填埋場滲漏條件下的漏洞電阻特征與影響因素

楊延梅，曾晨宮,，徐 亞，劉玉強*，劉景財，能昌信，楊 楓

1. 重慶交通大學河海學院，重慶 400074

2. 中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

填埋是處置固體廢物主要方式之一[1-3]，也是固體廢物環境風險集中發生的場所. 填埋場滲濾液含有可溶性有機化合物、重金屬鹽，以及抗藥性細菌(ARB)和微塑料等新污染物(EC)[4-8]，防滲層破損引發滲漏將對環境和居民身體健康產生嚴重不利影響[9-11]. 據統計，美國5.5萬個垃圾填埋場中，約75%已造成周圍地表和地下水體污染[12-13]. 而針對國內填埋場防滲層完整性的檢測表明，防滲層漏洞達到17個/hm2[14]，滲漏風險尤為嚴重. 因此，及時發現并定位防滲膜破損、量化填埋場滲濾液滲漏對于精準評估固廢填埋場地污染以及防控填埋場環境風險十分重要[15-17].

電學方法是目前填埋場滲漏檢測的常用方法[18-20]，由于其無損、快速、精準的優點，自1985年在美國成功應用[21]后便成為主流的防滲膜滲漏檢測技術. 近年來，伴隨著填埋數量的不斷增加，填埋環境風險管控要求日趨嚴格，對填埋場滲漏檢測精度的要求越來越高，為此國內外諸多學者開展了大量研究，如王斌等[22-24]提出了以電法原理為核心的電流法、電阻法、感應電勢差法和遠距離參比電極感應法；2003年Oh等[25]基于電極格柵法研究發生滲漏后電導率的差異來判定是否有滲漏點存在；師學明等[26]研究了雙電極法的檢測精度和效果. 岑威鈞等[27]根據雙電極法的檢測理論，確定土工膜缺陷位置；陳亞宇等[28]基于傳輸線模型通過電學參數變化來定位滲漏位置；管紹朋等[29]提出，通過電勢檢測方法定位雙襯層填埋場漏洞位置；楊萍等[30]運用高壓直流電法得到電勢分布，并使用最小二乘算法來反演定位漏洞；能昌信等[31]提出，在深度填埋場的滲漏檢測中運用平行移動地表電極位置，通過對稱信號定位漏洞點位置的方法.

現有研究主要集中在防滲層破損位置或滲漏位置的電法準確定位方面，對于如何判斷填埋場防滲層漏洞大小、精準評估滲漏風險的相關研究尚少. 國內學者開展了相關理論分析，提出了漏洞電阻與漏洞大小以及介質電阻率之間的計算公式，但缺乏試驗論證. 為探索電法判斷填埋場漏洞缺陷大小的可行性，該研究針對不同滲濾液滲透填埋場漏洞的漏洞電阻特性進行模擬試驗，分析不同半徑漏洞在逐漸增加的激勵電壓下，以及在逐漸減小電阻率的模擬滲濾液下測量總電阻的變化；建立測量總電阻和漏洞大小之間的量化關系模型，并用滲濾液電阻率對模型進行修正；分析并驗證模型的精準性與適用性，以期為實際填埋場中精準測量計算漏洞破損尺寸以及滲漏量提供直接依據.

1 研究方法

1.1 模擬試驗裝置構建

填埋場防滲層電法滲漏檢測的原理〔見圖1(a)〕是利用防滲膜(主要是高密度聚乙烯膜，簡稱“HDPE膜”)的高阻特性，在膜的兩側施加電壓信號，當膜上存在漏洞時，電流通過漏洞形成回路，通過檢測膜上電勢場的異常來對漏洞進行定位[32]. 為闡明電法滲漏檢測情景下，漏洞及其周邊介質的電阻率特性和影響因素，該研究構建了模擬上述滲漏檢測情景的試驗裝置〔見圖1(b)〕. 該模擬裝置是將填埋場看作一種層狀結構模型，各層介質皆為均勻介質，可分為膜上滲濾液介質、有漏洞的HDPE膜和膜下土壤介質.

圖1 填埋場防滲層電法滲漏檢測試驗裝置Fig.1 Electric leakage detection test device for landfill impervious layer

試驗裝置分為內外兩部分，外側采用絕緣PE材質制成無頂蓋長方箱體(簡稱“外側箱體”)，其尺寸為50 cm×100 cm×50 cm，用以模擬填埋場外的環境條件；內側是相同材質的長方箱體(簡稱“內側箱體”)，其尺寸為30 cm×50 cm×30 cm，用以模擬填埋場及其防滲系統. 內側箱體底部設置半徑為a的漏洞，同時在底角放置一石墨電極，石墨電極距離漏洞點位上方的距離為21.5 cm；在外側箱體底角處放置另一個石墨電極，石墨電極距離漏洞點位下方的距離為63 cm；在兩個石墨電極之間連接信號源與信號接收裝置，分別為裝置提供穩定直流電壓和檢測回路中產生的電流及其他電信號值.

