基于圖像分析方法研究柴油在多孔介質(zhì)中的遷移與分布特征

張勝南， 馬艷飛， 劉 曉， 王貝貝， 馮雪冬， 高佩玲

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 山東 淄博 255000； 2.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 山東 淄博 255000)

土壤是自然界物質(zhì)和能量循環(huán)過(guò)程的重要場(chǎng)所，但隨著人們對(duì)化工產(chǎn)品需求的日益增長(zhǎng)，由此造成的土壤和地下水環(huán)境的有機(jī)污染也越來(lái)越嚴(yán)重。有機(jī)污染問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)境污染研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。墨西哥灣2010年的深水地平線災(zāi)難(Deepwater Horizon， DWH)是美國(guó)歷史上最大的石油泄漏事故，已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，墨西哥和德克薩斯州的海灘有石油著陸，魚(yú)類(lèi)在胚胎階段暴露于石油中會(huì)有明顯的心臟畸形和心動(dòng)過(guò)緩[3-5]。此外，由于人類(lèi)的活動(dòng)以及污染物的自然遷移，甚至在人跡罕至的南極洲地下多孔介質(zhì)中也出現(xiàn)嚴(yán)重的石油污染[6]。石油類(lèi)產(chǎn)品中不溶或者微溶于水的有機(jī)污染物通常被稱(chēng)為非水相流體(Non-Aqueous Phase Liquids， NAPLs)[7]，其進(jìn)入地下環(huán)境后，通常以單獨(dú)的相存在，不與水混溶，形成多相流，增加了研究的復(fù)雜性。

二維砂箱具有可視化的特點(diǎn)，可以用來(lái)觀測(cè)非水相流體在二維尺度范圍內(nèi)的遷移與分布特征，目前已成為研究地下多孔介質(zhì)中非水相流體污染的主要工具[8]。Tidwell等[9]通過(guò)光透法提出了計(jì)算介質(zhì)水飽和度的簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)參數(shù)模型；劉漢樂(lè)等[10]運(yùn)用圖像分析方法得到不同時(shí)刻污染物的入滲鋒面變化圖；楊賓等[11]采用數(shù)碼圖像分析方法確定介質(zhì)和流體性質(zhì)等因素對(duì)非水相流體在多孔介質(zhì)中入滲遷移的影響；程洲等[8]采用改進(jìn)光透法結(jié)合圖像分析技術(shù)探討重非水相流體在含不同透鏡體非均質(zhì)含水層中遷移和飽和度分布特性。利用圖像分析方法在非水相流體污染特征研究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)多孔介質(zhì)中柴油的遷移過(guò)程、污染形態(tài)以及飽和度分布特征進(jìn)行綜合分析，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

在石油產(chǎn)品中，柴油所占比例較大，性質(zhì)比較穩(wěn)定，比汽油不易揮發(fā)，并且在生產(chǎn)生活中普遍存在[12]，因此筆者選取柴油為代表性污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為確定多孔介質(zhì)性質(zhì)對(duì)柴油遷移與分布特征以及飽和度(多孔介質(zhì)中柴油體積與多孔介質(zhì)中孔隙體積之比)分布的影響，在保證均一孔隙度的情況下，通過(guò)二維砂箱實(shí)驗(yàn)研究柴油在不同多孔介質(zhì)中的遷移與分布特征，利用圖像分析方法分析柴油在多孔介質(zhì)中的垂向遷移距離、污染面積、污染界面周長(zhǎng)與時(shí)間的關(guān)系以及柴油飽和度的變化，為石油污染場(chǎng)地修復(fù)提供重要的理論與技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和試劑

實(shí)驗(yàn)選取3種不同粒徑的石英砂(鞏義市恒鑫濾料廠產(chǎn)品)作為多孔介質(zhì)，其基本的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。硝酸，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品； 氫氧化鈉、H2O2，天津市北辰方正試劑廠產(chǎn)品；去離子水，采用中揚(yáng)牌超純水機(jī)制備；蘇丹紅Ⅳ，上海源葉生物科技有限公司產(chǎn)品。0#柴油，中國(guó)石化齊魯石化公司產(chǎn)品，在20 ℃下，其密度0.82 g/cm3，動(dòng)力黏度 3.11 mPa·s，油-水界面張力37.30 mN/m，表面張力23.90 mN/m。

表1 石英砂的基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of silica sand

1)D50is the median particle size and is usually used to indicate the average particle size of soil; 2)Cuis the unevenness coefficient of soil particles; 3)Ccis the coefficient of curvature.

