地下水污染物迁移过程的可视化实验设计

朱文远， 窦 智， 张学羿， 王锦国， 赵 燕， 刘一民

（河海大学地球科学与工程学院，南京 210098）

0 引 言

在场地污染物空间分布研究中，低渗透性含水层污染物反向扩散导致的持续污染是目前研究的重点方向［1-3］。受含水层介质非均质性、各向异性、水动力场等因素的影响，反向扩散过程中的污染物浓度空间分布极其复杂，因此，地下水污染物迁移过程，特别是反向扩散迁移过程的浓度实时监测与可视化对研究场地污染物空间分布规律至关重要。光学成像法成本低、设备简单，并且可以快捷实现对污染物位置、界面区域、水流动路径与速度的监测与测量，在污染物迁移实验中应用广泛［4-5］。基于光学成像技术的地下水污染物迁移实验可以成功地用于研究透明容器中多孔介质溶质质量传输过程，与传统取样法相比，该技术可实现无损监测，即在不扰动水流场的情况下，更加详细地获得污染物迁移信息［6］。

目前，光学成像技术已为多数学者所使用。光学成像技术主要包括光透射法［4，7-9］和光反射法［5，10-12］。Yang等［10］使用光反射方法获取砂箱模型内示踪剂浓度分布，为改进分析模型、精确绘制低渗透性含水层浓度剖面提供新思路。文献［8-9］中应用光透射法研究了非均质多孔介质中气体和DNAPL的迁移规律与模型计算。高燕维等［4］使用光透射法研究水流流速对污染物迁移的影响。但光透射法仅适用于粒径大，渗透性较高的含水层，相对地，针对渗透性差别较大的复杂含水层，光反射法可以用于研究透光性很差的低渗透性介质，准确地反映低渗透性介质中污染物迁移过程［5，10-12］。

本文设计并搭建了一套具有浓度可视化功能的砂箱实验平台。以荧光素钠作为污染物，使用特制的光学成像系统，采集砂箱模型中污染物前向扩散与反向扩散过程中的浓度分布数字图像，通过数字图像分析和标准曲线测定，建立“逐像素”校准的荧光素钠溶液浓度-图像灰度值之间的定量关系，实现荧光素钠浓度时空分布规律的可视化分析。

1 图像分析原理

在数字图像处理领域，图像分为模拟图像和数字图像两种，而图像分析技术就是将所见的客观场景通过数码相机的模数转换获取数字图像，进而实现在计算机上的处理与分析。在实际应用中，通常采用色彩空间来描述颜色的变化规律。常用的色彩空间有RGB［12］（Red、Green、Blue）和HSB［13］（Hue、Saturation、Brightness）两种。其中，RGB图像也称为真彩色，是一种彩色图像的表示方法。RGB图像的每个像素都是由不同灰度级的红、绿、蓝描述的，每种单色的灰度描述方式相同，以数字0～255表示，各有256个级别，利用3个大小相同的二维数组表示1个像素，3个数组分别代表R、G、B 3个分量，通过3种基本颜色可以合成任意颜色，大大提高了成像的色彩丰富度。

为了建立图像颜色与浓度的定量关系，实现浓度分布及变化的可视化，早在20世纪90年代，就有学者证实了在RGB模式下，可建立示踪剂的浓度与图像颜色的定量关系［14-15］。因此，本文选取图像的RGB通道进行拆分与处理，并建立荧光素钠溶液浓度与图像灰度值之间的函数关系。

2 可视化实验平台设计

本文选择荧光素钠为污染物，使用玻璃砂模拟多孔介质，设计的可视化实验平台包括光学成像系统和二维砂箱模型。通过建立吸光度-荧光素钠溶液浓度标准曲线、图像信息-荧光素钠溶液浓度标准曲线，获得荧光素钠溶液吸光度-浓度-图像灰度值之间的定量关系，实现多孔介质中污染物浓度空间分布及变化的可视化。

