基于邊界定位法的固體廢物填埋場滲漏應(yīng)急檢測技術(shù)及應(yīng)用

劉景財，孫曉晨，鄭開達(dá)，常景潤，劉玉強(qiáng)，能昌信，董路

中國環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所

填埋目前仍是我國固體廢物最終處置的主要方式。為控制填埋滲漏風(fēng)險，固體廢物填埋場通常使用鋪設(shè)在底部的人工襯層系統(tǒng)作為防護(hù)屏障，有效阻隔滲濾液污染物向下層土壤和地下水遷移，因此襯層系統(tǒng)應(yīng)在填埋場的運行期內(nèi)保持完好無損[1-3]。然而，襯層系統(tǒng)在安裝中通常不可避免地存在穿孔、撕裂和接縫缺陷，在運行中也容易受到老化、紫外線、輻射效應(yīng)等因素的影響產(chǎn)生缺陷，這些缺陷往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[4-6]。為此，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者們開展了大量研究，一方面制定了科學(xué)嚴(yán)格的填埋場防滲層設(shè)計、施工和驗收標(biāo)準(zhǔn)，另一方面研究了襯層的破損檢測技術(shù)。從源頭避免襯層破損，并能夠及時定位滲漏發(fā)生處，從而進(jìn)行精準(zhǔn)修復(fù)，防止?jié)B濾液對環(huán)境的污染加劇[7-8]。

目前，已開發(fā)并投入使用的填埋場滲漏檢測技術(shù)主要包括地下水監(jiān)測井法[9]、擴(kuò)散管法[10]、示蹤劑法[11-12]、電化學(xué)感應(yīng)電纜法[13]、電極格柵法[14]和電學(xué)法[15]等，其中前3 類方法只能定性地判斷場地是否滲漏，卻無法給出滲漏點的具體位置且檢測存在滯后性；電化學(xué)感應(yīng)電纜法和電極格柵法需要在填埋場施工時預(yù)先鋪設(shè)電纜或電極，成本高且不適用于建設(shè)面積大的填埋場；電學(xué)法的提出為填埋場滲漏無損檢測提供了新思路，該方法基于人工襯層HDPE 膜具備的高阻特性，對檢測區(qū)外加電場時滲漏點處會產(chǎn)生明顯的電信號變化，能有效地實現(xiàn)滲漏點定位。偶極子法是應(yīng)用較為廣泛的電學(xué)檢測技術(shù)之一，該方法能夠定位滲漏點數(shù)量及位置。能昌信等[16-18]研究了介質(zhì)分布、滲漏點尺寸及偶極子布設(shè)方式對偶極子法檢測精度的影響。董路等[19-20]研究了偶極子法在雙襯層防滲系統(tǒng)滲漏檢測模型上的應(yīng)用，分析了布極方式等影響因素。偶極子法的可行性已得到驗證，但仍存在應(yīng)用的局限性，如針對已經(jīng)投入運行中的填埋場出現(xiàn)滲漏，亟需開展應(yīng)急檢測時，其無法定位滲漏位置。

運行中的固體廢物填埋場滲漏應(yīng)急檢測方法應(yīng)滿足操作便捷、檢測范圍廣等特點，目前針對這一需求的研究鮮見報道。筆者提出了基于邊界定位法的應(yīng)急檢測技術(shù)，并設(shè)計了專門設(shè)備。該方法兼具無損檢測、操作便捷和數(shù)據(jù)處理迅速高效的特點。首先，在填埋場四周鋪設(shè)測線，利用集成開發(fā)的邊界定位檢測系統(tǒng)控制獲取場內(nèi)滲漏信息；然后，將數(shù)據(jù)傳送至云端計算場內(nèi)，判斷是否存在滲漏源，若存在滲漏源則給定其GPS 坐標(biāo)，并可視化場地內(nèi)的電流密度分布和庫底介質(zhì)電阻率分布，三者綜合分析能更準(zhǔn)確地定位滲漏源。邊界定位法應(yīng)急檢測技術(shù)已成功應(yīng)用于我國多個填埋場的滲漏檢測工程中，進(jìn)一步驗證了其可行性與可靠性。

