張建智

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

時(shí)移電阻率法是利用不同時(shí)間采集的電法數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)地下介質(zhì)由于流體等參數(shù)的變化引起的物性變化。時(shí)移地球物理技術(shù)廣泛應(yīng)用于油氣藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方面，國內(nèi)外也做了一些嘗試。如Monica等采用時(shí)移電法對(duì)垃圾填埋場(chǎng)地下水?dāng)U散污染進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，論證了利用時(shí)移電法進(jìn)行地下水監(jiān)測(cè)是可行的。

滲濾液是垃圾填埋場(chǎng)的主要污染源，為求證時(shí)移電阻率法探測(cè)滲濾液徑流通道的可行性，我們?cè)谀成罾盥駡?chǎng)開展了時(shí)移電阻率監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲得了較好的效果。

1 填埋場(chǎng)地質(zhì)、地球物理電性條件

填埋場(chǎng)地形簡(jiǎn)單，位于山前平原區(qū)，地層結(jié)構(gòu)為第四系松散土層與奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r。第四系松散土厚度0.8～3.5 m，平均厚度1.2 m?；鶐r為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組白云化灰?guī)r，巖性為灰、深灰色厚層灰?guī)r。

試驗(yàn)場(chǎng)為生活垃圾填埋場(chǎng)，經(jīng)調(diào)查，堆體四周及底部鋪設(shè)防滲層及HDPE膜，堆體厚度0～10m，填埋物為生活垃圾。

表1 填埋場(chǎng)電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)堆體電測(cè)井成果，堆體、場(chǎng)地周邊、滲濾液電阻率差異明顯，為采用電阻率參數(shù)進(jìn)行滲濾液監(jiān)測(cè)提供了較好的地球物理前提條件。

2 正演模擬

堆體整體上呈層狀結(jié)構(gòu)，本次模擬了堆體內(nèi)存在有限水平板狀滲濾液和有限直立板滲流通道時(shí)的溫納斯倫貝斯混合測(cè)深裝置的正演響應(yīng)。

正演模擬參數(shù)：堆體封頂素混凝土平均電阻率8Ω·m，堆體平均電阻率4Ω·m，防滲層及基礎(chǔ)10Ω·m，滲濾液電阻率0.5Ω·m。素混凝土厚度0.5m，堆體厚度10m，防滲層及基礎(chǔ)模擬厚度10m。

圖1是層狀模型的正演響應(yīng)圖，從圖中可以看到，水平層狀結(jié)構(gòu)堆體的正演響應(yīng)為與電性模型對(duì)應(yīng)很好，且電性層特征明顯，素混凝土蓋層呈高電阻特征，堆體電阻率較低，防滲層及基礎(chǔ)為高電阻率特征，電阻率整體呈“高-低-高”分布。

圖2為模擬不同深度水平板狀和直立板低阻異常的正演響應(yīng)：對(duì)有限水平板狀低阻體，正演響應(yīng)曲線呈低阻圈閉，隨著模型深度增加，正演響應(yīng)的曲線形態(tài)隨模型深度增加異常幅度變?。粚?duì)有限直立板，其特征為以直立板頂部為極低點(diǎn)的水平方向延伸的低阻特征。

圖1 水平層狀結(jié)構(gòu)堆體正演響應(yīng)Figure 1 Forward response of horizontal layered structure dump

圖2 低阻異常正演響應(yīng)Figure 2 Low-resistivity anomaly forward responses

通過正演模擬,對(duì)于板狀模型，當(dāng)模型埋深大于6倍邊長時(shí)，正演響應(yīng)剖面上無明顯的電阻率畸變異常，本次測(cè)試堆體最大厚度為11.4m，計(jì)算堆體底部滲濾液匯集區(qū)最小分辨范圍為范圍為3m2。

3 工作方法

本次時(shí)移電阻率采集采用高密度電法在堆體頂部進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲得堆體電阻率在空間的分布狀況。

高密度電法統(tǒng)一采用溫納斯倫貝斯混合測(cè)深裝置，電極距2m，每條剖面74個(gè)電極。

在進(jìn)行時(shí)移電阻率監(jiān)測(cè)前，在堆體上布置P1～P5共5條測(cè)線(圖3)，對(duì)堆體進(jìn)行了一次系統(tǒng)的高密度電法探測(cè)，確定了P2為時(shí)移電移率監(jiān)測(cè)線。

