0 引 言
随着我国城市化水平的不断提升，生活垃圾呈逐年增长趋势，填埋是我国目前主要的生活垃圾处理方式，垃圾填埋场的数量和种类不断增多[1，2]。由于雨雪水和垃圾自身水分，以及在垃圾层中发生的一系列生物化学反应产生大量有机废水，即垃圾渗滤液[3，4]，其会污染附近农田和地下河，因而生活垃圾填埋场通常采用高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)膜[5-7]进行防渗处理。由于地面沉降、垃圾渗滤液腐蚀作用和人工焊接不规范，使得HDPE膜会随机产生漏洞，由此产生的垃圾填埋场渗漏检测技术问题日益凸显。
传统的垃圾填埋场防渗实时监控技术主要有直流电法[8-10]和传输线法[11-13]，2种方法的共同特点是设备成本较低，便于现场布置。但是，它们各自也存在不同程度的缺陷：直流电法需要渗漏处上下电极之间的介质层具有良好的导电性，限制了其应用范围；传输线法的主要问题在于沿线电磁能量易发散，使得检测终端电信号不易采集。
基于此，本文提出1种基于行波ELM的垃圾填埋场渗漏检测方法。在垃圾填埋场中运用行波法进行渗漏定位原理如下：当HDPE膜产生破损时，具有腐蚀性的垃圾渗滤液将导致新型同轴电缆短路，并产生暂态行波。从暂态电流行波中提取行波固有频率主成分进行初步渗漏定位，并利用极限学习机(extreme learning machine，ELM)的回归特性优化渗漏定位模型。
1 检测原理
当HDPE膜破裂产生漏洞时，垃圾渗滤液会腐蚀平行等距铺设在HDPE膜下土壤层中的同轴电缆，使得同轴电缆的绝缘保护层和介质层的物理特性发生改变，造成实心导体层和金属屏蔽层在渗漏区短路，并产生暂态行波。本文采用电缆A、B两端对比检测，以提高检测的可靠性。分别在电缆A、B端以特定频率的交流电源分时段供电，当在A端检测时，交流电源PA供电，检测系统A对暂态电流行波信号进行分析,并确定渗漏区F到A端的距离DA；当在B端检测时同理。其结构如图1所示。HDPE膜有无渗漏，会使电流信号的频率有明显差异，渗漏时行波在渗漏区发生反射和透射，反射波在渗漏区F和A端(或B端)经过多次反射之后形成一定频率的暂态行波。对渗漏时暂态电流行波固有频率分析，可获取暂态行波固有频率的主成分。
图1 渗漏区暂态行波传播示意
Figure 1 Schematic diagram of transient traveling wave propagation in the leakage zone
在行波固有频率中，幅值最大、频率最低的波峰所含能量最高，为固有频率的主成分，可用于计算渗漏位置。渗漏区F至A端的电缆可等效为戴维南电路，如图2所示。其中，EA(t)为交流电源电压；UA(t)、UF(t)分别为A端和F端电压；ωF(t)、ωA(t)为受控电压源；ZA、ZC分别是检测端阻抗和电缆特征阻抗；ZF为渗漏处阻抗。
渗漏处暂态行波固有频率角频率为：
(k=0,±1,±2,…)
(1)
图2 渗漏区F至A端等效电路图
Figure 2 Equivalent circuit diagram of leakage zone F to terminal A
式中：
分别为检测端和渗漏处的反射系数；θ1、θ2分别为检测端和渗漏处的反射角；τ为从渗漏区F的行波传递到检测端的时间。暂态行波固有频率角频率衰减系数为：
(2)
渗漏处暂态行波固有频率为：
(k=0,±1,±2,…)
(3)
由于电缆与A、B两端阻抗匹配，并且渗漏处电阻对反射角影响较小，所以两反射系数Γ1、Γ2为实数，反射角 θ1、θ2均为0。式(3)可简化为：
(4)
当k取非零最小整数值k=1时频率最小，此时的频率称为行波固有频率的主成分。因此从渗漏处到检测端的距离为：
(5)
式中：v为暂态行波的传播速度；f为行波频谱的主成分。
2 确定波速
行波的速度由同轴电缆的材质决定。同轴电缆横截面如图3所示,由内而外分别为实心导体层、绝缘介质层、金属屏蔽层和绝缘保护层。电缆实心导体的功能是输送电流信号，金属屏蔽层不仅可作为电流的回路，而且能够削弱外部电磁场对内部电流信号的干扰，消除多渗漏点电场的互相耦合。
图3 同轴电缆结构示意
Figure 3 Schematic diagram of coaxial cable structure
