1、垃圾填埋场渗滤液污染地下含水层及修复过程的三维动态监测实验第 21 卷第 2 期2006 年 6 月(页码:637642)地球物理学进展PR0GRESSINGE0PHYSICSVol_21NO.2June.2006垃圾填埋场渗滤液污染地下含水层及修复过程的三维动态监测实验郭秀军,魏丽,贾永刚,黄潇雨(中国海洋大学环境科学与工程学院,青岛 266003)摘要为实现垃圾填埋场渗滤液在地下含水层中动态扩散及污染层修复过程的实时监测,利用自行设计的三维电学观测系统开展了室内相关监测实验.实验表明渗滤液在含水层中的扩散过程会引起不同时期实测电剖面上低阻异常区的动态变化.对比分析这种变化特征可确定渗滤液扩
2、散区的污染程度,扩散速度及扩散方向.在注水修复过程中,扩散区污染物含量的降低会引起对应区域实测视电阻率值的升高和异常区范围的变化.实验结果对于实现垃圾渗滤液污染地下含水层现状调查及动态监测具有重要意义.关键词垃圾场渗滤液,含水层污染,电阻率法,动态监测中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2006)O2 一 O637 一 O6Experimentofmonitoringundergroundaquiferscontaminatedbyleachateoflandfillandremationwith3 一 DelectricalmethodGUOXiujun,WE
3、Ili,JIAYonggang,HUANGXiaoyu(OceanUniversityofChina,Qingdao266003,China)AbstractInordertOdiscusseffectivemeansofmonitoringthedynamicdiffusingprocessofpollutedzoneofundergroundaquiferscausedbyinfiltrationoflandfillleachateandtheirrenovatingprocess,athree-dimensionalelectromonitoringsystemisdevisedtOst
4、imulatetheprocessesinlaboratory.Experimentalresultsindicatethatthediffusingprocessofleachateintheaquiferbehavesasthedynamicchangeoflow-resistivityabnormalzoneonelectricalresistivitysectionsobtainedindifferentperiodsoftime.Pollutionlevel,diffusingvelocityanddirectioncanbeknownfromcontrastanalysisofsu
5、chachange.Therenovatingprocessbehavesastheincreaseofapparentelectricalresistivityandchangeofabnormalcharacteristicsdistributiononelectricalresistivitysectionswiththedecreasingofpollutantcontent.Theexperimentalresultsbeargreatsignificanceininvestigatingpresentsituationsofundergroundaquiferspoilutedby
6、landfillleachateaswellasindynamicmonitoringthepollutingandrenovatingprocess.Keywordslandfillleachate,pollutionofundergroundaquifers,electricalresistivitymethod,dynamicmonitoring0 引言城市垃圾填埋场渗滤液的渗漏是造成土壤与地下水污染的重要因素.基于此类高浓度多组分渗滤液渗入地下后引起地层介质的导电性变化1q,电阻率法正在成为地下介质渗滤液污染区调查的重要手段.国外学者通常用直流电阻率法来圈定填埋场的边界,填埋物厚度及渗
7、滤液扩散范围(Barker,1990;Busellieta1.,1992;MejU,1993;BernstoneandDahlin,1998;AristodemouandThomasBetts,2000)4,Motaeta1(2004)还比较了电阻率法中的温纳和偶极装置对污染区探测效果好坏9.国内的相关研究不多,程业勋等(2004)利用高密度电法(HDR)通过对北京市两个垃圾填埋场的检测发现垃圾场在堆放多年后都不同程度存在渗漏液对土壤和地下水的污染,被污染的地下含水层呈低电阻率收稿日期 20050520;修回日期 200507-18.基金项目国家自然科学基金项目(40172088)资助.作者简
