时移电阻率法在垃圾填埋场渗滤液监测中的应用

张建智

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

时移电阻率法是利用不同时间采集的电法数据，监测地下介质由于流体等参数的变化引起的物性变化。时移地球物理技术广泛应用于油气藏动态监测，在水文地质、工程地质方面，国内外也做了一些尝试。如Monica等采用时移电法对垃圾填埋场地下水扩散污染进行了系统的研究，论证了利用时移电法进行地下水监测是可行的。

渗滤液是垃圾填埋场的主要污染源，为求证时移电阻率法探测渗滤液径流通道的可行性，我们在某生活垃圾填埋场开展了时移电阻率监测试验，获得了较好的效果。

1 填埋场地质、地球物理电性条件

填埋场地形简单，位于山前平原区，地层结构为第四系松散土层与奥陶系中统马家沟组灰岩。第四系松散土厚度0.8～3.5 m，平均厚度1.2 m。基岩为奥陶系中统马家沟组白云化灰岩，岩性为灰、深灰色厚层灰岩。

试验场为生活垃圾填埋场，经调查，堆体四周及底部铺设防渗层及HDPE膜，堆体厚度0～10m，填埋物为生活垃圾。

表1 填埋场电性参数统计表

根据堆体电测井成果，堆体、场地周边、渗滤液电阻率差异明显，为采用电阻率参数进行渗滤液监测提供了较好的地球物理前提条件。

2 正演模拟

堆体整体上呈层状结构，本次模拟了堆体内存在有限水平板状渗滤液和有限直立板渗流通道时的温纳斯伦贝斯混合测深装置的正演响应。

正演模拟参数：堆体封顶素混凝土平均电阻率8Ω·m，堆体平均电阻率4Ω·m，防渗层及基础10Ω·m，渗滤液电阻率0.5Ω·m。素混凝土厚度0.5m，堆体厚度10m，防渗层及基础模拟厚度10m。

图1是层状模型的正演响应图，从图中可以看到，水平层状结构堆体的正演响应为与电性模型对应很好，且电性层特征明显，素混凝土盖层呈高电阻特征，堆体电阻率较低，防渗层及基础为高电阻率特征，电阻率整体呈“高-低-高”分布。

图2为模拟不同深度水平板状和直立板低阻异常的正演响应：对有限水平板状低阻体，正演响应曲线呈低阻圈闭，随着模型深度增加，正演响应的曲线形态随模型深度增加异常幅度变小；对有限直立板，其特征为以直立板顶部为极低点的水平方向延伸的低阻特征。

图1 水平层状结构堆体正演响应Figure 1 Forward response of horizontal layered structure dump

图2 低阻异常正演响应Figure 2 Low-resistivity anomaly forward responses

通过正演模拟,对于板状模型，当模型埋深大于6倍边长时，正演响应剖面上无明显的电阻率畸变异常，本次测试堆体最大厚度为11.4m，计算堆体底部渗滤液汇集区最小分辨范围为范围为3m2。

3 工作方法

本次时移电阻率采集采用高密度电法在堆体顶部进行数据采集，获得堆体电阻率在空间的分布状况。

高密度电法统一采用温纳斯伦贝斯混合测深装置，电极距2m，每条剖面74个电极。

在进行时移电阻率监测前，在堆体上布置P1～P5共5条测线(图3)，对堆体进行了一次系统的高密度电法探测，确定了P2为时移电移率监测线。

为监测渗滤液范围随时间、外界大气降水等条件的变化，对P2剖面进行了3次时移电阻率观测，观测时间见表2。

图3 工程布置示意图Figure 3 A schematic diagram of project layout

表2 电阻率监测情况一览表

4 电阻率测量成果

4.1 常规电阻率法测量成果

P1—P5高密度电法电阻率成果按2m的视深度间距切取了8个切片(图4)，是堆体内填埋物的地电响应。从平面切片图上看，堆体中低电阻率异常主要是在堆体的东部和西部，结合电阻率断面图，把电阻率为1 Ω·m作为渗滤液异常上限解释渗滤液异常范围，共解释了10个渗滤液渗滤通道。由于堆体防渗层位于40m高程位置，结合42、40、38和36 m高程切片，解释堆体与防渗层渗漏点4个，分别为SL1、SL3、SL8和SL9异常；SL5和SL7位于防渗层下部，分析为地下含水裂隙通道；其它为堆体内部渗滤液流通通道。

为客观评价高密度电法成果，对SL1、SL8和SL10和相对正常区布置了4个钻孔进行验证。通过岩心及样品含水量测定结果可以看出，WJ-101、WJ103、WJ104明显含水率高于WJ-102，据此认为：堆体内部电阻率与含水率基本呈正相关，根据电阻率值可以探测渗滤液的分布。

根据高密度电法成果，选择P2线作为时移电阻率监测线。

图4 堆体各高程高密度电法电阻率平面切片图Figure 4 High density electric method resistivity planar slices of different dump heights

