CN109856153A - 一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置及其实验方法，实验装置包括注入系统、裂隙主体、成像系统和收集系统；实验方法包括制备若干组不同浓度的亮蓝水溶液、设置玻璃制单裂隙、裂隙主体内通入亮蓝水溶液、设置单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置、确定裂隙介质中不同点位亮蓝水溶液浓度的背景值、污染物迁移过程R值数据采集和污染物迁移过程中的浓度分布分析几个步骤；具有方法简单、可靠且成本较低，能够可视化监测不同裂隙处不同浓度污染物迁移过程的特点。

Description

一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置及其实验 方法

技术领域

本发明涉及一种单裂隙介质污染物迁移过程的实验装置及其实验方法，具体涉及一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置及其实验方法。

背景技术

岩石裂隙中的地下水是我国特别是丘陵和山区供水的重要水源，基岩裂隙水的污染问题日益严重，然而基岩裂隙水最大特征是赋存的非均质性，如何定量监测和描述裂隙介质地下水污染物运移规律一直是本领域研究的热点、难点。污染物在裂隙介质中的迁移呈现出与在孔隙介质中所不同的特征，如污染物峰值的快速到达和长期的拖尾现象，解释这种现象中的一个重要的技术难题便是无干扰监测。

目前，传统的实验监测技术如安装测压计和沿程取样分析等可以较为准确的监测实验实施过程中水压和溶质浓度的分布情况，但对实验水流流态和溶质浓度有一定影响，很难实现精确和多维的监测与分析。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明针对传统的扰动监测技术的不同，提供了一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，使用一定浓度的亮蓝水溶液作为典型污染物的代替物，利用成像系统和图像识别技术，实时监测单裂隙介质污染物迁移过程，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，能够可视化监测不同裂隙处不同浓度污染物迁移过程，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。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置，包括注入系统、裂隙主体、成像系统和收集系统；

所述注入系统包括贮水罐、反应物溶质容器、第一蠕动泵、第二蠕动泵和注射泵；

所述成像系统包括灯箱、相机、数据采集和处理装置；

所述收集系统包括出水口集水器和自动收集装置；

所述注射泵与裂隙主体的进水腔通过管道连接，所述贮水罐经过第一蠕动泵连接至注射泵与裂隙主体的进水腔连接的管道上，所述反应物溶质容器经过第二蠕动泵与裂隙主体的进水腔连接，所述相机置于裂隙主体的正上方，所述灯箱置于裂隙主体的正下方，所述裂隙主体的两侧端有测压管，所述裂隙主体的一侧端设置裂隙主体的进水腔，另一侧端设有若干出水口，所述出水口集水器连接至裂隙主体的出水口，各所述出水口汇集于主管，所述主管与自动收集装置连接，所述相机通过数据线与数据采集和处理装置连接。

一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤S1、制备若干组不同浓度的亮蓝水溶液；

步骤S2、设置玻璃制单裂隙：将玻璃制单裂隙安装至所述裂隙主体部分；

步骤S3、将步骤S1中的各组亮蓝水溶液分别通入步骤S2中的裂隙主体，静置30分钟；

步骤S4、设置成像系统：将所述相机通过数据线与数据采集和处理装置连接，并设置于裂隙主体的正上方，再将灯箱安装于裂隙主体的正下方，固定设置相机适当的感光度、快门速度和光圈指数；

步骤S5、确定裂隙主体中不同点位亮蓝水溶液浓度的背景值：开启所述步骤S4中的灯箱的光源和图像采集系统，利用相机的白平衡模式进行颜色失衡预处理，记录所述步骤S3的各组亮蓝水溶液的亮蓝图像，再利用数据采集和处理装置中的Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理亮蓝影像中的噪点，生成图像，使用像素读取软件读取图像中红蓝绿三基色中的R值，而后再标定所需观测点位亮蓝的R值，并且得到亮蓝水溶液浓度与亮蓝的R值的相关关系式，所述亮蓝水溶液浓度与亮蓝的R值的相关关系式由R值和浓度值进行二次多项式拟合得到；

步骤S6、污染物迁移过程R值数据采集：按预定时间，将待测的代表污染物的亮蓝水溶液注入所述步骤S2的玻璃制单裂隙中，开启所述步骤S4中的灯箱的光源和图像采集系统，利用相机的白平衡模式进行颜色失衡预处理，记录代表污染物的亮蓝水溶液的亮蓝影像，当注入时间达到预定时间，停止代表污染物的亮蓝水溶液通入，同时通入纯水，并且通入纯水的过程中，再次开启所述步骤S4中的灯箱的光源和图像采集系统，等时间间隔记录代表污染物的亮蓝水溶液的亮蓝图像，并将得到的所有亮蓝影像，分别利用Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理噪点，生成修正后的示踪剂运移图像，使用像素读取软件读取图像中红蓝绿三基色中的R值，最终得到一系列不同点位的代表污染物的亮蓝水溶液的R值作为污染物迁移过程中的亮蓝水溶液R值；

