牛真茹，李飛飛，袁 霆，蔡運(yùn)勝，張有軍*，劉仕剛

(1. 天津華北地質(zhì)勘查總院，天津 300170；2. 北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100089)

現(xiàn)階段地球物理探測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)損探測(cè)手段在場(chǎng)地污染調(diào)查過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用[1]。固體廢棄物填埋是處置工業(yè)有害廢物和居民生活垃圾的有效方式之一，其中常見的填埋場(chǎng)大部分露天，經(jīng)長(zhǎng)期降雨淋濾與垂向入滲作用，垃圾滲濾液可能會(huì)對(duì)土壤包氣帶造成污染影響，受地下水徑流與污染運(yùn)移等作用，進(jìn)一步對(duì)地下水環(huán)境造成污染影響，因此精確探查固體廢棄物填埋的空間分布特征對(duì)污染場(chǎng)地治理修復(fù)與風(fēng)險(xiǎn)防控具有實(shí)際意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于地球物理探測(cè)技術(shù)在場(chǎng)地環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[2-5]，鑒于高密度電法對(duì)填埋層的探查不夠精準(zhǔn)[6]，僅在面上初步定性識(shí)別場(chǎng)地污染特征，定性精度相對(duì)較差，而鉆探探查填埋物時(shí)野外工作量大、成本高且耗時(shí)耗力等缺點(diǎn)對(duì)某些填埋場(chǎng)地調(diào)查并不適用，因此研究高密度電法無(wú)損探測(cè)與鉆探法重點(diǎn)勘查的綜合探查方法對(duì)獲取場(chǎng)地填埋物的空間分布特征具有指導(dǎo)意義。

本文以天津市某填埋場(chǎng)為研究對(duì)象，采用了以高密度電法為“面”的無(wú)損探測(cè)和以鉆探法為“點(diǎn)”的重點(diǎn)勘察，分析了物探反演解譯成果與鉆探勘察結(jié)果，同步借助Volxer軟件繪制了高密度電法反演形體渲染成果圖，利用GMS軟件構(gòu)建了三維填埋層實(shí)體可視化模型，研究了該填埋場(chǎng)場(chǎng)地填埋物的空間分布特征，并對(duì)比分析了兩種探查手段的應(yīng)用成果。

1 研究區(qū)概況

1.1 場(chǎng)地概況

項(xiàng)目位于天津市某填埋場(chǎng)，目前場(chǎng)地空置，整體較為平整，局部有少數(shù)土堆，場(chǎng)地環(huán)境現(xiàn)狀詳見圖1。根據(jù)歷年影像資料可知該填埋場(chǎng)的填埋歷史較長(zhǎng)，填埋層分布范圍較大且填埋物種類繁多，主要包括各類生活垃圾及工程堆土、建筑裝飾廢料、混凝土殘塊等建筑垃圾。

圖1 場(chǎng)地環(huán)境現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of site environment

1.2 地層條件

依據(jù)《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》(DB/T 29-191—2009)及水文地質(zhì)勘察結(jié)果，場(chǎng)地地層按成因類型和沉積年代可劃分為人工堆積層和第四紀(jì)松散沉積層，按地層巖性及其理化性質(zhì)進(jìn)一步劃分為4個(gè)大層，分別是：第1大層即人工填土層，第2大層即全新統(tǒng)上組陸相沖積層，第3大層即全新統(tǒng)中組海相沉積層，第4大層即全新統(tǒng)下組陸相沖積層，地層特征詳見表1。

表1 場(chǎng)地地層劃分列表

結(jié)合滲透性對(duì)場(chǎng)地地層進(jìn)行概化，主要概化為6層(表1)，然后利用Horizon法構(gòu)建了Solid三維地層實(shí)體模型(圖2)，可知：各地層在整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)基本分布連續(xù)，不同地層厚度不一，其中黏土④層在場(chǎng)地南側(cè)與西南側(cè)的分布缺失，詳見地層單元縱切剖面圖3。

圖2 場(chǎng)地地層單元的三維空間展布圖Fig.2 Three dimensional spatial distribution of stratigraphic units in the site

圖3 場(chǎng)地地層單元縱切剖面圖Fig.3 Longitudinal section of stratigraphic unit in the site

1.3 含水層特征

場(chǎng)地地表以下最大勘探深度范圍內(nèi)主要分布的淺層地下水類型為潛水，含水層整體賦存于粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，其水力特性呈現(xiàn)微承壓，其中場(chǎng)地南側(cè)填埋垃圾厚度較大，已埋藏至潛水含水層中，垃圾滲濾液與下部潛水水力聯(lián)系密切。據(jù)統(tǒng)計(jì)場(chǎng)地潛水含水層總厚度約為7.5～12.1 m，穩(wěn)定水位埋深為2.32～6.16 m。

