土壤表面油類污染物激光檢測實驗

吳國忠，李宏佳，齊晗兵＊，李棟

（1. 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 欽州學院 石油化工分院，廣西 欽州 535000）

土壤表面油類污染物激光檢測實驗

吳國忠1,2，李宏佳1，齊晗兵1＊，李棟1

（1. 東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318； 2. 欽州學院 石油化工分院，廣西 欽州 535000）

激光技術在輸油管道泄漏檢測方面具有很好的應用前景，而激光檢測過程中受多種因素的影響。本文搭建了激光檢測油類污染物的實驗平臺，從激光入射角度以及發射距離兩種情況入手，對比分析了含油污染土壤和無油污染土壤中探測器接收的漫反射光的功率值大小，并對其測量結果進行了相對不確定度的計算與分析。研究結果表明：隨著激光入射角度增大，探測器接收兩類介質的漫反射光的光強均呈現先減小后增大再減小的趨勢，且其接收漫射光的光強隨激光發射距離增大而減小；對于含油污染土壤，探測器接收漫射光的光強均小于無污染土壤情況；激光入射角度為40°、發射距離為15 cm時，測量結果的相對不確定值為最小，即可信度最高。該研究結果可為進一步研究激光檢測油類污染物實驗提供一定參考。

輸油管道；泄漏；含油土壤；激光檢測

Abstract:The laser technology has a good application prospect in oil pipeline leak detection. The laser detection process is affected by many factors. In this paper, an experimental platform for laser detection of oil pollutants was constructed. Starting from angles of laser incidence and launching distance, the power values of diffuse reflected light received by detectors in oily contaminated soil and uncontaminated soil were compared and analyzed. The relative uncertainty of the measurement results was calculated and analyzed. The results showed that, with the increase of laser incidence angle, the intensity of diffuse reflected light of the two kinds of media showed the trend of decreasing first,then increasing and then decreasing. The intensity of the received diffuse light decreased with increase of the laser emission distance. For oily contaminated soil, the intensity of the diffuse reflected light received by the detector was less than that of the uncontaminated soil. When the angle of incidence of laser was 40° and the transmitting distance was 15 cm, the relative uncertainty of the measurement results was the minimum, and the reliability was the highest.The research results can provide reference for further research on the detection of oil pollutants by laser.

Key words:Petroleum pipeline; Leak; Oily soil; Laser detection

近年來，我國經濟有著較好的發展，石油作為經濟發展中重要的能源物質被大量需求，輸送石油的載體有很多，在眾多輸油設備中，管道具有安全性高、輸送成本低、方便快捷、等優點已大量的被鋪設[1]。然而，輸油管道受土壤腐蝕以及人為迫害等因素影響造成了大量油品泄漏。從而給我國經濟帶來損失和漏油管道周圍環境的污染。因此，為了及時發現輸油管道泄漏位置，檢測技術的利用成為了必要手段。其中，紅外激光檢測技術作為一種非接觸測量方式，具有測量范圍大、精度高、檢測時間短、有較高的分辨率等優點，其具有很好的應用前景[2,3]。

國內外眾多學者針對激光檢測技術在漏油檢測的應用方面已做出了大量工作。其中，加拿大某單位研制了SLEAF系統，用于實時檢測海面溢油區域[4,5]。法國研究人員應用機載激光雷達系統在本國沿海進行了溢油監測實驗，得到了良好的監測效果[6]。李曉龍等[7]搭建了激光監測海洋溢油的實驗平臺，利用波長為 355 nm的激光源進行探測海面溢油情況，分別獲取了白天和夜晚兩種實驗環境下的特征光譜。林彬等[8]在激光熒光遙感技術的基礎上，引入了SOM模型，從而對神經網絡在模型識別和分類方面有了很大的改善，也對溢油檢測提供較為理想的方法。官晟等[9]利用激光雷達系統，結合激光熒

珺光原理，對海面溢油的油熒光進行了測量。齊敏等[10]研發一種檢測油類污染物的激光熒光雷達系統，在檢測過程中，系統運行較為穩定。韓曉爽等[11]將SVM模型與激光誘導熒光的方法相結合，考慮了時間和波長兩種因素，并優化選出較為理想的時間和波長范圍，進而能夠準確的識別油類的品種。李一博等[12]給出了測量溢油油膜厚度的方法，利用該方法得出的溢油油膜厚度與直尺測量的結果較為一致。王春誼等[13]基于激光三角法，并搭建了光學實驗平臺，對石油和柴油兩種樣品進行了油膜厚度的測量。沈書乾等[14]應用CFD仿真模擬軟件建立了天然氣管道泄漏擴散模型，得出了擴散特征以及擴散光譜檢測值，并分別從激光檢測高度、風速大小以及泄漏口大小三種因素的影響模擬計算了天然氣擴散光譜特征。

