填埋场渗漏磁法检测的噪声来源与剔噪方法综述

能昌信，贾兆志，刘宽，孙新宇，钱璨，刘玉强，姚光远，徐亚*

1.山东工商学院信息与电子工程学院

2.中国环境科学研究院

3.河北省张家口生态环境监测中心

填埋是固体废物集中处置的主要手段，填埋场则是固体废物对地下水污染集中发生的场所[1]。近年来，随着“3R（reduce,reuse,recycle）”[2]理念的盛行，固体废物资源化比例上升，填埋占比在发达国家和部分发展中国家有所下降。然而，作为固体废物的最终处置方式，其在全球固体废物管理中仍然占据主导地位[3]。全世界收集的生活垃圾中，70%左右通过填埋方式处置，用于物质再循环和能源回收的分别仅占19%和11%。作为世界排名前2 位的经济体，中国和美国的垃圾填埋量均接近1 亿t/a，占其收集量的57%以上，历年累计填埋量分别接近20 亿和70 亿t[4]。与此同时，固体废物及其次生降解产物（渗滤液）中含有多种持久性、累积性的危害物质，如重金属、持久性有机污染物（POPs）等。尽管现代工程填埋场试图通过多层复合屏障等冗余式设计、严格的工程质量控制（QC）和工程质量保障（QA）等将防渗层的破损和渗滤液的渗漏控制到最小化的水平，但由于防渗工程材料HDPE 膜在使用过程中可能会出现次生漏洞，渗漏仍难以完全避免[5]。鉴于全球历年累积的巨大固体废物填埋量以及填埋场的广泛分布，填埋场带“病”运行，可能产生全球性的长期环境损害和人体健康危害。

填埋场的普遍渗漏和渗漏后的严重危害凸显了对其防渗HDPE 膜进行破损检测和漏洞定位的重要性。及时探测并精确定位HDPE 膜的缺陷，进而及时对其修补，可以有效避免渗滤液等有害物质泄漏和环境污染，节省巨额的土壤和地下水体污染修复费用[6]。不少学者对填埋场渗漏检测进行了研究，如能昌信等[7]构建了高压直流电法的等效模型，并利用该模型研究了电学渗漏检测场景下的填埋场及漏洞处的电学特性；管绍朋等[8]通过构建缺陷的探测模式，探讨了在双衬层填埋场用电学方式探测缺陷的基本原理，并推导出了检测层中的电势分配规则；杨萍等[9]开展了偶极子法防渗膜渗漏检测研究，分析了膜上介质厚度对偶极子检测的影响；张辰等[10]构建了电极阵列，采用分区检测、多点供电的方式实现填埋场渗漏检测。总的来看，基于电学方法的渗漏检测是目前填埋场防渗层检测的最有效方法[11-13]。

然而，传统电学渗漏检测在针对双层衬垫或多层衬垫系统中的下层衬垫检测时会失效。原因是电学方法是根据检测对象上方介质的电势及其异常进行定位，而双层衬垫中下层衬垫上方是绝缘的上层衬垫，难以形成电势分布。由毕奥-萨伐尔定律可知，下层膜漏洞处的电流会产生磁场[14]。因此，通过磁场信号，磁法可能弥补这一缺陷，可以实现对下层膜的检测。但是磁法产生的信号较为微弱，可能会受周围背景磁场的影响。因此识别填埋场的背景磁噪声，并提出相应的去噪方法对于开展磁法渗漏检测具有重要意义[15]，但该方面的研究却鲜见报道。

为弥补上述不足，笔者拟开展文献和理论研究，分析填埋场的电磁噪声来源和噪声信号特征，以及去噪的方式。结合填埋场实际条件，系统识别可能存在的地电噪声、人文噪声等干扰源，结合其产生原因、特征等，筛选适宜的噪声剔除方法，以期为后续进一步开展磁法渗漏检测研究提供基础。

1 磁法检测的原理和磁异常信号的强度特征

1.1 磁法检测的基本原理

传统电法渗漏检测的原理是在防渗膜上方和下方铺设点电极，对2 个电极施加高压直流电，由于防渗膜具有电绝缘性，电流会通过漏洞流出，形成电流通路[16]。通过利用电压检测仪采集目标防渗膜上方介质的电势分布，可以根据电势或电势差异常对漏洞进行定位。然而，在双层或多层防渗结构下，下层膜上方被绝缘的上层膜覆盖，无法采集到下层膜的电势分布，因而也无法对漏洞进行定位。磁法检测是在电法基础上，通过使用高精度磁力仪在漏洞上方捕捉漏洞磁场信号来定位漏洞。漏洞处的磁场信号强度数值上可以用空气中的磁场信号强度来等效代替，因为土壤、2 层土工膜（HDPE 膜）以及双层膜之间的导排层这3 种磁介质和磁感应强度之比接近于1，即磁导率均接近于1，空气中的磁场信号由漏洞处的磁场传导而来[16]。

