垃圾场填埋气泄漏过程高密度电阻率法监测效能分析❋
时间：2023-03-26 21:55:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘慧芳， 郭秀军,2,3❋❋, 吴景鑫， 李 波， 孙 浩， 丁冠涛
(1. 中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100; 2. 山东省海洋环境地质工程重点实验室， 山东 青岛 266100; 3. 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 266100; 4. 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队， 山东 济南 250014)
城市生活垃圾处理以填埋、焚烧、堆肥三种方式为主[1]，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[2]。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CH4和CO2[3-4]。
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[5]。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5%～15%时，遇到明火就会发生爆炸[6]。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150年里，甲烷对全球变暖的影响约为40%，其中垃圾填埋场被列为第三大人为CH4排放源[7-8]。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[9]，垃圾填埋场覆盖层已有30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[10-11]。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[12]，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[13-14]。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[15-19]，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[17]。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。
1.1 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50 cm，电阻率ρ赋值为100 Ω·m；
排水层厚度为30 cm,电阻率ρ赋值为400 Ω·m；
黏土层厚度为30 cm，电阻率ρ赋值为90 Ω·m；
导气层厚度为30 cm，电阻率ρ赋值为400 Ω·m。
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1所示模型。
图1 填埋气逸出电阻率模型
1.2 计算参数设置
填埋场覆盖层监测模拟时，设定布设51个电极，极距0.2 m，采集层数20，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(Dipole-Dipole,D-D)、施隆贝格(Wenner-Schlumberger,W-S)和温纳(Wenner)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5次反演迭代结果进行讨论，反演结果中RMS误差小于1%。本文正、反演计算采用GeoTomo公司的RES2Dmod软件系统和RES2Dinv软件系统实现。
1.3 结果
图2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(Wenner-Schlumberger,W-S)、偶极(Dipole-Dipole,D-D)和温纳(Wenner)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。
图2 填埋气逸出理论电阻率剖面
1.4 灵敏度分析
图3分别对施隆贝格(Wenner-Schlumberger,W-S)、偶极(Dipole-Dipole,D-D)和温纳(Wenner)三种装置的反演结果进行了灵敏度分析，由图可知，在0～0.1 m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3 装置反演结果灵敏度分析
2.1 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》[20]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4)，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。
图4 压实黏土覆盖层(CJJ 112-2007)
2.1.1 实验设置 长方形实验槽由有机玻璃制成，长1.2 m，宽0.3 m，高1 m(见图5)。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1与表2的参数进行土层的配置，依次向槽子中均匀铺设6 cm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，并静置使黏土防渗层被压实至6 cm。之后再铺设6 cm排水层和10 cm壤土层。
图5 实验模型图
表1 实验用土的基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of experimental soil
表2 各土层的粒度组成Table 2 Grain size composition of each soil layer
2.1.2 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(550 W×3，0～0.8 MPa)连接注气管与精密压力控制器(IR2000-08BG)，维持压力稳定。
采用自制电极排连接E60DN电法仪进行地层电阻率监测，电极数量为30，电极极距为4 cm，采集装置为斯伦贝格，采集层数为32层。实验过程中每隔5 min采集一次电法数据。
2.1.3 数据处理 首先将电法仪测得的电阻率数据采用RES2Dinv软件进行最小二乘法反演计算，所有模型进行5次迭代计算，反演结果RMS误差均小于10%。
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15 min得到电阻率随时间的相对变化(Δρi)，计算公式如下：
(1)
式中：ρ0为背景电阻率值，单位为Ω·m；
