高密度電阻率三維可視化成像技術(shù)在垃圾填埋場環(huán)境修復(fù)治理中的應(yīng)用研究

鄭福龍，韓 磊，龐有煒，陳 挺，張 鷗，馮化鵬

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局物探隊，四川 成都 610072)

1 引 言

垃圾填埋場是采用衛(wèi)生填埋方式的垃圾集中堆放場地，因為成本低、衛(wèi)生程度好在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用。早期建成的垃圾填埋場由于缺乏現(xiàn)代化垃圾分類處理的科學依據(jù)，存在著選址不合理、垃圾處理方法簡單等一系列問題，從而導(dǎo)致近年來垃圾填埋場滲透污染事件頻發(fā)，產(chǎn)生的環(huán)境問題主要包括：垃圾體滲漏污染地下水、垃圾堆填產(chǎn)生的沼氣易燃易爆、垃圾填埋場場地土體蓬松和邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生的次生地質(zhì)災(zāi)害等[1-3]。本次研究的垃圾填埋場已經(jīng)影響到城市的擴建和道路改造，制約了城市的發(fā)展。

圖1 垃圾場位置衛(wèi)星影像圖高密度電阻率法剖面布置示意Fig.1 Satellite image of waste dump location

高密度電阻率法具有快速、成本低、樣本大、信息豐富而連續(xù)、可實時動態(tài)監(jiān)測地下水污染擴散趨勢等優(yōu)點，可應(yīng)用在垃圾填埋場及周邊土壤污染治理修復(fù)和工程建設(shè)風險評估中。利用三維可視化成像技術(shù)可以很好地識別填埋后的垃圾場原址邊界范圍和垃圾場底部巖石裂隙位置、含水破碎帶，排查出有建設(shè)施工隱患的不穩(wěn)定地質(zhì)體，為垃圾填埋場及其周邊的環(huán)境修復(fù)治理及土地恢復(fù)開發(fā)再利用提供可靠依據(jù)。

2 垃圾填埋場概況

研究區(qū)內(nèi)的垃圾填埋場始建于20世紀90年代，位于偏僻山溝的低洼地，已廢棄數(shù)年，原垃圾場地范圍內(nèi)雜草叢生，垃圾堆體邊界模糊。研究區(qū)范圍見圖1(a)和圖1(b)。場地基巖沿溝谷走向具有不同程度的裂隙破碎帶或節(jié)理密集帶分布且存在透水層，在大氣降雨的淋濾作用下，污染物滲入垃圾填埋場的底部，使得場區(qū)底部防滲處理不達標，存在地下水污染情況。在垃圾填埋場廢棄以后，該區(qū)曾發(fā)生過垃圾堆體底部沼氣爆炸事件，造成場地基巖土體疏松，存在著次生地質(zhì)災(zāi)害隱患[3]。因此，對該垃圾填埋場及其周邊的環(huán)境治理修復(fù)迫在眉睫。

垃圾填埋場附近山體呈“V型”山谷，地貌為侵蝕構(gòu)造、低山地形，海拔高度在310～364 m，出露地層主要為第四系黏土層及砂巖、泥巖。構(gòu)造較為發(fā)育，區(qū)內(nèi)斷裂由一組斷層破碎帶組成，該破碎帶基本控制了溝谷的NE 向展布特征。區(qū)內(nèi)地下水賦存形式以裂隙潛水為主，第四系孔隙滯留水次之。已發(fā)現(xiàn)其下游地下水有超標污染現(xiàn)象，初步確定上游垃圾場是本區(qū)地下水的主要污染源，沿山谷分布的斷層裂隙帶是污染溶液進行擴散的重要通道。為查明該區(qū)地下垃圾滲漏通道分布，為防滲治理提供依據(jù)，采用高密度電阻率法的探測技術(shù)，在垃圾場攔護壩內(nèi)自西向東依次布置了4條南北向剖面,即L1～L4；為查明垃圾填埋場橫向界限自南至北布設(shè)兩條東西向剖面,即L5～L6，其分布位置見圖1(c)。

