基于圖像分析方法研究柴油在多孔介質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 農業工程與食品科學學院， 山東 淄博 255000； 2.山東理工大學 資源與環境工程學院， 山東 淄博 255000)

土壤是自然界物質和能量循環過程的重要場所，但隨著人們對化工產品需求的日益增長，由此造成的土壤和地下水環境的有機污染也越來越嚴重。有機污染問題已經成為當前環境污染研究的熱點問題[1-2]。墨西哥灣2010年的深水地平線災難(Deepwater Horizon， DWH)是美國歷史上最大的石油泄漏事故，已有學者研究發現，墨西哥和德克薩斯州的海灘有石油著陸，魚類在胚胎階段暴露于石油中會有明顯的心臟畸形和心動過緩[3-5]。此外，由于人類的活動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中也出現嚴重的石油污染[6]。石油類產品中不溶或者微溶于水的有機污染物通常被稱為非水相流體(Non-Aqueous Phase Liquids， NAPLs)[7]，其進入地下環境后，通常以單獨的相存在，不與水混溶，形成多相流，增加了研究的復雜性。

二維砂箱具有可視化的特點，可以用來觀測非水相流體在二維尺度范圍內的遷移與分布特征，目前已成為研究地下多孔介質中非水相流體污染的主要工具[8]。Tidwell等[9]通過光透法提出了計算介質水飽和度的簡單經驗參數模型；劉漢樂等[10]運用圖像分析方法得到不同時刻污染物的入滲鋒面變化圖；楊賓等[11]采用數碼圖像分析方法確定介質和流體性質等因素對非水相流體在多孔介質中入滲遷移的影響；程洲等[8]采用改進光透法結合圖像分析技術探討重非水相流體在含不同透鏡體非均質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用優勢，對多孔介質中柴油的遷移過程、污染形態以及飽和度分布特征進行綜合分析，具有重要的理論和現實意義。

在石油產品中，柴油所占比例較大，性質比較穩定，比汽油不易揮發，并且在生產生活中普遍存在[12]，因此筆者選取柴油為代表性污染物進行實驗研究。為確定多孔介質性質對柴油遷移與分布特征以及飽和度(多孔介質中柴油體積與多孔介質中孔隙體積之比)分布的影響，在保證均一孔隙度的情況下，通過二維砂箱實驗研究柴油在不同多孔介質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中的垂向遷移距離、污染面積、污染界面周長與時間的關系以及柴油飽和度的變化，為石油污染場地修復提供重要的理論與技術支持。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

實驗選取3種不同粒徑的石英砂(鞏義市恒鑫濾料廠產品)作為多孔介質，其基本的理化性質見表1。硝酸，國藥集團化學試劑有限公司產品； 氫氧化鈉、H2O2，天津市北辰方正試劑廠產品；去離子水，采用中揚牌超純水機制備；蘇丹紅Ⅳ，上海源葉生物科技有限公司產品。0#柴油，中國石化齊魯石化公司產品，在20 ℃下，其密度0.82 g/cm3，動力黏度 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 實驗裝置

實驗的主要裝置為由厚5 mm的無色磨砂硅酸鹽玻璃制成的二維砂箱，如圖1所示。砂箱上部開口，兩側為帶孔不銹鋼管，并貼有孔徑75 μm不銹鋼網以免多孔介質泄漏到不銹鋼管內。為消除外界光線的干擾，實驗在搭建的暗室中進行。

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

1.3 實驗過程

為避免石英砂表面不潔凈對其濕潤性能的影響，在裝填前分別用酸溶液、堿溶液、H2O2和去離子水對其進行細致的清洗，去除有機雜質，使其pH值接近中性，并自然風干，裝入樣品瓶備用。采用比重瓶法測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，增強柴油與背景的對比度，用蘇丹紅Ⅳ(質量濃度為0.08 g/L)對其進行染色。已有研究表明使用蘇丹紅Ⅳ染色，對柴油遷移與分布特征的影響可以忽略[13]。

采用標準分層法裝填石英砂，每次裝填高度為2 cm，重復裝填，多孔介質的最終高度為32 cm。在多孔介質最頂層均勻裝填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，避免在注入過程中發生濺蝕作用。