8、介郭秀军,男,1972 年生,在读博士,现为中国海洋大学教师.主要进行工程和环境领域地球物理方法的教学和研究(E-mail:guo junqdOuC).638 地球物理学进展 21 卷特征,视电阻率在 1OQ?m 左右 Do3.但国内外学者利用地球物理方法对污染区动态扩散过程及修复过程实时监测的研究尚不多见.本文利用自行设计的三维电学观测系统 L】,通过室内实验方式开展了垃圾场渗滤液在地下含水层中的动态扩散及污染层修复过程的实时监测研究.良好的监测效果显示了监测技术的有效性,并对实现垃圾填埋场分布区地下含水层现状调查,污染预警及修复监测具有重要意义.1 三维动态监测实验设计1.1 三维电学监测
9、系统构成设计的三维电学监测系统(如图 1)由电传感器系统,电传感器信号转换系统,数据处理与分析系统构成,实际工作中电传感器系统布设在新建垃圾场防渗层的下方.在垃圾场运营期,废弃后及污染修复过程中可实现对其下部地层的实时监测 L1.图 2).1.3 监测实验设计为了克服室内实验的尺度效应,监测实验时在粘土层表面布设 4 列电传感器,列间距 30cm;每一列 16 个电传感器,相邻电传感器间距 6cm.每一个电传感器通过电信号转换系统与电阻率采集仪相连.渗漏点位于第一列电传感器前面的中心位置(见图 2).渗滤液取自青岛市小涧西垃圾填埋场,渗滤液成分见表 1,渗滤液体积为 2O1.表 1 实验用垃圾
10、渗滤液的主要污染物Table.1Approximatecompositionofleachate图 1 三维电学实时监测系统 2Fig.1Three-dimensionalon-lineelectricalresistivitydetectingsystem1.2 实验监测装置设置本试验是在一个 150cm100cm1O0cm 的实验槽中进行的(如图 2).槽的最底层铺设 30cm厚并有一定坡度的砂土层,砂土层上铺设 2cm 厚的粘土层,粘土层上铺设一层塑料膜,塑料膜上铺设40cm 厚的砂土层来模拟地下含水层.最上层为厚度约 2cm 的粘土层( 含水率 39.8),用来模拟垃圾填埋场的防渗衬垫
11、层(如图 3).在模拟地下含水层一端的 10cm 深度水平埋设进水管;另一端 4Ocm 深度水平埋设排水管.进水管及排水管上均匀布有小孔,以保证含水层中的注水和排水过程均衡,实验时可通过和进水管相连的水龙头控制地下水流速.渗滤液注入点位于模拟含水砂层厚度较薄的一侧,通过导管和实验槽上方的渗滤液箱相连,渗滤液的注入速度由水箱下部阀门控制.整个装置可用来模拟垃圾填埋场渗滤液污染地下含水层的过程(见图 2 三维电学监测系统室内模型图1 传感器系统;2 进水管;3 排水管;4 渗漏点;5 渗滤液箱Fig.2Experimentsetinlab2cm 厚粘土层40cm 砂土含水层2InIn 厚塑料膜2c
12、m 厚粘土层30cm 砂土层图 3 实验槽中土层分布图Fig.3Soillayersinexperimenttank32 期郭秀军,等:垃圾填埋场渗滤液污染地下含水层及修复过程的三维动态监测实验 639图 5 渗滤液及其组分对被污染介质的电性改变Fig.5ElectricalresistivityvariationwithleachateanditScompositionproportion1.4 监测过程向模拟土层注入渗滤液之前先进行本底监测,得到土壤的电阻率背景值,然后将渗滤液开始注入土层,为了模拟真实垃圾填埋场渗滤液缓慢渗漏的过程,将流速控制为 0.05ml/s.同时打开进,排水管,模拟
13、地下水在含水砂层中的流动,保证注入渗滤液随地下水的流动而扩散.在此期间定期监测土层的电阻率变化.停止注入渗滤液后,增大进水管注入水量,同时在砂土层的另一侧排水,模拟人工充水清洗地下污染含水层的修复过程.在充水修复期间定期监测土层的电阻率变化.1.5 数据处理及视电阻率剖面的形成1.5.1 数据处理整个监测系统的视电阻率测量通过二极装置实现,无穷远极布设在整个电极系统的一侧有限距离内,在数据处理时通过远极校正技术将其校正到无穷远.视电阻率由公式(1)求得pa 实测一 2nuq/I,(1)其中:中为测量电位值,I 为供电电流值,a 为电极传感器系统中供电和测量电极间距.无穷远极效应由公式(2)确定
14、PaPa 实测/f,其中其相对位置关系见图 4.自一C2el一pI图 4 二极观测装置的电极位置关系(其中:C1,C2 为电流极,P1,P2 为电位极)Fig.4Positionofdifferentelectrodeswithpole-polearray(ClandC2:currentelectrodes,P1andP2:potentialelectrodes)1.5.2 数据剖面的形成根据二极法原理,以垂直于测线方向为 x 轴,平行于测线方向为 Y 轴,深度方向为 z 轴,电极测点 11 为原点建立直角坐标系,将测量视电阻率值放在供电,测量极中点,深度为极间距一半,对应坐标为(x,Y,z)
