陈亚宇1 杨家良1 冯子亮1 田玉珠2
(1.河北工程大学 机电学院，河北 邯郸 056038； 2.河北工业大学 机械工程学院，天津 300132)
摘要：提出了基于光纤微弯损耗原理和光时域反射OTDR技术，针对新型无黏土层危险废物填埋场渗漏检测的定位方法。由于渗漏的垃圾渗滤液会使膨润土防水毯(GCL)膨胀，导致与之紧贴的光纤发生弯曲变形，激光束通过弯曲的光纤会出现光能损耗，通过测量后向瑞利散射光的功率，即可实现对光纤沿程的弯曲情况进行检测，结合光时域反射原理对出现弯曲损耗的故障点进行定位。建立了填埋场渗漏检测的数学模型，利用理论推导和实验研究证实了该方法的可行性。实测结果表明：防渗膜破损位置与测量结果高度吻合，最大定位误差为1.4 m,最大定位引用误差为0.133%。
关键词：垃圾填埋场；渗漏定位；微弯损耗；光时域反射
危险废物填埋场的防渗系统对周边生态环境保护起着至关重要的作用，目前填埋场普遍采用HDPE(high density polyethylene，高密度聚乙烯)作为防渗膜，然而许多天然或人为因素均会导致其破损，严重污染周围土壤、地表水以及地下水，因此必须准确快速定位渗漏位置并加以修补。目前，许多新建的填埋场用GCL(膨润土防水毯)代替黏土层[1]，传统主流的高压直流电检测定位方法不再适用，因为电法检测需要有较厚的黏土层来铺设供电与检测电极，而GCL的厚度却仅在毫米级。
GCL是一种专门用于防渗工程的土工合成材料，遇水后膨胀体积高达自身体积的20～28倍[2]。根据这一特性，本文提出了基于光纤微弯损耗的危险废物填埋场渗漏检测与定位的方法,介绍了光纤微弯应用于双衬层填埋场的渗漏检测基本原理，并在临漳县垃圾填埋场进行实验。其原理如下：若HDPE膜有漏洞，垃圾渗滤液将渗漏到GCL上使其膨胀，进而压迫检测光纤产生弯曲应变及光能损耗。利用光时域反射技术对后向散射光的功率进行分析，并运用相关算法可对渗漏位置进行定位。
1.1 光纤微弯损耗原理
若 HDPE 膜存在漏洞时，垃圾渗滤液将从导排层渗漏到GCL层上，由于GCL遇水后高度膨胀，使得紧贴于GCL的检测光纤发生微型形变，如图1所示。当检测光纤局部区域受应力作用产生弯曲变形时，激光脉冲的传播角就会发生变化，这些光束就会由传导模变换为辐射模产生光能损耗，这种现象称之为光纤微弯损耗[3]。将光纤铺设在填埋场中，当光纤受膨胀的GCL压迫而产生弯曲应变后，光纤中光束的能量就会产生损耗，此时通过测量光束的功率即可判断出GCL的膨胀情况。此外，光的衰减与其传播距离也有着直接关系：光能随传播距离的增长而呈比例下降[4]。
图1 光纤微弯示意
Fig.1 Schematic diagram of fiber-optical microbend
危险废物垃圾填埋场的纵剖面结构如图2所示。新型填埋场用GCL代替主次防渗层之间的黏土层，本研究将镶嵌有光纤的检测层置于GCL层和主防渗层之间。
图2 垃圾填埋场垂直方向结构
Fig.2 Landfill’s vertical structure
若在光纤始端加以激光脉冲检测信号，则渗漏区间相对于未渗漏区间而言，光束功率会出现“阶梯”损耗，由于微弯损耗与光纤的弯曲程度呈正比关系[5]，且GCL的膨胀程度与渗滤液的渗漏量也近似呈正比，所以根据光能的损耗还可以判断防渗层的渗漏程度。考虑到本研究背景的特殊性，只要能探测到有应变发生即可，无需对应变或渗漏程度进行精确计算。
1.2 光时域反射原理
光时域反射原理是分布式光纤渗漏定位的基础，当一束激光射入检测层上的光纤后，其中一部分沿着光纤传输通道继续传播；一部分会由于光纤中存在折射率的微观不均匀性而产生后向散射，其中强度最大并且难消除的是瑞利散射 [6]，如图3所示。通过测量激光从入射到被光电探测器探测到后向瑞利散射光的时间差，就可以计算反射点距发射端的距离L：
(1)
式中：c为光在真空中的速度； t为从信号发射到接收的时间；n为被测光纤折射率。
图3 光在光纤中的传播状态
Fig.3 Light’s transmission in fiber-optical
将光时域反射技术应用于基于光纤微弯损耗的填埋场渗漏定位模型上，可直接通过测量整条光纤沿线的能量损耗，实现对光纤几何上的渗漏区域进行一维坐标定位。
由于光纤微弯损耗与入射激光束的特性、传播模式等因素有关，且不同的功率分布对应不同的衰减分布指数，因此从理论上精确计算微弯损耗常数比较困难，但是利用实验手段可以明显观测到损耗效应。本文以折射率分布指数α=2的梯度光纤为研究对象进行定性理论分析。
