垃圾场填埋气泄漏过程高密度电阻率法监测效能分析_刘慧芳.pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，垃圾场填埋气泄漏过程高密度电阻率法监测效能分析*刘慧芳，郭秀军，*，吴景鑫，李波，孙浩，丁冠涛（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 ；山东省海洋环境地质工程重点实验室，山东 青岛 ；中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 ；山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队，山东 济南 ）摘要：垃圾场填埋气近年来被开发为一种生物能资源，但开采过程填埋气的泄漏也会带来爆炸、加剧温室效应等环境问题。实时监测填埋气泄漏过程对合理开采填埋气资源具有重要意义。本文基于电阻率法对封场系统中填埋气的逸出过程进行监测实验，探究电阻率法对于该过程的监测能力。实验结果表明，高密度电阻率方法对填埋气泄漏均具有较好的定性监测能力。气体泄漏区域在电阻率监测剖面中表现为高电阻率变化比区域，并且泄漏量可以根据电阻率变化幅度定性表征，该方法可大致确定气体泄漏通道位置及气体泄漏范围。电阻率法易受降雨等外界条件的影响且对含气区域的边界界定不明显，应选择适宜的天气条件进行监测，为得到更精确的结果，可与土壤剖面气体采集探针相结合。关键词：填埋气；电阻率；泄漏；监测；剖面特征中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：刘慧芳，郭秀军，吴景鑫，等 垃圾场填埋气泄漏过程高密度电阻率法监测效能分析 中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：青岛市科技发展计划项目（）资助 （）收稿日期：；修订日期：作者简介：刘慧芳（），女，硕士生，从事地下污染的研究。：*通讯作者：城市生活垃圾处理以填埋、焚烧、堆肥三种方式为主，其中，填埋法由于处理量大、成本相对较低而被各国广泛使用。废物填埋后，垃圾中的可降解有机成分在微生物作用下被逐渐分解，填埋垃圾的产气与垃圾降解过程密切相关，此阶段主要产生 的气 体是和。填埋气体是一种宝贵的生物质能源，经过技术处理，可以被用于发 电、锅炉 燃料、进入城市 燃气 管网等。甲烷还是一种易燃易爆的气体，当甲烷在空气中的浓 度 达 到 时，遇 到 明 火 就 会 发 生 爆炸。并且，甲烷还是仅次于二氧化碳的第二大人为温室气体，在过去的 年里，甲烷对全球变暖的影响约为，其中垃圾填埋场被列为第三大人为 排放源。此外，填埋气中还存在许多有毒的可挥发性有机物，威胁人体健康。为了防止填埋气无组织排放，填埋场顶部通常设置封场系统，垃圾填埋场覆盖层已有 多年发展历史，其经历了简单覆土、压实黏土覆盖层、复合型覆盖层、腾发覆盖层的发展阶段，目前中国应用较多的是压实粘土覆盖层和复合型覆盖层 。其中，防渗层是封场系统中阻止气体逸出的最重要的部分，其经常在不均匀沉降、气体局部压力、干湿循环、温度变化等因素作用下产生裂缝，形成填埋气逸出通道导致气体泄漏。目前，常用的甲烷排放监测技术主要有通量箱法、示踪气体羽流法、质量平衡法、辐射型光径羽流分布法、差分 吸 收 激 光 雷 达 法、土 壤 剖 面 气 体 采 集 探 针法 。通量箱法是一种定量监测方法，监测效果受到监测点密集程度的影响，工作量大。示踪气体羽流法、质量平衡法、辐射型光径羽流分布法、差分吸收激光雷达可以对填埋气进行定量监测，但受天气条件的限制，系统误差较大。土壤剖面气体采集探针法工作量大、采集时间长、监测点的选择具有盲目性。目前还没有一种方法是被国际公认的，这些方法都是针对填埋气的定性与定量分析，捕捉不到填埋气在覆盖层中的迁移。高密度电阻率法可以捕捉到填埋气的区域性运移，对于填埋气的泄露区以及潜在排放热区具有良好的定位能力 ，可以显著减少气体监测点的数量，提高选择监测点时的合理性。