高密度电法与钻探法点面结合综合探查场地填埋层空间分布特征

当各类垃圾埋入地下后，垃圾渗滤液会逐渐由包气带渗入土壤中，对土壤环境造成一定影响。鉴于上部填埋层与下部原状土层之间会存在显著的物性差异，高密度电法定性探查精度有限，钻探勘察耗时耗力且成本高，两种方法优劣互补，对综合查明填埋层的空间分布特征具有实际应用意义。主要利用高密度电法无损探测和钻探法重点勘察的点面结合综合探查了某填埋场，查明了场地的地层结构及填埋层的空间展布情况，借助Volxer软件绘制了高密度电法反演形体渲染成果图，同时采用GMS软件构建了三维填埋层实体可视化模型，对比分析了两种手段的应用成果，为填埋场污染治理修复与风险管控提供了理论依据。

关键词：高密度电法；钻孔探查；三维可视化模型；Volxer与GMS联合；

现阶段地球物理探测技术作为一种无损探测手段在场地污染调查过程中发挥着越来越大的作用[1]。固体废弃物填埋是处置工业有害废物和居民生活垃圾的有效方式之一，其中常见的填埋场大部分露天，经长期降雨淋滤与垂向入渗作用，垃圾渗滤液可能会对土壤包气带造成污染影响，受地下水径流与污染运移等作用，进一步对地下水环境造成污染影响，因此精确探查固体废弃物填埋的空间分布特征对污染场地治理修复与风险防控具有实际意义。近年来，国内外很多学者致力于地球物理探测技术在场地环境调查中的应用[2-5]，鉴于高密度电法对填埋层的探查不够精准[6]，仅在面上初步定性识别场地污染特征，定性精度相对较差，而钻探探查填埋物时野外工作量大、成本高且耗时耗力等缺点对某些填埋场地调查并不适用，因此研究高密度电法无损探测与钻探法重点勘查的综合探查方法对获取场地填埋物的空间分布特征具有指导意义。

本文以天津市某填埋场为研究对象，采用了以高密度电法为“面”的无损探测和以钻探法为“点”的重点勘察，分析了物探反演解译成果与钻探勘察结果，同步借助Volxer软件绘制了高密度电法反演形体渲染成果图，利用GMS软件构建了三维填埋层实体可视化模型，研究了该填埋场场地填埋物的空间分布特征，并对比分析了两种探查手段的应用成果。

1 研究区概况

1.1 场地概况

项目位于天津市某填埋场，目前场地空置，整体较为平整，局部有少数土堆，场地环境现状详见图1。根据历年影像资料可知该填埋场的填埋历史较长，填埋层分布范围较大且填埋物种类繁多，主要包括各类生活垃圾及工程堆土、建筑装饰废料、混凝土残块等建筑垃圾。

图1 场地环境现状

Fig.1 Current situation of site environment

1.2 地层条件

依据《天津市地基土层序划分技术规程》(DB/T 29-191—2009)及水文地质勘察结果，场地地层按成因类型和沉积年代可划分为人工堆积层和第四纪松散沉积层，按地层岩性及其理化性质进一步划分为4个大层，分别是：第1大层即人工填土层，第2大层即全新统上组陆相冲积层，第3大层即全新统中组海相沉积层，第4大层即全新统下组陆相冲积层，地层特征详见表1。

表1 场地地层划分列表

Tab.1 Stratigraphic division of the site

结合渗透性对场地地层进行概化，主要概化为6层(表1)，然后利用Horizon法构建了Solid三维地层实体模型(图2)，可知：各地层在整个场地内基本分布连续，不同地层厚度不一，其中黏土④层在场地南侧与西南侧的分布缺失，详见地层单元纵切剖面图3。

