填埋場滲漏條件下的自然電位響應特征及影響機制

能昌信， 楊 健， 徐 亞， 賴凱倫， 劉 凡， 劉景財

1.山東工商學院信息與電子工程學院, 山東 煙臺 264005 2.中國環(huán)境科學研究院固體廢物污染控制技術研究所, 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室, 北京 100012

然而在介質滲漏的動態(tài)監(jiān)測領域中，目前相關研究還比較少. 郭秀軍等[26]綜合運用電阻率法、自然電位法、探地雷達以及化學分析的方法，通過對污水管道污染區(qū)分布特征的研究成功進行了滲漏點定位. Martínez-Pagán等[27]利用自然電位法監(jiān)測了鹽水在沙箱中的擴散，定位了泄露源以及污染物羽流.

相較于自然電位法在上述場景中的應用，填埋場滲漏由于漏點上方作用水頭小、下方黏土襯墊或天然基礎層防滲性好等原因通常以低速滲漏；同時又由于漏點深、埋藏隱蔽難發(fā)現(xiàn)，呈長期持續(xù)滲漏態(tài)勢，與污水管道等快速短期泄露特點存在差異. Arisalwadi等[28]開展了填埋場滲漏的自然電位法探測，但僅基于現(xiàn)場的自然電位法數(shù)據(jù)描述了特定填埋場滲漏條件下的自然電位異常現(xiàn)象，沒有深入揭示滲漏量與自然電位異常的定量關系及影響因素. 為此，該文擬以模擬填埋場為研究對象，基于填埋場實際地質特征，構建一個中等尺寸的物理模型；分析在填埋場滲漏條件下的自然電位特征，以驗證自然電位法在該場景下的適用性，并在此基礎上實現(xiàn)對滲漏點的精準定位；進一步量化研究滲漏速率與電位異常的響應關系，繼而得出能與之響應的滲漏速率下限；最后基于電極(不極化電極和極化電極)對自然電位響應的不同，比較電極之間的靈敏度及抗噪聲性能，以期為將自然電位法用于填埋場滲漏檢測領域提供參考.

1 模型與方法

1.1 模擬填埋場地構建

模擬填埋場地尺寸為700 cm×600 cm×50 cm(見圖1)，對該試驗場地的邊坡和底部(除模擬漏洞處以外)均采用防滲混凝土進行防滲處理以模擬實際填埋場防滲結構. 模擬漏洞設置在邊坡40 cm深度，大小為4 cm×4 cm，不進行任何防滲處理，以模擬漏洞存在下滲濾液的滲漏情況. 實際填埋場在庫底和邊坡處通常均采用HDPE膜和黏土形成復合防滲，正常情況下滲濾液通過HDPE膜漏洞并經黏土襯墊滲漏的量極小，除非黏土存在裂縫或黏土襯墊與HDPE膜連接處存在較大孔隙等滲流優(yōu)先通道. 因此在模擬漏洞位置處鋪設一段寬20 cm、高15 cm的卵石顆粒，模擬高滲透性優(yōu)先通道. 根據(jù)GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染控制標準》[29]等規(guī)定，黏土襯墊大于200 cm厚度，因此將高滲透性通道長度設置為260 cm. 另外，為防止模擬滲濾液流入環(huán)境中，對周邊環(huán)境造成影響，在該通道下游位置設計有一個滲濾回收池.

圖1 填埋場滲漏場地幾何結構示意Fig.1 Geometric structure diagram of leakage in landfill

根據(jù)文獻報道的國內填埋場HDPE膜漏洞數(shù)據(jù)，漏洞密度的中位值達到27個/hm2(以半徑為1 mm 計算)[30]，等效于一個庫底面積為1 hm2的填埋場中存在一個半徑為27 mm的大漏洞. 根據(jù)式(1)可以得到通過該漏洞的滲漏速率約為0.01 m3/s. 該文將模擬滲漏速率設置為0.002 m3/s，模擬分析在滲漏速率等于中位值的20%條件下的自然電位特征，滲漏速率通過蠕動泵調節(jié)控制. 滲漏流體的組分也會影響滲漏條件下的自然電位響應特征，暫不考慮復雜滲濾液組分的影響，因此選用市政中水作為模擬滲漏流體.

