陈亚宇, 张 卫, 孙焕奕, 黄晓松

(河北工程大学机械与装备工程学院, 河北邯郸056038)

随着国内经济的快速发展，国民生活节奏显著加快，随之产生的各种生活垃圾逐年递增[1]。作为主要的处理手段，垃圾的安全填埋至关重要[2]。当前生活垃圾填埋场主要结构分为固体废物层、土工织物层、卵石层、防渗层、土壤层。高密度聚乙烯(HDPE)[3-4]是当前热门的防渗材料，其化学性能稳定，具有很强的耐腐蚀性，对水及空气的渗透性小，作为阻止垃圾渗滤液泄露的最后一道防线，被广泛应用于各地垃圾填埋场，但在现实环境中，地质变迁、膜间焊接不牢、环境应力等作用会导致HDPE膜发生不同程度的破损。

垃圾渗滤液作为垃圾填埋场的副产物，富含铁、铜、锌等多种重金属及其他类型污染物[5-7]，一旦渗入地下，会严重污染土壤及地下水，给当地居民的生活带来危害。为了保证垃圾填埋场周边水土环境安全，及时准确定位渗漏点位置，进行快速补救具有非常重要的意义。

在现有垃圾填埋场渗漏定位检测方法中，交流电法[8-9]检测会因传输线间的电磁串扰问题而影响终端检测结果的准确性。传统直流电法[10-11]检测系统中应用最广泛的是偶极子法和电极栅格法。这2种方法的系统构造简单，制作材料廉价，安装和运行成本低，但都存在一定的缺点。偶极子法的缺点是电流会随测量距离的增大而显著衰减，即垃圾层的覆盖厚度及导电性会影响电位分布，垃圾层越厚，表层电位分布越弱，检测灵敏度越低，因此对漏洞的位置及数量判定上误差越大。电极栅格法的电流场的电势分布与膜下检测电极布设方式有直接关系[12]，检测电极对电流场的递减扩散效应会对渗漏点附近检测电极产生干扰，容易造成检测结果的误判。针对上述问题，本文中提出一种以土壤电导率变化为依据的传输交叉节点电导检测垃圾填埋场渗漏点的方法。

1 检测原理

1.1 定位检测原理

传输交叉节点电导模型的检测原理是，渗滤液的泄漏会使膜下土壤层电导产生异常，利用传输交叉节点的传感器可以对土壤层电导率进行实时监测，检测原理如图1所示。定位系统由传输交叉电路、电导率传感器、多路转换系统以及电源系统组成。2排传输线以相同特定间隔平行安装，且排与排空间正交排列，双电极板在传输交叉节点处分别连接每个正交导线。交叉传输线的一端通过分支线连接到多路转换系统。通过将电源正、负极连接到装有特定传感器的2个网格线来执行测量，在恒定电流状态下测量电压来获得闭合回路的电导率。

如图1所示，将定位系统铺设于膜下土壤层中。在渗滤液泄漏前测定每个传输交叉节点处电导率值，在泄漏后重新测定传输交叉节点电导率值，通过传输交叉节点电导率分布的偏差值来判定漏点位置。由于该定位系统铺设于膜下最底层的土壤层，因此该定位系统更适用于单土工膜衬垫的垃圾填埋场。

1、2、3、4、5—横、纵传输线编号。图1 单传输交叉节点电导检测系统示意图

1.2 渗漏检测模型建立

图2所示为2×2阶传输交叉节点电导模型的检测原理。将传输交叉节点的电导传感器等效为相同原理的节点电阻，Raa、Rab、Rba、Rbb分别为阻值相同的节点电阻，Rv为检测终端阻值。除电流路径1外，路径2同样可以完成电流循环，具有2个电流路径的2×2阶网格电路可看成并联电路，其中

Raa、Rab、Rba、Rbb—阻值相同的传输交叉节点电阻； Rv—检测终端阻值； a、b—传输线编号； x、y—传输线横、纵方向。图2 传输交叉节点电导模型的检测原理

(1)

式中：U为测量终端显示电压；I为测量终端显示电流。

由图2可得

(2)

(3)

在未发生渗漏时，Raa、Rab、Rba、Rbb的终端测量阻值在误差允许的范围内相同，当Rbb处发生渗漏时，则该处等效阻值Rbb显著减小，导致终端测量阻值明显变小，与非渗漏区传输交叉节点的终端测量阻值产生明显差异，由此可确定渗漏区坐标为(2，2)。