传统同轴电缆[14，15]一般采用发泡聚氯乙烯[16]作为绝缘介质层和保护层的材料。聚氯乙烯的特性为：耐腐蚀性强(不受强酸、强碱的影响)、柔韧性及绝缘性能优良。由于本检测技术要利用渗滤液的腐蚀特性，将渗漏区同轴电缆的绝缘介质层和保护层分解，因此同轴电缆需要重新选材。新型同轴电缆选取绝缘漆布作为绝缘介质层和保护层的材料，其特性为延展性能好，柔韧度高，易被垃圾渗滤液侵蚀。
在同轴电缆中与波速有关的参数为单位长度电缆的电容C0、电感L0，其数学模型构建如下：
1)单位长度的电容C0计算如式(6)所示：
(6)
式中：r为实心导体的半径;R为金属屏蔽层的半径;ε为绝缘介质层的介电常数，等于相对介电常数与真空介电常数的乘积。绝缘漆布的相对介电常数εr为2.1～2.3，取2.2，真空介电常数ε0=8.854×10-12，故ε≈1.947×10-11。
2)单位长度的电感L0计算如式(7)所示：
(7)
式中：μ为绝缘介质磁导率，H/m; 绝缘漆布的磁导率μ=4π×10-7H/m。
综上可得波速υ：
(8)
3 实验部分
3.1 实验材料及参数设置
选取交流电源的型号为AHY-10，电源电压为220 V，频率为50 Hz，波形为正弦信号；同轴电缆实心导体层和金属屏蔽层选用铜材质，直径分别为1.31，6.42 mm；绝缘介质层和保护层材料选用绝缘漆布，直径分别为4.58，8.40 mm。
3.2 实验方法
为验证本文检测系统的渗漏定位准确性，设计实施基于行波频率的渗漏检测系统。选取1块长200 m、宽3.5 m的生活垃圾填埋场实验区域，如图4所示。首先把土壤层碾压平实，将6条长为200 m的新型同轴电缆作为检测层以平行且间距50 cm的方式铺设在实验区，并在检测层上方覆盖20 cm高的土壤再次碾压平实，然后自下而上分别铺设HDPE膜、土工布、卵石导排层。为检验系统在不同渗漏位置的定位精度，铺设前依次在1～6号电缆上方的HDPE膜刺穿1个漏洞，1～6号电缆上方漏洞到A端的距离分别为30，60，90，120，150 ，180 m。铺设完成后，从运营中填埋场收集适量的垃圾渗滤液，依次倾倒在漏洞所对应卵石导排层的正上方。渗滤液经过漏洞充分腐蚀电缆后，启动A端交流电源PA及检测系统A，对暂态电流行波固有频率分析得到行波频率的主成分，如图5所示。最后根据行波频率主成分，结合行波波速计算得到渗漏位置。A端检测完成后，关闭A端电源和检测系统，并启动B端交流电源PB及检测系统B，检测过程同上。当检测线路远端发生渗漏时，由于最大渗漏定位距离为200 m,因此固有频率主成分应≥0.505 MHz。
图4 生活垃圾填埋场的立体结构
Figure 4 The three-dimensional structure of a domestic waste landfill
实验结束后，汇总实际渗漏点到A端的距离和检测系统A获得的渗漏距离，如表1所示。实际渗漏点到B端的距离和检测系统B获得的渗漏距离如表2所示。误差率E计算式为:
(9)
图5 在A端检测的渗漏处暂态电流行波频谱
Figure 5 Transient current traveling wave spectrum at the leak detected at terminal A
表1 在A端运用行波频率检测的渗漏距离及误差率
Table 1 Leakage distance and error rate of traveling wave frequency detection at terminal A
实际渗漏点到A端的距离/m主成分频率/MHz检测的渗漏距离/m误差率/%302.94134.372.185601.59163.541.770901.07194.412.2051200.816123.921.9601500.657153.731.8651800.549184.122.060
表2 在B端运用行波频率检测的渗漏距离及误差率
Table 2 Leakage distance and error rate of traveling wave frequency detection at terminal B
实际渗漏点到B端的距离/m主成分频率/MHz检测的渗漏距离/m误差率/%1700.581173.911.9551400.701144.132.0651100.889113.741.870801.20883.671.835501.86554.222.110204.22323.941.970
