填埋场渗漏磁法检测的噪声来源与剔噪方法综述

能昌信; 贾兆志; 刘宽; 孙新宇; 钱璨; 刘玉强; 姚光远; 徐亚

doi:10.12153/j.issn.1674-991X.20230276

填埋场渗漏磁法检测的噪声来源与剔噪方法综述

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230276

能昌信^{1, 2,},
贾兆志^{1, 2},
刘宽³,
孙新宇¹,
钱璨²,
刘玉强²,
姚光远²,
徐亚^2, ,

1.
山东工商学院信息与电子工程学院
2.
中国环境科学研究院
3.
河北省张家口生态环境监测中心

基金项目: 国家重点研发计划项目(2020YFC1806304，2018YFC1800902)；国家自然科学基金项目(51708529)；江苏省产学研合作项目(BY2021529)

详细信息

作者简介:
能昌信（1965—），男，教授，博士，主要从事环境监测技术研究，naicx@126.com

通讯作者:
徐亚(1985—)，男，副研究员，博士，主要从事固体废物处置技术、污染探测及风险评价研究，xuya@craes.org.cn

中图分类号: X827
计量
- 文章访问数: 74
- HTML全文浏览量: 31
- PDF下载量: 25
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2023-04-09
- 录用日期: 2023-10-16
- 修回日期: 2023-10-10

A review of geomagnetic noise sources and denoising methods for landfill sites

NAI Changxin^{1, 2
,},
JIA Zhaozhi^{1, 2},
LIU Kuan³,
SUN Xinyu¹,
QIAN Can²,
LIU Yuqiang²,
YAO Guangyuan²,
XU Ya^{2
, ,}

1.
School of Information and Electronic Engineering, Shandong Technology and Business University
2.
Chinese Research Academy of Environmental Sciences
3.
Zhangjiakou Ecological Environment Monitoring Center, Hebei Province

摘要

摘要:
填埋是固体废物集中处置的主要手段，填埋场则是固体废物对地下水环境影响集中发生的场所。通过防渗层HDPE膜漏洞的渗漏是导致地下水污染的主要途径和方式，开展防渗层渗漏快速检测和精准定位具有重要意义。传统电学渗漏检测难以检测双层衬垫或多层衬垫系统的下层衬垫破损，基于传统电法改进的电磁方法展现出下层衬垫检测的潜力，但迫切需要解决填埋场复杂服役人文环境和地球磁场环境下的电磁噪声干扰问题。为此，通过对磁法检测原理和信号特征的深入分析，以及对背景磁噪声类型、来源、特征和电磁噪声去噪方法的综述，得出如下结论：在特定条件下，漏洞越近，其磁场信号越强；填埋场噪声主要来源于地磁和人文磁场，且不同噪声有不同特征，需不同处理；去噪过程先预处理排除干扰，其次在检测中选择适宜的滤波或测量法去除噪声。
- 填埋场防渗层 /
- 渗漏检测 /
- 磁法 /
- 电磁噪声 /
- 噪声来源 /
- 去噪
Abstract:
Landfills are the primary means of centralized solid waste disposal, and it is also the place where the environmental impact of solid wastes on groundwater is concentrated. The leakage of HDPE membrane of the impermeable layer is the main way to lead to groundwater pollution. It is of great significance to carry out the rapid detection and accurate positioning of the leakage of the impermeable layer. The traditional electrical leakage method is difficult to detect the damage of the lower liner of the double-layer or multilayer liner system. The improved electromagnetic method based on the traditional electrical method shows the potential of detecting the lower liner. However, it is urgent to solve the problem of electromagnetic noise interference in the complex service and human environment of the landfill site and the earth's magnetic field environment. The in-depth analysis of the magnetic detection principle and signal characteristics, as well as the overview of the background magnetic noise types, sources, characteristics and electromagnetic noise denoising methods, was thus performed. It is concluded that under specific conditions, the closer the loophole is, the stronger its magnetic field signal is; the landfill noise is mainly derived from the geomagnetic and humanities magnetic fields, and different noises have different characteristics and require different processing; the denoising process is first pre-processed to exclude interference, followed by the selection of appropriate filtering or measurement method to remove noise in the detection.
- landfill impermeable layer /
- leakage detection /
- magnetic method /
- electromagnetic noise /
- noise source /
- denoising

HTML全文

图 1 双衬层填埋场下层HDPE膜破损检测原理^[16]

Figure 1. Principle diagram of HDPE membrane damage detection in the lower layer of double lining landfill

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 填埋场背景磁场差分方式采集^[16]

Figure 2. Collection of background magnetic field of landfill by differential method^[16]

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 填埋场电磁噪声主要来源

Table 1. Sources of electromagnetic noise in landfills

填埋场电磁噪声	分类	来源
大地电磁噪声	内部干扰源	地质噪声，如地下矿藏、地下水等
大地电磁噪声	外部干扰源	太阳、磁暴和亚磁暴、地磁脉动等
人文电磁噪声	人员因素	人员更替、人员操作、人员聚集等活动
人文电磁噪声	设备因素	电力线、工业用电、通讯设施、车辆等铁磁类物品