1.4 探查手段可行性

鑒于該場(chǎng)地為人工擾動(dòng)的填埋場(chǎng)，填埋物質(zhì)成分繁多且不穩(wěn)定，其電性主要表現(xiàn)為高阻特征，下部的原狀土穩(wěn)定層電性特征為低阻反映，即填埋層與穩(wěn)定的正常沉積層之間存在著顯著的電性差異，為開展高密度電法工作提供了良好的地球物理?xiàng)l件；此外，場(chǎng)地整體較為平整，便于開展鉆探勘察，即采用高密度電法為“面”與鉆探法為“點(diǎn)”的綜合探查方法對(duì)本填埋場(chǎng)適用。

綜上，結(jié)合電阻率差異的電性模型特點(diǎn)，借助高密度電法物理探查方法能夠查明填埋層與正常沉積層的界面，初步確定填埋層的分布情況；同時(shí)利用鉆探勘察方法，對(duì)物理探查結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定填埋層的空間展布范圍。

2 高密度電法以“面”無(wú)損探查

2.1 高密度電法定點(diǎn)測(cè)量

根據(jù)填埋場(chǎng)內(nèi)的具體情況，高密度電法物理探查工作布置采取由北到南、從西至東的編號(hào)順序，研究區(qū)共完成了10條剖面線的測(cè)量，各剖面線位置依據(jù)場(chǎng)地實(shí)際環(huán)境與工作條件等布設(shè)，長(zhǎng)度分別為180、198、284和360 m不等，累計(jì)剖面線長(zhǎng)度3.0 km，高密度電法剖面線布設(shè)詳見圖4。

圖4 高密度電法剖面線實(shí)際布置圖Fig.4 Aactual layout of high density electrical profile

高密度電法采用溫納裝置形式進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)距2 m，隔離系數(shù)為1～10，保證了足夠的探測(cè)深度和較高的分辨率。

2.2 高密度電法成果分析

根據(jù)圖5高密度電法測(cè)量反演解釋推斷可知，全區(qū)地電斷面特征基本一致，總體反映為近地表淺部為相對(duì)高阻層，表明了垃圾填埋層的垂向深度與水平展布情況，其中填埋層分界線詳見圖5。由此看出，垂向上相對(duì)高阻層多在2.1～11.0 m之間，最厚處可達(dá)14.0 m左右，初步推測(cè)是填埋層的反映，同時(shí)在不同剖面或相同剖面的不同區(qū)段，高阻異常場(chǎng)值及形態(tài)有較大變化，是由于填埋層的成分及埋藏厚度不等等情況造成的，呈現(xiàn)出填埋層極不均勻的狀態(tài)特征[8]。

圖5 高密度電法測(cè)量各剖面線反演解釋推斷圖Fig.5 Inversion, interpretation and inference of each profile line measured by high density electrical method

此外，在填埋層下方出現(xiàn)顯著的低阻層，相應(yīng)層位厚度較大，電阻率值一般在0.3～4.0 Ω·m之間，埋藏深度在地面以下3.0～15.0 m范圍，主要是由富含鹽堿水的淤泥質(zhì)黏土等引起；再往深部的電阻率值逐漸升高，場(chǎng)值多在3.0～10.0 Ω.m之間甚至更高，分析認(rèn)為是由于深部黏土層處于半凝結(jié)、凝結(jié)狀態(tài)，其內(nèi)部含水量變少，局部還有粉砂層的緣故所致，深部地層的界面相對(duì)平緩而且連續(xù)[9-10]。

根據(jù)各條剖面線上地表淺層電性異常的分布形態(tài)，用虛線對(duì)高阻異常進(jìn)行了圈定，對(duì)應(yīng)范圍即為推斷的填埋層。通過(guò)對(duì)各剖面線相交處推斷填埋層對(duì)比分析，得出各剖面推斷填埋層結(jié)果一致。從填埋層的反映結(jié)果得出場(chǎng)地各剖面線特征不盡相同，填埋層厚度不均一、成分種類繁雜，但總體分布比較連續(xù)。

借助Volxer軟件利用上述所有電阻率數(shù)據(jù)模擬了場(chǎng)地高密度電法反演解釋推斷形體渲染成果圖[11-12]，由此可以看出場(chǎng)地填埋層厚度自北向南逐漸增大，其中西南部填埋層厚度分布最大，詳見圖6。

圖6 高密度電法反演數(shù)據(jù)形體渲染成果圖Fig.6 Rendering results of high density electrical inversion data

