等值反磁通瞬变电磁法在城市生活垃圾填埋场渗漏检测中的应用

康方平，邓 岳，曹创华，荆进福，刘春明，彭 杰，周 磊

(1.湖南省地质调查所,湖南 长沙 410116;2.湖南地质资源与环境绿色高效探测技术创新团队,湖南 长沙 410116;3.中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083)

1 引言

随着城市的快速发展,城市人口不断增加,城市生活垃圾也与日俱增,随之而来的对生活垃圾的处理已成为亟待解决的环境问题,而采用填埋手段处理生活垃圾是我国目前的主要处理方式[1,2]。随着填埋进入高峰期,垃圾填埋场的渗漏污染事件频频发生,对地下水源造成了不同程度的污染,严重威胁到了人类生存环境,影响城市的高质量发展[3-5]。因此,城市生活垃圾填埋场的渗漏污染防治迫在眉睫。如何及时准确地查明出场地渗漏位置,实现快速补救,为污染评估和治理提供科学依据,具有非常重要的现实意义,现已成为当前物探工作者研究的热点课题之一。

针对城市生活垃圾填埋场渗漏检测,前人做了大量的富有成效的研究工作。郭高山等对垃圾填埋场污染土的电性与磁性响应做了深入研究,得出了电阻率和磁化率都能较好反映出土壤的污染程度[6];夏凡等通过开展高密度电法工作找到了填埋场内垃圾渗漏的主要裂隙通道[7];龚育龄等采用高密度电法温纳装置,能够有效地检测出HDPE(High Density Polyethylene,高密度聚乙烯)防渗土工膜的存在,可实现对垃圾填埋场边界的确定[8];康思奇采用2-D与3-D高密度电法相结合的模式,实现了对填埋场防渗土工膜破损位置和泄漏渗滤液污染范围的确定[9];程业勋等通过高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达法和地温法等物探手段查明了北京某垃圾填埋场的渗漏区及污染范围[10];刘兆平等采用高密度电阻率法、探地雷达法、高精度磁测法、激发极化法和瞬变电磁法等综合物探方法在圈定和监测垃圾填埋场的污染范围和扩散趋势时效果显著[11]。目前,国内外常用的城市生活垃圾填埋场渗漏检测物探方法主要有高密度电法、探地雷达法、浅层地震法以及瞬变电磁法等。然而,高密度电法对接地条件要求较高,且勘探深度依赖于测线布置长度,一旦场地受限,测线长度不够或接地条件不好,都将严重影响应用效果[12]。探地雷达法的有效探测深度仅十来米左右,绝大部分情况下无法满足勘探深度要求[13]。浅层地震法在疏松地层的地震波激发条件较差,传播时能量损失较快,故其勘探深度不宜太大,且垃圾填埋场内检测选择合适的震源也不太容易[14]。

因此,在众多检测方法中,瞬变电磁法是目前最具应用前景的方法之一,它不像电剖面法那样需要布置众多接地电极,从而造成对垃圾堆体表层雨污分流膜的破坏,其只需在垃圾堆体表层观测即可详细了解深部渗漏点位置及污染影响范围等信息,实现真正的无损检测。

2 基本原理及技术特点

瞬变电磁法是近年来发展很快的一种时间域的电磁测深勘探方法,在工程勘探领域应用广泛,其利用不接地的回线或接地电源向地下目标地层发射一次脉冲磁场,在一次脉冲磁场间歇期间,通过线圈或接地电极观测随时间变化的二次感应电动势,进而达到探测地下地质体的目的。

但是当发射电流关断时,接收线圈本身会产生感应电动势,使得接收线圈内一次场磁通量不会马上为零,并与地下介质产生的二次场叠加,造成瞬变电磁法实测早期信号失真(不是纯二次场),影响浅部勘探精度,形成探测盲区[15]。此外,瞬变电磁法有着收发距离和发射回线边长短,线圈匝数多,收发线圈的互感明显的缺陷。

为了消除其接收线圈本身产生的感应电动势,使关断前后接收线圈中的一次场磁通量保持不变,中南大学席振铢教授等开创性地提出基于等值反磁通原理的瞬变电磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetics Method,简称OCTEM)。该方法巧妙地采用了特殊对称线圈采集装置,选取在一条纵轴线上下平行的两组一致线圈同时发射逆向电流,在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上,产生方向相反、数值相同的电磁场,故能有效消除一次场干扰,从而实现对地中心耦合的纯二次场进行观测,实现了消除收发一体天线互感技术,有效地解决了传统电磁法的探测盲区,实现了从浅部(0～100 m)到深部的有效连续探测[15]。

图1 等值反磁通瞬变电磁装置示意图Fig.1 Schematic diagram of opposing coils transient electromagnetic device

