探地雷达和高密度电法在固废填埋场治理中的应用

曲彦丞，刘笑笑，郭 朋，张景宇，李典超，张燕挥

(山东省物化探勘查院 山东省地质勘查工程技术研究中心,山东 济南 250013)

1 引言

农村地区一直是垃圾处理流程中较为薄弱的一环,近年来农村发展迅速,生产、生活垃圾暴增,农村的生活垃圾治理问题变得日益严峻[1]。直接填埋是处理垃圾的一种重要方式,但某些老垃圾填埋场由于年代久远,相关资料缺失严重,无法准确获知填埋垃圾的范围和深度,给处理污染带来困难。但是垃圾与周围土壤的物性特征(电性和密度等)差异明显,因此采用高密度电法[2]与探地雷达法探测老垃圾填埋场,为治理垃圾提供了一种新思路。

高密度电(阻率)法以岩﹑矿石之间的电阻率差异为基础,通过观测和研究地下电流的分布,分析推断地下介质在空间上的分布特点和变化规律[3]。高密度电法测量技术自诞生以来,经过了近半个世纪的发展,方法理论和仪器设备等都趋于成熟,目前高密度电法在地灾监测[4-5]、矿产勘查[6]、工程勘查[7-8]、地质勘探[9-10]、考古[11-12]等领域具有广泛的应用。探地雷达是采用线圈或天线向目标体发射高频电磁脉冲,然后通过反射回波来区分目标的一种地球物理探测技术[13-14]。探地雷达技术起源较早,1904年Hulsmeyer首次提出可以利用电磁波来探测地下介质的分布[15];20世纪50年代以来,探地雷达技术得到重视,应用范围不断扩大[16-17],最初用于冰层厚度探测和月球地质探测[18],目前已经拓展到了土壤监测[19-20]、地质和岩土工程勘查[21]、城市地下设施探测[22]、隧道探测[23-24]、水利工程监测[25]、环境检测[26]、考古[27-28]等领域。

某村存在一处老生活垃圾填埋场,填埋物包括建筑垃圾、生活垃圾及粪便等,填埋层与土壤的界面未设置隔离带,有害物与土壤直接接触,对周边环境及居民健康造成了一定的危害。为保护生态环境,提升居民生活质量,必须对垃圾填埋场进行综合治理。在实施治理之前,采用高密度电法与探地雷达法对老生活垃圾填埋场地进行综合物探勘查,统计回填物的面积,推测回填物类型、填埋范围及深度,在此基础上计算回填物的体积,为后续开展治理工作提供参考和技术支持。

2 研究区概况

研究区位于华北平原,出露地层为第四系全新统(Qh),层底埋深21.00～33.00 m。上部为土黄、灰黄色粉土、粉质黏土;中部多为灰黑色淤泥质土或淤泥;下部多为一层砂,以细砂或粉细砂为主,厚约1.9～8.0 m。结构松散,具钙核、锈染。

研究区地层为第四系黏土、粉土、淤泥质土、砂层,回填物据调查为建筑垃圾、生活垃圾、粪便等。由表1所列的物性参数可知,不同地层的物性特征存在较明显的差异。第四系黏土、粉土、淤泥质土波阻抗及电阻率相对较低,砂层相对较高,而建筑垃圾(>200 Ω·m)、生活垃圾及粪便等回填物分布极不均匀,且结构较为松散杂乱,其电阻率与波阻抗等物性参数波动较大。这些地球物理性质的差异构成了开展地球物理工作的前提。

表1 土壤物性参数

3 方法原理

3.1 高密度电法

高密度电(阻率)法是一种阵列勘探方法[29],野外的施工测量过程比较简单,操作程控开关和微机电测仪便可实现所有电极数据的快速自动采集,还可快速得出地电断面的分布结果。

(1)

其中,ΔUMN为MN两点之间的电压差,单位为V;该装置的设置系数KAB为：

(2)

当各电极呈现对称等距离排列,即极距AM=MN=NB=a时,就构成了温纳α装置。测量时A、M、N、B逐点沿测线移动,即得到一条剖面;然后增大相邻两电极之间的电极距,再次沿测线移动,得到下一条剖面。重复上述步骤不断测量,最终可以获得一个倒梯形的电阻率断面图。

在实际测量时,电极极距(点距)为2 m。根据精度要求和场地实际情况,按剖面方向打入地下一排电极,把电极接入专用电缆后,由主机控制WGMD-9型高密度电法仪自主完成供电与测量任务。

图1 高密度电阻率法工作示意图(修改自马媛媛,2010)[32]Fig.1 High density resistivity method working schematic (modified from Ma Yuanyuan,2010[32])