1 試驗材料與方法

1.1 檢測原理

邊界定位法是一種適用于運行中固體廢物填埋場的應(yīng)急滲漏檢測技術(shù)，以地下水或滲濾液的導(dǎo)電性和人工襯層HDPE (high density polyethylene) 膜的高阻特性為基礎(chǔ)。基本原理是在檢測區(qū)的四周鋪設(shè)電極用作供電電極和檢測電極，若HDPE 膜上無滲漏點，則供電回路中沒有電流；若HDPE 膜上存在滲漏點，電流利用滲濾液或地下水的導(dǎo)電性穿過HDPE膜形成電流通路，導(dǎo)致滲漏處電流密度增大。

在實際應(yīng)用過程中，集成開發(fā)的邊界定位檢測系統(tǒng)計算檢測區(qū)內(nèi)信號分布即可判斷場內(nèi)是否存在滲漏源，若存在則給出滲漏源的GPS 坐標(biāo)并可視化庫底的電流密度分布和介質(zhì)電阻率分布（圖1）。邊界定位法能夠判斷場地內(nèi)的滲漏源的數(shù)量和位置，其檢測覆蓋范圍廣，避免了檢測過程中多次布線，能夠迅速、精準(zhǔn)地定位滲漏源。工程應(yīng)用中，測線上的電極間距為1～6 m，其長度由實際檢測區(qū)的邊長決定，測線的起點和終點應(yīng)超出檢測區(qū)邊長5 個電極間距，以確保檢測范圍覆蓋全部檢測區(qū)。

圖1 基于邊界定位法的滲漏檢測示意Fig.1 Schematic of leakage detection based on boundary location method

邊界定位法根據(jù)電流密度分布判斷場地滲漏情況，首先應(yīng)測試測線上場地背景值，然后根據(jù)場地背景值偏差設(shè)置相應(yīng)的檢測閾值，一旦邊界定位檢測的電流密度分布變化幅度超出該閾值則判定為滲漏點。根據(jù)場地電流密度分布情況，從變化幅度最大值處確定滲漏點水平位置，進(jìn)一步根據(jù)變化幅度范圍確定滲漏點深度位置，從而最終確定滲漏點位置。

1.2 電場邊界條件和控制方程

填埋場邊坡和庫底均采用HDPE 膜作為防滲材料，其電阻率約為1×1017Ω·m，可近似為絕緣邊界。填埋場的堆體表面與空氣接觸面無電場分布，也將其近似為絕緣邊界。因此邊界定位法的邊界條件滿足：

式中：n為 法向單位矢量；J為電流密度，A/m2。

邊界定位法進(jìn)行滲漏檢測時產(chǎn)生的電場分布服從以下控制方程：

式中：?·為 散度符號；?為梯度符號；Qj,v為電場中的電荷總量，C；E為電場強(qiáng)度，V/m；Je為位移電流密度，A/m2；σ為電導(dǎo)率，S/m；v為電勢，V。

堆體內(nèi)任意位置處的電勢分布可以用由點電流源作用下產(chǎn)生的穩(wěn)定電流場描述，空間中電位計算滿足泊松方程：

式中：ρ為介質(zhì)電阻率，Ω/m；?為電位，V；I為點電流源，A；jc為電荷密度，C/m。

在地表邊界Γs滿足第二類邊界條件，其法向電流密度為0，即：

在無窮遠(yuǎn)邊界 Γ∞，或者計算區(qū)域足夠大，即滿足第三類混合邊界條件：

式中：r為半無限空間內(nèi)某觀測點到點電流源的半徑，m；u為觀測點的電位，V。

綜上即為電場滿足的邊值問題。

1.3 設(shè)備研發(fā)