Q=Cbπr2(2ghw)1/2

(1)

式中：Q為滲漏速率，m3/s；r為漏洞半徑，m；Cb為形態(tài)系數(shù)，一般取0.6；hw為飽和液位高度，取3 m；g為重力加速度,9.8 m/s2.

1.2 信號采集裝置

自然電位信號采集的測線布設于模擬填埋場地和收集池的水平中心位置〔見圖1(b)〕，由間距30 cm的32個采集點組成.

自然電位法采集系統(tǒng)采用自主開發(fā)的采集系統(tǒng)，由硬件和軟件兩個部分組成[31-32](見圖2). 硬件模塊的功能為信號的濾波及采集，其中電極轉換器采用DAM3200繼電器，采集裝置選用NI-9205采集卡，利用檢測電極觀測勘探區(qū)域的自然電位信息，經過濾波裝置及采集裝置實現(xiàn)對信號的采集. 軟件模塊由LabVIEW平臺搭建，由串口控制模塊、采集、處理模塊和數(shù)據(jù)保存模塊組成，在此基礎上發(fā)送采集指令對繼電器進行控制，實現(xiàn)電極采集功能.

圖2 信號采集系統(tǒng)組成Fig.2 Signal acquisition system composition

1.3 試驗過程

在模擬試驗之前，為描繪模型的初始自然電位特征以及濾除噪聲信號對自然電位特性的干擾，在1 h內采集3次背景自然電位.

在背景值采集完成后，利用蠕動泵向模擬填埋場中注水，由于高滲透通道具有良好的滲透能力，使得在高滲透通道內的滲濾液滲漏速率基本等于由蠕動泵所提供的注水速率；根據(jù)1.1節(jié)分析結果，設置滲漏速率為0.002 m3/s，即200 mL/s. 注水過程中，以30 s為間隔對自然電位進行連續(xù)采集和監(jiān)測，觀測到自然電位達到穩(wěn)定狀態(tài)后，保持200 mL/s的恒定滲漏速率10 min后停止供水；停止注水后，繼續(xù)進行自然電位采集和監(jiān)測，直至回收池中不再有水流入.

為研究不同電極對滲漏時產生的自然電位特征響應，在測線上布置不極化電極(消除極化電位)的同時，在距其0.2 m處平行布置極化電極同步進行信號采集；另外，為表征滲漏速率對自然電位的異常響應強度關系，設置了3組不同模擬滲漏速率的試驗(見表1). 同樣由蠕動泵提供注水速率以模擬滲漏速率，并以30 s為間隔對自然電位進行連續(xù)采集和監(jiān)測.

表1 3種不同滲漏速率及持續(xù)時間

2 結果與討論

2.1 滲漏條件下自然電位的時序變化和電位異常

2.1.1不同位置處自然電位的時序變化

模擬滲漏發(fā)生前及發(fā)展過程中不同時刻測線上各采集點自然電位的時序分布如圖3所示；另外，為分析在試驗過程中自然電位的時序變化程度，對不同時刻各采集點的自然電位進行時序方差計算.

圖3 不同滲漏條件下測線上各采集點自然電位的時序變化Fig.3 Time-series variation of self-potential at each electrode under leakage condition