假设理想的直光纤轴与坐标轴系的Z轴重合，并且其微弯的曲率脉冲形状为高斯系列，设光纤轴的微弯用偏离Z轴的距离f(z)表示，则曲率函数CG(z)可表示为[7]：
(2)
式中：d为光纤芯径。
通过对曲率函数进行傅里叶变换，求出高斯型曲率函数的功率谱密度：
(3)
式中：N为单位长度光纤上的微弯数;W0、A0分别为平均曲率脉冲宽度及峰值，利用微弯损耗表达式和关系式
(4)
式中：Δn为光纤相对折射率差，当Δn和d一定时，对于平均曲率脉宽来说，功率损耗的灵敏度为：
(5)
由以上推导过程可得：光纤微弯损耗的灵敏度与单位长度上的微弯数目及平均曲率脉冲峰值的平方成正比，当平均曲率脉冲
3.1 分布式光纤测量系统
对光纤进行分布式在线测量有多种方法，其中OTDR法运用较为广泛。OTDR技术以光时域反射技术为基础,以后向瑞利散射光为研究对象，对光纤几何上的一维特性进行测量，建立光能与距离的函数关系，获取整个光纤区域内弯曲损耗的一维分布图[8]。
测量系统的工作原理：在半导体激光器中产生的调制后的激光脉冲，经过Y 型光纤分路器对激光脉冲进行分离发射后被耦合器耦合到检测光纤中[9]。激光束在光纤中会发生散射，其中强度最大的就是瑞利散射。由于瑞利散射的作用，从光纤各部分散射的后向瑞利散射光返回到 Y 型分路器，之后进入检测电路，通过一个定向耦合器将反射光信号送到光电二极管，并进行放大器放大整形、A/D 转换和 CPU 的处理分析采样，最后在显示器上显示检测结果曲线，曲线上各点分别对应光纤上的位置点和此处的光功率[10-11]，测试原理如图4所示。
图4 检测系统的构成框图
Fig.4 Structure diagram of the detection system
3.2 OTDR主要测试及性能参数
通过实验发现：影响测试结果的性能参数主要有脉冲宽度、波长和平均时间，对这3个参数分别进行分析，找到适合检测填埋场渗漏定位的最优选择。
3.2.1 脉冲宽度
脉冲宽度影响测试结果的距离分辨率[12]。脉冲宽度越窄，测试盲区就越小，使其检测结果的距离分辨率越高，减小脉冲宽度可以减小死区范围，把相近的事件清晰地区分开来[13]。但是，随着脉冲宽度的减小，其动态范围不断降低，噪声的影响逐渐变大，如图5所示。由于危险废物填埋场为长距离光纤检测，而对准确分辨相近的事件要求不高，因此实验采用宽脉冲，以提高仪表的动态范围，从而观测更长的距离。
a—20 ns； b—50 ns。
图5 不同脉宽对盲区和噪声的测试影响
Fig.5 Influence of pulse width on blind area and noise
3.2.2 测试波长
波长越短功率越高[14]，即1 550 nm波长处对光纤弯曲损耗的影响比1 310 nm 波长更为敏感。另外，当波长大于1 550 nm时，瑞利散射光的能量会逐渐减小，产生红外线的衰减现象，使得总体的衰减值增大，对检测结果产生影响。本实验采用双波长对比检测法(1 310 nm、1 550 nm)进行全程光纤背向散射信号曲线测试，更易发现光纤线路上是否存在弯曲。
3.2.3 平均时间
对采样信号进行平均处理可消除一些随机事件产生的随机噪声对结果的影响。平均时间越长，OTDR 的噪声低电平就越小，动态范围就越大，测试精度也就越高，但随着平均时间的增大，测试精度会无限趋近于某一数值。考虑到测试的速度与效率，一般选择平均时间为1.5～3 min。
3.3 实验研究
3.3.1 实验材料及参数设置
由于光纤本身比较纤细，如果直接将其铺设于填埋场中极易发生断裂，因此要选取合适的光缆进行实验。此外，进行弯曲检测时，GCL的膨胀势必会使光纤受到较大的拉伸力。本实验选取GS-GW-GJFJVP型光缆，此光缆中的光纤对弯曲较敏感，且具有较高的抗压强度(允许拉伸力为1 500 N)，此外其外径较小，不会对防渗膜产生影响。
实验中分布式OTDR测量系统参数如下：脉冲宽度为50 ns，激光束波长分别采用1 310nm和1 550 nm，平均时间设置为1.5 min。
3.3.2 实验方法
