填埋場滲漏磁法檢測的噪聲來源與剔噪方法綜述

能昌信，賈兆志，劉寬，孫新宇，錢璨，劉玉強，姚光遠，徐亞*

1.山東工商學院信息與電子工程學院

2.中國環境科學研究院

3.河北省張家口生態環境監測中心

填埋是固體廢物集中處置的主要手段，填埋場則是固體廢物對地下水污染集中發生的場所[1]。近年來，隨著“3R（reduce,reuse,recycle）”[2]理念的盛行，固體廢物資源化比例上升，填埋占比在發達國家和部分發展中國家有所下降。然而，作為固體廢物的最終處置方式，其在全球固體廢物管理中仍然占據主導地位[3]。全世界收集的生活垃圾中，70%左右通過填埋方式處置，用于物質再循環和能源回收的分別僅占19%和11%。作為世界排名前2 位的經濟體，中國和美國的垃圾填埋量均接近1 億t/a，占其收集量的57%以上，歷年累計填埋量分別接近20 億和70 億t[4]。與此同時，固體廢物及其次生降解產物（滲濾液）中含有多種持久性、累積性的危害物質，如重金屬、持久性有機污染物（POPs）等。盡管現代工程填埋場試圖通過多層復合屏障等冗余式設計、嚴格的工程質量控制（QC）和工程質量保障（QA）等將防滲層的破損和滲濾液的滲漏控制到最小化的水平，但由于防滲工程材料HDPE 膜在使用過程中可能會出現次生漏洞，滲漏仍難以完全避免[5]。鑒于全球歷年累積的巨大固體廢物填埋量以及填埋場的廣泛分布，填埋場帶“病”運行，可能產生全球性的長期環境損害和人體健康危害。

填埋場的普遍滲漏和滲漏后的嚴重危害凸顯了對其防滲HDPE 膜進行破損檢測和漏洞定位的重要性。及時探測并精確定位HDPE 膜的缺陷，進而及時對其修補，可以有效避免滲濾液等有害物質泄漏和環境污染，節省巨額的土壤和地下水體污染修復費用[6]。不少學者對填埋場滲漏檢測進行了研究，如能昌信等[7]構建了高壓直流電法的等效模型，并利用該模型研究了電學滲漏檢測場景下的填埋場及漏洞處的電學特性；管紹朋等[8]通過構建缺陷的探測模式，探討了在雙襯層填埋場用電學方式探測缺陷的基本原理，并推導出了檢測層中的電勢分配規則；楊萍等[9]開展了偶極子法防滲膜滲漏檢測研究，分析了膜上介質厚度對偶極子檢測的影響；張辰等[10]構建了電極陣列，采用分區檢測、多點供電的方式實現填埋場滲漏檢測?？偟膩砜?，基于電學方法的滲漏檢測是目前填埋場防滲層檢測的最有效方法[11-13]。

然而，傳統電學滲漏檢測在針對雙層襯墊或多層襯墊系統中的下層襯墊檢測時會失效。原因是電學方法是根據檢測對象上方介質的電勢及其異常進行定位，而雙層襯墊中下層襯墊上方是絕緣的上層襯墊，難以形成電勢分布。由畢奧-薩伐爾定律可知，下層膜漏洞處的電流會產生磁場[14]。因此，通過磁場信號，磁法可能彌補這一缺陷，可以實現對下層膜的檢測。但是磁法產生的信號較為微弱，可能會受周圍背景磁場的影響。因此識別填埋場的背景磁噪聲，并提出相應的去噪方法對于開展磁法滲漏檢測具有重要意義[15]，但該方面的研究卻鮮見報道。

為彌補上述不足，筆者擬開展文獻和理論研究，分析填埋場的電磁噪聲來源和噪聲信號特征，以及去噪的方式。結合填埋場實際條件，系統識別可能存在的地電噪聲、人文噪聲等干擾源，結合其產生原因、特征等，篩選適宜的噪聲剔除方法，以期為后續進一步開展磁法滲漏檢測研究提供基礎。

