高有機質含量垃圾的含水量監測試驗研究
——利用表面處理的TDR探頭

徐 輝,詹良通,穆青翼,王順玉,陳云敏

(浙江大學,軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州310027)

高有機質含量垃圾的含水量監測試驗研究
——利用表面處理的TDR探頭

徐 輝,詹良通*,穆青翼,王順玉,陳云敏

(浙江大學,軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州310027)

為了研究時域反射技術(TDR)對高電導率、高有機質含量的填埋垃圾的適用性,設計并制作了探針表面鍍環氧樹脂基復合材料和套PVC管的TDR探頭,測試并評估了各個探頭測試介質含水量的電導率適用范圍和感應區域范圍,同時推薦了95%探針長度套PVC熱縮管的探頭作為最優選擇.對所選探頭進行標定后,安裝在填埋自制新鮮垃圾和現場老垃圾的模型單元中,測試滲濾液入滲過程中和入滲后的含水量變化,結果表明:經表面處理后的 TDR探頭能夠有效測試高有機質含量填埋垃圾的含水量,且能夠對瞬態滲流過程引起的含水量變化迅速響應;當滲流達到穩定時,TDR測試的含水量結果與水量平衡分析結果較為接近,絕對誤差在5%以內.

時域反射技術(TDR)；含水量；城市生活垃圾；高有機質含量；滲流

水分的分布和運移在垃圾填埋場中具有極其重要的作用.首先,水分不僅是固相垃圾厭氧降解所必需的反應物,還是微生物生長繁衍和保持活性所必需的條件,適宜的含水率是促進填埋垃圾快速穩定的最基本條件[1-11].通過滲瀝液或其他液體的回灌可以增強水分的流動,從而達到含水量增加、反應底物和微生物補給的目的,實現生化降解的快速穩定化.其次,水是污染物的運載媒介,水通過垃圾骨架時會溶解同時垃圾降解也會析出部分污染物質,從而形成了對地下水體有危害的滲瀝液.降雨入滲或其它水分的進入將會引起滲瀝液水位的升高,對垃圾堆體的穩定和滲濾液的泄露和擴散造成了極大的威脅[12-14].因此,對填埋垃圾含水量進行實時監測和控制是實現以液體為媒介的生化環境主動調控的關鍵.

目前,填埋垃圾含水量的現場測試方法主要有中子探測法、電阻/阻抗法、電磁法、電阻率成像法、氣體分區示蹤法等,各自有其優點和局限性[15-17].時域反射技術(TDR)屬于電磁法的一種,是基于電磁波在多孔介質中的傳播特性而發展出來的含水量測試方法,具有可靠、方便、經濟及自動化監測等方面的優勢,因而廣泛應用于巖土介質的含水量測試[18-20].與傳統巖土材料不同,MSW介質具有大孔隙、非均質、多組分等特征,更重要的是其滲濾液具有很高的電導率,容易造成電磁波信號的損失,從而使得TDR技術尚未廣泛應用于垃圾填埋場.為了解決電磁波在高電導率介質中衰減過快的問題,Ferre′[21]、Li[22]、Persson[23]、Staub[24-26]等國外學者提出了在探針表面加化學涂層或塑料套管的處理方法并進行了試驗驗證,結果表明:探針表面處理技術可以有效減少能量的衰減,使得TDR能夠應用于高電導率介質中.

填埋垃圾中的水分主要以3種形式存在:固相組分所含的胞內水、固相組分之間的由于毛細作用而保持的孔隙水以及被低滲透性組分所滯留的孔隙水[27].不同于歐美發達國家,我國填埋垃圾有機質含量較高[28-30],水分存在形式極其復雜,降解初期以胞內水為主,隨著降解過程的進行胞內水逐漸得以釋放轉化為孔隙水,所以后期主要以孔隙水的形式存在.另外,利用滲濾液回灌技術加速垃圾降解時,需要對垃圾體內滲濾液運移過程以及達到穩定狀態時的含水量進行監測.因此,在國內外已有研究基礎上,選取合適的 TDR探針表面處理方法,并對不同水分存在形式的填埋垃圾的適用性以及對瞬態和穩態滲流過程的響應進行評估是及其必要的.