2.1 光学成像系统

光学成像实验中，光源的选取对实验图像获取的稳定性与分析的准确性十分关键。LED灯具有光衰极小、寿命较长等优点，本实验选择LED射灯作为光源。使用蓝光照射荧光素钠，使其从基态跃迁到激发态，荧光素钠从激发态释放能量回归基态的过程中会发出荧光。实验需要特定波长的光源激发荧光素钠，并确保相机只接受其所发射的荧光。故为LED灯配置截止深度为OD4，中心波长485 nm，带宽10 nm的滤光片，为数码相机配置中心波长512 nm，带宽20 nm的滤光片，实现对荧光素钠的激发，并接收其发射的波长。这种图像获取方法中荧光素钠的激发波长和发射波长互不重叠，可以提高分析精度。可视化实验平台如图1所示。为保证实验中激发荧光的光源均来自LED灯，将砂箱、光源及相机放置于完全密闭的黑箱内，以减少外界条件影响而造成的实验误差。

图1 可视化实验平台示意图

将相机（型号：佳能EOS800D）放置在距砂箱1.5 m处；相机感光度（ISO）调至最低值100，以减小噪点对图像的影响；快门为1 s，光圈为F11，焦距为24 mm，手动对焦，保证每次拍摄的图像均为相同的参数。

2.2 砂箱模型与材料

二维砂箱模型由两块1 cm厚的有机玻璃板焊接固定而成，内部空间尺寸为65 cm×30 cm×1.5 cm（长×高×宽），如图2所示。砂箱两侧附有300目不锈钢滤网，防止石英砂堵塞进、出水口。砂箱左侧为一溢流槽，砂箱与溢流槽连接处为穿孔隔板，可使两者之间保持良好的水力联系。在模型右侧设置一个出水口，并控制两侧水头差，用于模拟地下水的侧向流动。

图2 二维砂箱模型示意图

砂箱模型上层装填细砂，模拟低渗透性含水层，粒径范围0.071～0.09 mm，孔隙度为0.36，装填高度为22 cm；下层为粗砂，模拟高渗透性含水层，粒径范围0.28～0.355 mm，孔隙度为0.38，装填高度为5.5 cm。装填方式为湿法装填，即装填过程模型中的水位始终高于砂层的厚度，并且每装填2 cm左右厚度时进行压实，使玻璃砂在砂箱模型中分布均匀。

2.3 示踪剂

显色示踪剂经常被用于地下水污染物迁移研究，指示其在地下介质中的空间分布及变化。显色示踪剂的颜色变化直接反映了污染物的浓度变化，根据这一特性分析研究区域的污染物浓度分布及变化。

本实验选择荧光素钠（分子式C20H10Na2O5，相对分子质量376.27，上海麦克林生化科技有限公司）作为污染物是因为其具有很好的抗吸附性，且荧光素钠在紫外光（λ＝256 nm）或蓝光（λ＝490 nm）激发下以更大的波长（λ＝520 nm）发射。在中-碱性环境中，荧光素钠水溶性好，毒性低，带有强的绿色荧光，并且具有较高的灵敏度和分辨率［16］。在地下水污染物迁移试验中，通过荧光强度推算示踪剂的浓度变化，提高了污染物迁移过程的可监测性。

2.4 实验步骤

2.4.1 实验过程

二维砂箱模型中污染物的前向扩散与反向扩散过程的可视化实验包括以下步骤：

（1）将玻璃砂装填进砂箱模型中，并放置于黑箱内。使用蠕动泵（型号：雷弗BT101L）将去离子水注入左侧溢流槽，保持水头恒定。

（2）调节右侧出水口的高度，使左右两侧水头差为4 cm，测定出水口流速直至水流基本稳定后开始实验。

（3）实验开始前打开带有滤光片的光源和相机进行预热，预热结束后迅速将左侧溢流槽内的去离子水切换为荧光素钠溶液，同一时间开始图像采集，并在出水口取样。

（4）使用试管在出水口处收集样品，实验初始阶段每5 min取样一次。在注入荧光素钠溶液24 h后，与步骤（3）切换方式相同，将左侧荧光素钠溶液更替为去离子水进行冲洗，待下层高渗透性含水层冲洗完成后，每隔1 h取样一次，直至将砂箱内的荧光素钠基本冲洗干净。

（5）使用紫外可见分光光度计（型号：哈希DR5000）测量所取样品的吸光度。待实验结束后，使用Image-J软件将实验获取的图像进行通道拆分与网格化剖分，计算单个网格G通道平均灰度值。