在利用不極化電極和極化電極采集自然電位時，不極化電極消除了極化電位，使之保持不極化狀態(tài)；反之，極化電極檢測出的自然電位包含了極化電位. 由圖3可見，不極化電極檢測出自然電位的尺度為10-2，極化電極檢測出自然電位的尺度為100，而滲漏所引起自然電位異常的尺度為10-3；自然電位與異常電位相差了較大的數(shù)量級，因此直接觀測自然電位分布并不能很明顯地表征電位異常[33]. 以圖3(a)所示結果為例，自然電位時序方差隨著采集點與滲漏區(qū)域之間的距離變化呈現(xiàn)一定的趨勢性，距離越小時自然電位時序方差越大. 在19號采集點處自然電位時序方差達到 0.003 0 V2，在18號和20號采集點處分別為 0.001 8 和 0.002 1 V2，而在遠離滲漏區(qū)域處自然電位時序方差多在 0.000 5 V2左右. 時序方差用于衡量隨機變量或一組數(shù)據(jù)的離散程度或變異程度，時序方差越大，說明其變異程度越大[34]. 該研究中，自然電位的時序方差越大，說明由滲漏所引起的自然電位異常也越大，滲漏的產生使得滲漏區(qū)域(19號采集點)及其附近產生了電位異常[35]，同時在遠離滲漏區(qū)域處自然電位無明顯變化. 鑒于采集點處自然電位時序方差與滲漏區(qū)域的距離之間存在良好的響應關系，在利用自然電位法進行滲漏監(jiān)測過程中，相較直接觀測測線各采集點的自然電位分布而言，根據(jù)各采集點自然電位時序方差的峰值能更直觀、精準地定位滲漏區(qū)域.

2.1.2滲漏通道上方的自然電位異常

為進一步量化分析自然電位異常與滲漏區(qū)域之間距離的關系，繪制了19號(滲漏通道正上方)、1號(遠離滲漏通道)、18號(滲漏通道左側)和20號(滲漏通道右側)采集點處自然電位的時序變化圖. 由圖4(a) 可見，在由不極化電極采集的條件下，由于其遠離滲漏區(qū)域，在整個模擬試驗過程中，1號采集點處的自然電位始終保持在 0.006 3 V左右的近似穩(wěn)定狀態(tài). 反之，在滲漏區(qū)域上方的19號采集點處，自然電位在試驗初期恒定在 0.042 8 V左右后，產生了由滲漏導致的自然電位異常，最大值達到 0.006 8 V，增加了16.1%，當停止?jié)B漏時，由于滲漏速率的衰減，自然電位異常現(xiàn)象逐漸消失，滲漏區(qū)域自然電位也逐漸衰減至背景值狀態(tài). 同時，由于滲漏對鄰近采集點的影響，在18號和20號采集點處分別引起了 0.002 5 和 0.002 4 V的最大自然電位異常.

該研究表明，滲漏區(qū)域會對周圍采集點產生與距離成反比的自然電位異常，這與點電流源對地層內部產生的電位所表征的物理規(guī)律相一致，點電流源對地中的電位由式(2)所表征，那么可以將滲漏點近似看作一個“點電流源”[36]，對滲漏點進行定位也就是對“源”的定位.

(2)

式中：U為電位，V；I為電流，A；ρ為電阻率，Ω·m；R為點源與采集點之間的距離，m.

利用控制變量法將不極化電極替換為極化電極后，滲漏產生自然電位異常的規(guī)律保持不變〔見圖4(b)〕，滲漏區(qū)域對周圍采集點產生的自然電位異常與距離成反比. 隨著滲漏區(qū)域與采集點之間距離的變化，在遠離滲漏區(qū)域的1號采集點處并未產生自然電位異常；在滲漏區(qū)域上方的19號采集點處，隨著滲漏產生而引起的自然電位異常的最大值達到 0.003 0 V；此外，在滲漏區(qū)域左、右采集點處最大自然電位異常分別為 0.002 0 和 0.002 2 V.

試驗結果表明，當滲漏速率為200 mL/s時，滲漏區(qū)域產生了最大值為 0.006 8 V的自然電位異常，表明自然電位能作為滲漏的響應指標. 進一步研究發(fā)現(xiàn)，由于自然電位與由滲漏引起的自然電位異常存在較大的數(shù)量級差異[37]，直接觀測自然電位分布不能直觀地對滲漏區(qū)域進行定位；而通過計算時序方差則可以根據(jù)時序方差峰值實現(xiàn)對滲漏區(qū)域的精準定位，在滲漏區(qū)域處的時序方差達到 0.003 0 V2. 另外，通過對滲漏通道及其周圍的自然電位異常進行量化分析，滲漏區(qū)域會對周圍采集點產生與距離成反比的自然電位異常，則可將滲漏點近似看作一個“源”，為后續(xù)對滲漏點的垂直定位提供一定的理論基礎.

