地下水污染物遷移過程的可視化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱文遠(yuǎn)， 竇 智， 張學(xué)羿， 王錦國， 趙 燕， 劉一民

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098）

0 引 言

在場(chǎng)地污染物空間分布研究中，低滲透性含水層污染物反向擴(kuò)散導(dǎo)致的持續(xù)污染是目前研究的重點(diǎn)方向［1-3］。受含水層介質(zhì)非均質(zhì)性、各向異性、水動(dòng)力場(chǎng)等因素的影響，反向擴(kuò)散過程中的污染物濃度空間分布極其復(fù)雜，因此，地下水污染物遷移過程，特別是反向擴(kuò)散遷移過程的濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與可視化對(duì)研究場(chǎng)地污染物空間分布規(guī)律至關(guān)重要。光學(xué)成像法成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單，并且可以快捷實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物位置、界面區(qū)域、水流動(dòng)路徑與速度的監(jiān)測(cè)與測(cè)量，在污染物遷移實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用廣泛［4-5］。基于光學(xué)成像技術(shù)的地下水污染物遷移實(shí)驗(yàn)可以成功地用于研究透明容器中多孔介質(zhì)溶質(zhì)質(zhì)量傳輸過程，與傳統(tǒng)取樣法相比，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無損監(jiān)測(cè)，即在不擾動(dòng)水流場(chǎng)的情況下，更加詳細(xì)地獲得污染物遷移信息［6］。

目前，光學(xué)成像技術(shù)已為多數(shù)學(xué)者所使用。光學(xué)成像技術(shù)主要包括光透射法［4，7-9］和光反射法［5，10-12］。Yang等［10］使用光反射方法獲取砂箱模型內(nèi)示蹤劑濃度分布，為改進(jìn)分析模型、精確繪制低滲透性含水層濃度剖面提供新思路。文獻(xiàn)［8-9］中應(yīng)用光透射法研究了非均質(zhì)多孔介質(zhì)中氣體和DNAPL的遷移規(guī)律與模型計(jì)算。高燕維等［4］使用光透射法研究水流流速對(duì)污染物遷移的影響。但光透射法僅適用于粒徑大，滲透性較高的含水層，相對(duì)地，針對(duì)滲透性差別較大的復(fù)雜含水層，光反射法可以用于研究透光性很差的低滲透性介質(zhì)，準(zhǔn)確地反映低滲透性介質(zhì)中污染物遷移過程［5，10-12］。

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套具有濃度可視化功能的砂箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以熒光素鈉作為污染物，使用特制的光學(xué)成像系統(tǒng)，采集砂箱模型中污染物前向擴(kuò)散與反向擴(kuò)散過程中的濃度分布數(shù)字圖像，通過數(shù)字圖像分析和標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定，建立“逐像素”校準(zhǔn)的熒光素鈉溶液濃度-圖像灰度值之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)熒光素鈉濃度時(shí)空分布規(guī)律的可視化分析。

1 圖像分析原理

在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，圖像分為模擬圖像和數(shù)字圖像兩種，而圖像分析技術(shù)就是將所見的客觀場(chǎng)景通過數(shù)碼相機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取數(shù)字圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的處理與分析。在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用色彩空間來描述顏色的變化規(guī)律。常用的色彩空間有RGB［12］（Red、Green、Blue）和HSB［13］（Hue、Saturation、Brightness）兩種。其中，RGB圖像也稱為真彩色，是一種彩色圖像的表示方法。RGB圖像的每個(gè)像素都是由不同灰度級(jí)的紅、綠、藍(lán)描述的，每種單色的灰度描述方式相同，以數(shù)字0～255表示，各有256個(gè)級(jí)別，利用3個(gè)大小相同的二維數(shù)組表示1個(gè)像素，3個(gè)數(shù)組分別代表R、G、B 3個(gè)分量，通過3種基本顏色可以合成任意顏色，大大提高了成像的色彩豐富度。

為了建立圖像顏色與濃度的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)濃度分布及變化的可視化，早在20世紀(jì)90年代，就有學(xué)者證實(shí)了在RGB模式下，可建立示蹤劑的濃度與圖像顏色的定量關(guān)系［14-15］。因此，本文選取圖像的RGB通道進(jìn)行拆分與處理，并建立熒光素鈉溶液濃度與圖像灰度值之間的函數(shù)關(guān)系。