1 磁法檢測的原理和磁異常信號的強度特征

1.1 磁法檢測的基本原理

傳統電法滲漏檢測的原理是在防滲膜上方和下方鋪設點電極，對2 個電極施加高壓直流電，由于防滲膜具有電絕緣性，電流會通過漏洞流出，形成電流通路[16]。通過利用電壓檢測儀采集目標防滲膜上方介質的電勢分布，可以根據電勢或電勢差異常對漏洞進行定位。然而，在雙層或多層防滲結構下，下層膜上方被絕緣的上層膜覆蓋，無法采集到下層膜的電勢分布，因而也無法對漏洞進行定位。磁法檢測是在電法基礎上，通過使用高精度磁力儀在漏洞上方捕捉漏洞磁場信號來定位漏洞。漏洞處的磁場信號強度數值上可以用空氣中的磁場信號強度來等效代替，因為土壤、2 層土工膜（HDPE 膜）以及雙層膜之間的導排層這3 種磁介質和磁感應強度之比接近于1，即磁導率均接近于1，空氣中的磁場信號由漏洞處的磁場傳導而來[16]。

由畢奧-薩伐爾定律可知，恒定電流元可以激發磁場。對于雙襯層填埋場，在下層HDPE 膜兩側施加高壓直流電，通過測量漏洞處電流產生的磁場（目標磁場）實現對漏洞定位，從而實現對雙襯層填埋場下層HDPE 膜的破損檢測。圖1 為雙襯層填埋場下層HDPE 膜破損檢測原理。

圖1 雙襯層填埋場下層HDPE 膜破損檢測原理[16]Fig.1 Principle diagram of HDPE membrane damage detection in the lower layer of double lining landfill

1.2 磁異常信號的強度特征

根據上述磁法檢測原理，漏洞位置處的磁特征信號強度主要影響因素包括流經漏洞電流、流經HDPE 膜上潮濕石子電流和流入HDPE 膜下大地電流。漏洞處的電流受激勵電壓、傳感器的位置、供電電極的位置、漏洞的位置和大小等因素影響。

理論上，磁場強度與電流成正比，據此推算由于漏洞產生的磁異常強度應該要求精度在1 nT 以下。馬彪彪等[15]現場試驗結果表明，施加高壓直流電前后，HDPE 膜漏洞附近的磁感應強度存在明顯差異，差值可達0.5～1.0 nT；孫新宇[16]通過高仿真數值模擬模型和現場試驗表明，在供給電極高壓直流穩壓電源并向導排管內注入鹽水的狀態下，膜漏洞附近電流可高達10 A，對應漏洞處磁場強度可達到13 nT。

2 填埋場電磁噪聲來源及特征

2.1 主要噪聲來源

基于雙襯層填埋場下層膜破損檢測的磁法原理，是通過檢測下層HDPE 膜漏洞處的磁場信號來定位漏洞[16]。而漏洞處的磁場信號是多種磁場疊加產生的。雙襯層填埋場下層膜下與大地連接，而地球自身就是一個磁場，因此，填埋場的磁場包含地磁場。同時，人類在鋪設填埋場覆蓋層或進行其他檢測修理的作業活動時也會產生一定的磁場。所以，填埋場電磁噪聲的干擾主要來自大地電磁噪聲和人文電磁噪聲[16]。