2.2 滲漏速率對自然電位的影響

2.2.1不同滲漏速率下自然電位的時序變化

在3種不同滲漏速率條件下，繪制了在模擬滲漏發(fā)生前及發(fā)展過程中不同時刻各采集點處自然電位的分布情況(見圖5)，以及對其進行方差計算得出時序方差. 以圖5(a)所示結果為例，在低滲漏速率(43.48 mL/s)條件下，不極化電極并未響應出自然電位異常；而在102.04和166.67 mL/s滲漏速率下〔見圖5(b)(c)〕，在滲漏區(qū)域及其附近區(qū)域產生了自然電位異常，其時序方差峰值與相應滲漏速率下的滲漏區(qū)域重合，時序方差峰值分別達到 0.001 0 和 0.001 6 V2，表明根據(jù)測線上各采集點處的時序方差峰值可以精準定位出滲漏位置；另外，滲漏速率越大時，在高滲透通道區(qū)域處的時序方差也越大，即產生了更劇烈的自然電位異常[38].

圖5 不同滲漏速率下的自然電位及異常分布Fig.5 Distribution of self-potential and anomaly at different leakage rates

將不極化電極替換為極化電極后，在3種滲漏速率下，電位分布和時序方差圖均不能看出明顯的自然電位異常及時序方差峰值，表明極化電極并不能響應自然電位異常. 這是由于極化電極受噪聲信號干擾的影響較為嚴重[39]，且極化電極本身并不能消除極化電位，由此導致極化電極在響應自然電位異常時檢測精度偏低.

2.2.2不同滲漏速率下的自然電位異常

為進一步量化分析滲漏通道處，不同滲漏速率在滲漏發(fā)生前及發(fā)展過程中不同時刻自然電位的變化，繪制了3種不同滲漏速率下的自然電位時序變化(見圖6). 以圖6(a)所示結果為例，在不極化電極采集條件下，在滲漏區(qū)域(19號采集點)附近，由于滲漏速率越來越大，滲濾液的流動帶走高滲透性通道內表面的電荷也越來越多，因此引起的自然電位異常也更大. 在初始狀態(tài)，滲漏區(qū)域(19號采集點)處的自然電位為 0.042 2 V；當滲漏速率為43.48 mL/s時，并未響應出自然電位異常；隨著滲漏速率增至102.04和166.67 mL/s，滲漏區(qū)域的自然電位分別增加了 0.002 6 和 0.004 2 V，增幅分別為6.2%和9.9%. 由2.1節(jié)得出可將滲漏點近似看作一個“點電流源”的結論，則可將滲漏速率等效為“點電流源”的“電流”[36]：當滲漏速率越大時，“電流”也就越大，繼而由式(2)得出響應的電位也越大.

圖6 不極化電極和極化電極條件下不同滲漏階段內滲漏通道上方的自然電位特征對比Fig.6 Comparison of self-potential characteristics above the leakage channel at different leakage stages under the conditions of non-polarized and polarized electrodes

將不極化電極用極化電極替代〔見圖6(b)〕，由于極化電極存在檢測精度較低的劣勢，導致3種不同滲漏速率條件下在滲漏區(qū)域附近并未產生明顯的自然電位異常，并不能對滲漏進行響應.

結果表明，在滲漏速率大于102.04 mL/s時，不極化電極響應了 0.002 6 V的自然電位異常，且隨著滲漏速率的增大，由不極化電極響應出的自然電位異常也隨之增加；進一步對其進行量化分析，將滲漏點近似看作“點電流源”，則可以將滲漏速率看成“電流”，為后續(xù)對漏洞尺寸、滲漏情況進行量化研究提供一定的理論依據(jù).

用極化電極在3種不同滲漏速率下均不能響應自然電位異常，說明不極化電極相較極化電極而言，能更好地響應低滲漏速率下的自然電位異常，具有更高的檢測精度.