首先，在填埋场中选取一个长1 100 m、宽1 m的矩形区域，并用工程机械将实验区域的天然基础层压平压实，防止因基础层不平而造成的光纤弯曲。然后在基础层上依次铺设土工布、HDPE膜(次防渗层)、GCL、光缆检测层、HDPE膜(主防渗层)、土工布、鹅卵石层。由于光纤前端有盲区效应，所以在测试光纤的前端应留有一定长度的光纤，用于将此效应降到最低。本次试验中光纤长1 200 m，其中实验区域前端留90 m作为引用光纤消除盲区，后端留出10 m用于连接终端检测设备；主防渗层HDPE膜已预先随机造了9个漏洞；土工布起缓冲保护HDPE膜的作用；鹅卵石层厚度为1 m，一方面可以模拟填埋场防渗层的实际高压环境，另一方面可提高实验中渗滤液渗漏到GCL层的速度。铺设完毕后，人为地将从运营中的旧填埋场渗滤井中提取的渗滤液浇注在正对HDPE膜漏洞的鹅卵石上面，待渗滤液通过HDPE的破洞并充分浸染GCL,如图6所示。
图6 模拟渗漏示意
Fig.6 The diagram of leakage in simulation
由于1 550 nm的测试波长比1 310 nm对光纤弯曲损耗敏感性强，若发现曲线上某处有较大的损耗台阶，再用1 310 nm波长复测，若在1 310 nm波长下光能损耗减少或消失，说明该处的确存在弯曲情况。若在1 310 nm波长下损耗台阶同样大，则说明该处的损耗不是由于渗漏微弯损耗造成。实验后，将光缆与GCL挖出，根据污染痕迹记录检测光缆与被污染的GCL接触区域中心点的位置坐标，如表1中的Yn，即实际渗漏位置。
表1 试验数据及误差
Table1 Experimental date and error
编号nXn/mYn/mβn/mδn/%光能衰减值/dB1310nm1550nm1150.1150.90.80.0760.020.042268.2269.61.40.1330.030.063312.4311.50.90.0860.040.064477.7476.61.10.1040.030.065508.8510.01.20.1140.030.066732.2732.90.70.0670.030.087811.1812.00.90.0860.020.048851.3852.31.00.0950.020.089945.2945.80.60.0570.020.11
图7为GCL部分区域膨胀后整条光纤上波长为1 550 nm与1 310 nm的OTDR测试结果比对。
A—波长1 310nm; B—波长1 550 nm。
图7 测试结果对比
Fig.7 Comparison of the measured results
由图7可知：共有10处出现了明显光能的“阶梯”下降，但试验前模拟的渗漏点只有9个，通过对比两种不同波长的能量衰减图可知：在距离为662.3 m处时1 310 nm波长出现光能的“阶梯”下降，而在1 550 nm波长并无明显衰减，所以可以断定此处的光能衰减并不是由于弯曲损耗造成。从曲线上读到的其余9处的坐标Yn与实验前记录的9个模拟渗漏位置高度吻合(见表1)，因此可以断定在光波导沿线出现明显的阶梯型下降，并且1 550 nm波长下的衰减比1 310 nm明显的位置即为光纤发生弯曲的位置。其他区域衰减功率损耗与传播时间或传播距离成正比，但是测试结果不为光滑曲线，原因是在光纤铺设过程中不能做到光纤绝对平直，所以出现更微小的弯曲，即少量衰减。另一个原因是噪声的影响，但噪声带来的影响要远比由GCL的膨胀造成的光纤微弯损耗微弱。
由图7还可发现：在这9处光能“阶梯”下降之前有出现“上翘”的现象，这就说明光能在此处有所增加，即损耗值成为负值，造成这种现象的原因是弯曲部位两侧光纤的背向散射系数不同而产生的伪增益现象[14]；此外折射率不同也有可能产生这种现象。
误差计算：实际定位的绝对误差为：
(6)
定位引用误差为：
(7)
在实验条件下对模拟的9个渗漏区进行渗漏定位时发现，其最大定位误差βmax=1.4 m，最小定位误差βmax=0.6 m，根据式(7) 可得实验条件下的最大定位引用误差δmax=0.133%。
1)利用GCL可吸收垃圾渗滤液发生膨胀并导致光纤发生弯曲形变的特性，结合光纤的微弯损耗原理，建立了基于光纤微弯损耗的渗漏检测定位系统，根据光纤功率的损耗情况即可判断光纤是否发生微弯形变，进而利用光时域反射技术，实现激光束功率损耗点的一维空间定位。本研究可以解决传统直流电法在新型无黏土层垃圾填埋场渗漏检测中的局限，测量距离长、范围大，可实现对整条光纤的功率分布进行实时检测。
2)对测量系统的参数设置进行了探讨，综合考虑测试结果的分辨率和精度，发现适合危险废物填埋场远距离检测的主要性能参数选取参考值如下：1 550 nm波长作为主测波长，而1 310 nm波长作为复测对比波长，脉冲宽度50 ns，平均时间1.5 min。
