利用填埋场场外电极定位HDPE膜渗漏位置的方法、装置

本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种用于利用填埋场场外电极定位hdpe膜渗漏位置的方法及其装置。

背景技术：

1、目前，在固体垃圾填埋场建设期间，为防止垃圾在堆积过程中产生的渗滤液污染地下环境，通常采用hdpe膜进行防渗。然而，在填埋场运营期间，由于渗滤液的腐蚀、地质结构改变等原因，会造成hdpe膜不同程度的破损。为保护地下水及周围环境，需对hdpe膜渗漏位置进行精确定位，为后期精准修复提供位置信息。现有防渗层渗漏位置在线检测方法主要有电极栅格法、传输线法、光纤测温法等。电极栅格法应预先在膜下布设网状分布的检测电极，测量膜下介质的电势实现渗漏定位，缺点是检测电极容易被渗滤液极化，不能更换；传输线法利用分布参数的变化，运用边界响应异常实现定位，缺点是导电纤维易发生位移；光纤测温法利用温度变化异常实现定位，缺点是容易加速hdpe膜老化。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、操作简便的利用填埋场场外电极定位hdpe膜渗漏位置的方法。

2、为了解决上述技术问题，本技术提供了如下技术方案：

3、本发明一种利用填埋场场外电极定位hdpe膜渗漏位置的方法，包含步骤：

4、1)在深度填埋条件下(即已运营的垃圾填埋场)，将电极采用平行式布设在填埋场场外边坡hdpe膜下近地表面；

5、2)对膜下天然基础层进行电透视

6、本步骤是利用渗漏区与背景区的电阻率差异特性，将平行式布设的电极中对称的电极分别作为供电及检测电极，分析膜下介质的电学参数，具体步骤为：

7、将一侧电极设为激励，采用轮流供电模式，而对侧作为检测电极同步接收激励信号，依据上述过程完成底库天然基础层的扫描，得到自然电位分布，经a/d转换，送上位机储存；

8、3)根据电透视结果对低阻异常区进行反演成像实现hdpe膜破损位置的精确定位

9、将电位信息转换为视电阻率，进行反演，层析成像天然基础层，识别低阻异常区，对hdpe膜渗漏位置进行定位。

10、本发明一种利用填埋场场外电极定位hdpe膜渗漏位置的方法，其中所述步骤2)为检测主机使检测区域(11)一侧电极为供电电极，对侧电极作为检测电极，m1号电极供电时，对侧电极同时采集自然电位数据m1-n1，m1-n2，m1-n3，……m1-n8……；m2号电极供电时，对侧电极采集m2-n1，m2-n2，m2-n3，……m2-n8……；m3号电极供电时，对侧电极采集m3-n1，m3-n2，m3-n3，……m3-n8……；依此类推，待供电电极(10)全部供电完成后，检测主机互换两侧供电及检测电极，两侧电极(11)依次供电完成后得到覆盖检测区域(m×n)×2条电信号传感路径依据上述过程完成膜下自然电位数据的采集。

11、较佳的是，该方法的电场响应计算方法如下：

12、基于hdpe膜的高阻特性，电流密度在膜层分界面产生畸变，电场能量主要集中在膜下天然基础层中，因此膜下电场边界条件满足：

13、nj＝0#(1)

14、式(1)中，n为法向单位矢量；j为电流密度；

15、在点电流源作用下，底库下天然基础层中任意位置处的电势满足微分方程

16、

17、式(2)中，σ为电导率，s/m；u为电势，v；i为电流源的电流强度，a；(x,y,z)为任意一点坐标，(x0,y0,z0)为供电点坐标，m；δ为dirac函数；

18、在膜下均匀介质中点电源电场作用下，底库膜下任一点电位表达式为

19、

20、式(3)中，u0为任意点电位，v；ρ1为背景电阻率，(ω·m)；r为任一点与点电源的空间距离，m；

21、当hdpe膜下存在电阻率为ρ2的渗漏区域，渗漏区域内任一点电位为

22、u＝u0+u1#(4)

23、式(4)中，u和u1分别为任意点的总电位和异常电位，v；

24、设a为供电点，m为电极检测点；r为供电点到检测点的距离；d和r分别为供电点和检测点到渗漏区域内任一点的距离；

25、渗漏区域内任一点产生的异常电位满足拉普拉斯方程

26、

27、式(5)中，θ为渗漏区域内任一点与供电点和检测点连线的夹角；

28、结合稳定电流场的边界条件可得渗漏区域任意一点异常电位为

29、

30、式(6)中，kn(cosθ)为legendre函数；

31、将式(6)代入式(4)可得渗漏区域内任意一点的电位。

32、较佳的是，该方法的定位分析包含步骤：

33、将底库下的检测区域剖分成nx×ny×nz三维网格，电极检测到的电位数据d＝(u1,u2,u3,…uq)t，q是观测数据的数量，电位数据满足三维poisson方程：