3 高密度電阻率法有效性及采集裝置

3.1 開展高密度電阻率法前提條件

高密度電阻率法可高效地獲取地下介質(zhì)電阻率沿垂向及水平方向的變化規(guī)律。針對特定的工程地質(zhì)問題[4]，可通過合理地設(shè)置工作點距、排列長度等，對地下介質(zhì)電阻率分布進行精細、高密度的探測[5-10]，依據(jù)不同性質(zhì)巖土體、不良地質(zhì)體的電阻率差異，可以為巖土體分層、不良地質(zhì)體劃分提供地球物理依據(jù)。

高密度電法主要應(yīng)用于以下方面[11-13]：①巖土體分層，包括基覆界面、地層層面、風化層面等；②電性異常體探測，異常體包括斷裂構(gòu)造、構(gòu)造破碎帶、溶蝕破碎帶、洞穴等；③滑坡、不穩(wěn)定斜坡的探測。

研究區(qū)內(nèi)地層巖性與電性特征(表1)表明，垃圾填埋物的電性特征與圍巖(第四系覆土層、砂巖、泥巖)之間存在一定差異，即垃圾填埋物和土壤污染體的電阻率低于覆蓋土層、下伏黏土(未被污染的黏土)和基巖的電阻率。這為開展高密度電阻率法提供了地球物理前提和條件，可以通過不同的電阻率特征來查明垃圾填埋物的賦存狀態(tài)及結(jié)構(gòu)特征[14，15]。

表1 地層巖性與電性特征

3.2 高密度電阻率法技術(shù)采集裝置

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系統(tǒng)3部分組成。多路電極轉(zhuǎn)換器通過電纜控制電極系統(tǒng)各電極的供電與測量狀態(tài)。主機通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令，向電極供電并接收、存貯測量數(shù)據(jù)。 高密度電法系統(tǒng)如圖2所示。通過現(xiàn)場試驗對比，當測區(qū)地形起伏較大時，溫納裝置能完整地顯示各地層，并且當對覆蓋層進行厚度探測時，溫納裝置結(jié)果最為準確。為達到最佳的調(diào)查效果，選用溫納裝置進行探測。室內(nèi)資料處理時采用 RES2DINV自動迭代反演程序，其正演過程采用有限元法，反演采用光滑約束最小二乘反演技術(shù)。

圖2 高密度電法系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of high density electrical method system

4 三維可視化成像

4.1 剖面電阻率最小二乘迭代反演結(jié)果

從電阻率反演擬斷面(圖3(a)～圖3(c))可以看出，3條剖面上低電阻率異常區(qū)均沿山坡地勢自北至南呈條帶串珠狀展布，電阻率值表現(xiàn)為低阻異常，電阻率值在10～20 Ω·m之間，地表為垃圾及腐殖土堆積；剖面中段由于填方作業(yè)，地表表現(xiàn)為中高阻的電性特征，中淺部為低阻異常，過剖面鉆孔成果表明，垃圾頂板埋深10 m左右，底板埋深15～18 m，其電性特征為明顯的低阻異常，這一特點表明剖面中段近似水平層狀低阻層位為垃圾填埋所產(chǎn)生的異常；坡地上的垃圾可能經(jīng)過后期的運移、滾落，局部呈低阻，且由于地下水向低處匯聚，所以在坡地上垃圾填埋體的視電阻率幅值比平地上相對高。剖面南段低電阻率異常為地表水田耕地所引起，施工期間應(yīng)當注意開挖過程中避免垃圾污水向南滲漏污染農(nóng)田。