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)的主要裝置為由厚5 mm的無(wú)色磨砂硅酸鹽玻璃制成的二維砂箱，如圖1所示。砂箱上部開(kāi)口，兩側(cè)為帶孔不銹鋼管，并貼有孔徑75 μm不銹鋼網(wǎng)以免多孔介質(zhì)泄漏到不銹鋼管內(nèi)。為消除外界光線的干擾，實(shí)驗(yàn)在搭建的暗室中進(jìn)行。

圖1 二維砂箱實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental apparatus of 2-dimensional sandboxa, b—Stainless steel pipes perforated with 75 μm stainless steel net

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為避免石英砂表面不潔凈對(duì)其濕潤(rùn)性能的影響，在裝填前分別用酸溶液、堿溶液、H2O2和去離子水對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的清洗，去除有機(jī)雜質(zhì)，使其pH值接近中性，并自然風(fēng)干，裝入樣品瓶備用。采用比重瓶法測(cè)得石英砂的顆粒密度為2.61 g/cm3，干密度為1.32 g/cm3，孔隙度為0.49。為便于攝影觀察，增強(qiáng)柴油與背景的對(duì)比度，用蘇丹紅Ⅳ(質(zhì)量濃度為0.08 g/L)對(duì)其進(jìn)行染色。已有研究表明使用蘇丹紅Ⅳ染色，對(duì)柴油遷移與分布特征的影響可以忽略[13]。

采用標(biāo)準(zhǔn)分層法裝填石英砂，每次裝填高度為2 cm，重復(fù)裝填，多孔介質(zhì)的最終高度為32 cm。在多孔介質(zhì)最頂層均勻裝填1 cm厚、粒徑大小為1 mm 的玻璃珠，使柴油能均勻入滲到石英砂，避免在注入過(guò)程中發(fā)生濺蝕作用。

利用蠕動(dòng)泵模擬線源污染，污染源寬度為16 cm，柴油的注入速率為4.85 mL/min，以柴油到達(dá)砂箱底部為實(shí)驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)，停止注入柴油。

采用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用EOS Utility軟件以5 s 間隔定時(shí)取像。

實(shí)驗(yàn)以柴油到達(dá)石英砂開(kāi)始計(jì)時(shí)，選取整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的1/4、2/4、3/4和4/4時(shí)間點(diǎn)的圖像，利用Arcgis10.3軟件對(duì)其鋒面形態(tài)進(jìn)行處理，并疊加顯示。

1.4 圖像分析與表征

配制不同柴油飽和度的多孔介質(zhì)，以1.3節(jié)中方法裝填，然后采集數(shù)據(jù)，并分別建立圖像R、G、B波段與柴油飽和度的線性關(guān)系，選取擬合度最好的B波段曲線作為標(biāo)準(zhǔn)曲線，以表征多孔介質(zhì)中柴油的飽和度分布。

將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Arcgis 10.3中，選取4個(gè)控制點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行地理配準(zhǔn)，以提供統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)；裁剪出研究區(qū)域；對(duì)研究區(qū)域的B波段圖像進(jìn)行鄰域分析，以減少噪點(diǎn)造成的誤差；再對(duì)鄰域分析后的圖像進(jìn)行重分類(lèi)(污染區(qū)域和未污染區(qū)域)；然后將重分類(lèi)的圖像轉(zhuǎn)換為矢量面圖層，提取面圖層中的污染面積、污染界面周長(zhǎng)、垂向遷移距離；最后，將矢量面圖層作為掩膜對(duì)鄰域分析后的圖像進(jìn)行提取，再將柴油飽和度標(biāo)準(zhǔn)曲線代入，得到柴油飽和度分布圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 柴油在不同多孔介質(zhì)中的遷移形態(tài)