基于多點供電、分區(qū)采樣的邊界定位檢測系統(tǒng)主要應(yīng)用于填埋場運行期間重點風(fēng)險源滲漏的無損檢測，系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計，分層分布式結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)軟件和下位機(jī)裝置2 部分組成（圖2）。檢測設(shè)備下位機(jī)的工作流程由上位機(jī)的檢測軟件通過網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信來控制。下位機(jī)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、電源控制模塊和電源模塊組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)日常的采樣管理、數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)處理和可視化呈現(xiàn)（圖3）。該系統(tǒng)具有以下特點：1）人機(jī)交互界面，操作便捷，且可根據(jù)用戶的級別授予其不同級別的操作權(quán)限，保證了用戶數(shù)據(jù)的安全性；2）用戶可按實際需求設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)行手動采樣或定時采樣，系統(tǒng)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分類、處理計算和存儲；3）系統(tǒng)提供歷史檢測記錄的查詢功能，可通過檢索查詢相應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)，并提供數(shù)據(jù)分析可視化結(jié)果。

圖2 檢測系統(tǒng)的下位機(jī)和上位機(jī)Fig.2 Lower computer and upper computer of detection system

圖3 邊界定位檢測系統(tǒng)的設(shè)備流程Fig.3 Equipment schematic of boundary location detection system

2 案例現(xiàn)場應(yīng)用

邊界定位法應(yīng)急檢測技術(shù)已成功應(yīng)用于我國多類型填埋場的滲漏檢測工程中，以生活垃圾填埋場和危險廢物填埋場作為典型場地，研究分析邊界定位法在其滲漏檢測工程中的實際應(yīng)用。

2.1 生活垃圾填埋場

2.1.1 場地條件

案例1 的研究對象為我國華東地區(qū)某生活垃圾填埋場，于2019 年投入使用，庫區(qū)總占地面積約為20 700 m2，總庫容約為41.4 萬m3。填埋區(qū)及調(diào)節(jié)池采用單人工合成材料防滲襯層，人工合成材料防滲襯層為1.5 mm 厚HDPE 膜，填埋場和調(diào)節(jié)池防滲結(jié)構(gòu)符合GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計要求，可以有效防止垃圾滲濾液滲漏（圖4）。

圖4 某生活垃圾填埋場場地概況Fig.4 Site situation of a municipal solid waste landfill

2.1.2 檢測方案

填埋場地下水出水口水質(zhì)超標(biāo)，初步判斷該填埋場和調(diào)節(jié)池存在滲漏問題。本次檢測針對填埋場庫區(qū)和調(diào)節(jié)池區(qū)域開展，檢測面積分別為17 000 和3 700 m2。

鑒于填埋場和調(diào)節(jié)池采取單層防滲膜防滲結(jié)構(gòu)，本次檢測主要采取邊界定位法進(jìn)行場地防滲膜完整性檢測。邊界定位法滲漏檢測是基于HDPE 土工膜的絕緣性和滲漏點（漏洞）可能的導(dǎo)電性能，但由于場地邊緣、滲濾液導(dǎo)排管道、進(jìn)場道路等造成的場地內(nèi)外局部短路的問題，可能會影響檢測結(jié)果。因此，為了達(dá)到邊界定位檢測方法適用條件，需要對填埋場進(jìn)行絕緣處理，將連接場內(nèi)外的區(qū)域垃圾或良導(dǎo)體清除。然后，按照邊界定位法檢測方法，以等間距排列方式在場地東、南、西、北布設(shè)多個檢測傳感器，使得檢測區(qū)域覆蓋整個調(diào)節(jié)池區(qū)域。采用定位檢測系統(tǒng)對檢測區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用電流密度分析方法，確定滲漏源位置。

2.1.3 測量數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)邊界定位法的檢測原理可知，滲漏處會產(chǎn)生電流的匯集，且滲濾液經(jīng)滲漏點流出后將改變周圍土壤介質(zhì)使其呈低電阻率狀態(tài)。邊界定位檢測系統(tǒng)經(jīng)計算后可給出滲漏點的預(yù)測GPS 坐標(biāo)（表1）、電流密度（圖5）和庫底介質(zhì)電阻率分布（圖6），綜合分析數(shù)據(jù)和可視化結(jié)果更利于判斷滲漏點真實位置。