下载: 导出CSV

表 2 检测过程中的去噪方式、原理及效果

Table 2. Method, principle and effect of denoising in the detection process

噪声类型	去除方式	原理	效果
低频噪声	工频滤波	硬件电路和软件电路实现消除50 Hz噪声	在地磁测量中采用工频噪声滤波可以有效消除工频干扰^[26]
	差分滤波	利用2个数据采集单元同步采集信号，采用差分计算，可以去除共模干扰	在填埋场地磁测量中，通过差分计算实现有效的噪声去除^[16]
	空间多极子展开法	将磁场分解为不同级别的多极子项，通过计算这些多极子项的系数去除噪声	在计算任意复杂形状旋转封闭薄壳辐射声场时，可去除旋转机械噪声问题^[27]
高频噪声	低通滤波	使低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱	在减弱水下机器人产生的磁信号时，采用低通滤波对静态噪声进行平滑处理，可去除高频信号^[28]
高频噪声	磁场梯度测量法	通过测量不同位置处的磁场梯度去除噪声	在地磁测量中，采用磁场梯度测量方式去除噪声，去噪后信噪比有不同程度的提高^[29]

下载: 导出CSV

参考文献(29)

[1]	朱铭珠, 杨延梅, 徐亚, 等. 填埋场防渗系统高密度聚乙烯膜漏洞修补技术探析[J]. 环境工程技术学报,2022,12(5):1647-1652. ZHU M Z, YANG Y M, XU Y, et al. Discussion on repair technologies of high-density polyethylene membrane leaks in landfill anti-seepage system[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(5):1647-1652.
[2]	HORSMAN D, BROWN K L, MUNRO W J, et al. Reduce, reuse, recycle for robust cluster-state generation[J]. Physical Review A,2011,83(4):042327. doi: 10.1103/PhysRevA.83.042327
[3]	旦增, 孟德安, 周文武, 等. 西藏班戈县垃圾填埋场环境影响综合分析与评价[J]. 环境工程技术学报,2021,11(1):202-208. DAN Z, MENG D A, ZHOU W W, et al. Comprehensive analysis and evaluation of environmental impact of sanitary landfill in Baingoin County, Tibet[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2021,11(1):202-208.
[4]	詹静芳, 王珊珊. 中国生活垃圾填埋场甲烷源碳排放量预测评估[J]. 环境科学与技术,2022,45(11):9. ZHAN J F, WANG S S. Assessment of projected carbon emissions from methane sources from domestic landfills in China[J]. Environmental Science and Technology,2022,45(11):9.
[5]	徐亚, 能昌信, 刘玉强, 等. 垃圾填埋场HDPE膜漏洞密度及其影响因素的统计分析[J]. 环境工程学报,2015,9(9):4558-4564. XU Y, NAI C X, LIU Y Q, et al. Statistical analysis on density of accidental-hole in landfill liner system[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2015,9(9):4558-4564.
[6]	岑威钧, 罗佳瑞, 都旭煌等. 基于双电极法的土工膜缺陷探测数值模拟[J]. 长江科学院院报,2019,36(2):97-100. CEN W J, LUO J R, DU X H, et al. Numerical simulation of geomembrane defect detection based on two-electrode method[J]. Journal of the Yangtze River Academy of Sciences,2019,36(2):97-100.
[7]	能昌信, 王彦文, 王琪, 等. 填埋场渗漏检测高压直流电法等效电路模型的建立[J]. 环境科学,2005,26(1):200-203. NAI C X, WANG Y W, WANG Q, et al. Setup of high voltage direct circuit equivalent circuit model in leakage detection of landfill[J]. Environmental Science,2005,26(1):200-203.
[8]	管绍朋, 王玉玲, 能昌信, 等. 电学方法在双衬层填埋场渗漏检测中的应用[J]. 中国环境科学,2011,31(12):2013-2017. GUAN S P, WANG Y L, NAI C X, et al. Application of electrical leak detection method in double-lined landfills[J]. China Environmental Science,2011,31(12):2013-2017.
[9]	杨萍, 能昌信, 杨公训, 等. 填埋场渗漏检测高压直流电法两种模型的比较[J]. 上海大学学报(英文版),2007,11(3):304-308. doi: 10.1007/s11741-007-0324-z YANG P, NAI C X, YANG G X, et al. Comparison of two models of high voltage direct current method for landfill leakage detection[J]. Journal of Shanghai University(English Edition),2007,11(3):304-308. doi: 10.1007/s11741-007-0324-z
[10]	张辰, 能昌信, 王振翀. 基于分区多点供电的填埋场渗漏实时检测系统研究[J]. 环境科学与技术,2012,35(11):148-151. ZHANG C, NAI C X, WANG Z. Landfill real time leakage detection system based on subarea multipoint power supply[J]. Environmental Science & Technology,2012,35(11):148-151.
