固體廢物填埋場滲漏檢測系統(tǒng)軟件開發(fā)研究

朱思涵 ，王 斌，王 晶，劉景財(cái)

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

固體廢物的處理方法主要有焚燒法、堆肥法和填埋法。填埋法是城市生活垃圾處理的最基本方法。目前的填埋場通常把大量劇毒、有毒物質(zhì)與生活垃圾混合在一起進(jìn)行填埋，填埋場防滲膜滲漏引起的后患不可低估。如果能及時檢測到填埋場防滲膜(HDPE膜)漏洞并進(jìn)行修補(bǔ)，將可有效地控制滲漏造成的大氣、土壤和地下水污染。滲漏檢測方法主要有雙電極法、電容傳感器法、化學(xué)示劑跟蹤法、電阻率法和電極柵格法。基于分區(qū)電極供電的填埋場實(shí)時滲漏檢測系統(tǒng)采用分區(qū)檢測、電極供電的方法對大面積填埋場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了電勢數(shù)據(jù)的采集、保存、管理和處理。本文介紹在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用定位算法進(jìn)行漏洞定位，該軟件經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，檢測定位準(zhǔn)確[1]。

1 滲漏檢測基本原理

滲漏檢測法是利用土工膜的電絕緣性和被滲濾液浸濕的垃圾能導(dǎo)電的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。其基本原理是利用HDPE膜的絕緣性和HDPE膜兩側(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性，在HDPE膜上、下介質(zhì)中各放一個供電電極，接在高壓直流電源的兩端。HDPE膜完好的情況下，由于膜的高阻特性，使得回路電流很小(近似為零)，因此該電流場中各點(diǎn)的電勢(相對無窮遠(yuǎn)處)近似為零，電勢分布均勻；若膜破損，則其高阻特性被破壞，電流將從電源的正極流出后經(jīng)漏洞回到電源的負(fù)極，從而形成電流回路，并在膜上、下介質(zhì)中形成穩(wěn)恒的電流場。此時，通過測量膜上或膜下介質(zhì)中不同點(diǎn)位的電勢分布，經(jīng)過數(shù)值分析及模型演練情況進(jìn)行漏洞定位。固體廢物填埋場滲漏檢測系統(tǒng)就是基于此原理而設(shè)計(jì)的自動滲漏檢測系統(tǒng)[2]，如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)介紹

圖1 滲漏檢測基本原理

填埋場的面積一般較大，檢測系統(tǒng)布置的電極數(shù)量較多，檢測區(qū)域龐大，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)、分層分布式結(jié)構(gòu)，并同時兼顧以后的擴(kuò)展和維修的方便性[3]。

2.1 功能介紹

硬件系統(tǒng)主要完成3個功能：(1)實(shí)現(xiàn)供電電極切換、區(qū)域供電；(2)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、FFT計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲；(3)根據(jù)設(shè)計(jì)的串口通信協(xié)議，通過485總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2.2 硬件構(gòu)成

系統(tǒng)的硬件主要包括信號發(fā)射源、信號控制單元和數(shù)據(jù)采集單元三部分。

高壓信號發(fā)射源采用直流開關(guān)電源，能夠給填埋場提供電壓幅度為0～1 000 V、電流幅度為 0～1 A的高壓直流信號。

采用西門子的s7-200系列PLC對高壓直流電源進(jìn)行電壓、電流、頻率設(shè)置,可有效地控制供電電源，同時能準(zhǔn)確地開關(guān)設(shè)備，節(jié)省能源，方便運(yùn)行。

以dsPIC33F單片機(jī)為控制核心，負(fù)責(zé)完成各區(qū)域供電電極的切換、數(shù)據(jù)采集、FFT計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲和上位機(jī)軟件的串口通信。

3 滲漏定位軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

開發(fā)工具：本系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2010 C#.Net作為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)，具有友好的用戶界面和穩(wěn)定的運(yùn)行特性[4]。

數(shù)據(jù)庫：采用Microsoft SQL Server 2005作為采樣數(shù)據(jù)庫，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的管理、分析和計(jì)算。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫包含14個相互關(guān)聯(lián)和約束的表，這些表中有管理用戶數(shù)據(jù)的、管理日志信息的、管理配置信息的和管理采樣數(shù)據(jù)的。

數(shù)據(jù)可視化：將Matlab圖像界面[5]嵌入到窗口界面中，實(shí)現(xiàn)對采樣數(shù)據(jù)的多樣化的直觀表述。根據(jù)電極布置，以電極點(diǎn)作為X-Y坐標(biāo)，采樣電壓值為高度，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的三維可視化，極大地增加了對泄漏點(diǎn)的預(yù)判準(zhǔn)確性和直觀性[6]。

提供了4種可視化方式：泄漏點(diǎn)二維平面分析、三維曲面模擬圖、三維網(wǎng)格模擬圖和采樣值等值線圖，如圖2所示。

3.2 功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是為滿足固體廢棄物填埋場滲漏檢測需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的上位機(jī)采集檢測系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，通過485總線進(jìn)行串口通信，讀取下位機(jī)采樣值和相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，實(shí)現(xiàn)泄漏預(yù)判和定位，提供良好的人機(jī)交互界面。