為監(jiān)測(cè)滲濾液范圍隨時(shí)間、外界大氣降水等條件的變化，對(duì)P2剖面進(jìn)行了3次時(shí)移電阻率觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間見表2。

圖3 工程布置示意圖Figure 3 A schematic diagram of project layout

表2 電阻率監(jiān)測(cè)情況一覽表

4 電阻率測(cè)量成果

4.1 常規(guī)電阻率法測(cè)量成果

P1—P5高密度電法電阻率成果按2m的視深度間距切取了8個(gè)切片(圖4)，是堆體內(nèi)填埋物的地電響應(yīng)。從平面切片圖上看，堆體中低電阻率異常主要是在堆體的東部和西部，結(jié)合電阻率斷面圖，把電阻率為1 Ω·m作為滲濾液異常上限解釋滲濾液異常范圍，共解釋了10個(gè)滲濾液滲濾通道。由于堆體防滲層位于40m高程位置，結(jié)合42、40、38和36 m高程切片，解釋堆體與防滲層滲漏點(diǎn)4個(gè)，分別為SL1、SL3、SL8和SL9異常；SL5和SL7位于防滲層下部，分析為地下含水裂隙通道；其它為堆體內(nèi)部滲濾液流通通道。

為客觀評(píng)價(jià)高密度電法成果，對(duì)SL1、SL8和SL10和相對(duì)正常區(qū)布置了4個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。通過巖心及樣品含水量測(cè)定結(jié)果可以看出，WJ-101、WJ103、WJ104明顯含水率高于WJ-102，據(jù)此認(rèn)為：堆體內(nèi)部電阻率與含水率基本呈正相關(guān)，根據(jù)電阻率值可以探測(cè)滲濾液的分布。

根據(jù)高密度電法成果，選擇P2線作為時(shí)移電阻率監(jiān)測(cè)線。

圖4 堆體各高程高密度電法電阻率平面切片圖Figure 4 High density electric method resistivity planar slices of different dump heights

4.2 時(shí)移電阻率測(cè)量

由于填埋場(chǎng)頂部用素混凝土封頂后覆蓋HDPE膜，探測(cè)時(shí)經(jīng)填埋場(chǎng)管理方同意，采用了直接刺穿HDPE膜的方式進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)電極位置經(jīng)RTK測(cè)量后在HDPE膜上留下孔洞，保證了后3次重復(fù)測(cè)量都在同一位置。為了防止雨水沿鉆孔灌入堆體，取樣后，4個(gè)孔進(jìn)行了封孔處理。

圖5是4個(gè)不同時(shí)間P2電阻率斷面圖。堆體上高密度電法測(cè)量電阻率在0～10 Ω·m，平均電阻率2.9 Ω·m，剖面上無跳點(diǎn)和畸變點(diǎn)。從電阻率斷面圖上可以看到，在縱向上電阻率基本上呈高-低-高特征，反應(yīng)了堆體表層濕度低電阻率高，堆體內(nèi)部電阻率低和底部基層高電阻率的特征。從橫向上看，在剖面30、55、80和124m樁號(hào)附近電阻率呈基本連續(xù)的不均勻分布，反應(yīng)了堆體內(nèi)部填埋體的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性。但整體上剖面特征一致，反映了填埋場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性。

圖5 P2線時(shí)移電阻率斷面圖Figure 5 Line P2 time-lapse resistivity section

5 時(shí)移電阻率監(jiān)測(cè)成果

本次時(shí)移電阻率測(cè)量的目的是通過對(duì)填埋場(chǎng)的堆體的電阻率監(jiān)測(cè)，掌握堆體內(nèi)部滲濾液的運(yùn)移特征，為填埋場(chǎng)安全運(yùn)營提供技術(shù)支撐。

在時(shí)移電阻率監(jiān)測(cè)成果解釋中引入了殘值和視反射系數(shù)R值的概念。殘值反映了堆體內(nèi)部電阻率隨時(shí)間的變化特征，同一位置殘值越大說明其含水量增加越大，滲濾液增多，殘值變小說明其含水量減小，滲濾液減少；視反射系數(shù)的物理意義是當(dāng)ρ0→時(shí)，R=1,電流趨向在ρi介質(zhì)中分布，電阻率減小，滲濾液增加，當(dāng)ρ0→0時(shí)，R=-1,電流趨向在ρ0介質(zhì)中分布，滲濾液減少。