如表1 所示，根據噪聲來源，大地電磁噪聲分為外部干擾源和內部干擾源。內部干擾源主要是起源于固體地球內部（即內源場），包括起源于地核的主磁場（地核場）和起源于地殼的巖石圈磁場（地殼場）[17]，比較穩定，屬于靜磁場，如礦井、地下水等地質噪聲。外部干擾源起源于固體地球外部（即外源場），主要分布在地球的磁層和電離層，其產生與星際空間中的電流體系相關。雖然它們相對較微弱[18]，但卻是驅動地球磁場變化的主要因素。這些外部干擾源在空間電磁環境中形成，然后通過復雜的相互作用影響地球磁場。地球磁變化場可分為平靜變化和干擾變化兩大主要類型，這些變化磁場涵蓋了地磁場的各種短期變化，如太陽活動和磁暴等現象?？梢哉f，外部干擾源通過與地球磁場相互作用，引發了這些磁場的變化。人文電磁噪聲主要有人員及設備的影響因素，人員因素包括人員走動、人員密集度，設備因素包括填埋場機械設備、電力設備、通訊設備等[16]。

表1 填埋場電磁噪聲主要來源Table 1 Sources of electromagnetic noise in landfills

2.2 大地電磁噪聲來源及其特征

2.2.1 大地電磁噪聲的來源

大地電磁噪聲疊加在地磁場中，地磁場是指地球內部存在的天然磁性現象，由地球內部磁性巖石及分布于地球內部和外部的電流產生的多種磁場疊加形成[19]。地磁場由地核場、地殼場和變化磁場3 部分組成。地核場又稱主磁場，占總磁場的95%以上，是由地核磁流體發電機過程產生的，具有長期變化和倒轉的特點，其變化尺度可達千百甚至萬年；地殼場占總磁場的4%，由地殼和上地幔中的磁性巖石所產生，并且基本穩定；變化磁場占總磁場的1%以下，受太陽、磁暴和亞磁暴、地磁擾動等干擾[20]，其特點是隨時間變化劇烈。

然而，地磁場并不總是保持穩定，它會受到來自大地電磁噪聲的干擾。大地電磁噪聲的主要來源分為地磁日變、地磁擾動和地質噪聲。地磁日變是受太陽活動影響而產生的以太陽日為周期的地磁場變化，幅度相對穩定，振幅約為102nT；地磁擾動是受雷電、磁暴和亞磁暴等干擾引起的。這些擾動會導致地磁場的強度和方向發生劇烈變化，頻率范圍通常在10?4～104Hz[21]；地質噪聲主要由地下的地質結構和地球物理現象引起的，特別是地下鐵磁性礦藏對地磁場分布產生影響。這些不同來源的噪聲共同影響地磁場的強度和方向，導致地磁場中存在各種頻率和振幅的電磁噪聲，形成了復雜的地磁場分布。

綜上所述，地球的地磁場由地核場、地殼場和變化磁場組成，但受到來自地磁日變、地磁擾動和地質噪聲的影響，產生了復雜多樣的電磁噪聲，進而影響了地磁場的強度和方向分布。

2.2.2 大地電磁噪聲的特征

地磁日變、地磁擾動和地質噪聲之間可能有一定的重疊和交叉影響。地磁日變在1 個太陽日的時間尺度內發生變化，受緯度影響較大。季節性差異和晝夜差異是地磁日變的顯著特征。夏季地磁日變波動幅度通常高于冬季，而白天地磁場變化劇烈，峰值高于30 nT，夜間變化相對平緩，峰值低于10 nT，全球最大日變化量為30～200 nT[22]。不同地區的緯度差異也會導致地磁日變曲線的差異。

地磁擾動是指非周期性的短期磁場變化，擾動變化有時可達103nT，主要表現為地球磁暴現象。典型的磁暴表現為持續時間短暫但強度很大，同時頻率范圍很廣。它的形態特征呈現出三角波形狀，初相比較陡峭，而恢復相的變化趨勢則相對平緩。具體而言，在某典型磁暴中，15:30 是磁暴初相值最高的時刻，到17:00 則衰減至0。整個過程中，地磁場的方向和強度會瞬間發生變化，持續時間短暫、強度大、頻率范圍廣[23]。