34、

35、式(7)中：ρ为介质电阻率，(ω·m)；为空间中任一点电位，v；i为供电电流，a；δ为dirac函数，(x,y,z)为目标点坐标，(x0,y0,z0)为供电点坐标；

36、根据公式(8)将电位数据转换成视电阻率dbot

37、

38、式(8)中：u为测量点电位，v；i为供电电流强度，a；k为装置系数；

39、采用变网格有限体积法对膜下三维网格空间离散化，离散化后的视电阻率矩阵为：

40、[tb(σ)g]a-1(σ)p＝p#(9)

41、式(9)中，t,g为二阶的三维有限差分散度和梯度算子；b(σ)为电阻率的对角矩阵；a-1(σ)为正演逆矩阵算子；p为点电源的位置向量；

42、建立初始模型参数m＝(ρ1,ρ2,ρ3,…ρm)t，获得理论视电阻率g(m)，m是参与反演的网格数量，将模型参数与观测数据进行拟合逼近，建立反演模型目标函数o(m)为

43、o(m)＝[dbot-g(m)]twd[dbot-g(m)]+αmtrm#(10)

44、式(10)中，dbot为观测视电阻率；g(m)为理论视电阻率；wd为权系数矩阵；m为模型向量；α为光滑因子；r为光滑度矩阵；

45、为使目标函数o(m)达到最小，采用迭代求解，迭代过程中模型参数修改量δm由式(11)确定

46、(jtwdj+αr)δm＝jtwd[dbot-g(m)]#(11)

47、式(11)中为jacobian矩阵

48、当目标函数o(m)最小时，反演模型中模型参数与观测数据在光滑约束下达到最小拟合。根据模型修改量得到新的模型参数，计算rms(视电阻率矩阵拟合平方根)判断是否达到反演终止条件，其rms表达式为：

49、

50、式(12)中：n为观测数据的个数，di是第i个观测数据，是关于拟合向量的函数，以rms变化率小于1.5％为条件停止反演；

51、当视电阻率矩阵拟合平方根达到拟合精度输出电阻率模型，将满足拟合精度的电阻率模型进行成像，即能定位底库hdpe膜渗漏位置。

52、本发明还提供了应用于所述的利用填埋场场外电极定位hdpe膜渗漏位置的方法的装置，该装置的渗漏检测系统由检测主机a和检测主机b及电极构成，两个主机通过上位机互换信息，且组成相同，均包含信号发射电路、信号调理电路、采样保持电路、a/d转换电路、主控芯片及电极状态开关、多路转换开关组成，该系统将电源通过多路转换开关对供电电极依次供电，检测到的模拟信号经过信号调理电路对其进行调制放大并滤除杂波，调理好的信号经a\d转换后输送到主控芯片中，上位机提取主控芯片中的电学参数进行转换并对其反演成像，定位hdpe膜渗漏位置。

53、较佳的是所述信号发射电路采用h桥逆变电路，采用四片型号为tlp250功率驱动器对全桥电路进行驱动；通过控制tlp250的开通和关断实现直流电压正负极性脉冲信号的产生，发射信号由ab两端输出。

54、较佳的是，为了满足信号采集时检测电极同时工作的需求，a/d转换器转换的模拟信号必须是同一时刻的模拟信号，在a/d转换器前端设置所述的采样保持电路。

55、综上，因渗滤液会造成膜下介质出现低阻异常，本发明利用并行电法对膜下天然基础层进行电透视，可通过对膜下天然基础层反演成像实现hdpe膜渗漏位置的定位。有效地克服了现有检测方法需在填埋场运营前铺设检测系统以及电极易腐蚀、不能更换、发生位移、对hdpe膜造成二次损伤、高成本等缺点。

56、与现有技术相比，本发明一种利用填埋场场外电极定位hdpe膜渗漏位置的方法至少具有以下有益效果：

57、1)该检测方法不需要预先布置电极，检测速率快。

58、2)检测过程智能化，能根据需要及时更换被极化的电极。

59、3)电极采用平行式布设在近地表面，不会发生位移、不易被腐蚀。

60、4)不会对hdpe膜产生二次破坏。

61、5)在定位算法上，优化了正演模型，缩短计算时间。

62、下面结合附图对本发明一种利用填埋场场外电极定位hdpe膜渗漏位置的方法作进一步说明。