針對上述問題,本文開展了一系列試驗研究,主要工作有:通過TDR探頭的電導率適用范圍試驗和感應區域范圍試驗選取了適用于填埋垃圾含水量測試的探針表面處理方法;標定了所選TDR探頭的介電常數和行程時間以及體積含水量和介電常數的關系曲線;評估了TDR技術對新鮮垃圾和老垃圾含水量測試的適用性;(4)檢驗了TDR技術對滲濾液滲流過程中填埋垃圾含水量變化的響應效果.

1 試驗原理及方法

1.1 TDR測試含水量原理

TDR測試系統主要包括:TDR探頭、傳輸線、信號發射器和示波器,如圖1所示.基于同軸傳輸線中的電磁波傳播理論,通過對反射波形的分析可以得到被測介質的介電常數.如表1所示,水的介電常數要遠大于干燥的巖土介質和空氣,因而巖土介質中水的含量對其介電常數起決定性作用,通過巖土介質介電常數與含水量的關系模型,便可得到被測介質的含水量.

介質的介電常數可以表示成如下所示的復數形式

式中:K*表示復介電常數;K′表示介電常數實部;K″表示介電損失;σdc/ωε0表示電導損失.

圖1 TDR測試系統及典型波形Fig.1 TDR testing system and typical waveform

表1 常見材料的介電常數[31-32]Table1 Dielectric constants of common materials[31-32]

Topp[18]提出了表觀介電常數的概念,使得計算大大簡化,其表達式如下:

式中:c表示電磁波在真空中傳播速度,即3×108m/s;Δt為電磁脈沖沿探頭的行程時間,可通過分析反射波形獲得(圖1),與周圍介質的介電常數有關;L為插入介質中探針的長度,2L表示電磁波在Δt時間內沿探針行程一個來回.

介電常數的測試與環境的溫度有關,所以需要對測試結果進行溫度修正,可用式(3)進行修正(ASTM D6780-05,2005)[33]:

式中:Ka,20℃為20℃時介質的介電常數;Ka,T℃為 T℃時介質的介電常數;TCF為溫度修正系數,對于MSW介質,TCF=0.97+0.0015T℃.

巖土介質的體積含水量與介電常數的關系模型主要有半理論模型和經驗模型.半理論模型最典型當屬體積混合模型,Birchak[34]首先提出了固液兩相層狀介質的體積混合模型,Dobson[35]在此基礎上提出了考慮介質中存在結合水和空氣等的廣義混合體積模型,Ledieu[36]提出了更為簡化的模型,即

許多學者通過總結試驗數據提出了反映巖土介質介電常數與含水量之間關系的經驗模型,如3次回歸曲線、4次回歸曲線、考慮了電導率或密度影響的模型等.在眾多的經驗模型中,Topp[18]提出的關于砂土介質的經驗公式被許多學者應用并驗證[37～38],其表達式為

然而,由于填埋垃圾高有機質含量、大孔隙、非均質、多組分的特性與巖土材料性質相差較大,該公式將不再適用[22],而式(4)卻較廣泛地被國內外學者所采用[21,32,39-42].

1.2 TDR探針表面處理方法評價試驗

正常情況下,巖土介質的電導率并不高,但對于 MSW 這種滲濾液電導率可高達3000mS/ m[26,43-45]的巖土介質而言,應用TDR行程時間法測試其含水量可能會使測試波形中的反射點 B不明顯甚至無法識別.另外,TDR探頭能夠感應的介質區域范圍對測試結果的表征性有較大影響.為了選擇最適用于測試 MSW介質含水量的TDR探頭類型,開展了電導率適用范圍和感應區域范圍試驗.

試驗設備主要包括計算機、美國 Campbell Scientific公司生產的 TDR100測試儀、特征阻抗50歐姆的同軸電纜、自制TDR探頭、有機玻璃容器.其中,TDR100測試儀發射電磁脈沖的頻率范圍為106～109Hz,有機玻璃容器尺寸為Ф20cm×25cm(圖2),自制TDR探頭為三針式(表2).依據Ferre[46]、Knight[47]對不同結構尺寸TDR探頭在測試介質中感應范圍的分析,本試驗所用探頭感應范圍基本在直徑6cm高15cm的圓柱體內.因此,該有機玻璃容器足夠滿足本試驗 TDR探頭對測試范圍的要求.

