高密度电阻率法在垃圾填埋场渗漏检测中的应用

书书书　第３５卷第５期物　探　与　化　探Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．５　　２０１１年１０月ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＯｃｔ．，２０１１　高密度电阻率法在垃圾填埋场渗漏检测中的应用刘国辉，徐晶，王猛，孙士辉（石家庄经济学院，河北石家庄　０５００３１）摘要：为检测垃圾填埋场的渗漏污染问题，基于垃圾填埋场渗漏污染特征，对高密度电阻率法在垃圾填埋场渗漏污染检测中的应用进行了深入研究，提出了一套获取高分辨率检测结果的工作模式和技术方法。实例证明，高密度电阻率法对于检测垃圾填埋场渗漏是一种行之有效、值得推广的技术方法。关键词：高密度电阻率法；环境调查；垃圾场渗漏；地下水污染中图分类号：Ｐ６３１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１０００－８９１８（２０１１）０５－０６８０－０４　　随着我国垃圾填埋进入高峰期，垃圾填埋场渗漏污染事件频频发生，对人们生存环境造成了严重的威胁，因此，垃圾填埋场的渗漏污染防治迫在眉睫。如何查明渗漏对地下水的污染现状，为污染评估和治理提供依据，已成为当前物探工作者研究的热点课题之一。现有的地下水污染调查方法主要是对研究区进行现场水、土样采集，通过室内化学分析测定污染物的含量，而后进行环境污染评价。该方法有检测样本数量小、不能快速获取地下污染体的连续分布和实时动态监测资料、工作成本高而效率低等问题。在目前研究的众多检测方法中，电法勘探是最具有应用前景的方法之一，它不需要大量打钻和采样，只需在地面上观测即可提供出地下污染体及其渗漏通道分布信息。其中，高密度电阻率法具有快速、成本低、大样本、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。因此，在前人应用研究的基础上［１－３］，重点开展了高密度电阻率法在地下水污染检测中的可行性和提高分辨率的研究，以推进该方法在该领域的应用水平。１　垃圾填埋场渗漏污染基本特征垃圾填埋场多选择在一些低洼地或者偏僻的山沟，直接倾倒垃圾，其场地基岩又往往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、或存在透水层，在大气降雨的淋滤作用下，污染物渗入垃圾填埋场的底部，一旦场区底部防渗处理不达标，将导致垃圾场发生渗漏污染，随之带来很多的环境问题以及人们饮水安全隐患。渗漏污染液由渗漏点进入地下渗漏通道向外扩收稿日期：２０１０－０７－３０散，其渗漏通道往往是与渗漏点连通的地下裂隙破碎带、节理密集带或透水层，渗流方向多为垃圾填埋场的下游，渗漏扩散速度与水力梯度、渗透系数和水动力弥散系数有关，因此，雨季是渗漏污染的严重期。垃圾主要由工业和生活垃圾组成，按其污染物化学类型可分为无机污染和有机污染，其中，无机污染物有氰化物、砷，汞、铬、镉、铜、镍、亚硝酸盐等离子；有机污染物有农药（ＤＤＴ、六六六等）、有机含氯化合物、醛、酮、酚、多氯联苯和芳香族氨基化合物、高分子聚合物（塑料、合成橡胶、人造纤维）、染料等。有机污染物在自然环境中因不易降解，化学需氧量、总有机碳等指标较高。有机污染物又称为非水相流体（ｎｏｎａｑｕｅｏｕｓｐｈａｓｅｌｉｑｕｉｄ，简称ＮＡＰＬ）。按与水的相对密度，ＮＡＰＬ又可细分为低密度非水相流体（ＬＮＡＰＬ）和高密度非水相流体（ＤＮＡＰＬ）。ＬＮＡＰＬ集中在地下水的表层，而ＤＮＡＰＬ集中在地下水的底部。基于垃圾场的上述结构特点和现已查明垃圾场存在渗漏的结果表明，垃圾场渗漏引起的地下污染水体位于垃圾场的下游区段，并严格受渗漏构造带或岩层控制，多呈带状分布，其地下渗漏通道一般较窄而埋深则深浅不一，故要求探测技术应具有较高的分辨率。２　高密度电阻率法２．１　开展电阻率法前提条件电法找水的实践表明，地下含水层、含水裂隙带或岩溶带与围岩隔水层之间存在着明显的导电性差异，从而为电阻率法圈定地下含水体提供必要的物　５期刘国辉等：高密度电阻率法在垃圾填埋场渗漏检测中的应用质基础。被污染的地下水体因污染物的介入而又会导致电性特征发生改变，即无机污染物在水中多以带电离子形式存在，将使水体导电性增加。