河北省平原區(qū)填埋物污染的電性識別特征

李 曉，劉志遠*，張云鵬，孟慶鑫，陳志彬，丁文萍

(1.河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050081； 2.河北地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050031)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市垃圾數(shù)量日益劇增，同時加上處理方式不當(dāng)引起的土壤、地下水污染問題日益突出，嚴重危害著環(huán)境與人體健康。要治理垃圾污染帶來的環(huán)境問題，首先需要快速圈定垃圾填埋范圍及滲漏液空間分布。而地球物理勘探方法具有原位、無損、快速、經(jīng)濟等特點，在垃圾填埋場探測中發(fā)揮著十分重要的作用。

自20世紀末起，國內(nèi)外利用地球物理方法和技術(shù)在垃圾填埋探測等方面做了大量實踐研究，為此次研究提供了理論基礎(chǔ)和實踐前提。 Aristodemou等[1]利用直流電阻率法和時域激發(fā)極化法監(jiān)測垃圾填埋場污染物的運移。程業(yè)勛等[2-3]證明高密度電阻率法在探測土壤與地下水污染方面效果顯著；能昌信等[4]研究了垃圾填埋場地電物理模型的電學(xué)特性；閆永利等[5]將大地電磁法應(yīng)用于垃圾填埋場地下水污染的檢測；牛真茹等[6]利用高密度電法和鉆探法點面結(jié)合探查了填埋場的地層結(jié)構(gòu)及填埋層的空間展布情況；尉斌等[7]應(yīng)用電法成像觀測(EIS)技術(shù)獲取了某垃圾填埋場地下介質(zhì)的電阻率分布特征；李永濤等[8]利用高密度電法、環(huán)境磁學(xué)等對垃圾填埋場進行了污染物檢測與污染評價；劉兆平等[9]在河北兩處不同類型垃圾填埋場上采用探地雷達法、高密度電阻率法、激發(fā)極化法和瞬變電磁法，均有一定的效果。以往工作較側(cè)重電阻率特征的研究，而對激電場的時間變化特征重視不夠。

本文針對河北平原區(qū)以工業(yè)固體廢棄物和生活垃圾為主的兩處垃圾填埋場，采用“高密度電阻率法+激電測深+時譜激電參數(shù)”的組合方法，分析研究了填埋物及污染物的電性識別特征，時譜激電特征對污染的識別效果尤其顯著。

1 方法原理及物性特征

1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以地下介質(zhì)體的電阻率差異為物性前提，用直流電阻率法的陣列形式，即采用一次性布設(shè)幾十甚至幾百根高密度電極布點，進行二維地電斷面測量的電阻率層析成像方法[10]。高密度電阻率法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和微機處理，并且能有效地進行多種電極排列方式的參數(shù)測定，改變了傳統(tǒng)電阻率法的工作模式，提高了工作效率，能夠獲得較豐富的地電斷面信息，更適合于場地環(huán)境調(diào)查的需求。

1.2 時間域激發(fā)極化法

時間域激發(fā)極化法是以巖(礦)石、水的激電效應(yīng)差異為物性前提，通過觀測和研究人工建立的直流激發(fā)極化場的變化規(guī)律而進行探礦和解決環(huán)境問題的一種人工場源勘查方法[10]。激發(fā)極化法不受地形起伏和圍巖導(dǎo)電性不均勻的影響，可以區(qū)分由地下電子導(dǎo)體和離子導(dǎo)體引起的視電阻率異常性質(zhì)。描述激發(fā)極化效應(yīng)的參數(shù)是視極化率，它是二次場與總場的比值。由于二次場和總場均與供電電流成正比，故極化率是與電流無關(guān)的常數(shù)。但極化率與供電時間T和放電時間t有關(guān)。

1.3 時譜激電方法

時間域譜激發(fā)極化法簡稱時譜激電，是指在不同時間觀測并分析激電效應(yīng)以解決地質(zhì)問題的物探方法[11]，采用時譜激電處理方式，進行時間域譜激電正演和譜參數(shù)最優(yōu)化反演。

1.3.1 時間域譜激電正演

Cole-Cole模型常用于激電譜正演分析，本文應(yīng)用該模型作為正演和視譜參數(shù)計算的基礎(chǔ)，頻率域表達式通常寫為：

(1)