電導率適用范圍試驗設計思路為:配制不同電導率的 CaCl2溶液,對表2所示的不同類型TDR探頭分別進行波形測試,根據波形圖中反射點AB之間的行程時間以及B點對應的反射系數隨電導率的變化,判斷各探頭對測試介質電導率的適用范圍.

圖2 TDR標定試驗筒結構Fig.2 Schematic diagram of TDR calibration cell

感應區域范圍試驗分平行(X方向)和垂直(Y方向)于探針排列方向2組,如圖3所示:對于Y方向,試驗裝置由一系列寬度(X方向)和高度(Z方向)相同而長度(Y方向)不同的有機玻璃容器組成,高和長分別為200mm和90mm,寬度由80mm逐漸變化到16mm,間隔4mm;試驗時,先將容器盛滿去離子水,然后將TDR探頭放置在容器中間,測試介電常數;隨著容器 Y方向長度的減小,TDR探頭測試結果由單一的去離子水介質轉變為綜合反映去離子水、有機玻璃和空氣介質,由于有機玻璃和空氣的介電常數遠小于去離子水(表1),因此介電常數測試結果開始明顯降低的容器長度可以作為該探頭在 Y方向上的感應范圍.對于X方向,同理.

表2 TDR探頭編號及探針表面處理情況Table2 TDR No. and probe coating treatment

圖3 感應區域范圍試驗裝置Fig.3 Experimental equipment for measuring influence area

1.3 TDR探頭標定試驗

根據TDR探針表面處理方法評價結果選定的探頭需要進行標定試驗,主要包括:探針長度標定、介電常數-行程時間關系曲線標定和體積含水量-介電常數關系曲線標定.

由于探針的長度在制作時有誤差,為了更精確地測量介電常數,需要在去離子水中對探針長度進行標定.依據 Weast[48]提供的去離子水介電常數(Kw)與溫度(T)的經驗關系,先根據溫度計算出去離子水的介電常數,然后依據反射波形信息反算探針長度.試驗平行進行10次.

由于探針進行了表面處理,必然會對介電常數的測試產生影響,意味著Topp[18]提出的行程時間法計算公式(2)可能不再適用,因此需要重新校準介電常數與行程時間之間的關系.試驗基本思路為:根據表1配制不同介電常數Ka的試樣,填入有機玻璃試驗筒內,填樣過程中控制各個筒內試樣的壓實程度一致,然后將 TDR插入試樣筒中,測試并保存波形,重復上述步驟;分析測試波形,得到各個波形的行程時間 Δt;獲得行程時間 Δt與介電常數Ka數據點,并進行擬合.

為了得到生活垃圾體積含水量隨介電常數的變化規律,在標定筒內開展了θ-Ka曲線標定試驗.采用人工配制的垃圾樣,控制各組分特征粒徑小于3cm,充分混合后分層填入標定筒內.不同體積含水量的試樣主要通過以下方式來實現:控制菜葉、果皮等有機質含量的不同以獲得初始低、中、高含水量的垃圾試樣;添加自來水或增大密實度進一步改變試樣的體積含水量.每一含水量工況平行開展2組試驗.

1.4 TDR監測填埋垃圾含水量模型試驗

為了檢驗所選TDR應用于監測填埋垃圾含水量的效果,開展了模型試驗,主要監測穩定狀態時的含水量及瞬態滲流引起的含水量變化.

模型試驗系統的設計如圖4所示,模型箱尺寸為0.5m×0.5m×1.2m,底部設置厚約20cm的滲濾液導排層,自下而上分別為滲濾液收集口、排水管網、碎石濾層及土工織物濾層,中間填埋厚約80cm的垃圾層,頂部設置厚約20cm的滲濾液回灌層,自上而下分別為滲濾液回灌口、回灌管網、瓜子片布水層及土工織物濾層.TDR探頭和溫度傳感器埋設在垃圾層中部,模型箱頂部設置出線口和排氣口.