此外,由于收发天线集中在一起,设备小巧,对场地条件要求低,极大地提高了勘探效率;采用双源线圈的创新技术,增强了设备的抗干扰能力,提高了横向分辨率,使用小采样间隔,同时增强了纵向分辨率,可快速对地下地质体进行精确反演成像,解释成果直观、分辨率高[16]。总之,因其独特创新性的装置特点,相对传统瞬变电磁法,OCTEM 法具有消除一次场干扰、分辨率高、精度高、操作简便等技术特点。

3 工程应用

3.1 工程概况

研究区龙山县城市生活垃圾填埋场位于湖南省湘西自治州龙山县城东南兴隆街道办事处一条狭窄山谷中,项目总占地面积约270亩,主要由垃圾填埋区、渗滤液调节池及处理区、生产管理区等组成,采用改良型厌氧卫生填埋形式。本次研究主要对垃圾填埋场一期库区进行检测,该处为一条近南北向冲沟,地形狭窄,两侧为陡坎,场地长、宽均非常有限,不适宜大范围开展长剖面的高密度电法等工作(图2)。

图2 研究区地貌特征及垃圾填埋场功能分区略图Fig.2 Geomorphic characteristics and functional zoning of landfill in the study area

研究区位于龙山向斜南东翼,区内地层为志留纪,岩性以粉砂质页岩及泥质粉砂岩为主,局部夹钙质砂岩,区内断层构造不发育。

3.2 测线布置与工作参数

考虑到渗漏引起的污染晕通常会受到地下水影响,特别在地下水流向上,其影响范围往往宽达十几平米甚至更大,因此,本次研究区渗漏检测选择布置高密度的物探测线,测线垂直一期库区的冲沟近乎平行布置,测线方位北西西向(约280°),点距5 m,线距5～10 m不等(图3)。在明显异常部位适当地加密测点,达到更加精准地把控异常影响范围的目的。

图3 研究区工作布置简图Fig.3 Schematic diagram of work layout in the research area

本次数据采集采用湖南五维地质科技有限公司研制的新一代HPTEM-18高精度瞬变电磁系统,其野外采集数据时,效果好坏的关键在于选择合适的测量模式、发射频率和叠加次数[17]。

HPTEM-18设计了定点测量和动态测量两种方式,考虑工作效率和定位精度,本次野外检测采用定点测量方式。

与其它电磁法一样,HPTEM-18勘探深度与发射频率有关。勘探深度越深,所要求的发送频率越低;反之,则要求越高。HPTEM-18发送频率为0.1～250 Hz,而OCTEM主要适用于浅部勘探(多在100 m以内),故在野外工作中,6.25 Hz、12.5 Hz与25 Hz这三个频率使用相对较多。本次目标体深度多在20～30 m之间,要求勘探深度在60 m以内,根据现场试验,本次选用25 Hz作为发射频率。

叠加次数的选择则主要与当地的噪声水平有关,理论上叠加次数越多,采集到的衰减曲线信号信噪比越高。本次野外工作中,平衡了工作效率与数据质量,综合考虑后采用叠加次数为400次,并重复观测两次。

数据采集时,对测点逐个测量,仪器天线水平放置在测点上,确保采集数据的准确可靠;测量时,保证大线不缠绕,主机、电脑和工作人员等均远离天线,尽量减少人为干扰。

3.3 数据处理与解释分析

OCTEM数据处理主要包括对原始数据进行预处理、定性分析、定量解释和综合解释等步骤。预处理主要有平滑滤波、地形加载和数据编辑等,达到剔除飞点数据和去除干扰信号的目标;定性分析主要为参数分析、曲线类型分析及视电阻率分析等;定量解释主要为拟二维反演,通常根据反演深度和发射频率来选择合适的约束系数,一般约束系数越小,反演的深度越浅,反之越深[18-21]。最后再结合地质资料进行综合解释。

解释成果综合原始一维数据曲线、二维反演成像图进行分析,结合已有地质信息进行约束和综合研判,主要通过成果图中电阻率横向梯度变化、等值线下凹低阻异常等特征,综合分析后确定垃圾堆体、底部防渗膜与基岩界面,圈定渗漏区范围。

4 地球物理特征

填埋场场底及边坡为防渗系统,材料由无纺土工布、HDPE、土工膜、土工布、卵石层及碎石层等组成。堆体主要由生活垃圾堆积而成,厚几米至十来米不等。垃圾堆体多为生活垃圾,其中含大量渗沥液,富含铁、铜、锌等多种重金属离子[22],具有很强的导电性,电阻率值多在80 Ω·m以下;HDPE(高密度聚乙烯),是当前热门的防渗材料,其化学性能稳定,具有很强的耐腐蚀性,对水及空气的渗透性小,作为阻止垃圾渗滤液泄露的最后一道防线,被广泛地应用于各地垃圾填埋场[23]。HDPE具有明显的高阻特性,电阻率值往往达几百至上千Ω·m;而场地外围及膜下基岩,主要为泥质粉砂岩和粉砂质页岩等,其电阻率值介于上述两者之间,一般为几百Ω·m。它们之间的电性差异明显,充分具备了地球物理勘探的前提。

