CN107831095A - 地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，制备若干组不同浓度的荧光水溶液替代污染物填装砂箱，将两组无重叠波长范围的带通滤光片分别安装在照明系统和图像采集系统上，记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的荧光影像，并标定每个像素点荧光强度与对应的荧光水溶液浓度的线性关系，按预定的含水层分布形式填装砂箱，将获得的污染入侵与释放过程的荧光强度数据代入线性关系，得到荧光水溶液浓度分布。本发明由于确定了不同渗透性介质中不同浓度荧光水溶液的荧光强度背景值，可以快速、准确地通过标定的每个像素点荧光强度与浓度关系将荧光强度转化为污染物浓度，且对低渗透性污染物的入侵与释放过程无干扰，并可获得浓度的二维分布。

Description

地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法
技术领域
本发明涉及一种地下含水层系统，具体涉及一种地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的实验方法。
背景技术
在地下含水层系统中广泛地存在低渗透性介质含水层，比如粘土含水层、基岩含水层等。低渗透性介质含水层往往被认为对地下水的运移起到阻水、档水的作用，而被归为隔水层。然而，越来越多的研究表明，当低渗透性介质含水层相邻的含水层受到污染时，随着污染物在相邻含水层的运移，污染物仍然会进入到低渗透性介质含水层，从而污染低渗透性介质含水层。当低渗透性介质含水层受到污染后，以分子扩散运动为主的污染物释放过程极其缓慢，不仅将长期影响地下水水体质量，而且随着相邻含水层中地下水的运移，其污染范围不断扩大，对地下水环境安全造成严重威胁。目前，针对地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的实验方法较为复杂，监测成本高，且无法可视化。因此，地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法具有非常重要的意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不同，提供了一种地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，使用一定浓度的荧光水溶液作为典型污染物的代替物，利用滤光系统和图像识别技术，实时监测低渗透介质中污染物的入侵与释放过程，获取监测区域内的污染物浓度二维分布，该方法简单、可靠且成本较低，能够可视化监测浓度较低的污染物入侵与释放过程，其中污染物浓度的测定属非侵入型的测定方法，对污染物入侵与释放过程无扰动。
技术方案：本发明提供了一种地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，包括以下步骤：
(1)制备若干组不同浓度的荧光水溶液替代污染物；
(2)将每组荧光水溶液分别与高渗透性和低渗透性玻璃砂进行混合，充分振荡搅拌后，被荧光水溶液饱和的各组玻璃砂被填装到不同的砂箱中，砂箱的厚度小于2cm，使得采集的图像能够真实反映砂箱内的浓度分布情况；
(3)设置滤光系统：将两组无重叠波长范围的带通滤光片分别安装在照明系统和图像采集系统上；
(4)确定不同渗透性介质中不同浓度荧光水溶液的荧光强度背景值：将图像采集系统、照明系统和砂箱顺序放置在不透光的暗箱中；开启照明系统和图像采集系统，记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的荧光影像，并标定每个像素点荧光强度与对应的荧光水溶液浓度的线性关系；
(5)设置地下含水层系统：将要填装的高渗透性和低渗透性玻璃砂填用纯水混合，充分振荡搅拌后，按预定的含水层分布形式填装砂箱；
(6)污染物入侵与释放过程的荧光强度数据采集：将图像采集系统、照明系统和代表地下含水层系统的砂箱按照步骤(3)(4)的布置方式放置在不透光的暗箱中；按预定时间长度，将任意浓度代表污染物的荧光水溶液注入高渗透性介质含水层，开启照明系统和图像采集系统，记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的入侵过程荧光影像；当注入时间达到预定时间，暂停注入污染物，在相同含水层，以同样的流速改为纯水注入，记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的释放过程荧光影像；记录过程中，ISO值和曝光时间的设置形式应属于步骤(4)中的组合形式；
(7)污染物入侵与释放过程中的浓度分布：将步骤(6)中获得的污染入侵与释放过程的荧光强度数据代入步骤(4)得到的线性关系，得到荧光水溶液浓度分布。
