一种用于已关闭垃圾填埋场泄漏点平面定位的低成本方法

《Waste Management》：A low-cost method for planar localization of leakage points in closed landfills

　　

•微创电法实现了填埋场衬垫泄漏的快速定位。
•正交电极和仿真揭示了泄漏电场特征。
•物理建模和现场实验证实了所提出方法的可靠性。
•该方法具有成本低、现场部署容易和操作简单的特点。

Introduction
填埋场是全球固体废物处置的主要方法。全球每年产生约 20 亿吨城市固体废物（MSW），且这一数字仍在持续上升。其中，超过 40% 最终进入填埋场（Eghbali 等人，2022；Ghosh 等人，2026；Zhang 等人，2024）。然而，随着填埋场数量和规模的持续增加，渗滤液泄漏已成为主要的环境污染隐患（Pandey 和 Shukla，2019）。在发展中国家，填埋场建设和管理标准不足导致了不受控制的渗滤液泄漏现象普遍存在，对区域水安全和生态完整性构成了严重威胁（Feng 等人，2020；Ma 等人，2019；Reddy 等人，2026）。渗滤液是在有机废物分解过程中以及雨水渗透作用下产生的复杂液体。它通常含有高浓度的有害物质，如溶解盐、有机污染物、重金属、抗生素和抗生素抗性基因（Liu 等人，2022a；Liu 等人，2022b；Reddy 等人，2026）。一旦这些污染物通过覆盖层缺陷、衬垫损坏或侧向迁移侵入地下水、土壤和地表水，它们将对生态系统和人类健康造成长期和不可逆的危害（Kerric 等人，2021；Nú?ez 等人，2022；Shi 等人，2023）。

对填埋场及其周边环境的传统监测主要依赖于地质钻探、监测井取样和地下水化学分析。虽然这些方法能够提供污染物浓度的直接测量，但存在明显的局限性（Jacome 等人，2021；Maurya 等人，2017）。首先，传统方法成本高昂且耗时，采样点分布稀疏，难以实现大面积和连续监测。其次，这些方法具有高度侵入性，需要穿透填埋场覆盖层（如高密度聚乙烯（HDPE）衬垫或人工合成粘土衬垫（GCL）），这不仅破坏了填埋场的密封完整性，还可能引发新的泄漏通道（Feng 等人，2020）。

作为传统方法的低侵入性替代方案，地球物理技术越来越多地被应用于填埋场渗滤液监测（Mary 等人，2023；Maurya 等人，2017）。电磁法不需要在表面布置电极，可以快速收集与地下含水地质结构和污染羽团相关的异常电磁场响应（Dumont 等人，2016；Ling 等人，2025）。然而，电磁信号在填埋废物体内部会经历严重衰减，导致深层渗滤液响应微弱。此外，城市区域的电磁噪声会进一步降低检测分辨率，增加假阳性和假阴性的风险（Boonsakul 等人，2023；Piero Deidda 等人，2022）。例如，探地雷达（GPR）使用的电磁波受填埋废物异质结构的影响，容易产生杂乱的反射波，严重干扰深层渗滤液异常的识别（Khalil 和 Hassan，2016）。此外，这些电磁方法需要高度专业的操作人员，他们必须精通仪器校准、数据采集、噪声处理以及复杂反演软件的使用。而且，反演图像的解读高度依赖经验判断。

直流电法，如电阻率层析成像（ERT），由于其强大的抗干扰能力和对复杂地质介质的有效穿透性，已成为检测填埋场污染扩散的常用方法（Hu 等人，2019；Li 等人，2024；Shao 等人，2022；Xia 等人，2023）。基于污染物引起的电阻率异常，ERT 可以探测地下电场的分布以识别泄漏路径，这一原理催生了多种相关检测技术。Feng 等人（2020）采用 ERT 和瞬变电磁法，结合地质钻探和样品分析，对穿越填埋场的隧道渗滤液泄漏风险进行了综合调查。然而，他们的研究主要是针对这一特定的隧道场景，所提出的方法论依赖于隧道施工期间的地下通道；Oh 等人（2008）开发了一种基于网格状电气传感器的检测系统，预埋的电极可以检测电导率的变化以确定泄漏点的位置。然而，由于电极需要提前地下铺设，一旦损坏将难以更换。