15、的位置.然后对数据进行网格化处理 ,可以绘制不同深度处的视电阻率横向变化剖面图和不同位置视电阻率深度方向变化剖面图.(2)2 实验结果分析f 一(1/r1l 一 1/r121r21+1r22)/(1/r11)称为远电极校正系数.,r】.,r2】,r22 分别为电极观测系统中的电流,电位极和两个无穷远极间的距离.2.1 渗滤液对饱和砂土电阻率的改变为研究渗滤液侵入对饱和砂土电阻率的影响,从而确定地下含水层中垃圾渗滤液污染区的电异常640 地球物理学进展 21 卷宕瓣盛图 6 污染过程地下 12cm 处视电阻率动态变化剖面图Fig.6Differentapparentresistivitysect
16、ionsofsandlayerinthedepthof12cmundergroundinpollutingprocess特征,我们进行了渗滤液侵入量及渗滤液中不同污染物种类对饱和砂土样电性改变实验,实验所用渗滤液取自青岛市小涧西垃圾填埋场,其主要污染物组分见表 1.渗滤液中污染物成分对土样电性改变实验是通过室内配样的方式实现的,实验测试结果见图 5.从实测渗滤液的污染组分来看,污染物的主要组分为有机质和 NH3 一 N,并且浓度很高,渗滤液的电导率很低.从图 5 中可以看到渗滤液的注入对砂土电阻率宕瓣受的改变作用明显,电阻率的变化幅度较大,整体表现为随注入量的增多,电阻率逐渐降低,当被污染介质
17、的污染物达到一定的浓度后,电阻率便不再降低.虽然孔隙水中 CoD,NH3-N,CL 离子的浓度升高对土样电阻率的改变量不大,改变的过程规律也不尽相同,但都表现为随浓度的升高而降低.2.2 渗滤液侵入污染地下含水层过程的电剖面动态变化图 6 为渗滤液侵入过程中不同时期监测得到的12em 深度处水平分布位置视电阻率动态变化剖面图.目已 l/瓣盛柏勰加 4O罾.U/瓣盛娩勰加 4O图日目 6l/瓣盛记加14O日】争 U/瓣盛加 4O目2 期郭秀军,等:垃圾填埋场渗滤液污染地下含水层及修复过程的三维动态监测实验 641x/m0.90.80.70.60.50.40.30.20.10目褂舞脚图 7 修复过
18、程地下 12em 处视电阻率动态变化剖面图Fig.7Differentapparentresistivitysectionsofsandlayerinthedepthof12emundergroundinrenovatingprocess其中图 a,b,c,d,e,f 依次为渗滤液侵入 0 小时( 背景),12h,24h,36h,48h,60h 时监测到的电剖面图.图 6(a)中砂土含水层原始视电阻率不均一是由土层密实度不同造成的,密实度小的区域孔隙度大,含水量大,使得电阻率值偏低,出现低阻异常区(如图 6(a)中视电阻率小于 2Q?m 区域).高阻异常区(图 6(a)中的右边视电阻率大于 1
19、0Q?m 区域)则是由于土层较密实使得含水量变小所致.图 6(b)显示渗滤液侵入含水层后首先向侵入点附近疏松的部位汇集,由于渗滤液的侵入会引起含水砂层电阻率的降低,因此汇集的结果使得低阻异常区的分布范围扩大.随着渗滤液的不断侵入,汇集区沿含水层的疏松部位扩散表现为低阻异常区沿一定方向的扩展(如图 6(b),(c),(d).对比图 6(b),(c),(d)中低阻异常区的变化规律可明显看到渗滤液污染区的扩散方向和速度.当渗滤液连续侵入 48 小时后,从图6(e)中低阻区的贯通可以反映出渗滤液在测试区已形成运移通道,并随渗滤液的不断侵入沿已经形成的运移通道扩散(见图 6(f).为确定渗滤液侵入过程中
20、监测得到的电剖面上异常区域所对应地下含水层的实际污染状况,在渗滤液侵入 12 小时后,从 12cm 深度电剖面的不同异常区取出砂样,进行污染物化学分析,取样点位置见图 6(b)中 A,B,C,D 点,化学分析结果见表 2.表 2 砂样污染物质浓度分析Table.2Pollutantconcentrationofsandsample取样点号 ABcD取样点坐标(x,y)(O.4,0.2)(O.6,0.4)(O.15,0.3)(O.4,0.6)COD(rag/I)2311.022083.76568.711098.98氨氮(mg/1)113.3576.5727.9658.18对照图 6(b),表 2
21、 可知,电剖面反映的低阻异常区对应的污染物浓度高,高阻区对应的污染物浓度低.取样分析结果和实际判断相一致.2.3 充水修复过程的电剖面动态变化图 7 为充水修复过程不同时期监测到的 12cm深度处不同空间位置电阻率动态变化水平剖面图.In.U/爵舞记加 04OIn.U/褂舞“加 s加 04O目柏勰加 04OI日=642 地球物理学进展 2l 卷其中图(a),(b),(c),(d)依次为充水修复 0h(背景),24h,48h,72h 时监测得到的电剖面图.由图 7(a),(b),(c),(d)可见,随着连续的充水修复,剖面图中视电阻率小于 2Q?in 的低阻异常区范围逐渐缩小,并且视电阻率逐渐变大.剖面图中最右边视电阻率大于 1012?rn 高阻异常区范围逐渐扩大 ,视电阻率为 48Q?rn 的次高阻区域范围逐渐扩大,电阻率逐渐增大.总之,剖面图中视电祖率整体逐渐增大.可见在充水修复过程中,含水层中砂土孔隙中的渗滤液逐渐被自来水替代,从而使污染区不断变小,对比不同时期的监测结果可以分析得到注水修复的效果.3 结论