利用蠕動泵模擬線源污染，污染源寬度為16 cm，柴油的注入速率為4.85 mL/min，以柴油到達砂箱底部為實驗結束點，停止注入柴油。

采用數碼相機進行數據采集，利用EOS Utility軟件以5 s 間隔定時取像。

實驗以柴油到達石英砂開始計時，選取整個實驗過程的1/4、2/4、3/4和4/4時間點的圖像，利用Arcgis10.3軟件對其鋒面形態進行處理，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，以1.3節中方法裝填，然后采集數據，并分別建立圖像R、G、B波段與柴油飽和度的線性關系，選取擬合度最好的B波段曲線作為標準曲線，以表征多孔介質中柴油的飽和度分布。

將采集的數據導入軟件Arcgis 10.3中，選取4個控制點對圖像進行地理配準，以提供統一的坐標系統；裁剪出研究區域；對研究區域的B波段圖像進行鄰域分析，以減少噪點造成的誤差；再對鄰域分析后的圖像進行重分類(污染區域和未污染區域)；然后將重分類的圖像轉換為矢量面圖層，提取面圖層中的污染面積、污染界面周長、垂向遷移距離；最后，將矢量面圖層作為掩膜對鄰域分析后的圖像進行提取，再將柴油飽和度標準曲線代入，得到柴油飽和度分布圖。

2 結果與討論

2.1 柴油在不同多孔介質中的遷移形態

圖2為柴油在石英砂中的遷移實驗過程中4個時間點的遷移鋒面形態?？梢钥闯觯裼驮谙蛳逻w移過程中，隨著遷移深度的增加，遷移鋒面變得不穩定，會繞過部分石英砂呈“指狀”向下遷移，在粗粒徑多孔介質中表現得尤為明顯。柴油會優先從指進路徑向下遷移入滲，形成優勢流，與Parlange等[14]的不穩定濕潤鋒理論相一致。柴油在3種不同粒徑石英砂中的遷移鋒面形態差異明顯，粗粒徑石英砂中的遷移鋒面形態更加不規則，指流數目較多，而較細粒徑石英砂中的遷移鋒面形態相對穩定、規則。這是由于粗粒徑石英砂中的孔隙多為大孔隙，毛細作用相對較弱，垂向遷移速率較快，從而遷移鋒面變得不穩定，橫向遷移不明顯。這與文獻[15-17]中提出的多孔介質顆粒組成是影響污染物遷移較關鍵因素的觀點相一致。

2.2 污染面積、污染界面周長、垂向遷移距離與時間的關系

對實驗結束時柴油在3種不同粒徑石英砂中遷移鋒面的定量表征結果見表2?？梢钥闯觯裼驮诓煌⑸爸械拇瓜蜻w移速率、污染界面周長、污染面積均有明顯差異。柴油到達砂箱底部的遷移時間分別為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粒徑石英砂中的污染面積，約為細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則，其污染界面周長明顯大于細粒徑石英砂中的污染界面周長，楊賓等[11]的實驗也證實了這一結論。

圖2 柴油在石英砂中的遷移實驗過程中4個時間點的遷移鋒面形態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 柴油注入停止時的遷移鋒面參數Table 2 Parameters of migration front at thetime when the diesel injection stopped

對柴油入滲遷移過程中即時達到的污染面積(S)、污染界面周長(L)、最大垂向遷移距離(l)與時間(t)的關系作圖，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、最大垂向遷移距離與時間具有良好的線性關系,擬合系數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，污染面積增長率、污染界面周長增長率和垂向遷移速率越大。在相同實驗條件下，粒徑越大，形成的孔隙越大，毛細作用相對較弱，有利于促進柴油的垂向遷移。在柴油連續不斷注入條件下，相同時間內，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，形成的孔隙相對較小，有較強的毛細作用，此毛細作用表現為吸力，阻礙柴油的垂向遷移，促進柴油的橫向遷移，遷移鋒面的形態相對穩定。因此，在柴油不斷注入的時間段中，相同時間內，粗粒徑石英砂中的污染面積更大，入滲深度更深，其環境風險明顯大于細粒徑石英砂。