先前的研究主要聚焦于填埋场内部气体的迁移以及气体排放热点，而本研究中国海洋大学学报 年则聚焦于封场系统气体泄漏通道，利用电阻率法监测填埋气在含裂隙覆盖层的快速泄漏及慢速泄漏过程，分析这种方法对于填埋气泄漏的监测效果。填埋气逸出数值模拟电阻率模型构建本次模型以填埋场压实黏土覆盖层为背景，由上至下依次设置壤土层厚度为 ，电阻率赋值为 ；排水层厚度为 ，电阻率赋值为 ；黏土层厚度为 ，电阻率赋值为；导气层厚度为 ，电阻率赋值为 。已有的原位电阻率监测结果显示，由于黏土层具有阻气作用，在含裂隙的填埋场盖层中，气体会优先从裂隙通道中泄漏，基于此建立如图所示模型。图填埋气逸出电阻率模型 计算参数设置填埋场覆盖层监测模拟时，设定布设 个电极，极距 ，采集层数，由于电阻率数据采集时测量电极排列方式的变化，不同采集装置呈现出的地形变化、覆盖层厚度、水平及垂直方向探测效果有所不同。为了了解不同采集装置在探测填埋气泄漏的采集效果，分 别 采 用 偶 极（，）、施 隆 贝 格（，）和温纳（）三种装置进行采集。正演计算采用有限元法，单位电极距四剖分，正演计算得到网格节点处电位值及视电阻率剖面。反演过程采用最小二乘法，所有模型均选择次反演迭代结果进行讨论，反演结果中 误差小于。本 文 正、反 演 计 算 采 用 公 司 的 软件系统和 软件系统实现。结果图为填埋气从含裂隙盖层逸出的电阻率反演结果，分别采用施隆贝格（，）、偶极（，）和温纳（）三种装置进行采集。受复杂地质背景的影响，填埋气逸出初期电阻率剖面的异常特征不明显。在填埋气逸出后期，电阻率剖面的异常特征较为明显，其中偶极装置浅层分辨率最高，能反映出气体逸出通道的形状、大小及赋存位置，但填埋场环境复杂，在实际监测过程中受干扰程度较大，数据点多，探测时间最长。斯伦贝格装置横向分辨率较高，能较准确的反映出气体通道的横向位置，而且斯伦贝格装置使用并行采集的方式，采集时间较短。温纳装置横向分辨率较低，不能很好地定位填埋气逸出通道的位置。因此，综合考虑分辨率、监测时间、实际监测环境等因素，选用斯伦贝格装置采集数据。期刘慧芳，等：垃圾场填埋气泄漏过程高密度电阻率法监测效能分析图填埋气逸出理论电阻率剖面 灵敏度分析图分别对施隆贝格（，）、偶极（，）和温纳（）三种装置的反演结果进行了灵敏度分析，由图可知，在 壤土层处，三种装置的灵敏度都较高，但是在深处排水层与黏土层，三种装置的灵敏度较低。因此，浅层的电阻率数据较深层更加可靠。图装置反演结果灵敏度分析 填埋气逸出物理模拟材料与方法模型试验的目的是模拟填埋气在含裂隙覆盖层中的泄漏情况，目前中国应用最广泛的两种封场系统为压实黏土覆盖层和复合覆盖层，在 生活垃圾卫生填埋场封场技术规范 中对这两种封场系统做出了明确的规范。我们选取压实黏土覆盖层为研究对象进行分析（见图），模拟填埋气在含裂隙覆盖层中的情况，并监测气体逸散过程的电性特征，分析电阻率法对填埋气逸散的监测能力。实验设置长方形实验槽由有机玻璃制成，长 ，宽 ，高（见图）。由于室内实验条件的限制，电阻率法探测深度有限，将土层厚度等比例进行缩小，按照表与表的参数进行土层的配置，依次向槽子中均匀铺设 导气层、黏土防渗层，并在黏土层中间设置裂隙作为气体泄漏通道。粘土防渗层布设完成后，在土层上方放置荷载，使土层均匀的压实，并中国海洋大学学报 年静置使黏土防渗层被压实至。之后再铺设 排水层和 壤土层。图压实黏土覆盖层（）（）图实验模型图 表实验用土的基本物理指标 土层 厚度 含水率 干密度（）比重 孔隙度 饱和度 壤土层 黏土层 表各土层的粒度组成 土层厚度土层 壤土层 排水层 黏土层 导气层 ：实验装置考虑到实验安全性，用空气代替甲烷气。二者相较于土体均为高电阻率介质，不会对试验结果造成明显改变。实验采用气泵注气，利用空气压缩机（，）连接注气管与精密压力控制器（），维持压力稳定。采用自制电极排连接 电法仪进行地层电阻率监测，电极数量为，电极极距为，采集装置为斯 伦 贝 格，采 集 层 数 为 层。实 验 过 程 中 每 隔 采集一次电法数据。数据处理首先将电法仪测得的电阻率数据采用 软件进行最小二乘法反演计算，所有模型进行次迭代计算，反演结果 误差均小于。