2 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文選擇熒光素鈉為污染物，使用玻璃砂模擬多孔介質(zhì)，設(shè)計(jì)的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括光學(xué)成像系統(tǒng)和二維砂箱模型。通過建立吸光度-熒光素鈉溶液濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線、圖像信息-熒光素鈉溶液濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，獲得熒光素鈉溶液吸光度-濃度-圖像灰度值之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)中污染物濃度空間分布及變化的可視化。

2.1 光學(xué)成像系統(tǒng)

光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)中，光源的選取對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像獲取的穩(wěn)定性與分析的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵。LED燈具有光衰極小、壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)選擇LED射燈作為光源。使用藍(lán)光照射熒光素鈉，使其從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，熒光素鈉從激發(fā)態(tài)釋放能量回歸基態(tài)的過程中會(huì)發(fā)出熒光。實(shí)驗(yàn)需要特定波長的光源激發(fā)熒光素鈉，并確保相機(jī)只接受其所發(fā)射的熒光。故為LED燈配置截止深度為OD4，中心波長485 nm，帶寬10 nm的濾光片，為數(shù)碼相機(jī)配置中心波長512 nm，帶寬20 nm的濾光片，實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光素鈉的激發(fā)，并接收其發(fā)射的波長。這種圖像獲取方法中熒光素鈉的激發(fā)波長和發(fā)射波長互不重疊，可以提高分析精度?？梢暬瘜?shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。為保證實(shí)驗(yàn)中激發(fā)熒光的光源均來自LED燈，將砂箱、光源及相機(jī)放置于完全密閉的黑箱內(nèi)，以減少外界條件影響而造成的實(shí)驗(yàn)誤差。

圖1 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

將相機(jī)（型號(hào)：佳能EOS800D）放置在距砂箱1.5 m處；相機(jī)感光度（ISO）調(diào)至最低值100，以減小噪點(diǎn)對(duì)圖像的影響；快門為1 s，光圈為F11，焦距為24 mm，手動(dòng)對(duì)焦，保證每次拍攝的圖像均為相同的參數(shù)。

2.2 砂箱模型與材料

二維砂箱模型由兩塊1 cm厚的有機(jī)玻璃板焊接固定而成，內(nèi)部空間尺寸為65 cm×30 cm×1.5 cm（長×高×寬），如圖2所示。砂箱兩側(cè)附有300目不銹鋼濾網(wǎng)，防止石英砂堵塞進(jìn)、出水口。砂箱左側(cè)為一溢流槽，砂箱與溢流槽連接處為穿孔隔板，可使兩者之間保持良好的水力聯(lián)系。在模型右側(cè)設(shè)置一個(gè)出水口，并控制兩側(cè)水頭差，用于模擬地下水的側(cè)向流動(dòng)。

圖2 二維砂箱模型示意圖

砂箱模型上層裝填細(xì)砂，模擬低滲透性含水層，粒徑范圍0.071～0.09 mm，孔隙度為0.36，裝填高度為22 cm；下層為粗砂，模擬高滲透性含水層，粒徑范圍0.28～0.355 mm，孔隙度為0.38，裝填高度為5.5 cm。裝填方式為濕法裝填，即裝填過程模型中的水位始終高于砂層的厚度，并且每裝填2 cm左右厚度時(shí)進(jìn)行壓實(shí)，使玻璃砂在砂箱模型中分布均勻。

2.3 示蹤劑

顯色示蹤劑經(jīng)常被用于地下水污染物遷移研究，指示其在地下介質(zhì)中的空間分布及變化。顯色示蹤劑的顏色變化直接反映了污染物的濃度變化，根據(jù)這一特性分析研究區(qū)域的污染物濃度分布及變化。

本實(shí)驗(yàn)選擇熒光素鈉（分子式C20H10Na2O5，相對(duì)分子質(zhì)量376.27，上海麥克林生化科技有限公司）作為污染物是因?yàn)槠渚哂泻芎玫目刮叫裕覠晒馑剽c在紫外光（λ＝256 nm）或藍(lán)光（λ＝490 nm）激發(fā)下以更大的波長（λ＝520 nm）發(fā)射。在中-堿性環(huán)境中，熒光素鈉水溶性好，毒性低，帶有強(qiáng)的綠色熒光，并且具有較高的靈敏度和分辨率［16］。在地下水污染物遷移試驗(yàn)中，通過熒光強(qiáng)度推算示蹤劑的濃度變化，提高了污染物遷移過程的可監(jiān)測(cè)性。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 實(shí)驗(yàn)過程