本次試驗共建上述系統兩套.模型箱1中填埋的垃圾取自天子嶺垃圾填埋場,組分特征見表3,齡期約3a,有機質含量低,水分存在形式以孔隙水為主,共130kg,填埋后垃圾層密度為0.71t/m3,體積含水量28.9%;模型箱2選用配制的新鮮垃圾,組分特征見表3,有機質含量高,主要以胞內水形式存在,共180kg,填埋后密度為0.98t/m3,體積含水量66.4%.模型箱準備完畢后,分別讀取TDR傳感器及溫度傳感器的初始數據,并量測垃圾體的初始高度.

圖4 模型試驗箱剖面Fig.4 Chamber profile of TDR cell

模型試驗系統建立完成后,對2個模型試驗箱中的垃圾體進行滲濾液回灌,每次回灌量約3L,回灌完成后立刻測試TDR波形和溫度,測試頻率為1次/min,后逐漸變疏,然后量取滲濾液收集量用于水量平衡分析,最后測量垃圾體高度用于計算當前密度.模型箱1共回灌3次,模型箱2回灌2次.

表3 填埋垃圾樣組分(%)Table3 Composition of burial MSW (%)

2 結果與分析

2.1 TDR探針表面處理方法評價結果

電導率適用范圍試驗結果如圖5所示.可以發現,滲濾液的介電性能(虛線)與CaCl2溶液(實線)非常相似,因此利用后者來模擬高電導率的滲濾液操作上更簡便,所獲得的結論是可信的,這也是被國外很多學者所證實的[26,49-50].從圖5可以得到:隨著溶液電導率的升高,表面無處理和鍍膜的TDR探頭測試得到的波形中,反射點AB之間的行程時間呈現略增大的趨勢,而套熱縮管的 TDR探頭則基本保持不變.理論上,不同電導率的溶液中測得的行程時間應該為定值,而行程時間的變化將會導致介電常數計算結果的誤差,從而影響含水量測試結果.因此,套熱縮管的TDR表面處理方法受測試介質電導率的影響較小,穩定性較好.隨著溶液電導率的升高,不同類型的TDR波形中的反射點B的反射系數均呈逐漸下降的趨勢直至消失不見;對于表面處理的探頭,處理程度越深,反射點B消失越遲.反射點B的消失,即意味著行程時間法在該電導率介質中不再適用,從而可以得到不同類型探頭的電導率適用范圍如表4所示.

圖6(a)表示不同類型TDR探頭在Y方向上的感應區域范圍試驗結果.圖中縱坐標等效行程時間百分比表示在不同長度尺寸的有機玻璃容器條件下測得的等效行程時間(Δt)與基值(Δt0)的百分比.試驗中,將 Y方向長度最大(80mm)的有機玻璃容器中行程時間測試值作為基值.從圖6(a)可以看出:隨著有機玻璃容器 Y方向長度不斷增大,等效行程時間百分比逐漸趨近100%;若將等效行程時間百分比為95%時的容器長度作為TDR探頭在Y方向上的測試感應范圍,此時TDR3-1～TDR3-6的感應范圍分別為17,14,15,21,19,17.5mm.相比于無任何處理的 TDR探頭,探針表面套熱縮管會減小探頭的測試感應范圍,而鍍膜處理則會增大感應范圍.

由圖6(b)可知,隨著有機玻璃容器長度不斷減小,等效行程時間百分比基本在100%附近.因此在X方向,三針式TDR探頭測試感應范圍基本在兩端探針之間的區域.

圖5 不同電導率溶液中的測試波形Fig.5 TDR waveforms for different conductivity solutions

不同類型TDR探頭中,介質電導率適用范圍從小到大依次為:普通探頭、鍍膜探頭、套熱縮管探頭,而感應區域范圍則為鍍膜探頭>普通探頭>套熱縮管探頭.為了評估各種類型TDR探頭的工作性能,選取電導率適用范圍和感應區域范圍作為評價指標,權重各取0.5,以最大電導率適用范圍或感應范圍的探頭作為基值并計100分,然后根據比值分別給出其他探頭的評分,評價結果如表4所示.從表4可以看出,TDR3-2和TDR3-4的得分最高,考慮到TDR3-2制作工藝簡單、質量較易控制且測試結果受電導率干擾較小,本文將其作為測試 MSW含水量的最優選擇,但是TDR3-4若能夠通過改進降低對電導率的敏感性則具有較好的前景.