4.2 时移电阻率测量

由于填埋场顶部用素混凝土封顶后覆盖HDPE膜，探测时经填埋场管理方同意，采用了直接刺穿HDPE膜的方式进行测量，每个电极位置经RTK测量后在HDPE膜上留下孔洞，保证了后3次重复测量都在同一位置。为了防止雨水沿钻孔灌入堆体，取样后，4个孔进行了封孔处理。

图5是4个不同时间P2电阻率断面图。堆体上高密度电法测量电阻率在0～10 Ω·m，平均电阻率2.9 Ω·m，剖面上无跳点和畸变点。从电阻率断面图上可以看到，在纵向上电阻率基本上呈高-低-高特征，反应了堆体表层湿度低电阻率高，堆体内部电阻率低和底部基层高电阻率的特征。从横向上看，在剖面30、55、80和124m桩号附近电阻率呈基本连续的不均匀分布，反应了堆体内部填埋体的结构和电学性质的复杂性。但整体上剖面特征一致，反映了填埋场内部结构的相对稳定性。

图5 P2线时移电阻率断面图Figure 5 Line P2 time-lapse resistivity section

5 时移电阻率监测成果

本次时移电阻率测量的目的是通过对填埋场的堆体的电阻率监测，掌握堆体内部渗滤液的运移特征，为填埋场安全运营提供技术支撑。

在时移电阻率监测成果解释中引入了残值和视反射系数R值的概念。残值反映了堆体内部电阻率随时间的变化特征，同一位置残值越大说明其含水量增加越大，渗滤液增多，残值变小说明其含水量减小，渗滤液减少；视反射系数的物理意义是当ρ0→时，R=1,电流趋向在ρi介质中分布，电阻率减小，渗滤液增加，当ρ0→0时，R=-1,电流趋向在ρ0介质中分布，渗滤液减少。

ρS=ρ0-ρi

(1)

(2)

式中，ρS:残值；R:视反射系数；ρ0：基准测量电阻率(6月10日测量)；ρi：其它时间测量电阻率，i为测量的次数。

5.1 残值成果

图6为P2断面不同时间的电阻率残值等值图。通过残值可以看到，P2测线控制范围内，残值在-2～11Ω·m。根据残值物理意义，残值大于0Ω·m的区域电阻率减小，渗滤液增加。堆体顶部电阻率整体变化较大，是堆体封顶的素混凝土经过雨水浸润湿度明显增大的结果。对SL1、SL2、SL4、SL5、SL8、SL9和SL10等几个渗滤液汇聚通道，相对残差值变化比较明显的SL2、SL5、SL8和SL10，分析可能为大气降水导致堆体顶部积水下渗形成渗滤液通道，在后期应进行针对性防渗处理。

5.2 视反射系数

由于本次监测目标渗滤液富含金属离子，为良导体，引入类似于反射系数的视反射系数(R)概念。通过R值等值图，3次监测电阻率中SL1的R值均接近-50%，说明SL1位置电阻率在持续增大，渗滤

图6 P2线电阻率残差图Figure 6 Line P2 resistivity residuals

液在减少，SL5的R值在7、8月接近+40%，到9月回落到+10%左右，说明SL5点电阻率在7、8月份减小，到9月份开始增大，渗滤液呈先增后减的趋势，SL10的R值从7月到9月有+60%减小到-40%，说明SL10点电阻率7月减小后到8、9月份持续增大，渗滤液呈先增后减的趋势。其它异常位置R值变化较小，渗滤液变化不大。

从残差和R值等值线异常对比可以看到，由于这2个参数均基于电阻率的数学计算，当两次测量电阻率相差较小时，采用R值等值线异常更明显。

通过填埋场的时移电阻率监测，发现解释的SL1、SL2、SL4和SL9电阻率随时间推移在逐渐增大，分析为堆体内填埋物经过物理、化学、生物等反应形成的渗滤液在减少，SL5和SL10可能与堆体顶部积水区连通条件较好，容易受到大气降水的影响。

图7 P2线R值图Figure 7 Line P2 R values

6 结论

对垃圾填埋场渗滤液监测是保证填埋场安全运营的基础，通过对以高密度电法为基础的时移电阻率法对填埋场渗滤液监测试验，得到以下结论：

①通过正演模拟分析，低电阻率特征的垃圾填埋场渗滤液采用温纳斯伦贝斯混合测深装置具有较好的响应特征，低阻异常中心与模型中心相对应。

②本次试验的垃圾填埋场高密度电法实测数据整体较低，渗滤液汇集区电阻率在0.06～1 Ω·m，低电阻率特征明显。

③分析时移电阻率不同时间剖面的残值和R值，可以对填埋场内部渗滤液进行定性分析。

通过本次试验证实，在垃圾填埋场采用高密度电法进行渗滤液监测具有较好的效果，对未预置监测网络的填埋场有非常好的推广前景。