式中：ρ*為復(fù)阻抗，ρ0為零頻率條件下的電阻率，m為極化率，ω為角頻率，τ為時間常數(shù)，c為頻率相關(guān)系數(shù)。時間常數(shù)τ反映激電場的衰減速度，頻率相關(guān)系數(shù)c反映衰減曲線的張弛特征[12]。

Cole-Cole模型為頻率域表達式，本文采用數(shù)字濾波法[13]實現(xiàn)該模型的“頻率-時間”變換，其時域表達式可寫為：

(2)

Wr=10ar-lgt

(3)

式中：ar為濾波橫坐標(biāo)，Φr為濾波系數(shù)。

1.3.2 譜參數(shù)最優(yōu)化反演

基于最小二乘原則，使用多時道觀測數(shù)據(jù)，建立目標(biāo)函數(shù)：

(4)

本文采用最速梯度法進行最優(yōu)化求解，迭代式子可寫為：

x(k+1)=x(k)-α(k)·g(k)

(5)

(6)

式中：x為最優(yōu)化求解向量，包含時間常數(shù)和相關(guān)系數(shù)，k為迭代次數(shù)，g為目標(biāo)函數(shù)對求解向量的梯度，a為搜索步長，搜索步長符合以下算式：

(7)

1.4 物性特征分析

根據(jù)相關(guān)文獻資料，河北省平原區(qū)介質(zhì)的常見電阻率及其變化范圍[14]：第四系粘土、砂質(zhì)土、粉砂巖的電阻率一般在25～150 Ω·m范圍內(nèi)；生活垃圾的電阻率較低，一般在1～10 Ω·m范圍內(nèi)；垃圾滲漏液的電阻率非常低，通常小于1 Ω·m；工業(yè)固廢的電阻率較高，一般大于40 Ω·m。

河北省平原區(qū)出露地層主要為第四系松散堆積物，易于污染物的擴散、運移，除咸水區(qū)和淤泥外，其正常場的電性背景值均在20 Ω·m以上。生活垃圾填埋場的滲液中離子濃度普遍較高，是電化學(xué)活動性較強的污染物質(zhì)，滲入地下后有的與土壤作用，產(chǎn)生新的鹽類，改變土壤和地下水的性質(zhì)，使電阻率降低[15]。其金屬含量的多少決定其激電特性的強弱，即極化率的高低。

一般典型介質(zhì)的時譜激電參數(shù)特征為：炭化物：高極化率，低τ，高c；硫化物：高極化率，高τ，低c；礦化物：高極化率，高τ，低c。時間常數(shù)τ反映衰減時間的快慢，與金屬礦物或離子含量呈正比，即金屬礦物或離子含量越高，則衰減時間越長，τ值越高。頻率相關(guān)系數(shù)c反映金屬礦物或離子分布的均勻性或連通性，即金屬礦物或離子分布不均勻或連通性越差，則c值越低。

工業(yè)固廢填埋物與其周圍介質(zhì)對比，其電阻率明顯高于周圍介質(zhì)，其激電特性受金屬礦物或離子含量的多少、均勻性的影響；而生活垃圾填埋場滲漏區(qū)的電阻率則明顯低于周圍介質(zhì)，其激電特性亦受金屬礦物或離子含量的多少、均勻性的影響。

上述物性特征分析，為此次開展電性特征識別提供了充分的地球物理前提。

2 應(yīng)用實例及識別效果

2.1 工業(yè)固廢填埋場地

試驗場地為已關(guān)停某磷肥廠附近、以煉硫的爐渣為主的工業(yè)固廢填埋場，已導(dǎo)致周圍地下水重金屬含量超標(biāo)，地表為農(nóng)田。此處地層為第四系粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土，易于污染物的擴散、運移，地下水位約在25 m以下。布置4條高密度電阻率法剖面對試驗場地進行整體控制，電極距5 m，供電時間1 s，最小隔離系數(shù)1，最大隔離系數(shù)10，供電電壓≥180 V；局部增加激電測深相互佐證，點距10 m，最大AB距200 m，V1延時40 ms，V2延時200 ms，積分采用200 ms，供電周期16 s，詳見圖1。

圖1 物探工作平面布置及推斷固廢范圍平面圖Fig.1 The plane figure of the geophysical prospecting work and the delineated area of landfill