以上激光檢測技術的研究進展大部分是針對海面溢油情況，但目前激光檢測技術同樣適用于陸地情況，也是比較有效的檢測手段[15]。因此，本文開展了激光檢測含油土壤的實驗研究，搭建了激光檢測油類污染物的實驗平臺，實驗中，待測樣品分為含油污染土壤和無油污染土壤，同時激光檢測過程中，考慮了激光入射角度及發射距離兩種影響因素。針對以上不同情況，可得出含油土壤對激光檢測帶來的一些影響，為實際現場激光檢測土壤表面溢油情況提供一定參考價值。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

圖1為油類污染物激光檢測實驗裝置。其中，樣品池可準備2套，一套內裝有壓實的無油類污染土壤，另一套為油品與土壤攪拌均勻的含油污染土壤并做壓實處理，實驗中，可將樣品池固定在實驗平臺上。本實驗的激光器采用型號為 HY-LD-1650～225，波長選擇為1 650 nm，工作方式為CW，平均功率范圍是0～225 MW，制冷方式為TEC。探測器采用的型號為LP-3A，三位半數顯0.2～11μm，0～2 W功率可測。

激光器與探測器在測量樣品池中待測樣品時，激光的入射角度與距離可以在一定范圍內進行調解，探測器可隨時接受不同情況下的漫射光功率。為了更好的使探測器接收漫射光，本實驗中添置了聚光片，聚光片與探測器之間距離可在1～10 cm范圍內調解。

1.2 實驗步驟

①打開激光器電源進行預熱 10～15 min，將探測器中信號值調節為 0，同時將探測器與計算機相連接，以便接收記錄數據值，最終將無污染土壤的樣品池垂直放置于實驗平臺之上。

圖1 油類污染物激光檢測實驗裝置Fig.1 Experimental device for laser detection of oil pollutants

②首先將激光器入射角度調至為20°，調整好聚光片與探測器的角度并保持固定，通過改變激光器的入射距離來分別探測漫射光的功率值，激光器發射距離分別調節為 15、30、45、60、75 cm，為了減少儀器系統以及人為操作帶來的誤差，針對以上每種情況對探測器接收的功率值進行了3次重復測量。

③關于激光入射角度實驗，首先將激光器入射距離調至為10 cm，保持探測器和聚光器的位置和角度，調整本次實驗所需要 20°、30°、40°、50°、60° 5種激光入射角度，最終記錄探測器接收的數據值。同樣對以上每種情況的實驗數據均進行了重復3次測量。

④以上實驗步驟②和③都是針對無油污染土壤實驗情況，對于有油品污染的土壤實驗，將油品（柴油）與土壤攪拌均勻并壓實于樣品池中，同樣從激光的發射距離和入射角度兩種情況進行含有油類污染土壤的激光檢測實驗，并最終記錄探測器接收的數據值。

⑤實驗結束，關閉并整理儀器，對測量數據值進行處理分析。

2 實驗結果及不確定度分析

本次實驗分別獲取了激光測量距離一定不同入射角度的實驗測量結果以及激光入射角度一定不同探測距離的實驗測量結果，測量結果如表1和表2所示。并對無污染土壤和含油污染土壤的測量結果進行相對不確定度的計算及分析，不同激光測量距離下相對不確定度以及不同激光入射角度下相對不確定度的曲線趨勢分別如圖2和圖3所示。相對不確定度的數學模型的理論推導如下：

單次測量的標準差為：

則重復性測量的不確定度為：

其結果的相對不確定度為：

表1 測量距離一定不同激光入射角度的測量結果Table 1 The measurement results of different laser angles of arrival under constant measurement distance mW

圖2 不同入射角度下相對不確定度Fig.2 Relative uncertainty at different incidence angles

如表1為激光測量距離定為15 cm，不同激光入射角的實驗測量結果。從以上數據表中可以得出一定規律，無油污染土壤和含油土壤中，探測器接收漫射光功率隨著激光入射角度的增大同時出現先減小后增加再減小的趨勢，可以得出激光入射角度對探測器接收的漫射光光強帶來了一定影響。同時可以看出，在激光入射角度為40°時，對于兩種被測目標對象，探測器接收的漫射光光強在均達到了最大值。從無污染土壤和含油土壤探測器接收功率相互對比可以得出，當激光入射角度為固定值時，探測器在含油土壤中接收功率均略小于無污染土壤情況，說明了含油土壤對入射的激光吸收能力更強，進而被反射到探測器中的激光光強度變弱。如圖 2為不同測量角度下相對不確定度曲線走勢，從圖中可以發現，無油污染土壤和含油污染土壤得出的相對不確定度值隨著測量角度的不斷增加，其值變化情況為先增大隨后減小至低谷再增加至最大值。其中，在測量角度為40°時，相對不確定值為最小，因此可得出探測器接收漫射光強在該激光入射角度的效果最佳。對比兩種被測介質可以發現，含油污染土壤的相對不確定度值均大于無油污染土壤的情況。