圖6 TDR探頭X和Y方向感應范圍測試結果Fig.6 Influence areas in X and Y directions

表4 TDR探針表面處理方法評價結果Table4 Evaluation results for TDR rod surface treatment methods

2.2 TDR探頭標定結果

根據平行開展的10次探針長度標定試驗結果,選定的TDR3-2的探針長度為15.3cm.

圖7 介電常數-行程時間關系曲線Fig.7 Calibration of permittivity-travel time relationship

介電常數-行程時間曲線的標定如圖7所示.可以看出:對 TDR探針進行表面處理后,測試得到的介電常數與行程時間之間的關系不再符合Topp公式,而Staub[26]認為其符合二次曲線函數關系;利用二次曲線對數據點進行擬合后得到TDR3-2介電常數-行程時間關系為 Ka=2.243Δt2-3.086Δt+1.510,擬合效果較好.

體積含水量-介電常數關系標定試驗共獲得數據點34個,如圖8所示.2次平行測試結果較為接近,說明測試數據是較為可靠的.利用式(4)對所有數據點進行擬合,得到體積含水量與介電常數之間的關系曲線為 θ=0.12Ka0.5-0.081,與Chen[32]的試驗結果較接近.初始不同含水量的試樣表現出較一致的規律,說明有機質含量對TDR測試結果影響較小,這一結論與文獻[22]一致.

2.3 TDR模型試驗結果

由于現場垃圾初始含水量低于其持水能力,導致回灌過程中無滲濾液排出,而自制垃圾初始含水量高于持水量,試驗一開始便能夠收集到滲濾液.整個試驗過程中含水量的計算結果和TDR測試結果如圖9所示:

圖8 體積含水量-介電常數標定結果Fig.8 Calibration of volumetric moisture contentpermittivity relationship

現場垃圾試樣模型試驗.根據TDR測試結果,每次回灌后的1～2min內,體積含水量便達到峰值,第1次回灌后體積含水量由最初的29.0%迅速升至37.8%,后逐漸下降,6d后降至30.0%,第2次回灌后升至40.5%,并于4d后降至31.9%,第3次回灌后又迅速達到峰值39.1%.根據水量平衡結果,回灌期間垃圾體積含水量由最初的28.9%上升至30.54%再升至32.2%.

自制垃圾試樣模型試驗.根據TDR測試結果,初始體積含水量為67.3%,自由排水1d后下降至41.5%,第一次回灌后1min即達到峰值67.0%,隨后逐漸下降,6d后降至44.3%,第二次回灌后1min升至56.4%.根據水量平衡結果,垃圾樣靜置并自由排水1d后,體積含水量便由最初的66.4%下降至44.6%,回灌后升至45.2%,后隨著滲濾液的排出,6d后降至43.0%.

無論是以胞內水為主要存在形式的自制垃圾還是以孔隙水為主的現場垃圾,對于初始狀態含水量以及滲濾液回灌后達到穩定狀態的含水量,TDR測試結果分別與烘干法計算結果以及水量平衡分析結果均較為接近,絕對誤差一般在5%以內.因此,可以認為TDR技術適用于不同水分存在形式的填埋垃圾,且能夠準確測試穩態滲流時的含水量.

圖9 模型試驗結果Fig.9 Testing results for different TDR cells

TDR對瞬態滲流引起的含水量變化比較敏感:滲濾液回灌后,濕潤鋒面進入 TDR探頭感應范圍時,含水量測試值瞬間增大至峰值;隨著滲濾液向下運移,濕潤鋒面逐漸離開感應范圍,含水量測試值逐漸下降至穩定狀態.在滲濾液回灌后一段時間內,TDR測試結果與水量平衡分析結果相差較大,這是由于后者是整個模型箱中垃圾體含水量的平均值,而TDR測試結果則反映感應范圍內垃圾層的含水量情況.