步骤S7、污染物迁移过程中的浓度分布分析：将步骤S6中获得的污染物迁移过程中的亮蓝水溶液R值代入步骤S5得到的亮蓝水溶液浓度与亮蓝的R值的相关关系式，得到亮蓝水溶液浓度分布。

作为进一步改进的技术方案，所述步骤S1至少制备5组不同浓度的亮蓝水溶液，所述亮蓝水溶液的浓度大于0.048mg/L且小于24mg/L。

作为进一步改进的技术方案，所述步骤S2中的玻璃制单裂隙透光率大于80％，所述玻璃制单裂隙采用光滑平行板模型、自定义粗糙度的单裂隙和人工仿制自然裂隙拓印构建的仿自然玻璃裂隙中的任意一种。

作为进一步改进的技术方案，所述玻璃制单裂隙的总厚度小于10cm，

作为进一步改进的技术方案，所述步骤S4中的灯箱带有面光源和导光板，且灯箱安置在所述步骤S3的裂隙主体的正下方，距离裂隙主体底部的垂直距离距离大于0cm且不超过10cm；

作为进一步改进的技术方案，所述步骤S4的感光度设置在200～300的低档，快门速度调节到1/1000～1/2000。

作为进一步改进的技术方案，所述步骤S6中的等时间间隔的间隔时间为0.5s。

作为进一步改进的技术方案，相机采用CCD相机，像素读取软件采用Photoshop。

作为进一步改进的技术方案，所述面光源的色温不小于6000K。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明采用亮蓝水溶液作为污染物的代替物，亮蓝为食用蓝色色素，其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，且亮蓝水溶液制备过程简单，成本低廉；

(2)在图像处理技术上采用了白平衡技术和图像相减去除噪点的技术，处理后的图像没有多余的噪点出现，减少了光学上和物理设备制作时可能带来的误差；

(3)由于确定了不同裂隙点位不同浓度亮蓝水溶液的R值强度背景值，本发明可以快速、准确地通过标定的每个像素点亮蓝R值强度与浓度关系将亮蓝R值强度转化为污染物浓度，且对单裂隙介质污染物迁移过程无干扰，并可获得浓度的二维分布的时间序列数据。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图；

图2为实例中亮蓝溶液在裂隙装置中的图像；

图3为实例中使用Matlab图像相减去除噪点后的图片；

图4为实例中观测点处亮蓝水溶液R值与亮蓝浓度标定的标准曲线；

图5为实施例中单裂隙介质污染物迁移过程穿透曲线。

附图标记说明：1、贮水罐；2、反应物溶质容器；3、第一蠕动泵；4、第二蠕动泵；5、注射泵；6、灯箱；7、相机；8、数据采集和处理装置；9、数据线；10、出水口集水器；11、自动收集装置；12、裂隙主体的进水腔；13、测压管；14、主管；15、出水口。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置，包括注入系统、裂隙主体、成像系统和收集系统；

所述注入系统包括贮水罐1、反应物溶质容器2、第一蠕动泵3、第二蠕动泵4和注射泵5；

所述成像系统包括灯箱6、相机7、数据采集和处理装置8；

所述收集系统包括出水口15集水器10和自动收集装置11；

所述注射泵5与裂隙主体的进水腔12通过管道连接，所述贮水罐1经过第一蠕动泵3连接至注射泵5与裂隙主体的进水腔12连接的管道上，所述反应物溶质容器2经过第二蠕动泵4与裂隙主体的进水腔12连接，所述相机7置于裂隙主体的正上方，所述灯箱6置于裂隙主体的正下方，所述裂隙主体的两侧端有测压管13，所述裂隙主体的一侧端设置裂隙主体的进水腔12，另一侧端设有若干出水口15，所述出水口15集水器10连接至裂隙主体的出水口15，各所述出水口15汇集于主管14，所述主管14与自动收集装置11连接，所述相机7通过数据线9与数据采集和处理装置8连接。

一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置的实验方法，包括以下步骤：

步骤S1、制备22组浓度分别为0.048mg/L～24mg/L的亮蓝水溶液，每组体积为2升，以替代污染物；

步骤S2、设置玻璃制单裂隙：将玻璃制单裂隙安装至所述单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置中的裂隙主体部分；

步骤S3、将步骤S1中的各组亮蓝水溶液分别通入步骤S2中的裂隙主体，充分静置30min；

步骤S4、设置成像系统：将所述相机7通过数据线9与数据采集和处理装置8连接，并设置于裂隙主体的正上方，再将灯箱6安装于裂隙主体的正下方。其中，所述步骤S4中的灯箱6带有面光源和导光板，并且灯箱6距离裂隙主体底部的垂直距离距离大于0cm且不超过10cm，相机7置于裂隙主体正上方65cm处，其中相机7采用CCD相机7，型号为佳能EOS500D，将感光度设为较低的200～300档，将快门速度调节到较高的1/1000～1/2000，开启白平衡模式；

