基于边界定位法的固体废物填埋场渗漏应急检测技术及应用

2022-12-05刘景财孙晓晨郑开达常景润刘玉强能昌信董路

环境工程技术学报 2022年6期

刘景财，孙晓晨，郑开达，常景润，刘玉强，能昌信，董路

中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所

填埋目前仍是我国固体废物最终处置的主要方式。为控制填埋渗漏风险，固体废物填埋场通常使用铺设在底部的人工衬层系统作为防护屏障，有效阻隔渗滤液污染物向下层土壤和地下水迁移，因此衬层系统应在填埋场的运行期内保持完好无损[1-3]。然而，衬层系统在安装中通常不可避免地存在穿孔、撕裂和接缝缺陷，在运行中也容易受到老化、紫外线、辐射效应等因素的影响产生缺陷，这些缺陷往往会导致严重的环境污染问题[4-6]。为此，相关领域的学者们开展了大量研究，一方面制定了科学严格的填埋场防渗层设计、施工和验收标准，另一方面研究了衬层的破损检测技术。从源头避免衬层破损，并能够及时定位渗漏发生处，从而进行精准修复，防止渗滤液对环境的污染加剧[7-8]。

目前，已开发并投入使用的填埋场渗漏检测技术主要包括地下水监测井法[9]、扩散管法[10]、示踪剂法[11-12]、电化学感应电缆法[13]、电极格栅法[14]和电学法[15]等，其中前3 类方法只能定性地判断场地是否渗漏，却无法给出渗漏点的具体位置且检测存在滞后性；电化学感应电缆法和电极格栅法需要在填埋场施工时预先铺设电缆或电极，成本高且不适用于建设面积大的填埋场；电学法的提出为填埋场渗漏无损检测提供了新思路，该方法基于人工衬层HDPE 膜具备的高阻特性，对检测区外加电场时渗漏点处会产生明显的电信号变化，能有效地实现渗漏点定位。偶极子法是应用较为广泛的电学检测技术之一，该方法能够定位渗漏点数量及位置。能昌信等[16-18]研究了介质分布、渗漏点尺寸及偶极子布设方式对偶极子法检测精度的影响。董路等[19-20]研究了偶极子法在双衬层防渗系统渗漏检测模型上的应用，分析了布极方式等影响因素。偶极子法的可行性已得到验证，但仍存在应用的局限性，如针对已经投入运行中的填埋场出现渗漏，亟需开展应急检测时，其无法定位渗漏位置。

运行中的固体废物填埋场渗漏应急检测方法应满足操作便捷、检测范围广等特点，目前针对这一需求的研究鲜见报道。笔者提出了基于边界定位法的应急检测技术，并设计了专门设备。该方法兼具无损检测、操作便捷和数据处理迅速高效的特点。首先，在填埋场四周铺设测线，利用集成开发的边界定位检测系统控制获取场内渗漏信息；然后，将数据传送至云端计算场内，判断是否存在渗漏源，若存在渗漏源则给定其GPS 坐标，并可视化场地内的电流密度分布和库底介质电阻率分布，三者综合分析能更准确地定位渗漏源。边界定位法应急检测技术已成功应用于我国多个填埋场的渗漏检测工程中，进一步验证了其可行性与可靠性。

1 试验材料与方法

1.1 检测原理

边界定位法是一种适用于运行中固体废物填埋场的应急渗漏检测技术，以地下水或渗滤液的导电性和人工衬层HDPE (high density polyethylene) 膜的高阻特性为基础。基本原理是在检测区的四周铺设电极用作供电电极和检测电极，若HDPE 膜上无渗漏点，则供电回路中没有电流；若HDPE 膜上存在渗漏点，电流利用渗滤液或地下水的导电性穿过HDPE膜形成电流通路，导致渗漏处电流密度增大。

在实际应用过程中，集成开发的边界定位检测系统计算检测区内信号分布即可判断场内是否存在渗漏源，若存在则给出渗漏源的GPS 坐标并可视化库底的电流密度分布和介质电阻率分布（图1）。边界定位法能够判断场地内的渗漏源的数量和位置，其检测覆盖范围广，避免了检测过程中多次布线，能够迅速、精准地定位渗漏源。工程应用中，测线上的电极间距为1～6 m，其长度由实际检测区的边长决定，测线的起点和终点应超出检测区边长5 个电极间距，以确保检测范围覆盖全部检测区。

图1 基于边界定位法的渗漏检测示意Fig.1 Schematic of leakage detection based on boundary location method

边界定位法根据电流密度分布判断场地渗漏情况，首先应测试测线上场地背景值，然后根据场地背景值偏差设置相应的检测阈值，一旦边界定位检测的电流密度分布变化幅度超出该阈值则判定为渗漏点。根据场地电流密度分布情况，从变化幅度最大值处确定渗漏点水平位置，进一步根据变化幅度范围确定渗漏点深度位置，从而最终确定渗漏点位置。