由表1和表2的实验数据可得:误差率范围分别为[1.865%,2.205%]、[1.835%,2.110%]，可知实验检测误差率浮动相对稳定。最大误差率为2.205%，即实际渗漏点和行波频率检测的渗漏点最大相差4.41 m，渗漏定位误差偏大的原因是渗滤液腐蚀同轴电缆后，渗漏区电缆中分布电感、电容的变化使得波速产生误差。
3.3 仿真优化分析
为减弱渗漏区电缆中分布电感、电容的变化对渗漏定位的影响，对同轴电缆进行仿真分析，并使用ELM优化渗漏区分布电感、电容对渗漏定位精度的影响。仿真模拟参数列于表3中，同轴电缆在渗漏区684组电学参数状态。由于渗漏处的分布电容、电感不易计算，可根据渗漏定位误差范围来确定分布电容、电感值的变化范围。分布电容的变化区间(pF/m)为(77.094,84.657),分布电感的变化区间(μH/m)为(0.317,0.349)。
表3 用于训练和测试ELM的故障参数
Table 3 Fault parameters for training and testing ELM
参数训练ELM故障参数值测试ELM故障参数值渗漏距离10,30,50,…,190 m20,40,60,…,180 m接地阻抗2,4,8 Ω3,6,9 Ω分布电感0.30,0.32,0.34 μH/m0.31,0.33,0.35 μH/m分布电容79,81,83,85 pF/m77,80,82,84 pF/m故障类型数量10×3×3×4=3609×3×3×4=324
优化过程如下：将ELM隐藏层神经元数量设置为7，激活函数选用sigmoid，将分布电容、分布电感、行波频率检测的渗漏距离和实际渗漏距离4个参数为一组收集到数据库中。其中，360组渗漏状态用于ELM回归训练，其余324组渗漏状态用于测试。分布电容、分布电感、行波频率检测的渗漏距离作为ELM输入数据，实际渗漏距离构成ELM输出数据。
表4和表5显示了经ELM优化后的渗漏距离值，其误差率范围分别为[0.285%,0.535%]、[0.275%,0.460%]。 通过表1和表4、表2和表5对比可得：在同等渗漏状态下，使用完成回归训练的ELM可显著提升渗漏定位检测精度。未经ELM优化前，使用行波法检测渗漏位置的最大误差率为2.205%；经过ELM优化后，检测渗漏位置的最大误差率降为0.535%。ELM训练实验结果表明，行波ELM法可以高效地检测渗漏位置。
表4 经ELM优化后A端的渗漏距离及误差率
Table 4 Leakage distance and error rate at terminal A after ELM optimization
实际渗漏点到B端的距离/m主成分频率/MHz优化后渗漏距离/m误差率/%302.94130.720.360601.59160.830.415901.07190.570.2851200.816121.070.5351500.657150.810.4051800.549180.640.320
表5 经ELM优化后B端的渗漏距离及误差率
Table 5 Leakage distance and error rate at terminal B after ELM optimization
实际渗漏点到B端的距离/m主成分频率/MHz优化后渗漏距离/m误差率/%1700.581170.910.4551400.701140.740.3701100.889110.730.365801.20880.550.275501.86550.890.445204.22320.920.460
4 结 论
1)当HDPE膜产生破损时，垃圾渗滤液会腐蚀同轴电缆使其短路，并产生暂态行波。利用同轴电缆双端的检测系统对其进行捕捉，利用波速-频率公式和ELM可实现对渗漏位置的精确定位。同轴电缆信号能量传输集中，解决了传统传输线法检测终端电信号不易采集的问题。
2)为了保证同轴电缆可以及时被垃圾渗滤液腐蚀，本研究采用绝缘漆布作为新型同轴电缆的绝缘介质层和保护层材料，并分析计算得到同轴电缆中的波速为2.022×108 m/s。
3)暂态行波的主频与渗漏位置至测量端距离成反比，考虑到检测线路远端发生渗漏情况，在本模型中，行波频率主成分应≥0.505 MHz。
4)经ELM优化后，检测渗漏定位最大误差为1.07 m，最小误差为0.55 m，最大误差率为0.535%，定位精度可以满足误差要求。
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