二維砂箱模型中污染物的前向擴(kuò)散與反向擴(kuò)散過程的可視化實(shí)驗(yàn)包括以下步驟：

（1）將玻璃砂裝填進(jìn)砂箱模型中，并放置于黑箱內(nèi)。使用蠕動(dòng)泵（型號(hào)：雷弗BT101L）將去離子水注入左側(cè)溢流槽，保持水頭恒定。

（2）調(diào)節(jié)右側(cè)出水口的高度，使左右兩側(cè)水頭差為4 cm，測(cè)定出水口流速直至水流基本穩(wěn)定后開始實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)開始前打開帶有濾光片的光源和相機(jī)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱結(jié)束后迅速將左側(cè)溢流槽內(nèi)的去離子水切換為熒光素鈉溶液，同一時(shí)間開始圖像采集，并在出水口取樣。

（4）使用試管在出水口處收集樣品，實(shí)驗(yàn)初始階段每5 min取樣一次。在注入熒光素鈉溶液24 h后，與步驟（3）切換方式相同，將左側(cè)熒光素鈉溶液更替為去離子水進(jìn)行沖洗，待下層高滲透性含水層沖洗完成后，每隔1 h取樣一次，直至將砂箱內(nèi)的熒光素鈉基本沖洗干凈。

（5）使用紫外可見分光光度計(jì)（型號(hào)：哈希DR5000）測(cè)量所取樣品的吸光度。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，使用Image-J軟件將實(shí)驗(yàn)獲取的圖像進(jìn)行通道拆分與網(wǎng)格化剖分，計(jì)算單個(gè)網(wǎng)格G通道平均灰度值。

（6）根據(jù)熒光素鈉溶液濃度與吸光度及圖像灰度值之間的定量關(guān)系，計(jì)算砂箱模型中熒光素鈉溶液濃度的時(shí)空分布情況，并驗(yàn)證可視化系統(tǒng)的有效性。

2.4.2 吸光度-熒光素鈉溶液濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

配置濃度為0～40 mg／L的熒光素鈉溶液，利用分光光度計(jì)測(cè)量不同濃度熒光素鈉溶液的吸光度，并繪制熒光素鈉溶液濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖3所示。

圖3 吸光度-熒光素鈉溶液濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

由圖3知，當(dāng)熒光素鈉溶液濃度大于20 mg／L時(shí)，吸光度增幅逐漸減小。這是由于濃度過高時(shí)，有色溶液對(duì)光的吸收程度逐漸趨于不變，透射光強(qiáng)度的差異逐步變小，導(dǎo)致分光光度計(jì)對(duì)較高濃度的熒光素鈉溶液識(shí)別能力下降，呈現(xiàn)非線性變化。熒光素鈉溶液濃度在0～20 mg／L時(shí)，其吸光度與濃度之間呈線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2＝0.993。為實(shí)現(xiàn)所獲取的圖像具有較高的對(duì)比度與清晰的邊緣，本次實(shí)驗(yàn)選取的熒光素鈉溶液濃度為20 mg／L。

2.4.3 圖像信息-熒光素鈉溶液濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖像噪聲是存在于圖像數(shù)據(jù)中多余的干擾信息。在圖像獲取過程中，由于模型材質(zhì)、光照條件、玻璃砂裝填過程等不能達(dá)到完全的一致，以及圖像信息在傳輸過程中受傳輸介質(zhì)及不完善的通信系統(tǒng)的影響，每個(gè)像素點(diǎn)的背景噪聲無法完全一致。趙勇勝等［11］在圖像信息標(biāo)準(zhǔn)曲線的處理上使用單獨(dú)的小模型進(jìn)行測(cè)定，雖然保證了與實(shí)驗(yàn)條件一致的光源，但是光源的不均勻性對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線的影響有待進(jìn)一步探討。本文依據(jù)Citarella等［17］介紹的方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了“逐像素”校準(zhǔn)，以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