檢測系統(tǒng)計算結(jié)果顯示調(diào)節(jié)池內(nèi)有3 處異常點。土工膜因為破損滲透會在電流通過的區(qū)域內(nèi)形成高電流密度和低電阻的異常區(qū)，結(jié)合表1 中的預(yù)測坐標(biāo)和圖5、圖6 的結(jié)果，可以更準(zhǔn)確地判斷調(diào)節(jié)池內(nèi)異常點的具體位置。從圖5 可以看出，庫底有3 個電流密度匯集處，可能是由滲漏點導(dǎo)致的。從圖6 同樣能夠明顯地看出存在3 處低電阻率塊，其位置與電流密度匯集的位置基本對應(yīng)。據(jù)此推斷，檢測區(qū)內(nèi)有3 處異常點，需要現(xiàn)場開挖驗證結(jié)果。

表1 案例1 的滲漏點的預(yù)測坐標(biāo)、實際坐標(biāo)及誤差Table 1 Predicted coordinates,actual coordinates and errors of leakage points in case 1

圖5 案例1 的電流密度分布Fig.5 Current density distribution of case 1

2.1.4 現(xiàn)場開挖驗證

依次對Predict-1～Predict-3 異常點開挖，進(jìn)一步驗證邊界定位法的準(zhǔn)確性。圖7 展示了3 個異常點的現(xiàn)場開挖情況，Predict-2 異常點是由焊縫開裂導(dǎo)致，Predict-1、Predict-3 異常點則是由石子擠壓產(chǎn)生，其破損尺寸分別為1 和4 cm。邊界定位檢測系統(tǒng)預(yù)測的異常點坐標(biāo)與實際滲漏點位置存在偏差，誤差分別為0.764、1.483 和1.830 m。綜上所述，邊界定位法能夠定位滲漏源的位置，但系統(tǒng)給出的滲漏點位置與實際位置的誤差在2 m 內(nèi)，誤差的產(chǎn)生可能是土工膜下介質(zhì)分布不均導(dǎo)致的。

圖7 案例1 生活垃圾填埋場現(xiàn)場開挖結(jié)果Fig.7 Site excavation results of municipal solid waste landfill of case 1

2.2 危險廢物填埋場

2.2.1 場地條件

案例2 的研究對象為我國華東地區(qū)某危險廢物填埋場，其填埋庫區(qū)占地面積為40 404 m2（含庫區(qū)道路），設(shè)計有效填埋庫容30.4 萬m3，防滲結(jié)構(gòu)為雙襯層水平防滲（圖8）。

圖8 某危險廢物填埋場場地概況Fig.8 Site situation of a hazardous waste landfill

2.2.2 檢測方案

場地采用雙層防滲結(jié)構(gòu)，檢測前通過對滲漏監(jiān)測層觀察發(fā)現(xiàn)，底層地下水涌入滲漏監(jiān)測層，次防滲層存在滲漏。采用邊界定位法對次滲層進(jìn)行完整性檢測。首先，檢測前需要采取相應(yīng)的措施清理場地周邊區(qū)域，包括填埋場內(nèi)水泵等設(shè)備清理。其次，為了更好地查找次滲層滲漏點，需要保證2 層膜中間介質(zhì)處于濕潤狀態(tài)，因此在局部向2 層膜中間注水，以確保中間介質(zhì)具有良好的導(dǎo)電性能，提高檢測靈敏度，確保檢測效果。第三，通過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)填埋場的抽排水井及附近區(qū)域、填埋場庫底與邊坡連接處，均為重點滲漏疑似區(qū)域。

場地準(zhǔn)備工作完成后，基于邊界定位法的檢測原理在填埋場周邊埋放檢測傳感器，按照等間距在場地東、南、西、北各布測線，檢測范圍覆蓋整個填埋區(qū)。最后，利用本研究開發(fā)的邊界定位檢測系統(tǒng)采集感應(yīng)電信號，以便后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2.2.3 測量數(shù)據(jù)處理及分析