3 結論

3.1 電導率適用范圍試驗和測試影響范圍試驗結果表明:TDR3-1～TDR3-6能夠測試的介質電導率范圍依次為400,3000,2000,2000,1200,800mS/m以內,測試感應范圍(垂直于探針排列方向)分別為17,14,15,21,19,17.5mm.利用權重評分法及綜合考慮測試結果穩定性、制作工藝及質量控制等因素后,認為探針表面95%長度包裹熱縮管的TDR是測試MSW介質含水量的較優選擇.

3.2 選定的 TDR3-2的探針長度標定結果15.3cm;由于探針進行了表面處理,測得到的介電常數 Ka與行程時間 Δt之間的關系不再滿足Topp公式,而是符合Ka=2.243Δt2-3.086Δt+1.510的二次曲線關系;體積含水量θ與介電常數Ka之間的關系曲線為θ=0.12Ka0.5-0.081.

3.3 模型試驗結果表明,表面處理后的 TDR能夠測試填埋垃圾的含水量,測試結果與利用烘干法計算得到的體積含水量較接近,絕對誤差在5%以內;TDR探頭能夠對滲濾液瞬態滲流引起的垃圾體內含水量的變化迅速作出正常響應,當滲流達到穩定時,TDR測試結果與水量平衡分析結果較為接近,絕對誤差在5%以內.

因此,TDR技術可以用于生活垃圾填埋場中以液體為媒介的生化環境主動調控的大型模型試驗和現場試驗中含水量的監測.

[1] Farquhar G J, Rovers F A. Gas production during refuse decomposition [J]. Water, Air, & Soil Pollution,1973,2(4):483-495.

[2] Pohland Frederick G. Leachate recycle as landfill management option [J]. Journal of the Environmental Engineering Division,1980,106(6):1057-1069.

[3] Rees J F. The fate of Carbon compounds in the landfill disposal of organic matter. Journal of Chemical Technology and Biotechnology,1980,30(1):161-175.

[4] Klink R E, Ham R K. Effects of moisture movement on methane production in solid waste landfill samples [J]. Resources and Conservation,1982,8(1):29-41.

[5] Hartz K E, Ham R K. Moisture level and movement effects on methane production rates in landfill samples [J]. Waste Management and Research,1983,1(2):139-145.

[6] Kasali G B. Optimization and control of methanogenesis in refuse fractions [D]. PhD Dissertation, University of Strathciyde,1986.

[7] Gurijala K R, Suflita J M. Environmental factors influencing methanogenesis from refuse in landfill samples [J]. Environmental Science and Technology,1993,27(6):1176-1181.

[8] Gil Diaz J L, Szanto Narea M, Sanchez Alciturri J M, et al. Estimating Material Losses in Sanitary Landfills Through Biological Degradation [C]. Proceedings of Sardinia95,5th International Landfill Symposium, Cagliari, Italy,1995.

[9] Mora-Naranjo N, Meima J A, Haarstrick A, et al. Modelling and experimental investigation of environmental influences on the acetate and methane formation in solid waste [J]. Waste Management,2004,24(8):763-773.

[10] 瞿 賢,何品晶,邵立明,等.含水率對生活垃圾甲烷化過程的影響 [J]. 環境科學,2009,30(3):918-923.

[11] 劉東燕,馮國建,羅云菊,等.含水量對垃圾土中有機物降解的影響 [J]. 地球與環境,2010(1):26-30.

[12] Koerner R M, Soong T Y. Leachate in landfills: the stability issues [J]. Geotextiles and Geomembranes,2000,18(5):293-309.

[13] Blight G. Slope failures in municipal solid waste dumps and landfills: a review [J]. Waste Management and Research,2008,26(5):448-463.

[14] XIE Hai-jian, CHEN Yun-min, LOU Zhang-hua. An analytical solution to contaminant transport through composite liners with geomembrane defects [J]. Science China: Technological Sciences,2010,53(5):1424-1433.

[15] Yuen S, McMahon T, Styles J. Monitoring in situ moisture content of municipal solid waste landfills [J]. Journal of Environmental Engineering,2000,126(12):1088-1095.

[16] Gawande N A, Reinhart D R, Thomas P A, et al. Municipal solid waste in situ moisture content measurement using an electrical resistance sensor [J]. Waste Management,2003,23(7):667-74.