地質噪聲是由地球內部結構和介質導致的磁場變化，包括地殼運動、巖漿活動、地震、地熱流等。地質噪聲的特征是持續時間較長、幅度相對較小，頻率范圍較窄，并且對自然電場的影響較小，其電勢強度為幾十～1 000 mV/km。當淺層介質的導電性不均勻時，會引起電流分布的不同，特別是地下鐵磁性介質會引起地磁場局部異常分布[24]。

2.3 人文電磁噪聲的來源及特征

填埋場中人文電磁噪聲來源廣泛，主要包括以下幾方面：1）機械設備運行所產生的噪聲，填埋場中常見的機械設備包括推土機、挖掘機、破碎機等，這些設備的運行會產生較大的機械噪聲，其中工程車輛產生的地磁干擾占比最大，一般速度為20 km/h 的重型汽車在直線距離10 m 時對地磁場的垂直干擾達到15 nT，在30 m 處基本衰減完畢。2）垃圾處理過程中的電器設備噪聲，如軋機、壓縮機、輸送機等，這些設備通常使用電力驅動，因此在其運行時也會產生一定的電磁輻射和電磁噪聲。3）外部環境干擾，如雷電、通信設施、航空器、無線電設備等外部因素的電磁干擾也會產生一定的電磁噪聲。雷雨惡劣天氣發生時，強大的閃電電流，引起電磁場、光輻射、沖擊波和雷聲等物理效應[25]；通信設施，特別是無線通訊設備在信號的傳遞、輸送過程中會產生高頻噪聲。4）填埋場工作人員及測試人員隨身攜帶的鑰匙等具有鐵磁性質的物品會產生一定的磁場，但是對整體的磁場影響效果不大，可通過人員自身控制并消除干擾。

總體來說，填埋場中的人文電磁噪聲具有以下特征：電磁波頻率范圍較廣，涵蓋從低頻到高頻的范圍；電磁場強度較大，特別是在電力設備運行過程中，能量分布不均勻，有些頻段的輻射強度比其他頻段更突出。隨環境和設備的變化而變化，不同時間段和地點的電磁噪聲強度和頻率特征都可能存在差異。

3 電磁噪聲的去除方式

3.1 檢測前的預處理

在進行填埋場地磁噪聲檢測之前，需要進行以下預處理操作：1）清理填埋物表面和周圍環境。清除填埋物表面和周圍環境上的金屬和其他雜物，以避免它們對磁場測量數據產生影響。2）建立基準點。在填埋場地周圍建立基準點，用于進行后續的數據處理。3）進行基線校準。通過采集基準點和填埋場地內不同位置的磁場數據，對基線進行校準，以消除儀器誤差和漂移等因素對數據的影響。4）確定測量方向。確定磁場測量方向和距離，以確保測量數據的精度和可靠性。5）選取合適的磁場檢測儀器。選擇能夠滿足填埋場地尺寸和深度要求的磁場檢測儀器，并進行儀器校準和質量控制。6）排除填埋場可控的噪聲干擾。

排除噪聲的干擾主要是移除現場人員隨身攜帶的或現場設備的鐵磁性材料，這些材料一般屬于可控干擾源。典型來源包括填埋場機械、車輛等；現場工作人員攜帶的鐵磁性物品如鐵腰帶，鐵拉鏈、鐵勞保鞋、手表、金屬眼鏡，錘子、螺絲刀等工具。對于這些噪聲源，在磁法檢測前要求在場人員去除攜帶的上述鐵磁性物品；確認50 m 以內沒有施工機械、運輸車輛的干擾；對于其他目標檢測區域內殘留的鐵磁性材料，手動移除使之處于擾動距離外[16]。

3.2 檢測過程中的去噪

在填埋場地磁噪聲檢測過程中，根據噪聲的頻率特征不同，可分為低頻噪聲和高頻噪聲。針對這2 種不同類型的噪聲，填埋場地磁噪聲的去除方式包括以下幾種：工頻濾波、差分濾波、空間多極子展開法、低通濾波、磁場梯度測量法。檢測過程中的去噪方式及其原理和效果如表2 所示。

