定位精度不高的问题，开发了基于分区电极供电的填埋场实时渗漏检测设备。该设备技术先进，抗干扰能力强(通过硬件电路进行高频滤波、FFT计算进行低频滤波，准确还原原始信号)，价格低于国外相似设备，并填补了国内的空白。该设备在固体废物填埋场的实际应用中，数据采集、通信、渗漏检测的效果良好。

图5 区域泄漏分析对话框

[1]王斌，王琪，董路,等.垃圾填埋场土工膜渗漏电学检测法的研究[J].环境科学研究,2003，16(2)：54-57.

[2]能昌信，董路，姜文峰,等.土工膜渗漏检测系统研究[J].环境科学与技术,2005，28(4)：1-3.

[3]能昌信.填埋场渗漏检测高压直流电法的研究[D].北京：中国矿业大学，2005.

[4]王昊亮，李刚.Visual C#程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5]潘爱民.COM原理及应用[M].北京：清华大学出版社,2003.

[6]苗春葆.MATLAB与 VC混合编程[J].中国仿真科技论坛电子期刊,2009(1).