[17] Imhoff P T, Reinhart D R, Englund M, et al. Review of state of the art methods for measuring water in landfills [J]. Waste Management,2007,27(6):729-45.

[18] Topp G C, Davis J L, Annan A P. Electromagnetic Determination of Soil-Water Content - Measurements in Coaxial Transmission-Lines [J]. Water Resources Research,1980,16:574-582.

[19] Topp G C, Davis J L. Measurement of Soil-Water Content Using Time-Domain Reflectrometry(TDR) - a Field-Evaluation [J]. Soil Science Society of America Journal,1985,49:19-24.

[20] Ledieu J, Deridder P, Declerck P, et al. A Method of Measuring Soil-Moisture by Time-Domain Reflectometry [J]. Journal of Hydrology,1986,88:319-328.

[21] Ferré P, Rudolph D, Kachanoski R. Spatial averaging of water content by time domain reflectometry: Implications for twin rod probes with and without dielectric coatings [J]. Water Resources Research,1996,32(2):271-79.

[22] Li R S, Zeiss C. In situ moisture content measurement in MSW landfills with TDR [J]. Environmental Engineering Science,2001,18(1):53-66.

[23] Persson M, Bendz D, Flyhammar P. Time-domain reflectometryprobe for water content and electrical conductivity measurements in saline porous media [J]. Vadose Zone Journal,2004,3(4):1146-1151.

[24] Staub M, Laurent J P, Morra C, et al. Calibration of time-domain reflectometry probes to measure moisture content in municipal solid waste in laboratory-scale cells [C]. Geo-Environmental Engineering, June12-14,2008, Kyoto, Japan.

[25] Staub M, Laurent J, Morra C, et al. TDR Calibration in MSW affected by material effects and moisture distribution[C]. Third International Workshop “Hydro-Physico-Mechanics of Landfills”, Braunsch -weig, Germany,10 -13March,2009.

[26] Staub M, Laurent J P, Gourc J P, et al. Applicability of time domain reflectometry water content measurements in municipal solid waste [J]. Vadose Zone Journal,2010,9(1):160-171.

[27] Zornberg J G, Jernigan B L, Sanglerat T R, et al. Retention of free liquids in landfills undergoing vertical expansion [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1999,125(7):583-94.

[28] Zhan L T, Chen Y M, Wilson G W, et al. Characteristics of municipal solid wastes and landfill disposal in China [J]. Geotechnical News,2011,29(3):29-32.

[29] XU S Y, HE P J, LV F, et al. Transformation of organic matters in fresh leachate during anaerobic degradation under long hydraulic retention time [J]. Journal of Environmental Sciences,2009,21(9):1302-1308.

[30] 于曉華,李國建,何品晶,等.生物反應器填埋技術及其應用 [J].環境保護,2003,2:24-26.

[31] Santamarina J C, Klein K A, Fam M A. Soils and Waves [M]. John Wiley & Sons, LTD,2001.

[32] Chen R P, Chen Y, Chen W, et al. Time domain reflectometry for water content measurement of municipal solid waste [J]. Environmental Engineering Science,2012,29(6):486-493.

[33] ASTM. D6780-05. Standard test method for water content and density of soil in place by time domain reflectometry (TDR) [S]. West Conshohocken, Pa: American Society for Testing and Materials (ASTM),2005.

[34] Birchak J R, Gardner C G, Hipp J E, et al. High dielectricconstant microwave probes for sensing soil-moisture[C]. Proceedings of the IEEE62,1974:93-98.

[35] Dobson M C, Ulaby F T, Hallikainen M T, et al. Microwave dielectric behaviour of wet soil part II: dielectric mixing models [C]. IEEE Trans Geosci. Remote Sensing GE-23,1985:35-46.

[36] Ledieu J, Deridder P, Declerck P, et al. A method of measuring soil-moisture by time-domain reflectometry [J]. Journal of Hydrology,1986,88(3):319-328.

[37] Weiler K W, Steenhuis T S, Boll J, et al. Comparison of ground penetrating radar and time-domain reflectometry as soil water sensors [J]. Soil Sci. Soc. Am. J.,1998,62:1237-1239.