圖2為柴油在石英砂中的遷移實(shí)驗(yàn)過(guò)程中4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的遷移鋒面形態(tài)?？梢钥闯?，柴油在向下遷移過(guò)程中，隨著遷移深度的增加，遷移鋒面變得不穩(wěn)定，會(huì)繞過(guò)部分石英砂呈“指狀”向下遷移，在粗粒徑多孔介質(zhì)中表現(xiàn)得尤為明顯。柴油會(huì)優(yōu)先從指進(jìn)路徑向下遷移入滲，形成優(yōu)勢(shì)流，與Parlange等[14]的不穩(wěn)定濕潤(rùn)鋒理論相一致。柴油在3種不同粒徑石英砂中的遷移鋒面形態(tài)差異明顯，粗粒徑石英砂中的遷移鋒面形態(tài)更加不規(guī)則，指流數(shù)目較多，而較細(xì)粒徑石英砂中的遷移鋒面形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定、規(guī)則。這是由于粗粒徑石英砂中的孔隙多為大孔隙，毛細(xì)作用相對(duì)較弱，垂向遷移速率較快，從而遷移鋒面變得不穩(wěn)定，橫向遷移不明顯。這與文獻(xiàn)[15-17]中提出的多孔介質(zhì)顆粒組成是影響污染物遷移較關(guān)鍵因素的觀點(diǎn)相一致。

2.2 污染面積、污染界面周長(zhǎng)、垂向遷移距離與時(shí)間的關(guān)系

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)柴油在3種不同粒徑石英砂中遷移鋒面的定量表征結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，柴油在不同石英砂中的垂向遷移速率、污染界面周長(zhǎng)、污染面積均有明顯差異。柴油到達(dá)砂箱底部的遷移時(shí)間分別為12、70、120 min，柴油在粗粒徑石英砂中的垂向遷移速率明顯大于在細(xì)粒徑石英砂中的垂向遷移速率。此外，柴油在粗粒徑石英砂中的橫向遷移不明顯，污染面積明顯小于細(xì)粒徑石英砂中的污染面積，約為細(xì)粒徑石英砂污染面積的1/3。柴油在粗粒徑石英砂中的遷移鋒面更加不規(guī)則，其污染界面周長(zhǎng)明顯大于細(xì)粒徑石英砂中的污染界面周長(zhǎng)，楊賓等[11]的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一結(jié)論。

圖2 柴油在石英砂中的遷移實(shí)驗(yàn)過(guò)程中4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的遷移鋒面形態(tài)Fig.2 Migration frontal morphology at four time points during the experiment of diesel in silica sand(a) Coarse sand； (b) Medium sand； (c) Fine sand

表2 柴油注入停止時(shí)的遷移鋒面參數(shù)Table 2 Parameters of migration front at thetime when the diesel injection stopped

對(duì)柴油入滲遷移過(guò)程中即時(shí)達(dá)到的污染面積(S)、污染界面周長(zhǎng)(L)、最大垂向遷移距離(l)與時(shí)間(t)的關(guān)系作圖，如圖3所示?？梢钥闯?，柴油在3種不同粒徑石英砂中的污染面積、污染界面周長(zhǎng)、最大垂向遷移距離與時(shí)間具有良好的線性關(guān)系,擬合系數(shù)R2均在0.99以上，且R2(S-t)>R2(l-t)>R2(L-t)。石英砂粒徑大小對(duì)柴油的遷移與分布特征有顯著影響：石英砂粒徑越大，污染面積增長(zhǎng)率、污染界面周長(zhǎng)增長(zhǎng)率和垂向遷移速率越大。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，粒徑越大，形成的孔隙越大，毛細(xì)作用相對(duì)較弱，有利于促進(jìn)柴油的垂向遷移。在柴油連續(xù)不斷注入條件下，相同時(shí)間內(nèi)，柴油在粗粒徑石英砂中的垂向遷移距離更深，污染面積更大。石英砂粒徑越小，形成的孔隙相對(duì)較小，有較強(qiáng)的毛細(xì)作用，此毛細(xì)作用表現(xiàn)為吸力，阻礙柴油的垂向遷移，促進(jìn)柴油的橫向遷移，遷移鋒面的形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。因此，在柴油不斷注入的時(shí)間段中，相同時(shí)間內(nèi)，粗粒徑石英砂中的污染面積更大，入滲深度更深，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)明顯大于細(xì)粒徑石英砂。