1.2 电场边界条件和控制方程

填埋场边坡和库底均采用HDPE 膜作为防渗材料，其电阻率约为1×1017Ω·m，可近似为绝缘边界。填埋场的堆体表面与空气接触面无电场分布，也将其近似为绝缘边界。因此边界定位法的边界条件满足：

式中：n为法向单位矢量；J为电流密度，A/m2。

边界定位法进行渗漏检测时产生的电场分布服从以下控制方程：

式中：∇·为散度符号；∇为梯度符号；Qj,v为电场中的电荷总量，C；E为电场强度，V/m；Je为位移电流密度，A/m2；σ为电导率，S/m；v为电势，V。

堆体内任意位置处的电势分布可以用由点电流源作用下产生的稳定电流场描述，空间中电位计算满足泊松方程：

式中：ρ为介质电阻率，Ω/m；ϕ为电位，V；I为点电流源，A；jc为电荷密度，C/m。

在地表边界Γs满足第二类边界条件，其法向电流密度为0，即：

在无穷远边界 Γ∞，或者计算区域足够大，即满足第三类混合边界条件：

式中：r为半无限空间内某观测点到点电流源的半径，m；u为观测点的电位，V。

综上即为电场满足的边值问题。

1.3 设备研发

基于多点供电、分区采样的边界定位检测系统主要应用于填埋场运行期间重点风险源渗漏的无损检测，系统设计采用模块化设计，分层分布式结构，由上位机软件和下位机装置2 部分组成（图2）。检测设备下位机的工作流程由上位机的检测软件通过网络通信和串口通信来控制。下位机主要由数据采集模块、电源控制模块和电源模块组成。上位机负责完成系统日常的采样管理、数据管理以及数据处理和可视化呈现（图3）。该系统具有以下特点：1）人机交互界面，操作便捷，且可根据用户的级别授予其不同级别的操作权限，保证了用户数据的安全性；2）用户可按实际需求设置系统进行手动采样或定时采样，系统根据采样数据进行自动分类、处理计算和存储；3）系统提供历史检测记录的查询功能，可通过检索查询相应的采样数据，并提供数据分析可视化结果。

图2 检测系统的下位机和上位机Fig.2 Lower computer and upper computer of detection system

图3 边界定位检测系统的设备流程Fig.3 Equipment schematic of boundary location detection system

2 案例现场应用

边界定位法应急检测技术已成功应用于我国多类型填埋场的渗漏检测工程中，以生活垃圾填埋场和危险废物填埋场作为典型场地，研究分析边界定位法在其渗漏检测工程中的实际应用。

2.1 生活垃圾填埋场

2.1.1 场地条件

案例1 的研究对象为我国华东地区某生活垃圾填埋场，于2019 年投入使用，库区总占地面积约为20 700 m2，总库容约为41.4 万m3。填埋区及调节池采用单人工合成材料防渗衬层，人工合成材料防渗衬层为1.5 mm 厚HDPE 膜，填埋场和调节池防渗结构符合GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》的设计要求，可以有效防止垃圾渗滤液渗漏（图4）。

图4 某生活垃圾填埋场场地概况Fig.4 Site situation of a municipal solid waste landfill

2.1.2 检测方案

填埋场地下水出水口水质超标，初步判断该填埋场和调节池存在渗漏问题。本次检测针对填埋场库区和调节池区域开展，检测面积分别为17 000 和3 700 m2。

鉴于填埋场和调节池采取单层防渗膜防渗结构，本次检测主要采取边界定位法进行场地防渗膜完整性检测。边界定位法渗漏检测是基于HDPE 土工膜的绝缘性和渗漏点（漏洞）可能的导电性能，但由于场地边缘、渗滤液导排管道、进场道路等造成的场地内外局部短路的问题，可能会影响检测结果。因此，为了达到边界定位检测方法适用条件，需要对填埋场进行绝缘处理，将连接场内外的区域垃圾或良导体清除。然后，按照边界定位法检测方法，以等间距排列方式在场地东、南、西、北布设多个检测传感器，使得检测区域覆盖整个调节池区域。采用定位检测系统对检测区域进行数据采集，采用电流密度分析方法，确定渗漏源位置。

2.1.3 测量数据处理及分析

根据边界定位法的检测原理可知，渗漏处会产生电流的汇集，且渗滤液经渗漏点流出后将改变周围土壤介质使其呈低电阻率状态。边界定位检测系统经计算后可给出渗漏点的预测GPS 坐标（表1）、电流密度（图5）和库底介质电阻率分布（图6），综合分析数据和可视化结果更利于判断渗漏点真实位置。

检测系统计算结果显示调节池内有3 处异常点。土工膜因为破损渗透会在电流通过的区域内形成高电流密度和低电阻的异常区，结合表1 中的预测坐标和图5、图6 的结果，可以更准确地判断调节池内异常点的具体位置。从图5 可以看出，库底有3 个电流密度汇集处，可能是由渗漏点导致的。从图6 同样能够明显地看出存在3 处低电阻率块，其位置与电流密度汇集的位置基本对应。据此推断，检测区内有3 处异常点，需要现场开挖验证结果。

