高密度电阻率三维可视化成像技术在垃圾填埋场环境修复治理中的应用研究

郑福龙，韩 磊，庞有炜，陈 挺，张 鸥，冯化鹏

(四川省地质矿产勘查开发局物探队，四川 成都 610072)

1 引 言

垃圾填埋场是采用卫生填埋方式的垃圾集中堆放场地，因为成本低、卫生程度好在国内被广泛应用。早期建成的垃圾填埋场由于缺乏现代化垃圾分类处理的科学依据，存在着选址不合理、垃圾处理方法简单等一系列问题，从而导致近年来垃圾填埋场渗透污染事件频发，产生的环境问题主要包括：垃圾体渗漏污染地下水、垃圾堆填产生的沼气易燃易爆、垃圾填埋场场地土体蓬松和边坡失稳产生的次生地质灾害等[1-3]。本次研究的垃圾填埋场已经影响到城市的扩建和道路改造，制约了城市的发展。

图1 垃圾场位置卫星影像图高密度电阻率法剖面布置示意Fig.1 Satellite image of waste dump location

高密度电阻率法具有快速、成本低、样本大、信息丰富而连续、可实时动态监测地下水污染扩散趋势等优点，可应用在垃圾填埋场及周边土壤污染治理修复和工程建设风险评估中。利用三维可视化成像技术可以很好地识别填埋后的垃圾场原址边界范围和垃圾场底部岩石裂隙位置、含水破碎带，排查出有建设施工隐患的不稳定地质体，为垃圾填埋场及其周边的环境修复治理及土地恢复开发再利用提供可靠依据。

2 垃圾填埋场概况

研究区内的垃圾填埋场始建于20世纪90年代，位于偏僻山沟的低洼地，已废弃数年，原垃圾场地范围内杂草丛生，垃圾堆体边界模糊。研究区范围见图1(a)和图1(b)。场地基岩沿沟谷走向具有不同程度的裂隙破碎带或节理密集带分布且存在透水层，在大气降雨的淋滤作用下，污染物渗入垃圾填埋场的底部，使得场区底部防渗处理不达标，存在地下水污染情况。在垃圾填埋场废弃以后，该区曾发生过垃圾堆体底部沼气爆炸事件，造成场地基岩土体疏松，存在着次生地质灾害隐患[3]。因此，对该垃圾填埋场及其周边的环境治理修复迫在眉睫。

垃圾填埋场附近山体呈“V型”山谷，地貌为侵蚀构造、低山地形，海拔高度在310～364 m，出露地层主要为第四系黏土层及砂岩、泥岩。构造较为发育，区内断裂由一组断层破碎带组成，该破碎带基本控制了沟谷的NE 向展布特征。区内地下水赋存形式以裂隙潜水为主，第四系孔隙滞留水次之。已发现其下游地下水有超标污染现象，初步确定上游垃圾场是本区地下水的主要污染源，沿山谷分布的断层裂隙带是污染溶液进行扩散的重要通道。为查明该区地下垃圾渗漏通道分布，为防渗治理提供依据，采用高密度电阻率法的探测技术，在垃圾场拦护坝内自西向东依次布置了4条南北向剖面,即L1～L4；为查明垃圾填埋场横向界限自南至北布设两条东西向剖面,即L5～L6，其分布位置见图1(c)。

3 高密度电阻率法有效性及采集装置

3.1 开展高密度电阻率法前提条件

高密度电阻率法可高效地获取地下介质电阻率沿垂向及水平方向的变化规律。针对特定的工程地质问题[4]，可通过合理地设置工作点距、排列长度等，对地下介质电阻率分布进行精细、高密度的探测[5-10]，依据不同性质岩土体、不良地质体的电阻率差异，可以为岩土体分层、不良地质体划分提供地球物理依据。

高密度电法主要应用于以下方面[11-13]：①岩土体分层，包括基覆界面、地层层面、风化层面等；②电性异常体探测，异常体包括断裂构造、构造破碎带、溶蚀破碎带、洞穴等；③滑坡、不稳定斜坡的探测。

研究区内地层岩性与电性特征(表1)表明，垃圾填埋物的电性特征与围岩(第四系覆土层、砂岩、泥岩)之间存在一定差异，即垃圾填埋物和土壤污染体的电阻率低于覆盖土层、下伏黏土(未被污染的黏土)和基岩的电阻率。这为开展高密度电阻率法提供了地球物理前提和条件，可以通过不同的电阻率特征来查明垃圾填埋物的赋存状态及结构特征[14，15]。

表1 地层岩性与电性特征

3.2 高密度电阻率法技术采集装置

高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系统3部分组成。多路电极转换器通过电缆控制电极系统各电极的供电与测量状态。主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令，向电极供电并接收、存贮测量数据。 高密度电法系统如图2所示。通过现场试验对比，当测区地形起伏较大时，温纳装置能完整地显示各地层，并且当对覆盖层进行厚度探测时，温纳装置结果最为准确。为达到最佳的调查效果，选用温纳装置进行探测。室内资料处理时采用 RES2DINV自动迭代反演程序，其正演过程采用有限元法，反演采用光滑约束最小二乘反演技术。