由毕奥-萨伐尔定律可知，恒定电流元可以激发磁场。对于双衬层填埋场，在下层HDPE 膜两侧施加高压直流电，通过测量漏洞处电流产生的磁场（目标磁场）实现对漏洞定位，从而实现对双衬层填埋场下层HDPE 膜的破损检测。图1 为双衬层填埋场下层HDPE 膜破损检测原理。

图1 双衬层填埋场下层HDPE 膜破损检测原理[16]Fig.1 Principle diagram of HDPE membrane damage detection in the lower layer of double lining landfill

1.2 磁异常信号的强度特征

根据上述磁法检测原理，漏洞位置处的磁特征信号强度主要影响因素包括流经漏洞电流、流经HDPE 膜上潮湿石子电流和流入HDPE 膜下大地电流。漏洞处的电流受激励电压、传感器的位置、供电电极的位置、漏洞的位置和大小等因素影响。

理论上，磁场强度与电流成正比，据此推算由于漏洞产生的磁异常强度应该要求精度在1 nT 以下。马彪彪等[15]现场试验结果表明，施加高压直流电前后，HDPE 膜漏洞附近的磁感应强度存在明显差异，差值可达0.5～1.0 nT；孙新宇[16]通过高仿真数值模拟模型和现场试验表明，在供给电极高压直流稳压电源并向导排管内注入盐水的状态下，膜漏洞附近电流可高达10 A，对应漏洞处磁场强度可达到13 nT。

2 填埋场电磁噪声来源及特征

2.1 主要噪声来源

基于双衬层填埋场下层膜破损检测的磁法原理，是通过检测下层HDPE 膜漏洞处的磁场信号来定位漏洞[16]。而漏洞处的磁场信号是多种磁场叠加产生的。双衬层填埋场下层膜下与大地连接，而地球自身就是一个磁场，因此，填埋场的磁场包含地磁场。同时，人类在铺设填埋场覆盖层或进行其他检测修理的作业活动时也会产生一定的磁场。所以，填埋场电磁噪声的干扰主要来自大地电磁噪声和人文电磁噪声[16]。

如表1 所示，根据噪声来源，大地电磁噪声分为外部干扰源和内部干扰源。内部干扰源主要是起源于固体地球内部（即内源场），包括起源于地核的主磁场（地核场）和起源于地壳的岩石圈磁场（地壳场）[17]，比较稳定，属于静磁场，如矿井、地下水等地质噪声。外部干扰源起源于固体地球外部（即外源场），主要分布在地球的磁层和电离层，其产生与星际空间中的电流体系相关。虽然它们相对较微弱[18]，但却是驱动地球磁场变化的主要因素。这些外部干扰源在空间电磁环境中形成，然后通过复杂的相互作用影响地球磁场。地球磁变化场可分为平静变化和干扰变化两大主要类型，这些变化磁场涵盖了地磁场的各种短期变化，如太阳活动和磁暴等现象。可以说，外部干扰源通过与地球磁场相互作用，引发了这些磁场的变化。人文电磁噪声主要有人员及设备的影响因素，人员因素包括人员走动、人员密集度，设备因素包括填埋场机械设备、电力设备、通讯设备等[16]。

表1 填埋场电磁噪声主要来源Table 1 Sources of electromagnetic noise in landfills

2.2 大地电磁噪声来源及其特征

2.2.1 大地电磁噪声的来源

大地电磁噪声叠加在地磁场中，地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象，由地球内部磁性岩石及分布于地球内部和外部的电流产生的多种磁场叠加形成[19]。地磁场由地核场、地壳场和变化磁场3 部分组成。地核场又称主磁场，占总磁场的95%以上，是由地核磁流体发电机过程产生的，具有长期变化和倒转的特点，其变化尺度可达千百甚至万年；地壳场占总磁场的4%，由地壳和上地幔中的磁性岩石所产生，并且基本稳定；变化磁场占总磁场的1%以下，受太阳、磁暴和亚磁暴、地磁扰动等干扰[20]，其特点是随时间变化剧烈。

