固體廢物填埋場滲漏檢測系統軟件開發研究

朱思涵 ，王 斌，王 晶，劉景財

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京100083；2.中國環境科學研究院，北京 100012)

固體廢物的處理方法主要有焚燒法、堆肥法和填埋法。填埋法是城市生活垃圾處理的最基本方法。目前的填埋場通常把大量劇毒、有毒物質與生活垃圾混合在一起進行填埋，填埋場防滲膜滲漏引起的后患不可低估。如果能及時檢測到填埋場防滲膜(HDPE膜)漏洞并進行修補，將可有效地控制滲漏造成的大氣、土壤和地下水污染。滲漏檢測方法主要有雙電極法、電容傳感器法、化學示劑跟蹤法、電阻率法和電極柵格法。基于分區電極供電的填埋場實時滲漏檢測系統采用分區檢測、電極供電的方法對大面積填埋場進行實時監測，實現了電勢數據的采集、保存、管理和處理。本文介紹在這些數據的基礎上應用定位算法進行漏洞定位，該軟件經現場試驗，檢測定位準確[1]。

1 滲漏檢測基本原理

滲漏檢測法是利用土工膜的電絕緣性和被滲濾液浸濕的垃圾能導電的特點來實現的。其基本原理是利用HDPE膜的絕緣性和HDPE膜兩側介質的導電性，在HDPE膜上、下介質中各放一個供電電極，接在高壓直流電源的兩端。HDPE膜完好的情況下，由于膜的高阻特性，使得回路電流很小(近似為零)，因此該電流場中各點的電勢(相對無窮遠處)近似為零，電勢分布均勻；若膜破損，則其高阻特性被破壞，電流將從電源的正極流出后經漏洞回到電源的負極，從而形成電流回路，并在膜上、下介質中形成穩恒的電流場。此時，通過測量膜上或膜下介質中不同點位的電勢分布，經過數值分析及模型演練情況進行漏洞定位。固體廢物填埋場滲漏檢測系統就是基于此原理而設計的自動滲漏檢測系統[2]，如圖1所示。

2 硬件系統介紹

圖1 滲漏檢測基本原理

填埋場的面積一般較大，檢測系統布置的電極數量較多，檢測區域龐大，整個系統采用模塊化設計、分層分布式結構，并同時兼顧以后的擴展和維修的方便性[3]。

2.1 功能介紹

硬件系統主要完成3個功能：(1)實現供電電極切換、區域供電；(2)實現數據采集、FFT計算、數據存儲；(3)根據設計的串口通信協議，通過485總線與上位機進行通信。

2.2 硬件構成

系統的硬件主要包括信號發射源、信號控制單元和數據采集單元三部分。

高壓信號發射源采用直流開關電源，能夠給填埋場提供電壓幅度為0～1 000 V、電流幅度為 0～1 A的高壓直流信號。

采用西門子的s7-200系列PLC對高壓直流電源進行電壓、電流、頻率設置,可有效地控制供電電源，同時能準確地開關設備，節省能源，方便運行。

以dsPIC33F單片機為控制核心，負責完成各區域供電電極的切換、數據采集、FFT計算、數據存儲和上位機軟件的串口通信。

3 滲漏定位軟件設計

3.1 系統開發平臺

開發工具：本系統以Microsoft Visual Studio 2010 C#.Net作為開發工具，采用面向對象的技術開發設計，具有友好的用戶界面和穩定的運行特性[4]。

數據庫：采用Microsoft SQL Server 2005作為采樣數據庫，對采樣數據進行系統化的管理、分析和計算。所設計的數據庫包含14個相互關聯和約束的表，這些表中有管理用戶數據的、管理日志信息的、管理配置信息的和管理采樣數據的。

數據可視化：將Matlab圖像界面[5]嵌入到窗口界面中，實現對采樣數據的多樣化的直觀表述。根據電極布置，以電極點作為X-Y坐標，采樣電壓值為高度，實現采樣數據的三維可視化，極大地增加了對泄漏點的預判準確性和直觀性[6]。