1.2 試驗過程

根據資料[33]可知，滲濾液的電導特性主要是含鹽量決定，配置2、3、4、6、8 g/L的NaCl溶液模擬填埋場滲濾液，其對應的電阻率分別為2.60、1.75、1.33、0.89、0.68 Ω·m，符合一般垃圾滲濾液電導特性(0.1～5 Ω·m)[34]；同時將2 g/L的NaCl溶液(電阻率為2.60 Ω·m)作為對照模擬滲濾液(簡稱“模擬滲濾液”)；分別將石墨電極固定在外側箱體與內側箱體底角處，并使模擬滲濾液完全淹沒石墨電極；使用LDS信號源供電，在電極兩端通穩定直流電壓作為激勵電壓，測量在內測箱體底部完好無漏洞時的電壓、電流，使用開孔工具對內測箱體底部制作半徑為1 mm漏洞，測量電壓、模擬滲濾液濃度下的電流，由歐姆定律計算得到電阻，記為測量總電阻.

為探究漏洞大小對測量電阻的影響，在上述試驗背景下，將漏洞半徑從1 mm更換為2、4、6、8、12.5 mm，重復上述試驗操作，分別記錄不同漏洞半徑所對應的測量總電阻，擬合“漏洞半徑-測量總電阻”的函數曲線，分析二者變化關系.

為研究電極兩端激勵電壓大小對測量總電阻的影響，在模擬滲濾液下，對半徑1、2、4、6、8、12.5 mm的漏洞依次施加20～200 V激勵電壓，電壓變化梯度為20 V，擬合不同漏洞半徑下的“電壓-測量總電阻”函數曲線，分析不同漏洞半徑下電壓對測量總電阻的影響.

為研究滲濾液電阻率對測量總電阻的影響，在模擬滲濾液下，當激勵電壓為恒定100 V時，測定漏洞半徑為1～12.5 mm下的測量總電阻；再將模擬滲濾液電阻率依次變更為1.75、1.33、0.89、0.68 Ω·m，分別測定半徑1～12.5 mm漏洞的測量總電阻，分析電阻率對測量總電阻的影響.

1.3 漏洞電阻計算

1.3.1填埋場滲漏檢測等效電路物理模型

能昌信等[35]進一步提出，填埋場檢測電路的電學關系可通過建立填埋場等效電路模型來表征(見圖2). 國外學者Parra[36]和Darilek等[37]均是通過等效電路模型對填埋場滲漏進行研究. 等效電路模型中，測量總電阻記為R，場內電極和場外電極與其相連介質接觸所產生的電阻分別記為接觸電阻R1和R2，場內電極下方介質與漏洞間以及漏洞下方土壤與場外電極間的電阻分別記為膜上介質電阻(Rw)和膜下介質電阻(Rs)，漏洞因自身大小對電流的阻礙記為漏洞電阻Rd，則測量總電阻R為

圖2 填埋場等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model of landfill

1.3.2漏洞電阻理論表達式

2 結果與討論

2.1 不同激勵電壓下的測量總電阻

隨著激勵電壓增加，在模擬滲濾液條件下測量總電阻的變化趨勢如圖3所示. 由圖3可見，隨著漏洞半徑增大，測量總電阻受激勵電壓變化的響應不斷減弱. 激勵電壓從20 V升至40 V條件下，當漏洞半徑分別為1、2 mm時，測量總電阻分別減小了14.29%和11.11%；而當漏洞半徑分別為4、6、8、12.5 mm時，測量總電阻分別減小了3.57%、1.49%、3.84%和5.67%. 可見，當漏洞半徑(＜2 mm)較小時，測量總電阻對40 V以下的激勵電壓變化較為敏感，而當漏洞半徑(＞2 mm)較大時，激勵電壓對測量總電阻影響較小. 激勵電壓從40 V增至80 V的條件下，1、2、4、6、8、12.5 mm半徑漏洞的測量總電阻分別減小了6.67%、2.70%、5.26%、3.30%、4.76%、6.15%；即激勵電壓(＞40 V)越大，越能獲取穩定的測量總電阻. 為獲得更穩定的測量總電阻以及用電安全考慮，建議實際檢測過程中選用穩定直流電壓100 V作為激勵電壓.