图2 场地地层单元的三维空间展布图

Fig.2 Three dimensional spatial distribution of stratigraphic units in the site

图3 场地地层单元纵切剖面图

Fig.3 Longitudinal section of stratigraphic unit in the site

1.3 含水层特征

场地地表以下最大勘探深度范围内主要分布的浅层地下水类型为潜水，含水层整体赋存于粉砂、粉质黏土、粉土及淤泥质粉质黏土层中，其水力特性呈现微承压，其中场地南侧填埋垃圾厚度较大，已埋藏至潜水含水层中，垃圾渗滤液与下部潜水水力联系密切。据统计场地潜水含水层总厚度约为7.5～12.1 m，稳定水位埋深为2.32～6.16 m。

1.4 探查手段可行性

鉴于该场地为人工扰动的填埋场，填埋物质成分繁多且不稳定，其电性主要表现为高阻特征，下部的原状土稳定层电性特征为低阻反映，即填埋层与稳定的正常沉积层之间存在着显著的电性差异，为开展高密度电法工作提供了良好的地球物理条件；此外，场地整体较为平整，便于开展钻探勘察，即采用高密度电法为“面”与钻探法为“点”的综合探查方法对本填埋场适用。

综上，结合电阻率差异的电性模型特点，借助高密度电法物理探查方法能够查明填埋层与正常沉积层的界面，初步确定填埋层的分布情况；同时利用钻探勘察方法，对物理探查结果进行验证，最终确定填埋层的空间展布范围。

2 高密度电法以“面”无损探查

2.1 高密度电法定点测量

根据填埋场内的具体情况，高密度电法物理探查工作布置采取由北到南、从西至东的编号顺序，研究区共完成了10条剖面线的测量，各剖面线位置依据场地实际环境与工作条件等布设，长度分别为180、198、284和360 m不等，累计剖面线长度3.0 km，高密度电法剖面线布设详见图4。

图4 高密度电法剖面线实际布置图

Fig.4 Aactual layout of high density electrical profile

高密度电法采用温纳装置形式进行测量，测量点距2 m，隔离系数为1～10，保证了足够的探测深度和较高的分辨率。

2.2 高密度电法成果分析

根据图5高密度电法测量反演解释推断可知，全区地电断面特征基本一致，总体反映为近地表浅部为相对高阻层，表明了垃圾填埋层的垂向深度与水平展布情况，其中填埋层分界线详见图5。由此看出，垂向上相对高阻层多在2.1～11.0 m之间，最厚处可达14.0 m左右，初步推测是填埋层的反映，同时在不同剖面或相同剖面的不同区段，高阻异常场值及形态有较大变化，是由于填埋层的成分及埋藏厚度不等等情况造成的，呈现出填埋层极不均匀的状态特征[8]。

图5 高密度电法测量各剖面线反演解释推断图

Fig.5 Inversion, interpretation and inference of each profile line measured by high density electrical method

此外，在填埋层下方出现显著的低阻层，相应层位厚度较大，电阻率值一般在0.3～4.0 Ω·m之间，埋藏深度在地面以下3.0～15.0 m范围，主要是由富含盐碱水的淤泥质黏土等引起；再往深部的电阻率值逐渐升高，场值多在3.0～10.0 Ω.m之间甚至更高，分析认为是由于深部黏土层处于半凝结、凝结状态，其内部含水量变少，局部还有粉砂层的缘故所致，深部地层的界面相对平缓而且连续[9-10]。

根据各条剖面线上地表浅层电性异常的分布形态，用虚线对高阻异常进行了圈定，对应范围即为推断的填埋层。通过对各剖面线相交处推断填埋层对比分析，得出各剖面推断填埋层结果一致。从填埋层的反映结果得出场地各剖面线特征不尽相同，填埋层厚度不均一、成分种类繁杂，但总体分布比较连续。

借助Volxer软件利用上述所有电阻率数据模拟了场地高密度电法反演解释推断形体渲染成果图[11-12]，由此可以看出场地填埋层厚度自北向南逐渐增大，其中西南部填埋层厚度分布最大，详见图6。