2.3 多孔介質(zhì)的性質(zhì)與柴油污染面積和污染界面周長(zhǎng)的關(guān)系

多孔介質(zhì)的性質(zhì)是影響柴油遷移與分布特征的重要因素，表征多孔介質(zhì)性質(zhì)的參數(shù)有很多，如D50、孔隙度、干密度、不均勻系數(shù)(Cu)、曲率系數(shù)(Cc)等。Cu反映土粒組成不均勻程度，工程上常將Cu≤5的土稱(chēng)為勻粒土，反之則稱(chēng)為非勻粒土。Cc反映粒徑累積分布曲線的整體形狀和細(xì)粒含量[18]。筆者將D50、Cu、Cc分別與實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻的柴油污染面積和污染界面周長(zhǎng)進(jìn)行一元和多元線性擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，擬合的一元線性方程中：D50與污染面積的擬合程度較好，擬合系數(shù)R2為0.9964，污染面積隨著D50的增大而減?。籇50和Cu與污染界面周長(zhǎng)的擬合度較高，擬合系數(shù)均在0.93以上，且污染界面周長(zhǎng)隨著D50的增大而增大，隨著Cu的增大而減小。在擬合的多元線性方程中，D50、Cu、Cc任意兩者結(jié)合與污染面積和污染界面周長(zhǎng)的擬合均較好，說(shuō)明多孔介質(zhì)的D50、Cu和Cc任意兩者的變動(dòng)都會(huì)顯著影響柴油的污染面積和污染界面周長(zhǎng)。

圖3 柴油在3種不同粒徑石英砂中污染面積(S)、污染界面周長(zhǎng)(L)、垂向遷移距離(l)與時(shí)間(t)的關(guān)系Fig.3 Relationship between contamination area (S),contamination interface perimeter (L),vertical migration distance (l) and time (t) of diesel in three different particle sizes silica sand(a) S vs. t; (b) L vs. t; (c) l vs. t

ItemkD50kCukCcConstant termR2S-1621.9321--1385.17100.9964-1530.6422--1817.10660.8886--1323.3358-603.72240.0974-1390.2220251.4554-873.92121.0000-1543.03141415.4571-3224.57271.0000-1660.8828--275.57371671.85221.0000L262.3828--52.85000.9377--267.7877-603.97190.9781---88.5224251.55190.0157102.7002-173.29-405.17711.0000--268.7030-104.5644707.94591.0000289.2256-189.9112-144.71591.0000

kD50—Coefficient ofD50in fitting equations;kCu—Coefficient ofCuin fitting equations;kCc—Coefficient ofCcin fitting equations;R2—Determination coefficient of the fitting equation

圖4為柴油污染面積和污染界面周長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)值與其線性擬合方程的計(jì)算值。從圖4可以看出，由擬合方程得到的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值有一定差距，但差距很小。多元線性擬合方程計(jì)算得到的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值更為接近。這也進(jìn)一步說(shuō)明可以用擬合方程得到的計(jì)算值近似表示實(shí)驗(yàn)值。

圖4 柴油污染面積和污染界面周長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)值與其線性擬合方程的計(jì)算值Fig.4 Experimental values of diesel contamination area and contamination interface perimeter andcalculated values of their linear fitting equations(a) Fitting of D50 with contamination area; Fitting of D50 and Cu with contamination area;(b) Fitting of D50 with contamination interface perimeter; Fitting of D50 and Cu with contamination interface perimeter

2.4 柴油在不同多孔介質(zhì)中的飽和度分布

隨著柴油的不斷注入，柴油在石英砂不同位置的飽和度也不斷變化。傳統(tǒng)測(cè)定多孔介質(zhì)中污染物飽和度的方法，具有時(shí)間長(zhǎng)、侵入性、探測(cè)面積小等缺點(diǎn)，圖像分析方法正好彌補(bǔ)了這些不足，能夠快速、準(zhǔn)確、非侵入性地表征柴油在多孔介質(zhì)中的飽和度分布情況。選取柴油在3種不同粒徑多孔介質(zhì)中到達(dá)砂箱底部時(shí)刻的圖像進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯觯稚爸胁裼偷娘柡投葹?～0.15，細(xì)砂中柴油的飽和度為0～0.48，顯然柴油在粗粒徑多孔介質(zhì)中的飽和度比在細(xì)粒徑多孔介質(zhì)中的低。因?yàn)樵谙嗤紫抖鹊臈l件下，粗粒徑多孔介質(zhì)的孔隙大，毛細(xì)作用力相對(duì)較小，對(duì)柴油的滯留能力較弱；細(xì)粒徑多孔介質(zhì)堆積密實(shí)，滲透性能有所降低，并且會(huì)出現(xiàn)小孔、微孔、死孔等不連通的孔隙，增加柴油遷移的迂曲度，形成“微孔調(diào)節(jié)效應(yīng)”，對(duì)柴油有較強(qiáng)的持留能力[19]。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，與柴油的垂向遷移相比，柴油的橫向遷移相對(duì)較弱，柴油的高飽和度區(qū)主要分布在柴油線源污染寬度的垂向遷移區(qū)域，而橫向遷移區(qū)域的飽和度相對(duì)較低。