3)该方法对垃圾填埋场的最大定位引用误差为0.133%，定位精度较高；并且光纤主要成分为SiO2，具有耐腐蚀的特性，且成本较低；基础层的平整程度会对测量结果产生较大影响，这就对光纤的铺设提出了较高的要求；此外，该方法无法对已经建好运营中的填埋场进行渗漏检测，必须在填埋场建设过程中预先增设检测层。
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CHEN Ya-yu1, YANG Jia-liang1, FENG Zi-liang1, TIAN Yu-zhu2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China; 2.School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300132, China)
Abstract：A new method based on the theory of loss caused by optical fiber bend and optical time domain reflects (OTDR) was proposed for the detection of the leakage of hazardous wastes from the new kind of landfill without clay. GCL could expand due to the landfill leachate, resulting in the bending of the optical fiber that is close to the geosynthetic clay liner(GCL), whose measured value could cause the loss of light energy because some light change from guided modes to radiation mode. Correspondingly, there will be the loss of backward scattered light, whose measured value could be used to detect the bending degree of optical fiber. Furthermore, the fault points caused by bending could be located based on OTDR. The practicability of mathematical model for the detection of landfill leakage is proved by theoretical deduction and experimental research. The results showed that the measurement result highly matched the position of breakage in impermeable membrane with maximum positioning error of 1.4 m and the maximum positioning reference error was at 0.133%.
Keywords：landfill; leakage location; microbend loss; optical time domain reflect
*河北省高等学校科学技术处资助项目(QN2016089)。
收稿日期：2016-04-24
DOI：10.13205/j.hjgc.201612022
第一作者：陈亚宇(1984-)，男，博士，讲师，主要研究方向为过程检测与控制。121847157@qq.com
通信作者：杨家良(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为过程检测与控制。mrjerryme@163.com
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