[11]	王斌, 王琪, 董路, 等. 垃圾填埋场人工衬层渗漏的电学法检测研究[J]. 环境科学研究,2004,17(4):63-66. WANG B, WANG Q, DONG L, et al. Study on electrical methods to detect leaks on landfill geomembrane liners[J]. Research of Environmental Sciences,2004,17(4):63-66.
[12]	刘景财, 孙晓晨, 能昌信, 等. 填埋场衬层渗漏的电学法检测研究进展[J]. 环境监测管理与技术,2021,33(5):6-9. LIU J C, SUN X C, NAI C X, et al. Research progress of electrical method for leakage detection in landfill liner[J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2021,33(5):6-9.
[13]	能昌信, 董路, 王琪, 等. 填埋场地电模型的电学特性[J]. 中国环境科学,2004,24(6):758-760. NAI C X, DONG L, WANG Q, et al. The electricity characteristics of the earth-electricity model in landfill[J]. China Environmental Science,2004,24(6):758-760.
[14]	呼和满都拉, 冀文慧, 杨洪涛, 等. 毕奥-萨伐尔定律建立的探讨[J]. 物理通报,2014(11):18-23.
[15]	马彪彪, 张辰, 能昌信. 磁法应用于填埋场渗漏检测的可行性论证[J]. 环境科学研究,2012,25(5):605-608. MA B B, ZHANG C, NAI C X. Testing of a magnetic method for detecting the leakage of high-density polyethylene (HDPE) in a landfill[J]. Research of Environmental Sciences,2012,25(5):605-608.
[16]	孙新宇. 基于磁法的双衬层填埋场HDPE膜破损检测研究[D]. 烟台: 山东工商学院, 2019.
[17]	李莎, 康国发. 蒙古及邻区地球主磁场和地壳磁场分布特征研究[C]//中国地球物理学会第二十九届年会. 北京: 中国地球物理学会, 2013.
[18]	王赤, 郭孝城, 唐斌斌, 等. 磁层-电离层系统大尺度电流体系的数值模拟研究[C]//中国空间科学学会空间物理学专业委员会磁层、电离层专题学术研讨会. 北京: 中国空间科学学会空间物理学专业委员会, 2012.
[19]	李长兵. 浅析地球磁场的特性及应用[J]. 读与写(上旬),2021(11):312.
[20]	滕尚纯, 陶鑫. 地球磁层中合声波的扫频机制研究[J]. 地球与行星物理论评,2022,53(5):567-579. TENG S C, TAO X. A review of frequency chirping mechanism of chorus waves in the Earth's magnetosphere[J]. Reviews of Geophysiscs and Planetary Physics,2022,53(5):567-579.
[21]	辛会翠. 音频大地电磁远参考点信号特征及远参考大地电磁法在信号处理中的应用研究[J]. 承德石油高等专科学校学报,2019,21(4):41-46. XIN H C. Signal characteristics of remote reference point of audio-magnetotelluric sounding method (AMT) and application of remote reference MT method in signal processing[J]. Journal of Chengde Petroleum College,2019,21(4):41-46.
[22]	尤伟, 王青华, 赵育飞, 等. 地磁场日变化的空间差异对流动观测通化结果的影响[J]. 云南大学学报(自然科学版),2023,45(1):101-110. YOU W, WANG Q H, ZHAO Y F, et al. Effect of spatial difference of the diurnal variation of the geomagnetic field on generalizing results of mobile observation[J]. Journal of Yunnan University (Natural Sciences Edition),2023,45(1):101-110.
[23]	刘宝嘉. 磁暴期间低纬磁场扰动特性的统计研究[D]. 北京: 中国气象科学研究院, 2019.
[24]	李致君, 蔡海水. 天然场源电磁法干扰噪声源调查试验研究[J]. 工程地球物理学报,2016,13(6):775-781. doi: 10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.014 LI Z J, CAI H S. The study on the natural field source interfering the noise source of the electromagnetic method[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics,2016,13(6):775-781. doi: 10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.014
[25]	李沁. 雷电回击电磁场建模与探测技术的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2014.
[26]	张晓涛, 李伟光. 用加窗插值法抑制振动信号工频噪声[J]. 噪声与振动控制,2022,42(5):142-147. ZHANG X T, LI W G. Using windowed interpolation method to suppress power frequency noise of vibration signals[J]. Noise and Vibration Control,2022,42(5):142-147.
[27]	侯明明, 吴九汇, 姜宁. 旋转封闭薄壁球壳辐射噪声的多极展开方法[J]. 西安交通大学学报,2014,48(7):102-108. HOU M M, WU J H, JIANG N. A multi-pole expansion method for the radiation sound field of rotating thin-walled shell[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University,2014,48(7):102-108.
[28]	刘雪君. 基于水下机器人的磁干扰补偿算法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2018.
[29]	刘暑明. 磁测量扰动噪声分析和小波去噪算法研究[D]. 唐山: 华北理工大学, 2022. ⊗