进一步，步骤(1)至少制备5组不同浓度的荧光水溶液，所述荧光水溶液的浓度小于40mg/L。
进一步，步骤(2)所述高渗透性玻璃砂比低渗透性玻璃砂的渗透系数大100倍以上。
进一步，步骤(3)所述照明系统上的带通滤光片允许波长为425-495nm的光透过，所述图像采集系统上的带通滤光片允许波长525-550nm的光透过。
进一步，步骤(3)所述照明系统的光源色温不小于6000K。
进一步，步骤(6)图像采集系统采用的焦距与步骤(4)中的焦距一致。
有益效果：(1)本发明采用荧光水溶液作为污染物的代替物，荧光水溶液属于环境友好型的示踪剂，对本发明的实施地场，无特殊防护要求，且荧光水溶液制备过程简单，成本低廉；(2)在照明系统和图像采集系统上使用滤光系统，由于照明系统发出的光和图像采集系统接收的光的波长无重叠，照明系统发出的光无法被图像采集系统直接接收，因此，图像采集系统只能接收照明系统发出的光在激发了荧光水溶液后，荧光水溶液发出的荧光，该荧光的波长与照明系统发出的光的波长不一样，安装了滤光片的图像采集系统只能接收荧光水溶液发出的荧光，可以在低渗透性介质中捕捉强度范围较广的荧光影像；(3)由于确定了不同渗透性介质中不同浓度荧光水溶液的荧光强度背景值，本发明可以快速、准确地通过标定的每个像素点荧光强度与浓度关系将荧光强度转化为污染物浓度，且对低渗透性污染物的入侵与释放过程无干扰，并可获得浓度的二维分布。
附图说明
图1为实施例中砂箱、图像采集系统，照明系统以及滤光系统在暗箱中的放置形式；
图2曝光时间为1/2秒，ISO取400时的荧光强度与荧光水溶液浓度的关系；
图3曝光时间为1/2秒，ISO取200时的荧光强度与荧光水溶液浓度的关系；
图4为实施例中低渗透介质污染物的释放过程荧光影像；
图5为实施例中低渗透介质污染物的释放过程浓度分布。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，具体操作如下：
步骤(1)，制备7组浓度分别为0.1mg/L、0.5mg/L、1mg/L、5mg/L、10mg/L、15mg/L和20mg/L的荧光水溶液，每组体积为4升，以替代污染物。
步骤(2)，步骤(1)中每组荧光水溶液分别与高渗透性(渗透率为1.2632×10-11m2)和低渗透性(渗透率为3.1791×10-14m2)的玻璃砂进行混合，充分振荡搅拌后，被荧光水溶液饱和的各组玻璃砂被填装到各个砂箱1中，每个砂箱1大小相同，厚度小于2cm，装砂时，一边搅拌一边装，这样可使玻璃砂充分压实，共计装砂14次。
步骤(3)，将带通滤光片4(允许波长为425-495nm的光透过)安装在照明系统3上；将带通滤光片4(允许波长525-550nm的光透过)安装在图像采集系统2上。
步骤(4)，确定不同渗透性介质中不同浓度荧光水溶液的荧光强度背景值：将图像采集系统2、照明系统3和砂箱1从左至右顺序放置在不透光的暗箱5中，如图1所示，调整好照明系统3与图像采集系统2的位置，必要时可进行预拍摄，以调整最佳安放位置。一旦确定照明系统3与图像采集系统2位置，实验过程不应再改变。开启照明系统3和图像采集系统2，每组砂箱1记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的荧光影像，拍摄具有不同ISO值和曝光时间组合的荧光影像不小于50组。本实例中，ISO取值分别为100、200、400、800、1000、1600，曝光时间取值分别为1/5、1/6、1/3、1/2、0.6、0.8、1、1.2、1.3、1.6、2、3.2秒。在每种ISO值和曝光时间组合下，假设荧光影像在绿色通道中每个像素点的荧光强度与荧光水溶液浓度为线性关系，标定每个像素点荧光强度对应的荧光水溶液浓度，记为C(x，y)＝A×Iref(x，y)+B，其中A和B为拟合所得系数。以像素点坐标(530，1520)为例，图2、图3显示了当曝光时间为1/2秒，ISO分别取200和400时的荧光强度与荧光水溶液浓度的关系。
步骤(5)，将步骤(2)中使用的高渗透性和低渗透性玻璃砂用纯水洗净，并与纯水混合，充分振荡搅拌后，使玻璃砂被纯水饱和。在空砂箱1中，先填装低渗透性玻璃砂至砂箱1中部，再填装高渗透性玻璃砂至砂箱1顶部，将砂箱1顶部密封好。这样砂箱1中的含水层系统构成从上至下依次为低渗透性玻璃砂含水层和高渗透性玻璃砂含水层。
步骤(6)，将步骤(5)中已填装玻璃砂的砂箱1、照明系统3和图像采集系统2放置在不透光的暗箱5中，使砂箱1、照明系统3和图像采集系统2的位置与步骤(3)中的一致；本实例选取浓度为1mg/L的荧光水溶液，并以3mL/min的流速从中部的高渗透性玻璃砂含水层注入砂箱1。持续注入48小时后，暂停注入，同时在相同的含水层以同样的流速改为纯水注入，纯水注入时长为96小时。在此过程中，照明系统3和图像采集系统2每间隔15分钟记录一次砂箱1中的荧光影像。记录过程中，图像采集系统2参数(ISO值和曝光时间)的设置形式应在步骤(4)中的组合之中。图4为暂停注入荧光水溶液后的荧光图像，从图中可以看出，低渗透性介质中的荧光图像(图中横向的灰色色带)清晰可见。