表2 入射角度一定不同激光探測距離的實驗測量結果Table 2 Experimental results of different laser detection distances under constant incident angle mW

圖3 不同測量距離下相對不確定度Fig.3 Relative uncertainty at different measuring distances

如表2為入射角度定為20°不同激光探測距離的實驗測量結果，得到的規律如下：隨著激光發射距離的變大，無污染土壤和含油土壤接收漫射光功率均減小，從而說明激光發射距離是影響探測器接收漫射光功率大小的因素之一。通過比較兩類介質的漫射光功率可以看出，含有油品的土壤依然是影響著探測器接收漫射光功率，即略微的減弱。如圖3不同測量距離下相對不確定度的曲線趨勢可以看出，隨著激光入射距離的增大，無污染土壤和有污染土壤對應的相對不確定度值均隨之變大，說明距離是影響探測器接收漫射光強的一個極大的影響因素，其中，在激光測量距離為15 cm時，兩類介質測得結果的可信度均比較可靠。

3 結 論

本文通過激光檢測實驗平臺分別對含油污染土壤和無油污染土壤進行了激光檢測實驗，考慮了激光入射角以及發射距離兩種影響因素，通過探測器接收漫射光的功率來比較分析兩類被測目標介質的差異，并結合計算得出的相對不確定度來觀察兩類介質測得結果的可信度，主要結論如下：

（1）探測器接收無污染土壤和含油土壤漫射光的光強與激光入射角度和發射距離有關，隨著激光入射角度增大，其接收的漫射光的光強先減小后增大再減小；激光發射距離增大，探測器接收兩類介質的漫射光的光強逐漸變弱。

（2）在激光發射距離和入射角度一定時，探測器接收的無污染土壤和含油土壤漫射光光強具有明顯差異，含油土壤的漫射光強小于無污染土壤情況，說明含油土壤對于漫射光的光強具有明顯減弱的效果。

（3）不同測量距離得出的相對不確定度要明顯大于測量角度的情況，在小范圍測試距離及角度時，其相對不確定度值較小，說明人為操作及儀器系統帶來的誤差給本實驗數據測試結果造成一定影響。

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中國科大非常規合成偕二硼化合物

近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院、合肥微尺度物質科學國家實驗室教授傅堯和副教授肖斌課題組在偕二硼化合物的非常規合成領域取得重要進展。研究人員報道了一種金屬鎳催化末端烯烴合成偕二硼化合物的新反應，相關成果于8月24日發表在《自然-通訊》上。

有機含硼化合物是重要的有機合成砌塊和藥物化學原料，它對水和空氣不敏感，相比于其他有機金屬試劑，有機含硼化合物參與的反應具有更好的官能團兼容性。此外，利用碳硼鍵獨特的反應活性，有機含硼化合物可以進行更多類型的轉化。因此，有機含硼化合物的高效合成顯得尤為重要。相比于單硼化合物，偕二硼化合物作為不可或缺的有機合成子，有著更為獨特的合成價值，可連續進行官能團轉化或者交叉偶聯反應，為復雜和精細分子結構的獲取提供了綠色高效的合成手段。

傅堯領導的團隊針對偕二硼化合物的高效合成，發展了一種鎳催化末端烯烴的雙硼化新反應。該反應以廉價易得的烯烴為原料，經連續的選擇性硼化和氫硼化過程即可高效地制備偕二硼化合物。研究發現，該反應具有較高的化學選擇性和區域選擇性，以及較好的官能團兼容性，能夠用于復雜分子的修飾合成。例如，可以用于含氟液晶材料分子合成及D-葡萄糖衍生物的側鏈修飾等。此外，該反應還實現了對低碳烯烴進行雙硼衍生化反應，例如常壓下可順利實現乙烯、丙烯的雙硼衍生化。

該工作展示了一種偕二硼合成的新方法，同時實現了對烯烴的雙硼化反應的選擇性控制，為烯烴的直接利用提供了新途徑。博士生李磊是論文的第一作者，傅堯和肖斌是共同的通訊作者。該工作得到國家自然科學基金、中科院 B類戰略性先導科技專項、能源材料化學協同創新中心和中科院青年創新促進會的資助。

Laser Detection of Oil Pollutants on Soil Surface

WU Guo-zhong1,2,LI Hong-jia1,QI Han-bing1*,LI Dong1

（1. School of Architecture and Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China;2. Qinzhou University, Guangxi Qinzhou 535000, China）

TN248

A

1671-0460（2017）09-1837-04

黑龍江省自然基金面上項目（E2016010）

2017-09-02

吳國忠（1961-），男，教授，博士生導師，研究方向：輻射測量技術。

齊晗兵，E-mail：lidonglvyan@126.com。