邊界定位檢測系統(tǒng)計算給出了危廢填埋場滲漏點的GPS 坐標(biāo)（表2）、電流密度（圖9）和庫底介質(zhì)電阻率分布（圖10）以供后續(xù)分析。從圖9 可以看出，有6 處電流匯集，分別標(biāo)記為Predict-1～Predict-6號異常點。然而，從圖10 的庫底介質(zhì)電阻率分布中僅能發(fā)現(xiàn)4 處低電阻率異常，對應(yīng)于圖9 的Predict-1、Predict-2 和Predict-6 號異常點，Predict-3～Predict-5號異常點在圖10 中呈整體分布，導(dǎo)致這一結(jié)果可能是因為3 個異常點實際距離較近，經(jīng)滲漏點流出的滲濾液連成一片使得低電阻率介質(zhì)呈整體分布。系統(tǒng)的計算結(jié)果顯示庫底存在8 處滲漏點，其GPS 坐標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果見表2 的預(yù)測坐標(biāo)。系統(tǒng)給出的滲漏點數(shù)量與圖9 和圖10 的可視化結(jié)果差異較大，需要現(xiàn)場開挖進(jìn)一步驗證。據(jù)此推斷，填埋場檢測區(qū)內(nèi)至少存在6 處滲漏點。

圖10 案例2 庫底介質(zhì)電阻率分布Fig.10 Resistivity distribution of reservoir bottom medium of case 2

表2 案例2 的滲漏點的預(yù)測坐標(biāo)、實際坐標(biāo)及誤差Table 2 Predicted coordinates,actual coordinates and errors of leakage points in case 2

圖9 案例2 電流密度分布Fig.9 Current density distribution of case 2

2.2.4 現(xiàn)場開挖驗證

進(jìn)行現(xiàn)場開挖，將GPS 坐標(biāo)顯示的滲漏點全部挖開后，發(fā)現(xiàn)圖9 中Predict-4 和Predict-5 異常分別各有2 個滲漏點，分別對應(yīng)于表2 中的4、5 號和6、7 號滲漏點，其中4 和5 號滲漏點的實際距離為0.579 m，6 和7 號滲漏點的實際距離為0.342 m。由于2 個滲漏點的在場地內(nèi)的距離較近，因此在圖9中僅體現(xiàn)為1 處電流密度匯集。圖11 展示了8 個滲漏點的破損情況，其中1、5、8 號滲漏點是焊縫開裂導(dǎo)致的破損；2、3、4、6、7 號滲漏點是石子擠壓導(dǎo)致的破損，其破損尺寸分別為2、4、5、1 和2 cm。由現(xiàn)場開挖結(jié)果可以看出，邊界定位法的滲漏點定位誤差在2 m 內(nèi)。此外，邊界定位法對于分散性滲漏源的檢出率較高；當(dāng)滲漏點之間的距離小于1 m時，信號采集誤差使得邊界定位檢測系統(tǒng)將其計算為1 個滲漏點，這一現(xiàn)象在可視化結(jié)果中也有所體現(xiàn)。

圖11 案例2 危險廢物填埋場現(xiàn)場開挖結(jié)果Fig.11 Site excavation results of hazardous waste landfill of case 2

3 結(jié)論

（1）對于運行期內(nèi)和深度填埋條件下的固體廢物填埋場，提出了基于邊界定位法的滲漏應(yīng)急檢測技術(shù)。邊界定位檢測系統(tǒng)能夠同時計算多條測線上的采集信號并給出預(yù)測滲漏點的GPS 坐標(biāo)以及電流密度和庫底介質(zhì)電阻率分布的可視化結(jié)果，三者結(jié)合分析能夠更準(zhǔn)確地判斷實際滲漏點位置。

（2）以華東地區(qū)的生活垃圾填埋場和危險廢物填埋場為典型場地驗證邊界定位法的可靠性。現(xiàn)場驗證表明，邊界定位法在實際工程中能夠準(zhǔn)確地定位場地內(nèi)的滲漏點，且滲漏點預(yù)測位置與實際位置的最大誤差在2 m 以內(nèi)。

（3）邊界定位法對于分散性的多點滲漏的檢出率較高。當(dāng)滲漏點之間的距離小于1 m 時，信號采集誤差使得邊界定位檢測系統(tǒng)將其計算為1 個滲漏點；對于滲漏點之間距離超過2 m 的多個滲漏點均可以有效檢出。對于分布密集的滲漏源定位精度還有待提高，這將在未來的工作中逐步完善。

（4）在實際工程應(yīng)用中，即使邊界定位法存在2 m 左右的最大誤差，但在現(xiàn)場開挖過程中可以結(jié)合偶極子方法進(jìn)行跟蹤測量以糾正定位誤差的影響。