剖面深部高阻異常呈水平層狀，推測是以砂巖為主的基巖，局部地段存在基巖薄弱區(qū)。該處電性特征表現(xiàn)為鞍狀，視電阻率幅值相對下降，推測與基巖風化破碎有關(guān)，并具有明顯的裂隙特征，需引起重視，以防止垃圾污染物向下游地下水系侵蝕污染。

根據(jù)在研究區(qū)內(nèi)的6條剖面上圈定的異常范圍，在平面上勾繪了垃圾堆體的大致分布范圍：垃圾堆體北側(cè)寬約115 m，中部范圍有所加大，寬度約130 m，沿L2線向南范圍收窄(圖4(d))。

4.2 高密度電阻率法三維可視化分析

通過現(xiàn)場實地踏勘測量垃圾堆體范圍并結(jié)合研究區(qū)域近年遙感影像地貌變化特征，對研究區(qū)內(nèi)南北向4條剖面和東西向2條剖面電阻率反演斷面進行了綜合三維可視化分析，分結(jié)果如下：

1)在L1～L4四條南北向剖面低電阻率異常區(qū)邊界范圍確定了垃圾堆體南北邊界范圍和垃圾堆體的頂?shù)装迓裆睢?/p>

2)在L5、L6兩條東西向剖面低電阻率異常區(qū)范圍確定了垃圾堆體中心凹槽處東西向邊界位置。

3)確定了該垃圾填埋場內(nèi)原垃圾堆體的邊界位置及頂、底板埋深厚度，其最薄處垃圾堆體厚2～3 m，最厚處約15 m。通過三維可視化分析更加直觀清楚地還原了垃圾堆體整體在空間上的分布，根據(jù)網(wǎng)格單元的平均體積和統(tǒng)計的網(wǎng)格單元數(shù)目[16-20]，可對垃圾堆體范圍和體積進行測算，確定垃圾堆體的方量約為31×104m3。

4.3 三維可視化成像推斷裂隙位置

整合各剖面地質(zhì)解釋結(jié)果，將各斷層裂隙位置展布到相應(yīng)平面測點位置上，結(jié)合已掌握的地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，推斷解釋出地下隱伏地質(zhì)構(gòu)造分布:橫穿垃圾場方向有全區(qū)性的北東東向基巖斷裂有2條。連接各剖面斷點位置，推斷F1、F2這2條裂隙帶為區(qū)內(nèi)垃圾污染物滲漏的主要通道。此結(jié)論經(jīng)鉆探和巖樣測試配合驗證，結(jié)果可靠。

圖3 最小二乘迭代反演視電阻率擬斷面Fig.3 Pseudo section of apparent resistivity by least square iterative inversion

1-鉆孔位置;2-斷層斷點位置;3-剖面位置;4-斷層、裂隙位置;5-測區(qū)范圍;6-垃圾堆體范圍圖4 垃圾堆體三維可視化成像Fig.4 3D visualization image of garbage heap

5 結(jié) 論

通過L1～L4這4條南北向和L5、L6這2條東西向高密度電阻率法探測剖面，對野外實測數(shù)據(jù)進行了最小二乘迭代反演，在電阻率反演斷面圖中圈定了垃圾堆體填埋物所引起的7處低電阻率異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)及遙感影像資料確定了垃圾堆體平面展布位置并認為F1、F2兩條裂隙為本區(qū)垃圾污染物滲漏的主要通道。

對實測的6條剖面分別進行的南北向、東西向剖面三維可視化建模工作，更加直觀清晰地展示和還原了垃圾填埋場在三維空間分布位置，確定了垃圾填方量為31×104m3，為城市垃圾填埋場修復(fù)治理工作提供了有力依據(jù)。

本文采用的高密度電阻率反演方法是基于二維剖面的反演，再進行三維可視化成像進而形成擬三維空間成果；隨著物探硬、軟件設(shè)備的研發(fā)，采用三維高密度電阻率測量系統(tǒng)進行三維電阻率反演，應(yīng)用三維可視化成像技術(shù)效果會更佳。