（6）根据荧光素钠溶液浓度与吸光度及图像灰度值之间的定量关系，计算砂箱模型中荧光素钠溶液浓度的时空分布情况，并验证可视化系统的有效性。

2.4.2 吸光度-荧光素钠溶液浓度标准曲线

配置浓度为0～40 mg／L的荧光素钠溶液，利用分光光度计测量不同浓度荧光素钠溶液的吸光度，并绘制荧光素钠溶液浓度-吸光度标准曲线，如图3所示。

图3 吸光度-荧光素钠溶液浓度标准曲线

由图3知，当荧光素钠溶液浓度大于20 mg／L时，吸光度增幅逐渐减小。这是由于浓度过高时，有色溶液对光的吸收程度逐渐趋于不变，透射光强度的差异逐步变小，导致分光光度计对较高浓度的荧光素钠溶液识别能力下降，呈现非线性变化。荧光素钠溶液浓度在0～20 mg／L时，其吸光度与浓度之间呈线性关系，线性相关系数R2＝0.993。为实现所获取的图像具有较高的对比度与清晰的边缘，本次实验选取的荧光素钠溶液浓度为20 mg／L。

2.4.3 图像信息-荧光素钠溶液浓度标准曲线

图像噪声是存在于图像数据中多余的干扰信息。在图像获取过程中，由于模型材质、光照条件、玻璃砂装填过程等不能达到完全的一致，以及图像信息在传输过程中受传输介质及不完善的通信系统的影响，每个像素点的背景噪声无法完全一致。赵勇胜等［11］在图像信息标准曲线的处理上使用单独的小模型进行测定，虽然保证了与实验条件一致的光源，但是光源的不均匀性对标准曲线的影响有待进一步探讨。本文依据Citarella等［17］介绍的方法，对实验模型进行了“逐像素”校准，以提高分析结果的准确性。

具体校准步骤如下：

（1）使用已知浓度的荧光素钠溶液将玻璃砂完全饱和，按照2.2节所述方法在砂箱模型中进行装填。

（2）保证各实验条件不变，并在相同的光照情况下进行图像信息采集。

（3）更换不同浓度的荧光素钠溶液，并重复步骤（1）和（2）。

校准程序中所使用的荧光素钠溶液浓度为0、4、8、12、20 mg／L，基于此获取校准曲线所需的图像信息。通过Image-J软件分析获取的图像如图4所示，以实验进行到24 h的图像为例，对图像进行拆分得到R、G、B通道。

图4 通道拆分对比图

图5为校准图像中不同通道的灰度值与荧光素钠溶液浓度之间的关系。由图5可知，图像R、G、B通道的灰度值随荧光素钠溶液浓度的增加出现非线性变化，考虑使用幂函数、指数函数以及多项式函数等拟合荧光素钠溶液浓度与图像灰度值之间的关系，但是不能确定通过上述函数所拟合的关系可以作为适合所有校准信息的唯一函数。因此，本文选择分段线性拟合，根据相邻浓度的荧光素钠溶液与图像信息之间的线性关系，实现对实验所采集图像的校准处理。

图5 荧光素钠溶液浓度-R、G、B通道灰度值标准曲线

假设绘制标准曲线的图像上任意一像素点的横、纵坐标为i，j，记为Pi，j，该点浓度为Ci，j，通过Image-J软件读取该点灰度值为Vi，j，有：

式中，ki，j、bi，j分别为拟合函数的斜率与截距。

通过读取实验所获取图像相同位置的灰度值，即可计算出该点的浓度。

由图4、5可知，G通道颜色对比明显，边缘显色清晰，且灰度值变化范围较大，对荧光素钠溶液浓度变化响应最大，故采用G通道标准曲线校准实验获取的图像。

3 实验结果与分析

3.1 可视化实验平台图像精度分析

在对污染羽形态的刻画与污染物迁移量的计算中，可视化实验平台的图像分析精度是关键因素。设计一个尺寸为30 cm×15 cm×1.5 cm（长×高×宽）的小型砂槽进行图像精度分析实验。与砂箱模型装填方法一致，并在相同的光照条件下使用数码相机获取不同浓度的荧光素钠溶液的图像信息。对比分光光度计与可视化实验平台的检测下限，分析两种方法的浓度采集精度。