高密度電阻率法采用溫納裝置和偶極-偶極裝置進行了對比試驗，如圖2所示，兩種裝置所圈定的異常范圍總體趨勢一致，細節(jié)部分稍有不同。DY01剖面0～100 m處存在高阻異常，電阻率值變化范圍為50～160 Ω·m，剖面150～320 m處電阻率值變化范圍為30～60 Ω·m，兩處中高阻異常頂板埋深均為10 m左右，推斷此中高阻異常由工業(yè)固體填埋廢棄物引起。圖3中DY02剖面0～120 m、165～260 m、300～410 m處出現(xiàn)高阻異常，電阻率值為50～160 Ω·m，推斷頂板埋深10～20 m。

圖2 DY01剖面高密度電阻率反演斷面圖Fig.2 The high density resistivity inversion section of DY01 profile

圖3 DY02剖面高密度電阻率反演斷面圖Fig.3 The high density resistivity inversion section of DY02 profile

激電測深數(shù)據(jù)采用時譜激電處理方式得到時間常數(shù)τ和頻率相關(guān)系數(shù)c，見圖4。在剖面50～120 m存在一處明顯高阻體，與高密度電阻率法反映一致，推斷該高阻異常由工業(yè)固體填埋廢棄物引起，且存在明顯的微高極化率、高τ、低c特征。激電測深的實際深度與AB/4距對應(yīng)較好。高阻區(qū)圈定工業(yè)固廢的頂板埋深約為10 m，相對高極化區(qū)圈定工業(yè)固廢的頂板埋深約為20 m，而高τ異常區(qū)和低c異常區(qū)所圈定工業(yè)固廢的頂板埋深約為15 m。在DY02剖面80點處進行鉆探驗證，在孔深15 m處見工業(yè)廢渣，與時譜參數(shù)的推斷結(jié)果更加吻合。

圖4 DY02剖面激電參數(shù)斷面圖Fig.4 The IP parameters section diagram of DY02 profile

綜上所述，此次利用高密度電阻率法快速圈定異常區(qū)，后采用激電測深及時譜激電參數(shù)進行多參數(shù)綜合推斷，與鉆探驗證結(jié)果相吻合，說明“高密度電阻率法+激電測深+時譜激電參數(shù)”的組合方法在本場地探測中是行之有效的。四種電性參數(shù)均對工業(yè)固廢填埋物有明顯反應(yīng)，表現(xiàn)為中高阻、微高極化率、高τ和低c的電性識別特征，且參數(shù)τ和c的推斷埋深更為精準、圈定范圍更為可靠。

2.2 生活垃圾填埋場地

某未閉坑生活垃圾填埋場，垃圾填埋區(qū)埋深約20 m，周圍介質(zhì)以粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂為主，地下水位約20 m，可能存在邊部和底部滲漏風(fēng)險。

本次采用高密度電阻率法和激電測深同剖面測量來相互佐證場地邊部滲漏范圍。高密度電阻率法采用十字剖面布設(shè)，電極距3 m，最小隔離系數(shù)1，最大隔離系數(shù)15，供電時間1 s；在垃圾填埋區(qū)邊部增加激電測深，點距10 m，最大AB距80 m，V1延時40 ms，V2延時200 ms，積分采用200 ms，供電周期16 s。工作布置見圖5。

圖5 物探工作布置及推斷滲漏范圍平面圖Fig.5 The plane figure of geophysical prospecting work and the inferring the influence area of leakage

如圖6所示，DG1剖面淺部普遍存在一層中高阻層，可能受地表硬化地面、垃圾填埋區(qū)外延水泥滲坑的旁測影響所致，周圍地層的電阻率常見值在20～60 Ω·m，硬化地面和其它構(gòu)筑設(shè)施的電阻率常見值更高。在剖面30～70 m、100～140 m和160～210 m分別出現(xiàn)3個低于10 Ω·m的低阻區(qū)，初步推斷此三處低阻區(qū)可能由垃圾填埋區(qū)邊部滲漏造成。

圖6 DG1剖面高密度電阻率反演斷面圖Fig.6 The high density resistivity inversion section of DG1 profile