表1 案例1 的渗漏点的预测坐标、实际坐标及误差Table 1 Predicted coordinates,actual coordinates and errors of leakage points in case 1

图5 案例1 的电流密度分布Fig.5 Current density distribution of case 1

2.1.4 现场开挖验证

依次对Predict-1～Predict-3 异常点开挖，进一步验证边界定位法的准确性。图7 展示了3 个异常点的现场开挖情况，Predict-2 异常点是由焊缝开裂导致，Predict-1、Predict-3 异常点则是由石子挤压产生，其破损尺寸分别为1 和4 cm。边界定位检测系统预测的异常点坐标与实际渗漏点位置存在偏差，误差分别为0.764、1.483 和1.830 m。综上所述，边界定位法能够定位渗漏源的位置，但系统给出的渗漏点位置与实际位置的误差在2 m 内，误差的产生可能是土工膜下介质分布不均导致的。

图7 案例1 生活垃圾填埋场现场开挖结果Fig.7 Site excavation results of municipal solid waste landfill of case 1

2.2 危险废物填埋场

2.2.1 场地条件

案例2 的研究对象为我国华东地区某危险废物填埋场，其填埋库区占地面积为40 404 m2（含库区道路），设计有效填埋库容30.4 万m3，防渗结构为双衬层水平防渗（图8）。

图8 某危险废物填埋场场地概况Fig.8 Site situation of a hazardous waste landfill

2.2.2 检测方案

场地采用双层防渗结构，检测前通过对渗漏监测层观察发现，底层地下水涌入渗漏监测层，次防渗层存在渗漏。采用边界定位法对次渗层进行完整性检测。首先，检测前需要采取相应的措施清理场地周边区域，包括填埋场内水泵等设备清理。其次，为了更好地查找次渗层渗漏点，需要保证2 层膜中间介质处于湿润状态，因此在局部向2 层膜中间注水，以确保中间介质具有良好的导电性能，提高检测灵敏度，确保检测效果。第三，通过前期调研发现填埋场的抽排水井及附近区域、填埋场库底与边坡连接处，均为重点渗漏疑似区域。

场地准备工作完成后，基于边界定位法的检测原理在填埋场周边埋放检测传感器，按照等间距在场地东、南、西、北各布测线，检测范围覆盖整个填埋区。最后，利用本研究开发的边界定位检测系统采集感应电信号，以便后续进行数据处理和分析。

2.2.3 测量数据处理及分析

边界定位检测系统计算给出了危废填埋场渗漏点的GPS 坐标（表2）、电流密度（图9）和库底介质电阻率分布（图10）以供后续分析。从图9 可以看出，有6 处电流汇集，分别标记为Predict-1～Predict-6号异常点。然而，从图10 的库底介质电阻率分布中仅能发现4 处低电阻率异常，对应于图9 的Predict-1、Predict-2 和Predict-6 号异常点，Predict-3～Predict-5号异常点在图10 中呈整体分布，导致这一结果可能是因为3 个异常点实际距离较近，经渗漏点流出的渗滤液连成一片使得低电阻率介质呈整体分布。系统的计算结果显示库底存在8 处渗漏点，其GPS 坐标统计结果见表2 的预测坐标。系统给出的渗漏点数量与图9 和图10 的可视化结果差异较大，需要现场开挖进一步验证。据此推断，填埋场检测区内至少存在6 处渗漏点。

图10 案例2 库底介质电阻率分布Fig.10 Resistivity distribution of reservoir bottom medium of case 2

表2 案例2 的渗漏点的预测坐标、实际坐标及误差Table 2 Predicted coordinates,actual coordinates and errors of leakage points in case 2

图9 案例2 电流密度分布Fig.9 Current density distribution of case 2

2.2.4 现场开挖验证

进行现场开挖，将GPS 坐标显示的渗漏点全部挖开后，发现图9 中Predict-4 和Predict-5 异常分别各有2 个渗漏点，分别对应于表2 中的4、5 号和6、7 号渗漏点，其中4 和5 号渗漏点的实际距离为0.579 m，6 和7 号渗漏点的实际距离为0.342 m。由于2 个渗漏点的在场地内的距离较近，因此在图9中仅体现为1 处电流密度汇集。图11 展示了8 个渗漏点的破损情况，其中1、5、8 号渗漏点是焊缝开裂导致的破损；2、3、4、6、7 号渗漏点是石子挤压导致的破损，其破损尺寸分别为2、4、5、1 和2 cm。由现场开挖结果可以看出，边界定位法的渗漏点定位误差在2 m 内。此外，边界定位法对于分散性渗漏源的检出率较高；当渗漏点之间的距离小于1 m时，信号采集误差使得边界定位检测系统将其计算为1 个渗漏点，这一现象在可视化结果中也有所体现。