由表1可知，使用分光光度计测得的荧光素钠最小质量浓度为10μg／L，与食用亮蓝相比，所测最小浓度提高了一个数量级［11］。在装填粗砂的砂槽中，当荧光素钠溶液浓度分别为10和1μg／L时，测得的G通道灰度值与标准溶液（荧光素钠浓度为0.000 mg／L）差值为1.00与0.04。考虑到荧光素钠溶液的浓度为1μg／L时与标准溶液差值较小，所以在装填粗砂的模型中，图像分析精度在10～1μg／L之间；在装填细砂的砂槽中，荧光素钠溶液的浓度为10μg／L时，所测得的G通道灰度值与标准溶液差值为0.16，所以使用细砂模拟多孔介质时，图像分析精度可以确定为10 μg／L。

表1 取样法与可视化实验图像精度分析对比

综上，使用荧光素钠作为污染物，可视化实验平台不仅可以实现污染物浓度空间分布的准确获取，且在使用粗砂模拟多孔介质时其分析精度可以达到10－2～10－3mg／L之间。此外，使用分光光度计所能达到的最低检测限较食用亮蓝提高了一个数量级。

3.2 可视化实验平台有效性分析

根据实验所测的荧光素钠溶液的吸光度-浓度-图像G通道灰度值之间的关系，提取图4中的线段L的灰度值，计算对应位置荧光素钠溶液浓度并绘制穿透曲线。如图6所示，通过可视化实验平台计算的荧光素钠溶液浓度与取样法所得结果基本一致。因此，可以根据获取的图像信息计算砂箱模型不同时空下荧光素钠溶液的浓度值，即以荧光素钠为污染物的可视化实验平台是有效且可行的。

图6 污染物迁移过程穿透曲线

3.3 地下水污染物前向与反向扩散可视化分析

低渗透性含水层中的污染物被广泛认为是可能存在的长期污染源，利用可视化实验平台可以实现对低渗透性含水层中污染物反向扩散过程的长时间监测与分析。本文使用光学成像系统监测高-低渗透性含水层中的污染物迁移过程，获取了一系列图像，选取代表性时刻的图像信息如图7所示。

图7 不同时刻污染物迁移过程变化情况

多孔介质的最小有效体积需要包含一组颗粒和颗粒间的相对间隙，即能够反映研究区域渗透特性的最小区域。考虑到所使用玻璃砂的粒径大小，将图像剖分为多个2×2像素大小的网格。选取12、48、192、288 h的图像，通过图像G通道灰度值与荧光素钠溶液浓度之间的关系计算其浓度空间分布及变化情况。在Surfer软件中，使用克里金插值绘制浓度等值线图，如图8所示。

图8 砂箱模型中污染物浓度分布等值线图

图8中，红色虚线代表高-低渗透性含水层交界面。污染物注入阶段，在水头差的作用下，高渗透性含水层中污染物迁移较快，且由于高-低渗透性含水层中浓度的差异，高渗透性含水层中的污染物扩散到低渗透性含水层中，并不断累积。在冲洗阶段，高渗透性含水层得到了有效的冲洗。高渗透性含水层中的污染物基本冲洗干净时，高-低渗透性含水层之间由于浓度梯度的反转，使得低渗透性含水层中的污染物不断的扩散至高渗透性含水层中，并随水流迁移，且速度极慢，在出水口处可以持续检测到污染物的存在，成为长期存在的污染源。

对比图8等值线图与图7直接拍摄的图像可以发现，以荧光素钠为污染物，使用可视化实验平台可以清晰地分辨出污染物迁移的前缘与边界。相较于传统的打孔取样法，能够准确、实时获取污染物迁移过程中的浓度时空分布及变化。

4 结 语

本文设计了一种非侵入性、成本相对较低且准确性高的可视化实验平台，该平台可用于研究透明模型多孔介质中污染物迁移行为。

在可视化实验中，以荧光素钠作为污染物，环境噪声影响更小，成像清晰。最低检测浓度在10－2～10－3mg／L之间，较食用亮蓝示踪剂提高一个数量级，且空间分辨率更高（比常规打孔取样分析多3～4个数量级的取样点）。通过获取的图像可以更加清楚地分析污染物扩散的前缘及高-低渗透性含水层界面处的变化，对地下水污染羽形态的监测识别与刻画方面更加精确。

通过建立荧光素钠溶液吸光度-浓度-图像信息灰度值三者之间的定量关系，实现多孔介质中污染物浓度时空分布及变化的可视化分析。采用“逐像素”校准，可以实现对各像素点的准确分析，具有较高的可信度与可靠性。本文提出的地下水污染物迁移过程的可视化实验方法，为地下水污染物迁移实验提供了一种简单高效的监测方法。