ρS=ρ0-ρi

(1)

(2)

式中，ρS:殘值；R:視反射系數(shù)；ρ0：基準(zhǔn)測(cè)量電阻率(6月10日測(cè)量)；ρi：其它時(shí)間測(cè)量電阻率，i為測(cè)量的次數(shù)。

5.1 殘值成果

圖6為P2斷面不同時(shí)間的電阻率殘值等值圖。通過殘值可以看到，P2測(cè)線控制范圍內(nèi)，殘值在-2～11Ω·m。根據(jù)殘值物理意義，殘值大于0Ω·m的區(qū)域電阻率減小，滲濾液增加。堆體頂部電阻率整體變化較大，是堆體封頂?shù)乃鼗炷两?jīng)過雨水浸潤濕度明顯增大的結(jié)果。對(duì)SL1、SL2、SL4、SL5、SL8、SL9和SL10等幾個(gè)滲濾液匯聚通道，相對(duì)殘差值變化比較明顯的SL2、SL5、SL8和SL10，分析可能為大氣降水導(dǎo)致堆體頂部積水下滲形成滲濾液通道，在后期應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性防滲處理。

5.2 視反射系數(shù)

由于本次監(jiān)測(cè)目標(biāo)滲濾液富含金屬離子，為良導(dǎo)體，引入類似于反射系數(shù)的視反射系數(shù)(R)概念。通過R值等值圖，3次監(jiān)測(cè)電阻率中SL1的R值均接近-50%，說明SL1位置電阻率在持續(xù)增大，滲濾

圖6 P2線電阻率殘差圖Figure 6 Line P2 resistivity residuals

液在減少，SL5的R值在7、8月接近+40%，到9月回落到+10%左右，說明SL5點(diǎn)電阻率在7、8月份減小，到9月份開始增大，滲濾液呈先增后減的趨勢(shì)，SL10的R值從7月到9月有+60%減小到-40%，說明SL10點(diǎn)電阻率7月減小后到8、9月份持續(xù)增大，滲濾液呈先增后減的趨勢(shì)。其它異常位置R值變化較小，滲濾液變化不大。

從殘差和R值等值線異常對(duì)比可以看到，由于這2個(gè)參數(shù)均基于電阻率的數(shù)學(xué)計(jì)算，當(dāng)兩次測(cè)量電阻率相差較小時(shí)，采用R值等值線異常更明顯。

通過填埋場(chǎng)的時(shí)移電阻率監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)解釋的SL1、SL2、SL4和SL9電阻率隨時(shí)間推移在逐漸增大，分析為堆體內(nèi)填埋物經(jīng)過物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)形成的滲濾液在減少，SL5和SL10可能與堆體頂部積水區(qū)連通條件較好，容易受到大氣降水的影響。

圖7 P2線R值圖Figure 7 Line P2 R values

6 結(jié)論

對(duì)垃圾填埋場(chǎng)滲濾液監(jiān)測(cè)是保證填埋場(chǎng)安全運(yùn)營的基礎(chǔ)，通過對(duì)以高密度電法為基礎(chǔ)的時(shí)移電阻率法對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

①通過正演模擬分析，低電阻率特征的垃圾填埋場(chǎng)滲濾液采用溫納斯倫貝斯混合測(cè)深裝置具有較好的響應(yīng)特征，低阻異常中心與模型中心相對(duì)應(yīng)。

②本次試驗(yàn)的垃圾填埋場(chǎng)高密度電法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整體較低，滲濾液匯集區(qū)電阻率在0.06～1 Ω·m，低電阻率特征明顯。

③分析時(shí)移電阻率不同時(shí)間剖面的殘值和R值，可以對(duì)填埋場(chǎng)內(nèi)部滲濾液進(jìn)行定性分析。

通過本次試驗(yàn)證實(shí)，在垃圾填埋場(chǎng)采用高密度電法進(jìn)行滲濾液監(jiān)測(cè)具有較好的效果，對(duì)未預(yù)置監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的填埋場(chǎng)有非常好的推廣前景。