图6 高密度电法反演数据形体渲染成果图

Fig.6 Rendering results of high density

electrical inversion data

3 钻探法以“点”探查填埋层

研究区原为某废弃物填埋场，依据高密度电阻率推断断面结果，同时结合钻孔验证数据(勘察孔布置详见图7)，初步确定杂填土层为填埋层，填埋物种类主要包括各类生活垃圾及工程堆土、建筑装饰废料、混凝土残块等建筑垃圾。

图7 钻探法勘察孔布置图

Fig.7 Layout of exploratory holes by drilling method

根据填埋层三维空间展布图8可知，平面上填埋层分布均匀，布满整个研究区；垂向上填埋层厚度不均，分别自北东向南西厚度逐渐增大；同时由填埋层厚度等值线分布特征(图9)可知，钻孔T13/T14以南的填埋厚度大于8 m，最厚处达13.5 m，而钻孔T13/T14以北的填埋厚度较小，普遍为2～4 m，即填埋厚度以钻孔T13/T14为界，南北两部分厚度发生突变，这与填埋物堆存与回填历史有关。

图8 场地填埋层的三维空间展布图

Fig.8 Three dimensional spatial distribution of

landfill layer in the site

图9 场地填埋层厚度等值线分布特征图

Fig.9 Contour distribution acteristics of

landfill thickness in the site

4 填埋层综合探查

汇总场地高密度电法反演推断成果与钻探勘察验证结果，两种手段整体上对填埋层空间分布的探查情况基本一致，分述如下：

(1)高密度电法剖面线A-A’、I-I’、G-G’、D-D’和E-E’分别穿过主要钻孔T16、T18、T5、T10和T11，垂向上高密度电法反演的填埋层深度与揭露的填埋物厚度基本一致，其中钻孔T18揭露填埋层(杂填土层)厚度为8.5 m，剖面线穿过钻孔T18位置的填埋层厚度为9.3 m，钻孔T11揭露填埋层(杂填土层)厚度为3.6 m，剖面线穿过钻孔T11位置的填埋层厚度为4.8 m，详见反演推断图5与典型钻孔柱状图10。

(2)高密度电法剖面线J-J’、C-C’分别穿过主要钻孔T23、T24，垂向上高密度电法反演的填埋层深度相对钻孔揭露的填埋物厚度较大，其中钻孔T23、T24揭露填埋层(杂填土层)厚度分别为8.0、9.5 m，剖面线穿过钻孔T23、T24位置的填埋层厚度分别为13.8、15.6 m，推测可能受地层含水率及岩性等影响，同时表明高密度电法无损探查填埋物的空间展布具有一定受限性，详见反演推断图5与典型钻孔柱状图10。

图10 场地典型钻孔柱状图

Fig.10 Site typical borehole histogram

(3)根据物探断面推断结果填埋层的平均厚度为6.80 m，场地内钻孔揭穿填埋层的累计厚度约为180.60 m，加权平均后，平均厚度约为6.65 m，两者数据非常接近，再次证实了高密度电法无损探查成果的真实性与可靠性。

5 结论

1)高密度电法测量反演解释推断结果总体反映了近地表浅部为相对高阻层，厚度多在2.1～11.0 m之间，最厚处可达14.0 m左右，初步认为是填埋层；同时在不同剖面或相同剖面的不同区段，高阻异常场值及形态有较大变化，这是由于填埋层的成分及埋藏厚度不等、成分种类繁杂等情况所造成，表现出填埋层极不均匀的状态特征，但总体分布比较连续。

2)根据钻探探查可知，平面上填埋层分布均匀，布满整个研究区；垂向上垃圾填埋厚度不均，分别自北东向南西厚度增大。

3)对比高密度电法和钻探探查垃圾填埋层的过程分析，综合考虑实际场地情况，在高密度电法精确度分析的短板上增加钻探实测，一方面可详细且精确地查明场地地层与填埋层的空间展布特征，另一方面也减少了工作量并节省了成本，对于今后的场地土壤污染调查具有一定指导意义。