样本测试表明，未污染水体的电阻率为２０～１００Ω·ｍ，而检验出无机污染的水体电阻率为＜１０Ω·ｍ；有机污染物多以大分子化合物的形式溶于水体之中，使地下水不同程度地混杂了有机杂质，导致地下水的导电性减小，检验出有机污染的水体电阻率将增加为１０～１００Ω·ｍ［４］。综上述分析可知，一方面含水地层或构造带与围岩之间存在着明显的电性差异，另一方面检出污染水体与无污染水体间也存在着明显的导电性差异，从而为利用电阻率法查明垃圾场污染渗漏通道的位置、掌握地下水流动特征、确定污染晕的分布规律提供了必要的地球物理前提条件。２．２　高密度电阻率法的应用技术高密度电阻率法基于直流电阻率法的基本原理，利用微机程控技术，集电剖面法和电测深法于一体，沿剖面一次性阵列方式布极，可实现各类装置、不同排列极距的视电阻率值观测，从而获取测量剖面下方地电断面的分布信息。它是目前电法勘探中信息密度比较大、信息量较为丰富、分辨率较高、克服地形影响的反演方法也比较成熟的地球物理探测方法。其野外工作方式如图１所示。尽管该方法的探测深度受到测量缆线尺度的限制，但是利用现有６０根、电极间距１０ｍ的测量缆线设备，对于探测深度１００ｍ的设计是完全能满足的。图１　高密度电阻率法野外工作方式示意高密度电法勘探的装置类型选择是一个关键环节，选择的合适与否将直接关系到能否得到反映地下渗漏通道的可靠异常。为此，在已知点处进行了不同装置类型的试验，试验结果表明：温纳装置对于深部垂向电性变化反映较灵敏，而偶极装置则对浅部水平分析的电性变化反映较灵敏。为查明垃圾场渗漏污染液通道，采用上述两种装置组合的测量模式，以实现对垃圾场进行高分辨率勘查的要求。为确保最小探测目标体在沿剖面方向不少于３个可靠异常点反映，总结提出了电极距δ小于目标体水平宽度１／２的原则，从而保证了其探测的可靠性。为确保达到设计探测深度ｈ，隔离系数ｎ的选择原则为ｎ≥４ｈ／（３δ）。此外，经不同供电时间试验表明，供电时间≥２ｓ时，ρｓ观测值就趋于稳定；为提高观测数据的信噪比，要求观测电压Ｕ≥１０ｍＶ；当一个观测排列的有效测量长度不能完全覆盖其剖面长度范围时，则采用排列滚动测量方式进行。２．３　资料处理与解释结合垃圾场渗漏检测技术要求的特殊性，为提高异常解释的可靠性，对资料处理与解释采取了以下技术措施。（１）剖面地形起伏数据纳入资料处理与解释之中，建立具有地形条件的视电阻率剖面异常图示系统，使用带有地形数据参与的数值反演方法，从而最大限度地消除或压制了地形对有用异常的干扰和对解释结果的影响，确保反演解释的可靠性。（２）在数值拟合反演过程中，采用垂向小步长剖分技术，即：反演模型的水平方向剖分步长定为极距大小，纵向剖分的首步长定为０．５δ，步进因子为１．２５，采取三角网格剖分方式，生成地下二维地电模型，实现迭代循环式反演，既保证分辨率，也提高了反演迭代速度。实践表明，该方法可获取可靠性较高的结果，特别是可解释出一些易漏掉的狭小裂隙渗漏带。（３）结合已有地质和物性资料，对不同装置异常反演剖面进行综合解释，以最大限度地减少反演多解性。总结出污染渗漏通道的异常标志有：①以上述两种装置的带状低阻异常或异常梯度带重合，并与相邻剖面的异常体具有相似可比性作为地下渗漏通道的存在依据；②由所圈定的渗漏通道低阻电性值的相对大小和梯度带相对陡缓确定地下水是否存在污染、污染程度及分布范围，以保证解释可靠性。３　应用实例某垃圾填埋场地处太行山东麓“Ｖ”字型山谷内，属西侧太行山隆起带与东侧华北沉降带的过渡带。地貌为侵蚀构造低山地形，海拔高度在２１０～５５４ｍ，出露地层主要有下元古界滹沱群的浅变质含碎石白云岩和砂质碳酸岩、上元古界震旦系浅变质的安山岩及第四系。构造较为发育，区内断裂由一·１８６·物　探　与　化　探３５卷　组断层破碎带组成，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３５ｍ内的垃圾渗漏通道分布，为防渗治理提供依据，野外工作利用了上述高密度电阻率法的探测技术，在垃圾场拦护坝下游依次布置了４条横剖面。使用仪器为重庆地质仪器厂生产的ＤＵＫ２Ｂ高密度电法测量系统，一次性布极６０根，选用偶极和温纳两种装置类型，极距４ｍ，隔离系数为１～１０，供电时间４ｓ，供电电压≥１８０Ｖ，供电电流≥２Ａ。