2.3 多孔介質的性質與柴油污染面積和污染界面周長的關系

多孔介質的性質是影響柴油遷移與分布特征的重要因素，表征多孔介質性質的參數有很多，如D50、孔隙度、干密度、不均勻系數(Cu)、曲率系數(Cc)等。Cu反映土粒組成不均勻程度，工程上常將Cu≤5的土稱為勻粒土，反之則稱為非勻粒土。Cc反映粒徑累積分布曲線的整體形狀和細粒含量[18]。筆者將D50、Cu、Cc分別與實驗結束時刻的柴油污染面積和污染界面周長進行一元和多元線性擬合，結果見表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與污染界面周長的擬合度較高，擬合系數均在0.93以上，且污染界面周長隨著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任意兩者結合與污染面積和污染界面周長的擬合均較好，說明多孔介質的D50、Cu和Cc任意兩者的變動都會顯著影響柴油的污染面積和污染界面周長。

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(L)、垂向遷移距離(l)與時間(t)的關系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的實驗值與其線性擬合方程的計算值。從圖4可以看出，由擬合方程得到的計算值與實驗值有一定差距，但差距很小。多元線性擬合方程計算得到的計算值與實驗值更為接近。這也進一步說明可以用擬合方程得到的計算值近似表示實驗值。

圖4 柴油污染面積和污染界面周長的實驗值與其線性擬合方程的計算值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。傳統測定多孔介質中污染物飽和度的方法，具有時間長、侵入性、探測面積小等缺點，圖像分析方法正好彌補了這些不足，能夠快速、準確、非侵入性地表征柴油在多孔介質中的飽和度分布情況。選取柴油在3種不同粒徑多孔介質中到達砂箱底部時刻的圖像進行分析，結果如圖5 所示?？梢钥闯觯稚爸胁裼偷娘柡投葹?～0.15，細砂中柴油的飽和度為0～0.48，顯然柴油在粗粒徑多孔介質中的飽和度比在細粒徑多孔介質中的低。因為在相同孔隙度的條件下，粗粒徑多孔介質的孔隙大，毛細作用力相對較小，對柴油的滯留能力較弱；細粒徑多孔介質堆積密實，滲透性能有所降低，并且會出現小孔、微孔、死孔等不連通的孔隙，增加柴油遷移的迂曲度，形成“微孔調節效應”，對柴油有較強的持留能力[19]。整個實驗過程中，與柴油的垂向遷移相比，柴油的橫向遷移相對較弱，柴油的高飽和度區主要分布在柴油線源污染寬度的垂向遷移區域，而橫向遷移區域的飽和度相對較低。

在圖5的基礎上，以垂向到達砂箱底部的遷移路徑為基準布設5個點位，并計算柴油在各點位處的飽和度，結果如圖6所示。

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

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 柴油在各布設點位處的飽和度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孔隙度一定的條件下，多孔介質相同深度區域中，細粒徑多孔介質中的污染面積更大，污染物的飽和度更高，污染程度更強。綜合污染的長期性而言，細粒徑多孔介質中的污染更廣，危害程度更高。

3 結 論

(1)在相同實驗條件下，柴油在粗粒徑石英砂中的垂向遷移速率更大，遷移鋒面不穩定，指流現象更明顯，并且在相同時間內垂向遷移距離更大，其環境風險明顯大于細粒徑石英砂。

(2)柴油在入滲遷移過程中，其污染面積、污染界面周長、垂向遷移距離與時間具有良好的線性關系，擬合系數均在0.99以上。同時，污染面積增長率、污染界面周長增長率、垂向遷移速率與多孔介質粒徑大小呈正相關。實驗結束時，在石英砂垂向遷移相同深度區域中，粗粒徑石英砂中的污染面積是細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R2為0.9964；污染界面周長隨著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；多孔介質的D50、Cu和Cc任意兩者的變動都會顯著影響污染物的污染面積和污染界面周長；擬合方程得到的計算值可近似表示實驗值。

(4)在相同實驗條件下，垂向遷移相同深度區域多孔介質中，柴油在細粒徑多孔介質中的飽和度比在粗粒徑多孔介質中的高，污染程度更強，綜合污染的長期性而言，細粒徑多孔介質中的污染更廣，危害程度更高。