表2 檢測過程中的去噪方式、原理及效果Table 2 Method,principle and effect of denoising in the detection process

不同的去噪方法適用于不同的噪聲場景和應用需求。工頻濾波、差分濾波、空間多極子展開法均可去除低頻噪聲。其中，工頻濾波簡單實用，適用于去除特定頻率的低頻噪聲；差分濾波適合去除共模噪聲和高頻瞬時噪聲；空間多極子展開法可以去除環境和人為因素產生的低頻噪聲，對數據處理要求較高。低通濾波、磁場梯度測量法均適用于去除高頻噪聲，且磁場梯度測量法能夠提高信號的精度和分辨率，適用于去除高頻振動和電器設備干擾等高頻環境噪聲。

相對于其他復雜的濾波方法，差分濾波方法在填埋場地中具有較好的噪聲去除效果。這是由于填埋場地的磁噪聲包含許多高頻成分，如機械振動、電器設備干擾等。差分濾波方法通過對數據進行微分處理，可以濾除高頻噪聲和低頻漂移信號，同時消除填埋場地內部的常規性噪聲和系統誤差，保留較為穩定和準確的磁場梯度信號。

為驗證差分濾波方法的科學性和有效性，在新疆某填埋場選擇差分采集方式進行工程現場降噪的有效性驗證。該試驗使用2 組磁力儀，在1 m 間距的支架上固定2 個磁探頭，并記錄2 個磁力儀的測量數據。磁場信號以1 次/s 的速度進行采集，總共采集了2 000～8 000 s 的數據，共計6 000 個。圖2顯示了#1 和#2 設備分別測量的背景磁場圖像及差分結果。2 臺設備單獨測試數據的最大值和最小值之差分別為3.85 和3.26 nT；通過差分后的數據對比可見，最大值和最小值的差異明顯減小，僅為1.13 nT，表明差分濾波方法在填埋場背景磁場采集中起到了有效的降噪作用[16]。

圖2 填埋場背景磁場差分方式采集[16]Fig.2 Collection of background magnetic field of landfill by differential method[16]

4 結論

（1）當電流通過漏洞附近的區域時，漏洞距離越近，其磁場信號就會越強。磁通量密度與電流強度成正比，即電流強度越大，磁通量密度就越大。在供電電極處也會出現與漏洞磁場相同的特征信號，從而干擾周圍的漏洞磁場特征。而電流強度越大，漏洞處的磁場信號也會越強。此外，漏洞處的磁場強度越大，對周圍的影響范圍也就越遠。

（2）填埋場噪聲主要由地磁場和人造磁場引起的。其中，地磁噪聲可以分為地磁日變、地磁擾動和地質噪聲3 類。地磁日變產生周期為太陽日的變化，與太陽活動有關。地磁擾動則是由于雷電、磁暴、亞磁暴以及地磁脈動等干擾所致。而地質噪聲主要來自地下礦藏、水體等自然因素。人文電磁噪聲主要是由電力網線、通訊設備、工程車輛以及測試人員攜帶的鐵磁性材料引起的磁場變化而產生的噪聲。

（3）填埋場不同的噪聲源具有不同的噪聲信號特征，需要根據不同的噪聲特征，選用不同的剔除方式。填埋場去噪主要采用2 個步驟，包括檢測前的預處理、檢測過程中的噪聲去除。檢測前要確認沒有施工機械或運輸車輛的干擾，并手動移除噪聲源使之處于擾動距離外。檢測過程中的主要去噪方式有5 種，對于50 Hz 的噪聲采用工頻濾波去除；對于高頻信號噪聲采用低通濾波去除；對于共模噪聲采用差分濾波的方式去除；空間多極子法和磁場梯度測量法可以去除低頻噪聲、高頻噪聲和系統誤差。為了更好地降低填埋場中的噪聲干擾影響，在噪聲的降低和去除方面可進一步研究采用線纜測試裝置或者點陣測試裝置的可行性。