图２、图３分别为Ⅰ、Ⅱ号剖面的视电阻率断面。图中可见，浅部为低阻分布，一般ρｓ≤１００Ω·ｍ，反映了第四系松散土层分布。底部以高阻分布为主，ρｓ≥２００Ω·ｍ，推测为地下基岩反映。其中，近直立的低阻带为含水断层破碎带异常，介于上部低阻区与下部高阻区之间沿剖面狭长带状起伏分布的中阻异常带，其ρｓ在１００～２００Ω·ｍ，推断为基岩风化带反映。图２　Ⅰ剖面视电阻率断面图３　Ⅱ剖面视电阻率断面　　对图２、图３所示的两种装置异常进行联合反演，成果见图４。结合已知地质和物性资料，作出如下地质解释：沿剖面第四系下部高阻基岩内有５～６处近直立的低阻异常带，其电阻率值≤２００Ω·ｍ，初步推断为基岩断裂带，其产状较陡（≥７０°），除Ｆ１－５外其他断裂带倾向均为ＮＷ向，断层宽度１０～３０ｍ；其中Ｆ１－１、Ｆ１－２、Ｆ２－２、Ｆ２－３既显示为低阻异常，相对而言又与围岩电阻率差异较大，两侧异常梯度较陡，故确定为垃圾场向下游地下水渗漏污染的裂隙通道。综合各剖面的地质解释，将各断层裂隙带展布到相应剖面的位置上，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（图５）：沿山谷方向且具有全区性的ＮＥ向基岩断裂有３条，均为倾向ＮＷ的断层，另有１条ＮＥ走向的分支断裂。经初步判断，认为与Ｆ１－１、Ｆ１－２、Ｆ２－２、Ｆ２－３对应的Ｆ１、Ｆ２和Ｆ３断裂为本区垃圾渗漏的主要裂隙通道。此结论已被后期地质工作所证实。·２８６·　５期刘国辉等：高密度电阻率法在垃圾填埋场渗漏检测中的应用图４　Ⅰ（上）、Ⅱ（下）剖面地质解释断面图５　物探综合解释构造推断成果４　结论理论与实践表明，依据垃圾渗漏污染的基本特征，利用高密度电阻率法探测垃圾场的渗漏污染通道具有其物质基础；选用偶极和温纳两种装置类型组合测量方式具有较好的探测效果；合理选择布线极距、隔离系数及带有地形参数的小步长剖分拟合反演技术，可提高探测的分辨率；利用破碎带低阻的相对大小和梯度带陡缓特征，可区分破碎带的污染程度。参考文献：［１］　董浩斌，王传雷．高密度电法的发展与应用［Ｊ］．地学前缘，２００３，１０（１）．［２］　郭秀军，王兴泰．用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题［Ｊ］．物探与化探，２００１，２５（４）．［３］　刘晓东，张虎生，黄笑春，等．高密度电法在宜春市岩溶地质调查中的应用［Ｊ］．中国地质灾害与防治学报，２００２，１３（１）．［４］　程业勋，刘海生，赵章元．城市垃圾污染的地球物理调查［Ｊ］．工程地球物理学报，２００４，１（１）．ＴＨＥＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＯＦＨＩＧＨＤＥＮＳＩＴＹＲＥＳＩＳＴＩＶＩＴＹＭＥＴＨＯＤＴＯＬＡＮＤＦＩＬＬＬＥＡＫＡＧＥＤＥＴＥＣＴＩＯＮＬＩＵＧｕｏｈｕｉ，ＸＵＪｉｎｇ，ＷＡＮＧＭｅｎｇ，ＳＵＮＳｈｉｈｕｉ（ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃｓ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｋａｇｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎｈａｓｂｅｅｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｓｅｒｉｏｕｓ，ａｎｄｔｈｅｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｐｏｌｌｕｔｉｏｎｈａｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙａｔｔｒａｃｔｅｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎａｍｏｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｋａｇｅｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｍｅｔｈｏｄｔｏｌａｎｄｆｉｌｌ