[38] Walker J P, Willgoose G R, Kalma J D. In situ measurement of soil moisture: A comparison of techniques [J]. J. Hydrol.,2004,293:85-99.

[39] Hook W R, Livingston N J. Errors in converting time domain reflectometry measurements of propagation velocity to estimates of soil water content [J]. Soil Science Society of America Journal,1996,60:35-41.

[40] Malicki M A, Plagge R, Roth C H. Improving the calibration of dielectric TDR soil moisture determination taking into account the solid soil [J]. European Journal of Soil Science,1996,47:357-366.

[41] Topp G C, Watt M, Hayhoe H N. Point specific measurement and monitoring of soil water content with an emphasis on TDR [J]. Canadian Journal of Soil Science,1996,76:307-316.

[42] Yu C, Warrick A W, Conklin M H, et al. Two- and threeparameter calibrations of time domain reflectometry for soil moisture measurement [J]. Water Resources Research,1997,33:2417-2421.

[43] Baun A, Ledin A, Reitzel L, et al. Xenobiotic organic compounds in leachates from ten Danish MSW landfills-chemical analysis and toxicity tests [J]. Water Research,2004,38(18):3845-58.

[44] 樓紫陽,柴曉利,牛冬杰,等.老港填埋場滲濾液性質隨工藝變化研究 [J]. 環境污染與防治,2005,27(6):443-447.

[45] 魏云梅,趙由才.垃圾滲濾液處理技術研究進展 [J]. 有色冶金設計與研究,2007,28(23):176-81.

[46] Ferre P A, Knight J H, Rudolph D L, et al. The sample areas of conventional and alternative time domain reflectometry probes [J]. Water Resour Res,1998,34(11):2971-2979.

[47] Knight J H, Ferre P A, Rudolph D L, et al. A numerical analysis of the effects of coatings and gaps upon relative dielectric permittivity measurement with time domain reflectometry [J]. Water Resour Res,1997,33(6):1445-1460.

[48] Weast R C. Handbook of physics and chemistry [M]. CRC Press,1986.

[49] Bouyé J M, Chanet M, Heckmann C, et al. An experimental dielectric system using flexible integrating probe for waste water content measurement [C]//Proc. Sardinia2005, Int. Waste Manage. and Landfill Symp.,10th, S. Margarita di Pula, Italy.3–7Oct.2005. CISA Publ., Padova, Italy.

[50] Zhao X, Musleh R, Maher S, et al. Start-up performance of a full-scale bioreactor landfill cell under cold-climate conditions [J]. Waste Management,2008,28:2623-2634.

Experimental study on monitoring moisture content in municipal solid wastes with high organic content: using coated TDR probe.

XU Hui, ZHAN Liang-tong*, MU Qing-yi, WANG Shun-yu, CHEN Yun-min
(Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou310027, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2030～2039

The aims of this experimental study were to evaluate the applicability of coated TDR probes in highly conductive MSWs with high organic content. TDR probes with identical geometry but different kinds of coating, i.e., coating with an epoxy-resin composite and PVC tube, were produced. The effect of the coating treatment on the dielectric permittivity measurement and the influence area of the TDR probes were evaluated. Based on the evaluation, the probe with a PVC coating on the95% of the rod length was recommended for the application in MSWs. The recommended TDR probe was calibrated and installed in two laboratory cells, i.e., one containing fresh MSWs and the other containing decomposed MSWs. The change of moisture content in the wastes was measured during and after leachate infiltration into the cells. The measurements demonstrated that the recommended coated TDR probe was effective in measuring the moisture content in the MSWs with a high organic content and was able to capture the hydraulic response of MSWs with transient seepage. The measurement of moisture content at the steady state condition was close to the result that calculated from water balance analysis, and the maximum difference was less than5%.

t：TDR；moisture content；MSW；high organic content；seepage

X705,TU411

：A

：1000-6923(2014)08-2030-10

徐 輝(1987-),男,浙江舟山人,博士研究生,主要從事巖石流變力學、城市固廢填埋體多場相互作用及液氣調控等方面的研究.發表論文7篇.

2013-11-22

國家“973”項目(2012CB719802)

* 責任作者, 教授, zhanlt@zju.edu.cn