3.2 探地雷达法

探地雷达是一种较为成熟的地球物理勘探方法,它通过向地下发射高频电磁波,然后分析解译回波数据,以推断地下目标体的岩性或材质、大小、埋深等信息[33-34]。

探地雷达的理论基础为麦克斯韦方程,探地雷达的向地下发射的电磁波信号为：

其中,假设传播方向为Y轴,单位为m;E0为发射位置的电场场强,Ex为测点电场强度,单位为V/m;H0为发射位置的磁场强度,Hz为测点磁场强度,单位为A/m;ω为极化过程中的角速度,单位rad/s;t为时间,单位为s;α为吸收系数;β为相位系数;k为传播系数。

发射天线的耦合系数Lt和接收天线的耦合系数Lr为：

式中,Tt、Tr分别为发射天线、接收天线的绝对温度,单位为K;εr1为介电常数,单位为F/m。

探地雷达的最大探测深度Rmax为：

(8)

式中,Rmax的单位为m;Pt为发射功率,单位为W;Gt为发射天线的增益强度,Gr为接收天线的增益强度,单位为dB;λ0为电磁波在空气内的波长,单位为m;S为目标体的截面积,单位为m2;K为玻尔兹曼常数,即K=1.380 649×10-23J/K;T0为工作时接收器的绝对温度;Δf为等效的噪声频宽,单位为Hz;F为噪声系数;M0为接收器可以检测到的最小信噪比,单位为dB。

4 数据处理

4.1 高密度电法资料处理

高密度电法的测量过程容易受到现场施工条件的影响,导致数据产生突变或畸变值[35],因此在进行预处理时应将异常点剔除,然后以线性插值的方式补足缺失的数据。

高密度电法数据的处理流程包括数据平滑、噪声压制、反演参数调试、成果输出与成图等。其中,对数据进行处理、平滑和噪声压制的软件为Surfer 15、GMT 5.4.5、R2V等;反演软件为RES2DINV,使用最小二乘法对已有二维数据进行反演,记录三次迭代误差,最终得到符合要求的二维电阻率断面图。

4.2 探地雷达法资料处理

探地雷达数据处理主要是为了压制干扰,以尽可能高的分辨率在图像剖面上显示反射波,提取和判读明显的反射信息,以帮助解释[36-37]。

本次探地雷达资料采用EKKO PROJECT 5探地雷达专业数据处理软件进行处理。在数据处理之前,首先要对所测数据的坐标、图形属性、测线长、成图模式、成图比例、选取的波速等参数进行设置,然后进行图像的二次处理。处理流程的重点在于对滤波的处理,本次采用的方法为：静校正切除、去除直流飘移、增益、巴特沃斯带通滤波、滑动平均。

静校正切除,其目的是切除掉直达波以上的位置(空气层);去除直流飘移,即去除零偏,保证波形正负周期的对称;增益,是为了放大深部信号,提高深部数据的可读性;巴特沃斯带通滤波,主要是为了有效去除低频和高频信号;滑动平均,主要是使得雷达图成像更加平滑,同相轴更加连续,便于拾取分层。

5 成果分析

本次物探工作研究区的回填物为建筑垃圾、生活垃圾及粪便,与原状土有较大的物性差异。经现场试验可知,回填区较原状地层松散、密实度差,各回填物分布不均匀,表现为回填区域浅部电阻率值较高,电磁波振幅增强等。

经踏勘和讨论分析,本次在研究区内共布设高密度电法测线13条,探地雷达法测线31条(图2),依据高密度电法和探地雷达法探测确定垃圾的分布范围和埋藏厚度,然后利用高密度电法对原土与填埋物的界面进行识别,根据垃圾填埋层分布范围和厚度计算填埋层的体积;同时依据电阻率断面图,圈定被垃圾渗漏液污染的土壤的位置,为后期开展污染治理提供重要依据。

图2 测线位置Fig.2 Survey line location

图3 G03线综合断面Fig.3 Comprehensive cross section of line G03

5.1 高密度电法解释

不同类型介质的电阻率差异较大,由表1可知,土壤的电阻率约为10～100 Ω·m,建筑垃圾的电阻率一般大于200 Ω·m,在电阻率剖面图内表现为团块状高阻异常或高阻异常带;生活垃圾的电阻率在1～10 Ω·m,垃圾渗透液的电阻率通常小于1 Ω·m,在电阻率剖面图内表现为低阻异常。在13条高密度电法测线中,选取了3条具有代表性的测线展示其综合断面图(G03、G10和 G13线),并结合其电阻率的分布特征进行分析(图3～图5)。