2.3 不同電極的對比

在一天時間內由不同電極經過兩次試驗檢測出在滲漏區(qū)域上方(19號采集點)的自然電位時序變化如圖7所示. 以圖7(a)所示結果為例，在不極化電極測量條件下，在滲漏區(qū)域上方的19號采集點所檢測出的自然電位值在試驗初期恒定在 0.042 5 V后，隨著滲漏的產生，引起了最大值為 0.004 0 V的自然電位異常. 在1 h后重復上述試驗，檢測到的自然電位仍保持在背景值(0.042 5 V)狀態(tài)，在發(fā)生滲漏時，同樣檢測到的自然電位最大異常為 0.003 5 V，所產生自然電位異常的規(guī)律保持不變，自然電位異常隨著滲漏的產生而增加，隨著滲漏的停止而衰減.

圖7 一天時間所測量的自然電位及其變化Fig.7 The value of self-potential and its variation measured during one day

而當用極化電極代替不極化電極后，如圖7(b)所示，在滲漏區(qū)域上方的19號采集點檢測出的自然電位值在試驗初期恒定在 1.442 0 V后，由于滲漏的產生引起了最大值為 0.003 0 V的自然電位異常. 但是在1 h后重復該試驗時，其背景值突變至 1.494 0 V，相較之前的背景值提高了 0.052 0 V. 雖然滲漏依舊會產生自然電位異常，最大異常值為 0.003 0 V，但是其背景值發(fā)生了很大的變化. 這是因為，當有電流通過電極時發(fā)生的是不可逆的電極反應，此時的電極電位與可逆電極電位會有所不同. 電極在有電流通過時所表現(xiàn)的電極電位與可逆電極電位產生偏差的現(xiàn)象稱為電極極化[40]，且極化電極受到外界干擾因素(如溫度、噪聲等)的影響較大. 因此可以判斷，不極化電極由于沒有電極極化所產生的干擾因素，又具有一定的抗噪聲性能，故對自然電位的檢測具有更好的穩(wěn)定性能.

試驗結果表明，在滲漏速率大于200 mL/s時，極化電極和不極化電極均能響應自然電位異常，但是由極化電極所測量出的自然電位受電極極化、噪聲等因素影響，對填埋場滲漏分析造成一定阻礙；在極化電極的基礎上，不極化電極消除了電極極化效應且提高了抗噪聲性能，使其更具穩(wěn)定性能. 但是不極化電極制作步驟較為繁瑣且結構復雜，存在造價昂貴且容易損壞的缺陷. 因此若需進行短期自然電位監(jiān)測，可采取不極化電極進行精細化監(jiān)測；而對填埋場進行長期穩(wěn)定監(jiān)測，則可通過將極化電極埋入地下來降低周圍噪聲對電極的干擾.

3 結論

a) 模擬典型填埋場滲漏場景和滲漏速率為200 mL/s條件下，滲漏導致自然電位異常變化可達 0.004 5 V，表明自然電位法可對滲漏進行快速響應；另外，不同位置處自然電位異常變化存在差異，其時序方差峰值與滲漏通道區(qū)域位置相吻合，且時序方差峰值達到 0.003 0 V2，與無滲漏區(qū)域時序方差(0.000 5 V2)存在明顯差異，表明時序方差可以作為對滲漏點精準定位的指標.

b) 自然電位異常與滲漏速率存在顯著正相關響應，在102.04、166.67、200 mL/s三種不同滲漏速率條件下，分別產生了 0.002 6、0.004 2 和 0.006 8 V的自然電位異常，即滲漏速率越大，自然電位異常越明顯，表明自然電位可以對滲漏速率進行量化表征；另外，當滲漏速率減至43.48 mL/s時，自然電位無明顯響應異常，表明低于該速率時自然電位法將不能對滲漏實現(xiàn)有效響應.

c) 在填埋場滲漏造成的自然電位異常條件下，相比于極化電極檢測自然電位產生了0.052 0 V的突變，且其在滲漏速率低于166.67 mL/s時不能很好地響應自然電位異常而言，不極化電極對滲漏造成的自然電位異常變化響應更靈敏，具有更高的穩(wěn)定性能和檢測精度.