在圖5的基礎(chǔ)上，以垂向到達(dá)砂箱底部的遷移路徑為基準(zhǔn)布設(shè)5個(gè)點(diǎn)位，并計(jì)算柴油在各點(diǎn)位處的飽和度，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，細(xì)砂中各點(diǎn)位處的飽和度明顯大于粗砂。這是由于細(xì)砂的顆粒小，比表面積大，堆積得較密實(shí)，孔隙多為小孔隙，對(duì)柴油持留能力較強(qiáng)，對(duì)其垂向遷移具有吸附和阻滯作用。在垂向遷移距離4 cm處，柴油在細(xì)砂中的飽和度比在中砂的低，可能是由于在裝填多孔介質(zhì)的過(guò)程中不能保證介質(zhì)的絕對(duì)均勻，此處細(xì)砂較疏松，孔隙度比中砂大，對(duì)柴油持留能力下降。

圖5 柴油在3種不同粒徑石英砂中注入停止時(shí)刻的飽和度分布Fig.5 Saturation distribution of diesel in silica sand of three different particle sizes when the injection stopped(a) Coarse sand; (b) Medium sand; (c) Fine sand

圖6 柴油在各布設(shè)點(diǎn)位處的飽和度Fig.6 Diesel saturation value at each deployment point

因此，在污染源注入寬度、注入速率和多孔介質(zhì)孔隙度一定的條件下，多孔介質(zhì)相同深度區(qū)域中，細(xì)粒徑多孔介質(zhì)中的污染面積更大，污染物的飽和度更高，污染程度更強(qiáng)。綜合污染的長(zhǎng)期性而言，細(xì)粒徑多孔介質(zhì)中的污染更廣，危害程度更高。

3 結(jié) 論

(1)在相同實(shí)驗(yàn)條件下，柴油在粗粒徑石英砂中的垂向遷移速率更大，遷移鋒面不穩(wěn)定，指流現(xiàn)象更明顯，并且在相同時(shí)間內(nèi)垂向遷移距離更大，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)明顯大于細(xì)粒徑石英砂。

(2)柴油在入滲遷移過(guò)程中，其污染面積、污染界面周長(zhǎng)、垂向遷移距離與時(shí)間具有良好的線性關(guān)系，擬合系數(shù)均在0.99以上。同時(shí)，污染面積增長(zhǎng)率、污染界面周長(zhǎng)增長(zhǎng)率、垂向遷移速率與多孔介質(zhì)粒徑大小呈正相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，在石英砂垂向遷移相同深度區(qū)域中，粗粒徑石英砂中的污染面積是細(xì)粒徑石英砂污染面積的1/3左右。

(3)污染面積隨著D50的增大而減小，二者擬合系數(shù)R2為0.9964；污染界面周長(zhǎng)隨著D50的增大而增大，隨著Cu的增大而減小，且擬合度均在0.93以上；多孔介質(zhì)的D50、Cu和Cc任意兩者的變動(dòng)都會(huì)顯著影響污染物的污染面積和污染界面周長(zhǎng)；擬合方程得到的計(jì)算值可近似表示實(shí)驗(yàn)值。

(4)在相同實(shí)驗(yàn)條件下，垂向遷移相同深度區(qū)域多孔介質(zhì)中，柴油在細(xì)粒徑多孔介質(zhì)中的飽和度比在粗粒徑多孔介質(zhì)中的高，污染程度更強(qiáng)，綜合污染的長(zhǎng)期性而言，細(xì)粒徑多孔介質(zhì)中的污染更廣，危害程度更高。