提供了4種可視化方式：泄漏點二維平面分析、三維曲面模擬圖、三維網格模擬圖和采樣值等值線圖，如圖2所示。

3.2 功能設計

上位機軟件是為滿足固體廢棄物填埋場滲漏檢測需求而設計開發的上位機采集檢測系統，用于實現系統基礎數據管理，通過485總線進行串口通信，讀取下位機采樣值和相應數據信息，對采集到的數據進行存儲和分析，實現泄漏預判和定位，提供良好的人機交互界面。

圖2 采樣數據的可視化

配合填埋場下位機系統，可完成如下功能：用戶管理、數據庫設置、串口通信參數設置、系統設置、采樣檢測記錄管理、日志信息管理、供電設置、采樣操作(分為手動采樣和自動定時采樣)、數據可視化。

4 滲漏定位算法和數據分析

滲漏定位分為預判和定位兩個過程[3]。

滲漏點預判原則：最大采樣值點、最大極差值點。

采樣值：采樣電極獲得的采樣值(電壓值)。

極差值：采樣點與周圍點差值的絕對值和的均值。計算方法如下：

設電極(i，j)，采樣凈值為 V(i，j)，極差值 Vjc。 電極布置如圖3所示，極差值Vjc由如下原則確定：

(1)邊緣點不計算極差值,因為邊緣點在泄漏判斷中，假設為非泄漏點，因此設Vjc=0；

(2)非邊緣點，如圖3時，Vjc有如下計算公式：

(3)非邊緣點，如圖4時，Vjc的計算公式可參考圖3，少算其中一點即可。

滲漏點定位計算：基于上面找到的預判點。

如圖 4，假設 O 為預判電極點，A、B、C、D、E、F 分別為其周圍采樣電極點，泄漏判斷步驟如下：

(1)確定包含所有電極的最小矩形區域Rect(JKLM)，以步長Setp等分矩形Rect，形成如圖示網格；

(2)確定電極 A、B、C、D、E、F 所組成的多邊形(此處為六邊形)Polygon；

圖3 采樣數據的極差值計算方法

圖4 滲漏點定位計算方法

(3)獲取網格點 P(Xi，Yj)，判斷網格點是否在電極組成的多邊形 Polygon內,是否與電極點 O、A、B、C、D、E、F重合。同時滿足條件在Polygon內并與已有電極點不重合，則進入下一步；否則重新回到步驟(3)；

(4)分別以采樣電極 O 及 A、B、C、D、E、F 計算 P 點插 值 平 方 值 Vpo、Vpa、Vpb、Vpc、Vpd、Vpe、Vpf。 電 極 O 點 公 式如下：

式 中 ：Xo、Yo，Xi、Yj為 O 點 和 P 點 坐 標 值 ；A、B、C、D、E為計算參數；Vo為電極O采樣值；

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

(6)重復步驟(3)，遍歷所有網格點，計算其 Vsum；

(7)網格點中，Vsum最小值點，即為泄漏估計點所在位置。

滲漏分析定位結果如圖5所示。

本文針對原有的垃圾填埋場滲漏檢測系統檢測大面積填埋場時存在成本高、電極鋪設困難和定位精度不高的問題，開發了基于分區電極供電的填埋場實時滲漏檢測設備。該設備技術先進，抗干擾能力強(通過硬件電路進行高頻濾波、FFT計算進行低頻濾波，準確還原原始信號)，價格低于國外相似設備，并填補了國內的空白。該設備在固體廢物填埋場的實際應用中，數據采集、通信、滲漏檢測的效果良好。

圖5 區域泄漏分析對話框

[1]王斌，王琪，董路,等.垃圾填埋場土工膜滲漏電學檢測法的研究[J].環境科學研究,2003，16(2)：54-57.

[2]能昌信，董路，姜文峰,等.土工膜滲漏檢測系統研究[J].環境科學與技術,2005，28(4)：1-3.

[3]能昌信.填埋場滲漏檢測高壓直流電法的研究[D].北京：中國礦業大學，2005.

[4]王昊亮，李剛.Visual C#程序設計教程[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5]潘愛民.COM原理及應用[M].北京：清華大學出版社,2003.

[6]苗春葆.MATLAB與 VC混合編程[J].中國仿真科技論壇電子期刊,2009(1).