然而，地磁场并不总是保持稳定，它会受到来自大地电磁噪声的干扰。大地电磁噪声的主要来源分为地磁日变、地磁扰动和地质噪声。地磁日变是受太阳活动影响而产生的以太阳日为周期的地磁场变化，幅度相对稳定，振幅约为102nT；地磁扰动是受雷电、磁暴和亚磁暴等干扰引起的。这些扰动会导致地磁场的强度和方向发生剧烈变化，频率范围通常在10−4～104Hz[21]；地质噪声主要由地下的地质结构和地球物理现象引起的，特别是地下铁磁性矿藏对地磁场分布产生影响。这些不同来源的噪声共同影响地磁场的强度和方向，导致地磁场中存在各种频率和振幅的电磁噪声，形成了复杂的地磁场分布。

综上所述，地球的地磁场由地核场、地壳场和变化磁场组成，但受到来自地磁日变、地磁扰动和地质噪声的影响，产生了复杂多样的电磁噪声，进而影响了地磁场的强度和方向分布。

2.2.2 大地电磁噪声的特征

地磁日变、地磁扰动和地质噪声之间可能有一定的重叠和交叉影响。地磁日变在1 个太阳日的时间尺度内发生变化，受纬度影响较大。季节性差异和昼夜差异是地磁日变的显著特征。夏季地磁日变波动幅度通常高于冬季，而白天地磁场变化剧烈，峰值高于30 nT，夜间变化相对平缓，峰值低于10 nT，全球最大日变化量为30～200 nT[22]。不同地区的纬度差异也会导致地磁日变曲线的差异。

地磁扰动是指非周期性的短期磁场变化，扰动变化有时可达103nT，主要表现为地球磁暴现象。典型的磁暴表现为持续时间短暂但强度很大，同时频率范围很广。它的形态特征呈现出三角波形状，初相比较陡峭，而恢复相的变化趋势则相对平缓。具体而言，在某典型磁暴中，15:30 是磁暴初相值最高的时刻，到17:00 则衰减至0。整个过程中，地磁场的方向和强度会瞬间发生变化，持续时间短暂、强度大、频率范围广[23]。

地质噪声是由地球内部结构和介质导致的磁场变化，包括地壳运动、岩浆活动、地震、地热流等。地质噪声的特征是持续时间较长、幅度相对较小，频率范围较窄，并且对自然电场的影响较小，其电势强度为几十～1 000 mV/km。当浅层介质的导电性不均匀时，会引起电流分布的不同，特别是地下铁磁性介质会引起地磁场局部异常分布[24]。

2.3 人文电磁噪声的来源及特征

填埋场中人文电磁噪声来源广泛，主要包括以下几方面：1）机械设备运行所产生的噪声，填埋场中常见的机械设备包括推土机、挖掘机、破碎机等，这些设备的运行会产生较大的机械噪声，其中工程车辆产生的地磁干扰占比最大，一般速度为20 km/h 的重型汽车在直线距离10 m 时对地磁场的垂直干扰达到15 nT，在30 m 处基本衰减完毕。2）垃圾处理过程中的电器设备噪声，如轧机、压缩机、输送机等，这些设备通常使用电力驱动，因此在其运行时也会产生一定的电磁辐射和电磁噪声。3）外部环境干扰，如雷电、通信设施、航空器、无线电设备等外部因素的电磁干扰也会产生一定的电磁噪声。雷雨恶劣天气发生时，强大的闪电电流，引起电磁场、光辐射、冲击波和雷声等物理效应[25]；通信设施，特别是无线通讯设备在信号的传递、输送过程中会产生高频噪声。4）填埋场工作人员及测试人员随身携带的钥匙等具有铁磁性质的物品会产生一定的磁场，但是对整体的磁场影响效果不大，可通过人员自身控制并消除干扰。

总体来说，填埋场中的人文电磁噪声具有以下特征：电磁波频率范围较广，涵盖从低频到高频的范围；电磁场强度较大，特别是在电力设备运行过程中，能量分布不均匀，有些频段的辐射强度比其他频段更突出。随环境和设备的变化而变化，不同时间段和地点的电磁噪声强度和频率特征都可能存在差异。

3 电磁噪声的去除方式

3.1 检测前的预处理

在进行填埋场地磁噪声检测之前，需要进行以下预处理操作：1）清理填埋物表面和周围环境。清除填埋物表面和周围环境上的金属和其他杂物，以避免它们对磁场测量数据产生影响。2）建立基准点。在填埋场地周围建立基准点，用于进行后续的数据处理。3）进行基线校准。通过采集基准点和填埋场地内不同位置的磁场数据，对基线进行校准，以消除仪器误差和漂移等因素对数据的影响。4）确定测量方向。确定磁场测量方向和距离，以确保测量数据的精度和可靠性。5）选取合适的磁场检测仪器。选择能够满足填埋场地尺寸和深度要求的磁场检测仪器，并进行仪器校准和质量控制。6）排除填埋场可控的噪声干扰。