圖2 采樣數(shù)據(jù)的可視化

配合填埋場下位機(jī)系統(tǒng)，可完成如下功能：用戶管理、數(shù)據(jù)庫設(shè)置、串口通信參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)設(shè)置、采樣檢測記錄管理、日志信息管理、供電設(shè)置、采樣操作(分為手動采樣和自動定時采樣)、數(shù)據(jù)可視化。

4 滲漏定位算法和數(shù)據(jù)分析

滲漏定位分為預(yù)判和定位兩個過程[3]。

滲漏點(diǎn)預(yù)判原則：最大采樣值點(diǎn)、最大極差值點(diǎn)。

采樣值：采樣電極獲得的采樣值(電壓值)。

極差值：采樣點(diǎn)與周圍點(diǎn)差值的絕對值和的均值。計(jì)算方法如下：

設(shè)電極(i，j)，采樣凈值為 V(i，j)，極差值 Vjc。 電極布置如圖3所示，極差值Vjc由如下原則確定：

(1)邊緣點(diǎn)不計(jì)算極差值,因?yàn)檫吘夵c(diǎn)在泄漏判斷中，假設(shè)為非泄漏點(diǎn)，因此設(shè)Vjc=0；

(2)非邊緣點(diǎn)，如圖3時，Vjc有如下計(jì)算公式：

(3)非邊緣點(diǎn)，如圖4時，Vjc的計(jì)算公式可參考圖3，少算其中一點(diǎn)即可。

滲漏點(diǎn)定位計(jì)算：基于上面找到的預(yù)判點(diǎn)。

如圖 4，假設(shè) O 為預(yù)判電極點(diǎn)，A、B、C、D、E、F 分別為其周圍采樣電極點(diǎn)，泄漏判斷步驟如下：

(1)確定包含所有電極的最小矩形區(qū)域Rect(JKLM)，以步長Setp等分矩形Rect，形成如圖示網(wǎng)格；

(2)確定電極 A、B、C、D、E、F 所組成的多邊形(此處為六邊形)Polygon；

圖3 采樣數(shù)據(jù)的極差值計(jì)算方法

圖4 滲漏點(diǎn)定位計(jì)算方法

(3)獲取網(wǎng)格點(diǎn) P(Xi，Yj)，判斷網(wǎng)格點(diǎn)是否在電極組成的多邊形 Polygon內(nèi),是否與電極點(diǎn) O、A、B、C、D、E、F重合。同時滿足條件在Polygon內(nèi)并與已有電極點(diǎn)不重合，則進(jìn)入下一步；否則重新回到步驟(3)；

(4)分別以采樣電極 O 及 A、B、C、D、E、F 計(jì)算 P 點(diǎn)插 值 平 方 值 Vpo、Vpa、Vpb、Vpc、Vpd、Vpe、Vpf。 電 極 O 點(diǎn) 公 式如下：

式 中 ：Xo、Yo，Xi、Yj為 O 點(diǎn) 和 P 點(diǎn) 坐 標(biāo) 值 ；A、B、C、D、E為計(jì)算參數(shù)；Vo為電極O采樣值；

(5)求和 Vpsum=Vpo+Vpa+Vpb+Vpc+Vpd+Vpe+Vpf;

(6)重復(fù)步驟(3)，遍歷所有網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算其 Vsum；

(7)網(wǎng)格點(diǎn)中，Vsum最小值點(diǎn)，即為泄漏估計(jì)點(diǎn)所在位置。

滲漏分析定位結(jié)果如圖5所示。

本文針對原有的垃圾填埋場滲漏檢測系統(tǒng)檢測大面積填埋場時存在成本高、電極鋪設(shè)困難和定位精度不高的問題，開發(fā)了基于分區(qū)電極供電的填埋場實(shí)時滲漏檢測設(shè)備。該設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，抗干擾能力強(qiáng)(通過硬件電路進(jìn)行高頻濾波、FFT計(jì)算進(jìn)行低頻濾波，準(zhǔn)確還原原始信號)，價格低于國外相似設(shè)備，并填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。該設(shè)備在固體廢物填埋場的實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集、通信、滲漏檢測的效果良好。

圖5 區(qū)域泄漏分析對話框

[1]王斌，王琪，董路,等.垃圾填埋場土工膜滲漏電學(xué)檢測法的研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2003，16(2)：54-57.

[2]能昌信，董路，姜文峰,等.土工膜滲漏檢測系統(tǒng)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005，28(4)：1-3.

[3]能昌信.填埋場滲漏檢測高壓直流電法的研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2005.

[4]王昊亮，李剛.Visual C#程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5]潘愛民.COM原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2003.

[6]苗春葆.MATLAB與 VC混合編程[J].中國仿真科技論壇電子期刊,2009(1).