填埋场覆盖层的地质背景复杂，由上至下依次是壤土层、排水层、黏土层和导气层，很容易将填埋气引起的高阻异常区域覆盖，含气区往往很难被直接探测到，因此用时移电阻率剖面来捕捉气体逸出过程的动态变化特征。以未注气时的电阻率剖面为背景，间隔 得到电阻率随时间的相对变化（），计算公式如下：。（）式中：为背景电阻率值，单位为；为不同时刻电阻率值，单位为。电阻率比大于表示电阻率较背景地层升高，电阻率比小于表示电阻率较背景地层降低。实验过程本文实验模型如图。在此模型基础上共设置了两组实验，两组实验都使用高密度电阻率法 监 测 进 行 效 果 分 析，分 别 以 和 的速率注气。结果填埋气慢速泄漏高密度电阻率法监测效果将气体以 的速率注入土层。压实黏土层主要起到阻气的作用，实验过程中其电阻率变化比改变期刘慧芳，等：垃圾场填埋气泄漏过程高密度电阻率法监测效能分析较小，在注气 时填埋气逸出通道表现出高阻异常（见图（）（）。这表明填埋气慢速泄漏过程中，体积、气流量较小的气体泄漏通道在低阻粘土介质背景中可以被监测发现。排水层在实验过程中表现出中间电阻率升高两侧电阻率降低的现象（见图（）（），表明该层既存在填埋气泄漏导致的气体累积区，也存在气水驱替导致的汇水区。该层渗透性强，水气运移受阻较小，更易发生这种现象。顶部壤土层与排水层存在连接的高阻区，随着气体泄漏，高阻区的电阻率持续增加（见图（）（），壤土层的高阻区域分布不均，在横向 处电阻率变化稍大，出现热点区域（见图（）（），这表明电阻率法监测可较好的识别填埋气泄漏热点区。图 速率注气实验电阻率变化比剖面 填埋气快速泄漏高密度电阻率法监测效果将气体以 的速率注入土层。实验过程中黏土层的电阻率变化比较实验 大，填埋气逸出通道表现出了明显的高阻异常，这表明填埋气在快速泄漏过程中气流量较大的气体泄漏通道在低阻黏土介质背景中容易被监测发现。排水层在注气前期阶段表现 出 和 处电阻率升高，其余位置电阻率降低的现象（见图（）（），注气后期表现出电阻率整体上升的现象（见图（）（），其中 和 处电阻率变化比最大，停止注气后表现出电阻率整体下降的现象（见图（）（），表明该层既存在填埋气泄漏导致的气体累积区，也存在气水驱替导致的汇水区。顶部壤土层同样存在与排水层连接的高阻区，随着气体泄漏，高阻区的范围和电阻率值持续增加，并与地面相通，在地面 和 处形成两个排放高通量“热点”区域（见图（）（），这一现象与原位情况具有一致性，同一区域甲烷排放浓度差别可达个数量级，这表明电阻率可以识别气体泄漏区域，大致划定气体泄漏的范围，并对填埋场表面热点进行定位。停止注气后，黏土层与排水层电阻率整体下降，只有壤土层出现几处高电阻率区域（见图（）（），这表明由于土层内部的压力仍然高于大气压，气体还会持续逸出，电阻率整体下降，直至与外部大气压相等，气体停止逸出。中国海洋大学学报 年图 速率注气实验电阻率变化比剖面 含气量计算为了评估气体逸出过程的通量，确定监测区域内沉积物电阻率和含气量之间的变化关系，应用基于电学探测 公式如下：。（）式中：为土体电阻率；为孔隙水电阻率；、为与岩性有关的岩性系数；为孔隙度；为饱和度；为胶结指数；为侵润指数；根据实验壤土层进行设定 ，。用电阻率法来量化含气量的变化，需将土体电阻率变化与含水饱和度的对应关系进行描述，填埋气注入前得到 公式如下：（）。（）填埋气注入后，得到 公式如下：，（）。（）期刘慧芳，等：垃圾场填埋气泄漏过程高密度电阻率法监测效能分析式中：，为时刻土体的含水饱和度；，为时刻土体电阻率。由（）、（）得到含水饱和度与电阻率相对变化的对应关系：，（）。（）式中：为电阻率的相对变化率，。，（）。（）式中为含气饱和度。由式（）、（）得到土体中含气量的变化公式如下：含气量（）。（）式中：含气量为时刻含气量变化；为含气量变化的土体体积；为土体的孔隙度；为土体的初始含水饱和度；为土体电阻率变化量。压实黏土覆盖层是垃圾填埋场盖层中较为典型的一种盖层，在填埋场中广泛使用，填埋场内部的气体都会经最上层的壤土层排放至大气中，且深层电阻率采集的灵敏度较低，装置自身带来的误差较大，故在计算中