图2 高密度电法系统示意Fig.2 Schematic diagram of high density electrical method system

4 三维可视化成像

4.1 剖面电阻率最小二乘迭代反演结果

从电阻率反演拟断面(图3(a)～图3(c))可以看出，3条剖面上低电阻率异常区均沿山坡地势自北至南呈条带串珠状展布，电阻率值表现为低阻异常，电阻率值在10～20 Ω·m之间，地表为垃圾及腐殖土堆积；剖面中段由于填方作业，地表表现为中高阻的电性特征，中浅部为低阻异常，过剖面钻孔成果表明，垃圾顶板埋深10 m左右，底板埋深15～18 m，其电性特征为明显的低阻异常，这一特点表明剖面中段近似水平层状低阻层位为垃圾填埋所产生的异常；坡地上的垃圾可能经过后期的运移、滚落，局部呈低阻，且由于地下水向低处汇聚，所以在坡地上垃圾填埋体的视电阻率幅值比平地上相对高。剖面南段低电阻率异常为地表水田耕地所引起，施工期间应当注意开挖过程中避免垃圾污水向南渗漏污染农田。

剖面深部高阻异常呈水平层状，推测是以砂岩为主的基岩，局部地段存在基岩薄弱区。该处电性特征表现为鞍状，视电阻率幅值相对下降，推测与基岩风化破碎有关，并具有明显的裂隙特征，需引起重视，以防止垃圾污染物向下游地下水系侵蚀污染。

根据在研究区内的6条剖面上圈定的异常范围，在平面上勾绘了垃圾堆体的大致分布范围：垃圾堆体北侧宽约115 m，中部范围有所加大，宽度约130 m，沿L2线向南范围收窄(图4(d))。

4.2 高密度电阻率法三维可视化分析

通过现场实地踏勘测量垃圾堆体范围并结合研究区域近年遥感影像地貌变化特征，对研究区内南北向4条剖面和东西向2条剖面电阻率反演断面进行了综合三维可视化分析，分结果如下：

1)在L1～L4四条南北向剖面低电阻率异常区边界范围确定了垃圾堆体南北边界范围和垃圾堆体的顶底板埋深。

2)在L5、L6两条东西向剖面低电阻率异常区范围确定了垃圾堆体中心凹槽处东西向边界位置。

3)确定了该垃圾填埋场内原垃圾堆体的边界位置及顶、底板埋深厚度，其最薄处垃圾堆体厚2～3 m，最厚处约15 m。通过三维可视化分析更加直观清楚地还原了垃圾堆体整体在空间上的分布，根据网格单元的平均体积和统计的网格单元数目[16-20]，可对垃圾堆体范围和体积进行测算，确定垃圾堆体的方量约为31×104m3。

4.3 三维可视化成像推断裂隙位置

整合各剖面地质解释结果，将各断层裂隙位置展布到相应平面测点位置上，结合已掌握的地质及水文地质资料，推断解释出地下隐伏地质构造分布:横穿垃圾场方向有全区性的北东东向基岩断裂有2条。连接各剖面断点位置，推断F1、F2这2条裂隙带为区内垃圾污染物渗漏的主要通道。此结论经钻探和岩样测试配合验证，结果可靠。

图3 最小二乘迭代反演视电阻率拟断面Fig.3 Pseudo section of apparent resistivity by least square iterative inversion

1-钻孔位置;2-断层断点位置;3-剖面位置;4-断层、裂隙位置;5-测区范围;6-垃圾堆体范围图4 垃圾堆体三维可视化成像Fig.4 3D visualization image of garbage heap

5 结 论

通过L1～L4这4条南北向和L5、L6这2条东西向高密度电阻率法探测剖面，对野外实测数据进行了最小二乘迭代反演，在电阻率反演断面图中圈定了垃圾堆体填埋物所引起的7处低电阻率异常区，结合地质及遥感影像资料确定了垃圾堆体平面展布位置并认为F1、F2两条裂隙为本区垃圾污染物渗漏的主要通道。

对实测的6条剖面分别进行的南北向、东西向剖面三维可视化建模工作，更加直观清晰地展示和还原了垃圾填埋场在三维空间分布位置，确定了垃圾填方量为31×104m3，为城市垃圾填埋场修复治理工作提供了有力依据。

本文采用的高密度电阻率反演方法是基于二维剖面的反演，再进行三维可视化成像进而形成拟三维空间成果；随着物探硬、软件设备的研发，采用三维高密度电阻率测量系统进行三维电阻率反演，应用三维可视化成像技术效果会更佳。