排除噪声的干扰主要是移除现场人员随身携带的或现场设备的铁磁性材料，这些材料一般属于可控干扰源。典型来源包括填埋场机械、车辆等；现场工作人员携带的铁磁性物品如铁腰带，铁拉链、铁劳保鞋、手表、金属眼镜，锤子、螺丝刀等工具。对于这些噪声源，在磁法检测前要求在场人员去除携带的上述铁磁性物品；确认50 m 以内没有施工机械、运输车辆的干扰；对于其他目标检测区域内残留的铁磁性材料，手动移除使之处于扰动距离外[16]。

3.2 检测过程中的去噪

在填埋场地磁噪声检测过程中，根据噪声的频率特征不同，可分为低频噪声和高频噪声。针对这2 种不同类型的噪声，填埋场地磁噪声的去除方式包括以下几种：工频滤波、差分滤波、空间多极子展开法、低通滤波、磁场梯度测量法。检测过程中的去噪方式及其原理和效果如表2 所示。

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

不同的去噪方法适用于不同的噪声场景和应用需求。工频滤波、差分滤波、空间多极子展开法均可去除低频噪声。其中，工频滤波简单实用，适用于去除特定频率的低频噪声；差分滤波适合去除共模噪声和高频瞬时噪声；空间多极子展开法可以去除环境和人为因素产生的低频噪声，对数据处理要求较高。低通滤波、磁场梯度测量法均适用于去除高频噪声，且磁场梯度测量法能够提高信号的精度和分辨率，适用于去除高频振动和电器设备干扰等高频环境噪声。

相对于其他复杂的滤波方法，差分滤波方法在填埋场地中具有较好的噪声去除效果。这是由于填埋场地的磁噪声包含许多高频成分，如机械振动、电器设备干扰等。差分滤波方法通过对数据进行微分处理，可以滤除高频噪声和低频漂移信号，同时消除填埋场地内部的常规性噪声和系统误差，保留较为稳定和准确的磁场梯度信号。

为验证差分滤波方法的科学性和有效性，在新疆某填埋场选择差分采集方式进行工程现场降噪的有效性验证。该试验使用2 组磁力仪，在1 m 间距的支架上固定2 个磁探头，并记录2 个磁力仪的测量数据。磁场信号以1 次/s 的速度进行采集，总共采集了2 000～8 000 s 的数据，共计6 000 个。图2显示了#1 和#2 设备分别测量的背景磁场图像及差分结果。2 台设备单独测试数据的最大值和最小值之差分别为3.85 和3.26 nT；通过差分后的数据对比可见，最大值和最小值的差异明显减小，仅为1.13 nT，表明差分滤波方法在填埋场背景磁场采集中起到了有效的降噪作用[16]。

图2 填埋场背景磁场差分方式采集[16]Fig.2 Collection of background magnetic field of landfill by differential method[16]

4 结论

（1）当电流通过漏洞附近的区域时，漏洞距离越近，其磁场信号就会越强。磁通量密度与电流强度成正比，即电流强度越大，磁通量密度就越大。在供电电极处也会出现与漏洞磁场相同的特征信号，从而干扰周围的漏洞磁场特征。而电流强度越大，漏洞处的磁场信号也会越强。此外，漏洞处的磁场强度越大，对周围的影响范围也就越远。

（2）填埋场噪声主要由地磁场和人造磁场引起的。其中，地磁噪声可以分为地磁日变、地磁扰动和地质噪声3 类。地磁日变产生周期为太阳日的变化，与太阳活动有关。地磁扰动则是由于雷电、磁暴、亚磁暴以及地磁脉动等干扰所致。而地质噪声主要来自地下矿藏、水体等自然因素。人文电磁噪声主要是由电力网线、通讯设备、工程车辆以及测试人员携带的铁磁性材料引起的磁场变化而产生的噪声。

（3）填埋场不同的噪声源具有不同的噪声信号特征，需要根据不同的噪声特征，选用不同的剔除方式。填埋场去噪主要采用2 个步骤，包括检测前的预处理、检测过程中的噪声去除。检测前要确认没有施工机械或运输车辆的干扰，并手动移除噪声源使之处于扰动距离外。检测过程中的主要去噪方式有5 种，对于50 Hz 的噪声采用工频滤波去除；对于高频信号噪声采用低通滤波去除；对于共模噪声采用差分滤波的方式去除；空间多极子法和磁场梯度测量法可以去除低频噪声、高频噪声和系统误差。为了更好地降低填埋场中的噪声干扰影响，在噪声的降低和去除方面可进一步研究采用线缆测试装置或者点阵测试装置的可行性。