监测 HDPE 衬垫的泄漏点是城市固体废物填埋场环境安全监测的核心组成部分，其可靠性直接关系到填埋场的长期稳定运行和周边环境的安全。研究表明，填埋场内重金属、多环芳烃（PAHs）和持久性有机污染物（POPs）的存在可能导致未检测且未修复的泄漏点产生放大的二次污染（Han 等人，2025；Nú?ez 等人，2022）。妥善解决渗滤液泄漏问题的关键在于准确定位泄漏点。在西班牙等欧洲国家，关于废物回收的研究和分析结果表明，准确检测和修复泄漏点是实现全面循环经济的重要前提（Alberto López Ruiz 等人，2022；Santana 等人，2025；Wagland 等人，2025）。在中国，关于填埋场渗滤液中抗生素和 ARGs 扩散的研究反复强调了在泄漏早期准确检测泄漏点对生态风险防控的关键作用（Diabil 等人，2025；Liu 等人，2022a；Liu 等人，2022b）。然而，现有地球物理技术在封闭填埋场泄漏点检测中的应用仍面临重大挑战：一方面，废物层严重衰减了某些电磁信号的穿透性，导致在填埋场底部成像/检测泄漏点时垂直分辨率较差；另一方面，ERT 方法难以在不损坏封场衬垫的情况下，对防渗绝缘膜变化进行高分辨率和快速部署的现场监测（Piero Deidda 等人，2022）。因此，对填埋场衬垫泄漏点进行准确、低成本且微创的检测仍然是一个关键的研究挑战。

意识到不透水衬垫对直流电法的屏蔽效应，我们提出了一种新颖的渗滤液泄漏检测技术，能够实现更方便的数据收集和更直观的泄漏点定位。为了验证其潜在机制，首先使用 COMSOL 模拟了不透水衬垫和泄漏点对表面电场分布的影响。模拟结果显示，不透水 HDPE 衬垫的存在导致表面电场分布严重畸变，膜外场的形状与膜上泄漏点的位置密切相关。其次，根据填埋场内外衬垫泄漏点与电流电极之间的电场分布，提出了一种基于直流的检测方法。最后，构建了一个实验规模的填埋场模型，并使用所提出的基于直流的检测方法进行现场实验，以评估其实际性能。泄漏点的平面位置可以从填埋场外相应电极对测量的两个正交电场分量的数据曲线中快速确定。该技术具有优异的便携性，能够在封闭填埋场进行低影响的泄漏检测（最小化损坏 HDPE 衬垫的风险）。与传统方法和其他基于直流的部署方案相比，所提出的方法操作更简单，所需电极更少，整体成本更低。这对于封场/封闭的填埋场尤为重要，因为其最终覆盖系统旨在保持其结构完整性。

Section snippets
COMSOL 中的数值实现
数值模拟用于分析在地表施加直流激励下，由填埋场衬垫和泄漏点引起的地下电场分布。结果作为发明和验证现场检测方法的关键基础。对于表面电流电极——A（正极，注入电流 + I），包含点源的电荷守恒方程得出任意点的电势 U 的泊松方程（俞峰等人...

实验验证
之前的数值模拟已证实，填埋场几何形状、地层分层和土壤电性非均质性仅影响势信号的幅度，而不改变泄漏定位的核心判据。因此，出于操作便利性的考虑，现场实验在开放场地进行以验证模式。然而，实验条件与理论模型之间存在显著差异：实验具有简化的填埋场特征

电位差 - 角度曲线的特征化
为了识别与泄漏位置相关的关键特征，我们分析了按照图 6 所示数值模拟模式，分别使用电极 B1 和 B2 获得的电位差 - 角度曲线。通过利用电位响应幅度与电流聚焦程度之间的关系，推断出泄漏点（L）相对于电流电极（A，B）的相对方向。

结论
我们提出了一种快速、微创的填埋场衬垫泄漏点直流电监测和定位方法，该方法结合了半空间直流数值模拟、现场实验和两正交布局电极阵列。数值模拟揭示，完整的 HDPE 衬垫阻挡了直流电流的穿透，导致衬垫外呈轴对称电流线分布。相比之下，泄漏点形成低电阻通道，扭曲了电场；当

CRediT 作者贡献声明
刘荣：写作 - 审查与编辑，项目管理，资金获取，概念化。刘耀辉：写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，可视化，数据整理。姜诗意：写作 - 审查与编辑，可视化，形式分析。杨高峰：写作 - 初稿，验证，数据整理。库阿奥·洛朗·库阿迪奥：写作 - 审查与编辑，形式分析。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，可能会影响本报告工作的公正性。

致谢
我们感谢中国深地探测与矿产资源勘探 - 国家科技重大项目（2024ZD1002800）以及国家自然科学基金（42374093）和湖南省科技创新计划（2025RC3023）提供的资金支持。

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