如圖7所示，激電測深剖面150～200 m處存在視電阻率小于6 Ω·m低阻異常區(qū)，與高密度電阻率法的效果一致，初步推斷其由垃圾場滲漏液污染引起，具有明顯的低阻、高極化、高τ和低c的電性識別特征。圖7中各參數(shù)所圈定的異常范圍，電阻率顯示的低阻異常范圍較大，底部未封閉；極化率反映的高值異常區(qū)的范圍更大；而τ所反映的高值異常區(qū)和c所反映的低值異常區(qū)范圍近似，底部埋深約15 m。在DG1剖面170點處進行鉆探驗證，在5～15 m深度為滲漏影響范圍，孔深15 m以下為原狀淤泥質(zhì)土，有效阻隔污染物的擴散。鉆探結(jié)果揭示出本場地邊部滲漏的污染底界面深度約15 m，與時譜激電參數(shù)τ和c的推斷結(jié)果更為吻合，從而也證實了淤泥質(zhì)土層使低阻范圍擴大，說明了多方法、多參數(shù)相互佐證的必要性。

圖7 DG1剖面激電參數(shù)斷面圖Fig.7 The IP parameters section diagram of DG1 profile

所圈定的污染區(qū)低阻、高極化特征明顯；高τ說明衰減時間較長，其金屬礦物或離子含量較高；低c說明其金屬礦物或離子分布不均勻。低阻、微高極、高τ、低c的電性特征明顯，多參數(shù)套合較好，且參數(shù)τ和c圈定的異常范圍更準確。

如圖8所示在剖面100～400 m范圍(垃圾填埋區(qū))、0～20 m埋深為低于10 Ω·m低阻區(qū)，主要由填埋區(qū)內(nèi)低阻充填物引起，剖面245 m為積滲坑位置，電阻率值低于2 Ω·m，推斷由滲濾液富集引起。剖面110～140 m處、埋深17～30 m，出現(xiàn)低于2 Ω·m低阻異常，底部未圈閉，初步推斷由該處HDPE土工防滲層滲漏引起。剖面60～100 m亦出現(xiàn)低于2 Ω·m低阻異常，此為垃圾填埋區(qū)以外，與DG1剖面的低阻區(qū)相對應(yīng)。

圖8 DG2剖面高密度電阻率反演斷面圖Fig.8 The high density resistivity inversion section of DG2 profile

如圖9所示，激電測深斷面圖中DG2剖面50～60 m處存在小于10 Ω·m低阻異常區(qū)，表現(xiàn)為高極化，高τ和低c的電性特征，而0～50 m為第四系正常背景場的反應(yīng)，推斷該垃圾填埋區(qū)的邊部滲漏擴散在DG2剖面50～100 m范圍，深度5～15 m。

圖9 DG2剖面激電參數(shù)斷面圖Fig.9 The IP parameters section diagram of DG2 profile

生活垃圾的滲漏液往往重金屬含量超標(biāo)、離子濃度較高，滲漏液與周圍介質(zhì)接觸后電化學(xué)性增強，使得其導(dǎo)電性、激電性顯著提高。此次利用“高密度電阻率法+激電測深+時譜激電參數(shù)”的組合方法進行了綜合推斷，與鉆探驗證結(jié)果相吻合，說明了該組合方法的有效性，方法之間相互印證。四種電性參數(shù)均對本場地的污染物有明顯反應(yīng)，表現(xiàn)為低阻(<10 Ω·m)、高極化率、高τ和低c的電性識別特征，時譜激電參數(shù)τ和c的推斷埋深更為精準、圈定范圍更為可靠。

3 結(jié)論

1)通過河北省平原區(qū)內(nèi)兩類(工業(yè)固廢填埋物、生活垃圾填埋場滲漏)不同場地的實際探測效果，總結(jié)出“高密度電阻率法+激電測深+時譜激電參數(shù)”的組合方法，該組合方法探測結(jié)果是切實有效的，多方法、多參數(shù)之間得到了相互印證。

2)利用電阻率、極化率以及時譜激電參數(shù)τ和c，有效圈定了污染物的范圍及埋深，揭示了不同污染物/填埋物的電性識別特征；與電阻率和極化率參數(shù)相比發(fā)現(xiàn)：時譜激電參數(shù)所推斷的埋深更為精準、所圈定的范圍更為可靠。