具體校準(zhǔn)步驟如下：

（1）使用已知濃度的熒光素鈉溶液將玻璃砂完全飽和，按照2.2節(jié)所述方法在砂箱模型中進(jìn)行裝填。

（2）保證各實(shí)驗(yàn)條件不變，并在相同的光照情況下進(jìn)行圖像信息采集。

（3）更換不同濃度的熒光素鈉溶液，并重復(fù)步驟（1）和（2）。

校準(zhǔn)程序中所使用的熒光素鈉溶液濃度為0、4、8、12、20 mg／L，基于此獲取校準(zhǔn)曲線所需的圖像信息。通過Image-J軟件分析獲取的圖像如圖4所示，以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到24 h的圖像為例，對(duì)圖像進(jìn)行拆分得到R、G、B通道。

圖4 通道拆分對(duì)比圖

圖5為校準(zhǔn)圖像中不同通道的灰度值與熒光素鈉溶液濃度之間的關(guān)系。由圖5可知，圖像R、G、B通道的灰度值隨熒光素鈉溶液濃度的增加出現(xiàn)非線性變化，考慮使用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)以及多項(xiàng)式函數(shù)等擬合熒光素鈉溶液濃度與圖像灰度值之間的關(guān)系，但是不能確定通過上述函數(shù)所擬合的關(guān)系可以作為適合所有校準(zhǔn)信息的唯一函數(shù)。因此，本文選擇分段線性擬合，根據(jù)相鄰濃度的熒光素鈉溶液與圖像信息之間的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)所采集圖像的校準(zhǔn)處理。

圖5 熒光素鈉溶液濃度-R、G、B通道灰度值標(biāo)準(zhǔn)曲線

假設(shè)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的圖像上任意一像素點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)為i，j，記為Pi，j，該點(diǎn)濃度為Ci，j，通過Image-J軟件讀取該點(diǎn)灰度值為Vi，j，有：

式中，ki，j、bi，j分別為擬合函數(shù)的斜率與截距。

通過讀取實(shí)驗(yàn)所獲取圖像相同位置的灰度值，即可計(jì)算出該點(diǎn)的濃度。

由圖4、5可知，G通道顏色對(duì)比明顯，邊緣顯色清晰，且灰度值變化范圍較大，對(duì)熒光素鈉溶液濃度變化響應(yīng)最大，故采用G通道標(biāo)準(zhǔn)曲線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)獲取的圖像。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖像精度分析

在對(duì)污染羽形態(tài)的刻畫與污染物遷移量的計(jì)算中，可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的圖像分析精度是關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)一個(gè)尺寸為30 cm×15 cm×1.5 cm（長×高×寬）的小型砂槽進(jìn)行圖像精度分析實(shí)驗(yàn)。與砂箱模型裝填方法一致，并在相同的光照條件下使用數(shù)碼相機(jī)獲取不同濃度的熒光素鈉溶液的圖像信息。對(duì)比分光光度計(jì)與可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的檢測(cè)下限，分析兩種方法的濃度采集精度。

由表1可知，使用分光光度計(jì)測(cè)得的熒光素鈉最小質(zhì)量濃度為10μg／L，與食用亮藍(lán)相比，所測(cè)最小濃度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)［11］。在裝填粗砂的砂槽中，當(dāng)熒光素鈉溶液濃度分別為10和1μg／L時(shí)，測(cè)得的G通道灰度值與標(biāo)準(zhǔn)溶液（熒光素鈉濃度為0.000 mg／L）差值為1.00與0.04?？紤]到熒光素鈉溶液的濃度為1μg／L時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)溶液差值較小，所以在裝填粗砂的模型中，圖像分析精度在10～1μg／L之間；在裝填細(xì)砂的砂槽中，熒光素鈉溶液的濃度為10μg／L時(shí)，所測(cè)得的G通道灰度值與標(biāo)準(zhǔn)溶液差值為0.16，所以使用細(xì)砂模擬多孔介質(zhì)時(shí)，圖像分析精度可以確定為10 μg／L。