圖3 激勵電壓對不同漏洞半徑下測量總電阻的影響Fig.3 Influence of excitation voltage on measuring total resistance with different leak radius

2.2 回路測量總電阻與漏洞半徑的關系

在激勵電壓100 V條件下，測量總電阻隨漏洞半徑的變化趨勢如圖4所示. 隨著漏洞半徑的增加，測量總電阻的變化呈冪函數趨勢. 在漏洞半徑小于4 mm時，隨著漏洞半徑的增加，測量總電阻迅速減小，以模擬滲濾液體系為例，漏洞半徑由1 mm增至4 mm時，測量總電阻由5 555.56 Ω減至1 020.41 Ω，減少了4 535.15 Ω；與此類似，在濃度為3、4、6、8 g/L的NaCl溶液體系中，漏洞半徑增幅相同時，測量總電阻分別減少了3 009.26、2 281.87、1 524.47和1 153.13 Ω，可以看出不同溶液濃度條件下測量總電阻值受漏洞半徑的影響均較大.

圖4 不同濃度NaCl溶液中漏洞半徑對測量總電阻的影響Fig.4 Effect of the radius of the loophole on the measured total resistance in different concentrations of NaCl solutions

當漏洞半徑大于4 mm時，測量總電阻對漏洞半徑變化的響應趨于不敏感. 以模擬滲濾液體系為例，當漏洞半徑由4 mm增至8 mm時，測量總電阻由1 020.41 Ω減至751.88 Ω，減少了268.53 Ω，僅相當于漏洞半徑由1 mm增至4 mm時測量總電阻變化量的5.92%；在濃度為3、4、6、8 g/L的NaCl溶液體系中，漏洞半徑由4 mm增至8 mm的測量總電阻變化量分別占漏洞半徑由1 mm增至4 mm時的6.63%、5.84%、5.65%、8.80%，隨漏洞半徑的增加，測量總電阻變化趨勢減弱.

上述試驗現象表明，漏洞半徑越大，HDPE膜對電流的阻隔作用將越小，當漏洞半徑增至4 mm時，其對電流的阻隔作用趨近于零，這時回路中漏洞電阻極小，滲濾液的電阻率將會變成影響測量總電阻的主要因素. 受實際場地條件影響，不同填埋場防滲層的漏洞對電流阻隔效應趨零時的半徑(簡稱“趨零半徑R0”)可能存在差異，建議后續研究中應當選擇實際工程場地進行驗證，識別不同填埋場防滲層漏洞的趨零半徑及影響因素.

2.3 漏洞電阻表征模型研究

2.3.1漏洞電阻實驗室測量方法

由表1可知，在2～8 g/L的NaCl溶液中，漏洞半徑為1、2 mm時，近似值法與理論值法所得漏洞電阻相對誤差最大為4.52%；漏洞半徑4 mm時，2～3 g/L的NaCl溶液中相對誤差最大為3.62%，4～8 g/L下相對誤差最大為18.71%；理論值法與近似值法所得漏洞電阻較為接近，說明根據上述測試方法得到的漏洞近似值法可以準確表征漏洞電阻.

表1 漏洞電阻理論值與近似值的相對誤差Table 1 Relative error between theoretical and approximate values of leak resistance

2.3.2漏洞電阻、測量總電阻與漏洞半徑的關系

表2 不同濃度NaCl溶液下漏洞電阻與測量總電阻之間的關系Table 2 Relationship between leak resistance and measured total resistance at different concentrations of NaCl solution

圖5 漏洞半徑與漏洞電阻的關系Fig.5 Relationship between leak radius and leak resistance

式(9)表述了在室內試驗狀態下，對溶液電阻率和測量總電阻的測量便可表征漏洞半徑的大小；而在填埋場實際工程應用中，影響因素復雜多變，對不同填埋場的滲漏檢測參數有較大差異；應針對具體的填埋場提前完成：①運行前，膜下(漏洞下方土壤與場外電極間的電阻、場外電極與土壤之間的接觸電阻)數據的采集；②運行期，膜上(場內電極下方滲濾液與漏洞間的電阻、場內電極與滲濾液之間的接觸電阻)數據采集，通過采集的數據建立具體填埋場的室內模擬試驗，修正式(9)中的參數，達到精準表征漏洞半徑的目的.

表3 不同電阻率NaCl溶液下漏洞電阻與漏洞半徑的關系Table 3 Relationship between leak resistance and leak radius for different resistivity NaCl solutions

2.4 現場尺度的漏洞電阻率測試與滲漏量表征

3 結論

a) 在實驗室中，基于等效電路模型構建填埋場滲漏狀態下的試驗，在濃度2～8 g/L的NaCl溶液體系中，半徑1、2 mm的漏洞電阻近似值與其理論值的相對誤差最大為4.52%，半徑為4 mm時相對誤差最大為18.71%，說明漏洞半徑越小，近似值法與理論值法所得漏洞電阻誤差越小.

b) 試驗中，激勵電壓越大，獲取的測量總電阻越穩定；為獲取精準穩定的測量總電阻，建議在試驗安全范圍內選擇盡可能大的激勵電壓進行試驗，使用100 V電壓作為試驗激勵電壓，能穩定獲取1～12.5 mm半徑漏洞的測量總電阻.