根据未渗漏区传输交叉节点等效阻值相同特性，未渗漏区传输交叉节点阻值可进一步等效为R0，渗漏区传输交叉节点阻值表示为Rx，则式(3)可表示为

(4)

由2×2阶传输交叉节点电导电路扩展至3×3阶电导电路可推出

(5)

根据电流传导规律可进一步推出4×4阶及以上网格电路的求解模型为

(6)

式中n指传输交叉节点电导电路为n×n阶。

2 模型参数

终端电导率检测结果差异的决定因素主要有固液混合物酸碱度、含水率及盐分浓度等，因此，有必要对这3个参数分别讨论，以便更好地适用于不同地区的垃圾填埋场。

2.1 固液混合物酸碱度的影响

垃圾渗滤液的性质会随着时间发生改变，这主要是由垃圾的稳定化过程所决定。该过程共分为5个阶段，分别为初始阶段、过渡阶段、酸化阶段、发酵阶段和成熟阶段[13-16]。为了综合考虑不同阶段垃圾渗滤液的酸碱度变化情况，需要提取不同阶段的垃圾渗滤液并检测pH。

将等量不同阶段的垃圾渗滤液作用于土壤，分别检测土壤电导率的变化情况。结果如图3所示。由图可以看出：从初始阶段到酸化阶段，渗滤液中的有机酸及金属离子浓度是持续上升的，因此土壤电导率随着垃圾渗滤液pH的减小而增大；从酸化阶段到成熟阶段，有机酸及金属离子浓度是减小的，因此土壤电导率随着垃圾渗滤液pH的增大而减小。

图3 垃圾渗透液酸碱度对土壤电导率的影响

2.2 土壤含水率的影响

水是影响土壤电导率的重要因素。为了检测土壤含水率对电导率的影响，分别配置不同盐分质量浓度的溶液来逐渐改变土壤的含水率，同时检测土壤电导率的变化情况，结果如图4所示。由图可知，当土壤中水的体积分数小于30%时，电导率随土壤含水率的增大而明显增大，且随着盐分质量浓度的增大，土壤电导率增大的趋势明显增强。当土壤中水的体积分数超过30%，此时土壤孔隙水接近饱和，土壤电导率增长趋势减缓。要想进一步增大土壤电导率，需增大孔隙水中的离子浓度。由图中曲线2、3可知，在土壤中水的体积分数超过30%时，随溶液盐分质量浓度增大，土壤电导率明显增大。

图4 土壤中水的体积分数对土壤电导率影响

2.3 盐分浓度的影响

垃圾渗滤液电导率大小主要受其中离子浓度的影响。渗滤液中溶解的阳离子、阴离子作为电荷载体，决定了土壤电导率的大小。配制不同浓度的氯化铵(NH4Cl)溶液来模拟不同盐分质量浓度的垃圾渗滤液，分别融入不同含水率的土壤中，测试土壤的电导率，结果如图5所示。由图可以看出，随着NH4Cl质量浓度增大，土壤点电导率线性增大，且土壤含水率增大时，这一趋势更加明显。

图5 盐分质量浓度对土壤电导率的影响

3 实验

3.1 实验仪器及性能参数

实验所用仪器包括：直流电源(WL30005型)，输出电压为0.5 mV～300 V，输出电流为0.5 mA～5 A； 电导率传感器为双极板式； 不极化电极； 土壤温湿盐pH速测仪(HM-TWSY型)，供电电压为5～24 V； 传输网格线选择电导率为5×104S/m、直径为 3 mm炭黑系纤维。垃圾渗滤液取自河北省邯郸市临漳生活垃圾填埋场，其成分及浓度见表1。

表1 垃圾渗滤液成分及质量浓度 (mg·L-1)

3.2 实验方法

为了模拟野外地下情况，布置尺寸长度、宽度均为90 cm、深度为50 cm的实验土槽，在土槽中填充土壤。第1组实验模拟电极栅格法，在土壤层布设间距为15 cm的网状不极化电极系，膜上导排层中埋设电流发生电极，在HDPE膜上预设3个漏点，膜下土壤层布设远端回流电极，在远离土槽的土壤中布设相同规格的远端测量电极N。电极布置完成后，在漏点附近注入渗滤液，之后测量各电极的电位变化情况。电极铺设方式如图6所示。