步骤(7)，取若干张在步骤(6)中获得的荧光影像，将荧光影像在红绿蓝(RGB)色彩空间中进行分析，读取荧光影像在绿色通道中每个像素点的荧光强度I(x，y)。将I(x，y)代入步骤(4)中的荧光强度与荧光水溶液浓度的线性关系式中，计算出该像素点的荧光水溶液浓度。计算荧光水溶液浓度时，要求在同一像素点上，应具有相同的渗透性介质、相同的ISO值和曝光时间。当荧光水溶液浓度的计算遍历荧光影像所有像素点后，将每个像素点的荧光强度替换为计算出的荧光水溶液浓度，便可得到该荧光影像的荧光水溶液浓度分布。图5为暂停注入荧光水溶液后的荧光水溶液浓度分布，图中虚线为高低渗透性介质的分界面，虚线以上为高渗透性介质，虚线以下为低渗透性介质。从图中可以得出，当高渗透性介质中的污染物随水流迁移时，污染物侵入低渗透性介质中；当高渗透性介质无污染物时，原本侵入低渗透性介质中的污染物会再次释放，并进入高渗透性介质中随水流迁移。由此可发现，本发明具备监测地下低渗透性介质污染物的入侵与释放过程，且本发明非侵入型浓度测定方法，对地下低渗透性介质污染物的入侵与释放过程无影响。
本发明的目的是克服现有技术无法实时、准确监测地下低渗透性介质污染物的入侵与释放过程，尤其是无法准确给出低渗透性介质中污染物的浓度分布。本方法可以实时、准确地监测地下低渗透性介质污染物的入侵与释放过程，实现对低渗透性介质中污染物浓度分布的非侵入型测定，减少监测成本，提高测定精度。

Claims (6)

1.一种地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)制备若干组不同浓度的荧光水溶液替代污染物；
(2)将每组荧光水溶液分别与高渗透性和低渗透性玻璃砂进行混合，充分振荡搅拌后，被荧光水溶液饱和的各组玻璃砂被填装到不同的砂箱中，砂箱的厚度小于2cm；
(3)设置滤光系统：将两组无重叠波长范围的带通滤光片分别安装在照明系统和图像采集系统上；
(4)确定不同渗透性介质中不同浓度荧光水溶液的荧光强度背景值：将图像采集系统、照明系统和砂箱顺序放置在不透光的暗箱中；开启照明系统和图像采集系统，记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的荧光影像，并标定每个像素点荧光强度与对应的荧光水溶液浓度的线性关系；
(5)设置地下含水层系统：将要填装的高渗透性和低渗透性玻璃砂填用纯水混合，充分振荡搅拌后，按预定的含水层分布形式填装砂箱；
(6)污染物入侵与释放过程的荧光强度数据采集：将图像采集系统、照明系统和代表地下含水层系统的砂箱按照步骤(3)(4)的布置方式放置在不透光的暗箱中；按预定时间长度，将任意浓度代表污染物的荧光水溶液注入高渗透性介质含水层，开启照明系统和图像采集系统，记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的入侵过程荧光影像；当注入时间达到预定时间，暂停注入污染物，在相同含水层，以同样的流速改为纯水注入，记录一系列具有不同ISO值和曝光时间的释放过程荧光影像；记录过程中，ISO值和曝光时间的设置形式应属于步骤(4)中的组合形式；
(7)污染物入侵与释放过程中的浓度分布：将步骤(6)中获得的污染入侵与释放过程的荧光强度数据代入步骤(4)得到的线性关系，得到荧光水溶液浓度分布。
2.根据权利要求1所述的地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，其特征在于：步骤(1)至少制备5组不同浓度的荧光水溶液，所述荧光水溶液的浓度小于40mg/L。
3.根据权利要求1所述的地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，其特征在于：步骤(2)所述高渗透性玻璃砂比低渗透性玻璃砂的渗透系数大100倍以上。
4.根据权利要求1所述的地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，其特征在于：步骤(3)所述照明系统上的带通滤光片允许波长为425-495nm的光透过，所述图像采集系统上的带通滤光片允许波长525-550nm的光透过。
5.根据权利要求1或4所述的地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，其特征在于：步骤(3)所述照明系统的光源色温不小于6000K。
6.根据权利要求1所述的地下低渗透介质污染物入侵与释放过程的可视化实验方法，其特征在于：步骤(6)图像采集系统采用的焦距与步骤(4)中的焦距一致。
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