表1 取樣法與可視化實(shí)驗(yàn)圖像精度分析對(duì)比

綜上，使用熒光素鈉作為污染物，可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)污染物濃度空間分布的準(zhǔn)確獲取，且在使用粗砂模擬多孔介質(zhì)時(shí)其分析精度可以達(dá)到10－2～10－3mg／L之間。此外，使用分光光度計(jì)所能達(dá)到的最低檢測(cè)限較食用亮藍(lán)提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3.2 可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效性分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)的熒光素鈉溶液的吸光度-濃度-圖像G通道灰度值之間的關(guān)系，提取圖4中的線段L的灰度值，計(jì)算對(duì)應(yīng)位置熒光素鈉溶液濃度并繪制穿透曲線。如圖6所示，通過可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)計(jì)算的熒光素鈉溶液濃度與取樣法所得結(jié)果基本一致。因此，可以根據(jù)獲取的圖像信息計(jì)算砂箱模型不同時(shí)空下熒光素鈉溶液的濃度值，即以熒光素鈉為污染物的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是有效且可行的。

圖6 污染物遷移過程穿透曲線

3.3 地下水污染物前向與反向擴(kuò)散可視化分析

低滲透性含水層中的污染物被廣泛認(rèn)為是可能存在的長期污染源，利用可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低滲透性含水層中污染物反向擴(kuò)散過程的長時(shí)間監(jiān)測(cè)與分析。本文使用光學(xué)成像系統(tǒng)監(jiān)測(cè)高-低滲透性含水層中的污染物遷移過程，獲取了一系列圖像，選取代表性時(shí)刻的圖像信息如圖7所示。

圖7 不同時(shí)刻污染物遷移過程變化情況

多孔介質(zhì)的最小有效體積需要包含一組顆粒和顆粒間的相對(duì)間隙，即能夠反映研究區(qū)域滲透特性的最小區(qū)域?？紤]到所使用玻璃砂的粒徑大小，將圖像剖分為多個(gè)2×2像素大小的網(wǎng)格。選取12、48、192、288 h的圖像，通過圖像G通道灰度值與熒光素鈉溶液濃度之間的關(guān)系計(jì)算其濃度空間分布及變化情況。在Surfer軟件中，使用克里金插值繪制濃度等值線圖，如圖8所示。

圖8 砂箱模型中污染物濃度分布等值線圖

圖8中，紅色虛線代表高-低滲透性含水層交界面。污染物注入階段，在水頭差的作用下，高滲透性含水層中污染物遷移較快，且由于高-低滲透性含水層中濃度的差異，高滲透性含水層中的污染物擴(kuò)散到低滲透性含水層中，并不斷累積。在沖洗階段，高滲透性含水層得到了有效的沖洗。高滲透性含水層中的污染物基本沖洗干凈時(shí)，高-低滲透性含水層之間由于濃度梯度的反轉(zhuǎn)，使得低滲透性含水層中的污染物不斷的擴(kuò)散至高滲透性含水層中，并隨水流遷移，且速度極慢，在出水口處可以持續(xù)檢測(cè)到污染物的存在，成為長期存在的污染源。

對(duì)比圖8等值線圖與圖7直接拍攝的圖像可以發(fā)現(xiàn)，以熒光素鈉為污染物，使用可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以清晰地分辨出污染物遷移的前緣與邊界。相較于傳統(tǒng)的打孔取樣法，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)獲取污染物遷移過程中的濃度時(shí)空分布及變化。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種非侵入性、成本相對(duì)較低且準(zhǔn)確性高的可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可用于研究透明模型多孔介質(zhì)中污染物遷移行為。

在可視化實(shí)驗(yàn)中，以熒光素鈉作為污染物，環(huán)境噪聲影響更小，成像清晰。最低檢測(cè)濃度在10－2～10－3mg／L之間，較食用亮藍(lán)示蹤劑提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，且空間分辨率更高（比常規(guī)打孔取樣分析多3～4個(gè)數(shù)量級(jí)的取樣點(diǎn)）。通過獲取的圖像可以更加清楚地分析污染物擴(kuò)散的前緣及高-低滲透性含水層界面處的變化，對(duì)地下水污染羽形態(tài)的監(jiān)測(cè)識(shí)別與刻畫方面更加精確。

通過建立熒光素鈉溶液吸光度-濃度-圖像信息灰度值三者之間的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)中污染物濃度時(shí)空分布及變化的可視化分析。采用“逐像素”校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各像素點(diǎn)的準(zhǔn)確分析，具有較高的可信度與可靠性。本文提出的地下水污染物遷移過程的可視化實(shí)驗(yàn)方法，為地下水污染物遷移實(shí)驗(yàn)提供了一種簡(jiǎn)單高效的監(jiān)測(cè)方法。