根据ρs值大小,结合钻探等地质资料进行地质分层。纵向上,将ρs值小于100 Ω·m且横向变化较为平缓的区域判断为垃圾堆体覆盖层;ρs值大于200 Ω·m的区域判断为基岩;堆体底部为高阻防渗膜,当堆体下部底膜破损且存在渗漏时,将ρs断面图上电阻率呈低阻凹陷异常且异常下延穿透高阻防渗膜层部位判定为渗漏区。

表1 研究区岩土电阻率

5 成果分析解释

图4(a)、图4(b)分别为L24测线不同测点距(5 m和2 m)的电阻率反演剖面。从图4(a)可以看出,浅部电阻率值较低,基本在100 Ω·m以下,横向连续性总体较好,垂向分层明显,推测浅部低阻层为垃圾堆体的反映,堆体厚10～15 m,堆体底部相对高阻为防渗膜的反映(图4白色虚线);下部电阻率值较高,推测为基岩的反映;44～50号测点之间,浅部等值线横向不连续呈下凹趋势,且下凹深度已深至防渗膜下部基岩内。此外,图4(b)(对应图4(a)黑色虚线边框)为该测线异常部位(35～55号测点)的加密测量成果图,其电阻率反演形态与异常位置均与图4(a)完全一致,吻合度极高。通过图4(a)、图4(b)进行综合判断,L24测线的35～55号测点间为一处较明显的渗漏区。

图4 L24线电阻率反演剖面成果Fig.4 Resistivity inversion profile of line L24

图5 三条典型测线OCTEM法反演成果三维切片Fig.5 3D slices of inversion results of three typical survey lines by OCTEM method

X方向长度是145 m;Y方向长度是160 m;Z方向长度是120 m图6 研究区OCTEM法反演成果三维椅切图Fig.6 3D chair cut map of OCTEM inversion results in the study area

图7 OCTEM推测渗漏区开挖验证照片Fig.7 Excavation verification photos of the inferred leakage area by OCTEM

图5为具有明显低阻异常的三条典型测线L24、 L25与L26的反演成果三维切片图,三条测线左右相邻,基本平行布置。从图5中可以看出:三条测线均存在一处或多处具有一定规模的低阻凹陷异常区(图5中红色虚线内),异常区大致呈漏斗状,上宽下窄,主异常区的形态大体一致,位置比较接近,且其在平面上呈连续发育之势。综合推测,该三处低阻异常为同一处相连的渗漏区的共同反映。此外,由于上述三测线左右两侧的L23与L27测线均无明显异常反映,因此,推测该渗漏异常区主要集中分布在L24线40～50号测点间、L25线35～45号测点间及L26线50～60号测点间的范围内,异常影响范围约为10 m×20 m,深度基本在35 m以浅(图6红色虚线)。

根据OCTEM法检测成果,选择在典型测线的低阻异常部位进行开挖验证。开挖结果显示(图7),该处底部的防渗膜破损非常严重,防渗膜接缝处可见多条大小不等的裂缝和漏洞,最长的裂缝长度接近1 m,最大的漏洞直径大于30 cm,渗滤液污染的影响深度已深达膜下十来米。通过开挖验证分析,异常处垃圾堆体厚度及渗漏点位置均与物探推断成果吻合较好,有力地说明了本次OCTEM检测成果准确可靠,同时也说明了OCTEM技术在生活垃圾填埋场渗漏检测中具有良好的应用效果。

6 结论

在研究场地范围有限、不适宜开展长剖面常规电法工作且探测深度要求较浅的场区,采用OCTEM技术进行渗漏污染检测,获得了较为满意的结果。

OCTEM技术并未形成明显的浅层盲区,其有效地穿透了上部低阻覆盖层,对地下不同深度、不同位置的地质体均成像清晰直观、反映明显,不仅平面上能准确有效地确定渗漏区域位置;而且剖面上对垃圾堆体的厚度与基岩面的划分也十分准确。更重要的是,OCTEM技术对填埋场表层的雨污分流膜不会造成任何破坏,实现了真正的无损检测。

通过OCTEM技术在龙山县生活垃圾填埋场渗漏检测中的成功应用,表明了该方法在城市生活垃圾填埋场渗漏检测中切实可行,且行之有效,在城市环保检测领域具有广泛的应用前景,为类似的城市生活垃圾填埋场渗漏检测提供了宝贵的经验借鉴。此外,也有力地说明了地球物理技术越来越受到人们的重视,已成为解决环境污染问题时不可或缺的重要手段。

致谢:特别感谢北京金浩林勘探技术有限公司的浩拓地球物理软件给与的支持。