G03测线布线方向75°,横跨整个研究区,测线长度188 m,电极距2 m,共布设95个测点。G03线电阻率等值线均匀平缓,层状特征明显;浅部电阻率较高,为地表回填引起;深部电阻率相对较低,为原状土反映(图3)。在测线水平位置36～188 m、埋深0～6.2 m,电阻率值相对较高,推断为回填区域。据坑探结果,回填物以建筑垃圾、生活垃圾为主。

G10测线布线方向352°,自南向北贯穿测区,测线长度238 m,电极距2 m,共计120个测点。由图4可知,电阻率等值线均匀平缓,电性层层状特征明显。浅部电阻率较高,为地表回填引起。深部电阻率相对较低,为原状土反映。

在测线水平位置0～206 m、埋深0～6.0 m,电阻率值相对较高,据收集到的资料,回填物以建筑垃圾、粪便、生活垃圾为主;此外,在测线水平位置183～197 m、埋深3.8～8.0 m的土壤电阻率值较低(0～2 Ω·m),与深层土壤的电性差异明显,推测该处土壤已经受到了渗液污染,治理时需要对土壤进行净化。

图4 G10线综合断面Fig.4 Comprehensive cross section of line G10

G13测线布线方向346°,位于G10测线以东,测线长度238 m,电极距2 m,共计120个测点。由图5可知,电阻率等值线均匀平缓,电性层层状特征明显。浅部电阻率较高,为地表回填引起。深部电阻率相对较低,为原状土反映。

在测线水平位置0～194 m、埋深0～6.0 m,电阻率值相对较高,结合地质资料推断为回填区域。据收集到的资料,回填物以建筑垃圾、生活垃圾为主。

图5 G13线综合断面Fig.5 Comprehensive cross section of line G13

5.2 探地雷达法解释

探地雷达对均匀层内的奇异点,层间的长波长、短波长奇点等都有较好的辨识度[38-40]。垃圾回填层的组成较为复杂,纵向分布不均匀,与原位土壤的电性差异较大,是进行探地雷达测量的基础。在31条探地雷达法测线中,选取了2条具有代表性的测线展示其断面图。

L05线布线方向87°,点距0.5 m,测线长度120 m(图6)。由图6可知：水平方向0～120 m,反射波波形较杂乱、振幅较大,推测为回填区域,回填深度约3.3 m,结合现场调查推测回填物为建筑垃圾、粪便及生活垃圾。

图6 L05线雷达探测断面Fig.6 Radar detection cross-section of line L05

L09线布线方向350°,点距0.5 m,测线长度160 m。由图7可知：水平方向0～160 m,反射波波形较杂乱、振幅较大,推测为回填区域,回填深度约3.0 m,结合现场调查推测回填物为建筑垃圾、粪便及生活垃圾。

图7 L09线雷达探测断面Fig.7 Radar detection cross-section of of line L09

5.3 填埋方量计算及验证

污染物填埋方量计算及验证是填埋场综合治理最重要的一环,具体过程如下：

1)利用R2V软件数字化每条测线的污染物厚度和大地坐标,并在部分位置采取挖机验证(图8);

2)采用Surfer 15软件将污染物的厚度与坐标位置进行网格化;

3)利用Surfer 15自带的体积计算功能计算出需要综合治理的土石方量(污染物及被污染的土壤等)。

根据计算,回填区域总面积约35 900 m2,需要综合治理的土石方量为132 454 m3,实际清理方量约为133 080 m3,理论方量与实际方量的误差为0.47 %,达到了清除污染物的初步目标。

图8 现场验证和清理污染物Fig.8 On-site verification and cleanup of contaminants

6 结论

本文使用高密度电法和探地雷达法对某老垃圾填埋场进行了联合探测,分析总结得到以下结论：

1)高密度电阻率法在探测垃圾层范围和厚度的过程中取得了良好的成果。工作区地层的电阻率大致呈水平层状分布,近地表的覆土和垃圾层为高阻层,第四系原状土层为低阻层;依据电阻率的差异可以较为清晰地分辨出建筑垃圾、生活垃圾和粪便等的分布范围。在电阻率断面图中观测到生活垃圾和粪便的渗液污染地下原状土的现象,威胁耕地安全和地下水安全。

2)探地雷达法在老垃圾填埋场的治理中具有极大的优势：价格低廉、检测效率高、分辨率高,检测结果可靠,可用于快速确定填埋层的厚度。

3)根据高密度电法、探地雷达法以及坑探的成果,计算出老垃圾填埋场的回填区域总面积约35 900 m2,回填深度0～7.0 m,回填平均厚度约3.68 m,回填方量约132 454 m3,为污染物的清理提供了重要的参考。