3 鉆探法以“點(diǎn)”探查填埋層

研究區(qū)原為某廢棄物填埋場(chǎng)，依據(jù)高密度電阻率推斷斷面結(jié)果，同時(shí)結(jié)合鉆孔驗(yàn)證數(shù)據(jù)(勘察孔布置詳見圖7)，初步確定雜填土層為填埋層，填埋物種類主要包括各類生活垃圾及工程堆土、建筑裝飾廢料、混凝土殘塊等建筑垃圾。

圖7 鉆探法勘察孔布置圖Fig.7 Layout of exploratory holes by drilling method

根據(jù)填埋層三維空間展布圖8可知，平面上填埋層分布均勻，布滿整個(gè)研究區(qū)；垂向上填埋層厚度不均，分別自北東向南西厚度逐漸增大；同時(shí)由填埋層厚度等值線分布特征(圖9)可知，鉆孔T13/T14以南的填埋厚度大于8 m，最厚處達(dá)13.5 m，而鉆孔T13/T14以北的填埋厚度較小，普遍為2～4 m，即填埋厚度以鉆孔T13/T14為界，南北兩部分厚度發(fā)生突變，這與填埋物堆存與回填歷史有關(guān)。

圖8 場(chǎng)地填埋層的三維空間展布圖Fig.8 Three dimensional spatial distribution of landfill layer in the site

圖9 場(chǎng)地填埋層厚度等值線分布特征圖Fig.9 Contour distribution characteristics of landfill thickness in the site

4 填埋層綜合探查

匯總場(chǎng)地高密度電法反演推斷成果與鉆探勘察驗(yàn)證結(jié)果，兩種手段整體上對(duì)填埋層空間分布的探查情況基本一致，分述如下：

(1)高密度電法剖面線A-A’、I-I’、G-G’、D-D’和E-E’分別穿過(guò)主要鉆孔T16、T18、T5、T10和T11，垂向上高密度電法反演的填埋層深度與揭露的填埋物厚度基本一致，其中鉆孔T18揭露填埋層(雜填土層)厚度為8.5 m，剖面線穿過(guò)鉆孔T18位置的填埋層厚度為9.3 m，鉆孔T11揭露填埋層(雜填土層)厚度為3.6 m，剖面線穿過(guò)鉆孔T11位置的填埋層厚度為4.8 m，詳見反演推斷圖5與典型鉆孔柱狀圖10。

(2)高密度電法剖面線J-J’、C-C’分別穿過(guò)主要鉆孔T23、T24，垂向上高密度電法反演的填埋層深度相對(duì)鉆孔揭露的填埋物厚度較大，其中鉆孔T23、T24揭露填埋層(雜填土層)厚度分別為8.0、9.5 m，剖面線穿過(guò)鉆孔T23、T24位置的填埋層厚度分別為13.8、15.6 m，推測(cè)可能受地層含水率及巖性等影響，同時(shí)表明高密度電法無(wú)損探查填埋物的空間展布具有一定受限性，詳見反演推斷圖5與典型鉆孔柱狀圖10。

圖10 場(chǎng)地典型鉆孔柱狀圖Fig.10 Site typical borehole histogram

(3)根據(jù)物探斷面推斷結(jié)果填埋層的平均厚度為6.80 m，場(chǎng)地內(nèi)鉆孔揭穿填埋層的累計(jì)厚度約為180.60 m，加權(quán)平均后，平均厚度約為6.65 m，兩者數(shù)據(jù)非常接近，再次證實(shí)了高密度電法無(wú)損探查成果的真實(shí)性與可靠性。

5 結(jié)論

1)高密度電法測(cè)量反演解釋推斷結(jié)果總體反映了近地表淺部為相對(duì)高阻層，厚度多在2.1～11.0 m之間，最厚處可達(dá)14.0 m左右，初步認(rèn)為是填埋層；同時(shí)在不同剖面或相同剖面的不同區(qū)段，高阻異常場(chǎng)值及形態(tài)有較大變化，這是由于填埋層的成分及埋藏厚度不等、成分種類繁雜等情況所造成，表現(xiàn)出填埋層極不均勻的狀態(tài)特征，但總體分布比較連續(xù)。

2)根據(jù)鉆探探查可知，平面上填埋層分布均勻，布滿整個(gè)研究區(qū)；垂向上垃圾填埋厚度不均，分別自北東向南西厚度增大。

3)對(duì)比高密度電法和鉆探探查垃圾填埋層的過(guò)程分析，綜合考慮實(shí)際場(chǎng)地情況，在高密度電法精確度分析的短板上增加鉆探實(shí)測(cè)，一方面可詳細(xì)且精確地查明場(chǎng)地地層與填埋層的空間展布特征，另一方面也減少了工作量并節(jié)省了成本，對(duì)于今后的場(chǎng)地土壤污染調(diào)查具有一定指導(dǎo)意義。