ρi为不同时刻电阻率值，单位为Ω·m。电阻率比大于1表示电阻率较背景地层升高，电阻率比小于1表示电阻率较背景地层降低。
2.1.4 实验过程 本文实验模型如图5。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150 mL/min和1 L/min的速率注气。
2.2 结果
2.2.1 填埋气慢速泄漏高密度电阻率法监测效果 将气体以150 mL/min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较小，在注气45 min时填埋气逸出通道表现出高阻异常(见图6(c)～(d))。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6(c)～(d))，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6(a)～(d))，壤土层的高阻区域分布不均，在横向0.4～0.6 m处电阻率变化稍大，出现热点区域(见图6(c)～(d))，这表明电阻率法监测可较好的识别填埋气泄漏热点区。
图6 150 mL/min速率注气实验电阻率变化比剖面
2.2.2 填埋气快速泄漏高密度电阻率法监测效果 将气体以1 L/min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2.2.1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0.5～0.6 m和0.8～0.9 m处电阻率升高，其余位置电阻率降低的现象(见图7(b)～(d))，注气后期表现出电阻率整体上升的现象(见图7(e)～(f))，其中0.5～0.6 m和0.8～0.9 m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7(g)～(j))，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0.6和0.8 m处形成两个排放高通量“热点”区域(见图7(b)～(f))，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7个数量级[21]，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7(g)～(j))，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。
图7 1 L/min速率注气实验电阻率变化比剖面
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Archie’s公式如下:
Rt=Rwabφ-mS-n。
(2)
式中：Rt为土体电阻率；
Rw为孔隙水电阻率；
a、b为与岩性有关的岩性系数；
φ为孔隙度；
S为饱和度；
m为胶结指数；
n为侵润指数；
根据实验壤土层进行设定a=0.8，b=1，S=59.37，m=1.7，n=2。
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Archie’s公式如下:
(3)
填埋气注入后，得到Archie’s公式如下:
(4)
式中：Sw,n为n时刻土体的含水饱和度；
Rt,n为n时刻土体电阻率。
由(3)、(4)得到含水饱和度与电阻率相对变化的对应关系：
(5)
(6)
(7)
式中Sg为含气饱和度。
由式(6)、(7)得到土体中含气量的变化公式如下：
(8)
式中：V含气量为n时刻含气量变化；
Vt为含气量变化的土体体积；
φt为土体的孔隙度；
Sw为土体的初始含水饱和度；
ΔRt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，故在计算中仅考虑壤土层的电阻率变化，将电阻率变化相近的壤土层划分为一个区域。由于电阻率变化差异大，因此，将气体泄漏分为两个过程来计算，使用公式(7)将电阻率相对变化转化为含气饱和度的相对变化。第一个过程初步选定注气过程剖面a与剖面c进行估算，采集时间间隔45 min左右(见图8)。第二个过程初步选定注气过程剖面d与剖面f进行估算，采集时间间隔45 min左右(见图9)。
图8 监测剖面a与剖面c含气量变化
图9 监测剖面d与剖面f含气量变化
具体含气区域面积及含气量的计算如表3。
表3 监测剖面a与剖面c含气量计算 Table 3 Calculation of gas content in monitoring profile a and c
具体含气区域面积及含气量的计算如表4。
表4 监测剖面d与剖面f含气量计算Table 4 Calculation of gas content in monitoring section d and section f
结果显示填埋气的泄漏主要发生在A、B区域，由Archie’s公式得到的电阻率变化率与含气饱和度的相对变化关系可知，电阻率变化率与壤土层中的含气饱和度呈正相关关系，由电阻率的变化率可以大致估算出壤土层中不同时刻含气量的变化。
高密度电阻率法成本低、效率高、信息丰富、解释方便，因此被广泛应用于野外地质勘探。野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于手工操作所出现的错误[22]。但是在电阻率法实际监测过程中，极距、电极数、采集装置等参数的选择会影响实际监测效果。其中，极距和电极数量主要反应了监测范围，极距与电极数量的选择主要取决于填埋场的尺寸大小及地质对象的埋藏深度，采集深度可根据实际需求选择采集层数，而在实际监测过程中，还应考虑到成本。电极数量越多，监测精度越高，实验成本也会相应的增加。电极数量较少时，虽然成本得到了控制，但是监测精度也会随之降低。由于填埋气时间变异性的特征，监测时间也是影响监测效果的一个重要因素。电极数量越多，监测时间越长。采集装置主要有温纳、斯伦贝格、偶级三级，每种方法都有其优缺点。温纳采用串行采集的方式，采集剖面时间较长；
斯伦贝格和偶极采用并行采集的方式，采集剖面时间较短，但是偶极在实际监测过程中易受干扰。因此，采用斯伦贝格装置采集效果更好。在实际监测时，要在仔细权衡成本、调查范围、精度和实用性等因素后，在不同的调查区域选择合适的参数，电阻率法适用于对现场的填埋气进行定性监测，获得其排放热点及运移路径变化。
本文使用ERT对覆盖层中不同速率气体逸出过程进行监测与分析，研究结果表明，高密度电阻率法可以有效识别气体泄漏区，并且定性判定气体泄漏量大小，对于气流量较大的气体泄漏通道更容易被监测到。电阻率法对高含气区有明显的异常反应，可大致划定其范围，但对含气区域的边界界定不明显。电阻率变化率与壤土层中的含气饱和度呈正相关关系，由电阻率的变化率可以大致估算出壤土层中不同时刻含气量的变化。由于现在还没有一套完善的填埋气监测方法，电阻率可以作为填埋气测量的一种手段，有效监测填埋气逸出通道及气体的扩散范围，为得到更精确的结果，还可与土壤剖面气体采集探针相结合。
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