图6 电极栅格法电极铺设示意图

第2组设置为单传输交叉节点电导检测实验。将2组垂直的10根水平传输电缆以15 cm的间隔安装在土壤中形成网格，然后在传输电缆的每个垂直交叉处的土壤中安装25个电导率测量传感器。在安装带有传感器的网格电路之后，通过将传输交叉电路的分支线连接到测量系统来完成定位模型验证。在渗滤液释放到实验土壤前后，测量每个传输交叉节点处电导率值。布线示意图见图7。

1、2、3、4、5—横、纵传输线编号； x、y—传输线横、纵方向。图7 单传输交叉节点电导检测法布线示意图

电极栅格法的电位分布如图8(a)所示。从图中可以看出，在真实漏点1位置电极检测表现高电位异常，可准确判定渗漏位置，在真实漏点2、3附近多个电极表现高电位异常，存在漏点误判可能性。单传输交叉节点电导检测法垃圾渗滤液渗漏模型次表面中的电导率分布如图8(b)所示。从图中可以看出，真实漏点1与传输交叉节点重合，该节点处电导率变化最明显，为漏点1的最佳异常点。真实漏点2、3与传输交叉节点具有一定距离，分别距离漏点2、3最近传输交叉节点处的电导率值变化最为明显，这2处传输交叉节点为最佳异常点2及最佳异常点3。不同真实漏点和最佳异常点的坐标及误差见表2。

(a)电极栅格法(b)单传输交叉节点电导检测法X、 Y—检测点的横、 纵坐标。图8 电极栅格法的电位分布及单传输交叉节点电导检测法的电导分布

表2 不同真实漏点和最佳异常点的坐标及误差

3.3 结果分析

由图8(a)可知，实验共有5处区域电位表现异常，其中3处为漏点位置，土壤的不均匀性及电极对电流场扩散效应等的综合影响，导致漏点附近会出现局部高电位异常区，最终漏点判定数目增多。由图8(b)可知，实验共有3处区域的电导率明显增大，且实验前模拟的渗漏点个数为3。通过对比真实漏点坐标与最佳异常点坐标可以看出：当真实漏点位于传输交叉节点正上方时，电导率传感器可以第一时间检测到的土壤电导率的变化情况，传输交叉节点处坐标为真实漏点坐标；当真实漏点偏离传输交叉节点时，距离漏点最近的传输交叉节点处的定位传感器最先检测到电导率变化，定位偏差为

|Yi-Yn|≤7.5 ,

(7)

式中：d为定位偏差； (Xi，Yi)为最佳异常点坐标； (Xn，Yn)为真实漏点坐标。

真实漏点位置的变化会改变最佳异常点的位置坐标，图9阴影部分为某一传输交叉节点传感器覆盖的优先检测区。在该区域内发生泄漏会优先被区域内传输交叉节点处的传感器检测到，进一步求出

H—单点优先检测区边距。图9 单传输交叉节点优先检测区

定位模型的定位精度G为

(8)

式中：H为单点优先检测区边距；L为实验全部传感器覆盖区边距。

实验条件下，对渗漏区进行渗漏定位，最大定位误差dmax=10.6 cm，根据式(8)可得，在实验条件下定位精度G为6.25%。

4 结论

1)利用垃圾渗滤液泄漏会导致土壤电导率增强特性，建立了传输交叉节点电导检测定位系统。根据传输交叉节点的实时电导反馈，综合分析出异常传输交叉节点的电导率值，进而实现渗漏点的二维空间定位，解决了传统电学方法中检测电极对电流场的递减扩散效应的问题。

2)对土壤电导率的影响因素进行了研究，土壤电导率会随着渗透液pH的增大而减小，且不同阶段的渗滤液pH差异明显；在土壤中水的体积分数小于30%时，含水率对土壤电导率的影响显著；当土壤中水的体积分数大于30%时，土壤电导率会随着土壤盐分浓度的增大而增大。

3)在综合分析影响因素的基础上对比电极栅格法进行了垃圾渗滤液渗漏模拟实验，对实验结果进行对比分析，得出传输交叉节点电导检测定位模型对填埋场的最大定位偏差为10.6 cm，定位精度为6.25%，精度较高。