步骤S5、确定裂隙介质中不同点位亮蓝水溶液浓度的背景值：开启所述步骤S4中的灯箱6的光源和图像采集系统，利用成像系统的白平衡模式进行颜色失衡预处理，记录所述步骤S3的各组亮蓝水溶液的亮蓝影像，将所得图像利用Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理噪点，即减去当组试验的背景图像得到只剩下亮蓝水溶液和裂隙面的图像，并将图像的尺寸标准化(如图3)，使用像素读取软件读取图像中红蓝绿(RGB)三基色中的R值，而后再标定所需观测点位(可随机选择)亮蓝的R值，建立R值与亮蓝水溶液的关系曲线(见图4，本次观测点位为裂隙中心处位置)，可以得出两者间的关系式如下：亮蓝水溶液浓度C＝0.1968R2-10.995R+240.09，相关系数为0.9954，相关性很高；

步骤S6、污染物迁移过程R值数据采集：按预定时间长度，将待测的代表污染物的亮蓝水溶液注入所述步骤S2的玻璃制单裂隙中，需要说明的是，若为瞬时注入试验，则预定时间长度为5s，若为连续注入试验，则预定时间长度为两个单裂隙孔隙的体积。本实例选取浓度为1.2g/L的亮蓝水溶液，并以3mL/s的流速从注入装置注入裂隙中，开启所述步骤S4中的灯箱6的光源和图像采集系统，拍摄每组浓度的亮蓝溶液在裂隙装置中的图像(如图2)，利用成像系统的白平衡模式进行颜色失衡预处理，记录代表污染物的亮蓝水溶液的亮蓝影像，当注入时间5s后，停止通入，同时以30mL/min的流速改为纯水注入，纯水注入时长为10分钟，并且通入纯水的过程中，再次开启所述步骤S4中的灯箱6的光源和图像采集系统，每隔0.5s记录代表污染物的亮蓝水溶液的亮蓝影像，记录的图像可见图2，并将得到的所有亮蓝影像，利用Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理噪点，生成图像，生成修正后的示踪剂运移图像，使用像素读取软件读取修正后的示踪剂运移图像中红蓝绿(RGB)三基色中的R值，最终得到一系列不同点位的代表污染物的亮蓝水溶液的R值作为污染物迁移过程中的亮蓝水溶液R值；

步骤S7、污染物迁移过程中的浓度分布分析：将步骤S6中获得的污染物迁移过程中的亮蓝水溶液R值代入步骤S5得到的亮蓝水溶液浓度与亮蓝的R值的相关关系式，计算出观测点的亮蓝水溶液浓度。将观测点不同时间的R值替换为计算出的亮蓝水溶液浓度，便可得到该观测点亮蓝水溶液浓度的时间序列。图5裂隙中心点处亮蓝溶液的穿透曲线，即该点位处标准化亮蓝浓度随时间的变化值。从图中可以看出，该穿透曲线呈现出较为明显的非正态分布，且存在尾部浓度值的拖尾现象。由此可发现，本发明具备监测单裂隙介质污染物迁移过程的功能，且本发明非侵入型浓度测定方法，对单裂隙介质污染物迁移过程无影响。

本实施例中，玻璃制单裂隙透光率大于80％，玻璃制单裂隙采用光滑平行板模型、自定义粗糙度的单裂隙和人工仿制自然裂隙拓印构建的仿自然玻璃裂隙中的任意一种。

本实施例中，玻璃制单裂隙的总厚度小于10cm。

本实施例中，像素读取软件采用Photoshop。

本实施例中所述面光源的色温不小于6000K。

本发明的目的是克服传统监测手段无法实时、无干扰的监测单裂隙介质污染物迁移过程，尤其是无法准确给出裂隙介质中污染物的二维浓度分布。本方法可以实时、准确、无干扰地监测单裂隙介质污染物迁移过程，实现对单裂隙介质污染物分布的非侵入型测定，减少监测成本，提高测定精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置，其特征在于，包括注入系统、裂隙主体、成像系统和收集系统；

所述注入系统包括贮水罐、反应物溶质容器、第一蠕动泵、第二蠕动泵和注射泵；

所述成像系统包括灯箱、相机、数据采集和处理装置；

所述收集系统包括出水口集水器和自动收集装置；

所述注射泵与裂隙主体的进水腔通过管道连接，所述贮水罐经过第一蠕动泵连接至注射泵与裂隙主体的进水腔连接的管道上，所述反应物溶质容器经过第二蠕动泵与裂隙主体的进水腔连接，所述相机置于裂隙主体的正上方，所述灯箱置于裂隙主体的正下方，所述裂隙主体的两侧端有测压管，所述裂隙主体的一侧端设置裂隙主体的进水腔，另一侧端设有若干出水口，所述出水口集水器连接至裂隙主体的出水口，各所述出水口汇集于主管，所述主管与自动收集装置连接，所述相机通过数据线与数据采集和处理装置连接。

2.基于权利要求1所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、制备若干组不同浓度的亮蓝水溶液；

步骤S2、设置玻璃制单裂隙：将玻璃制单裂隙安装至所述裂隙主体部分；

步骤S3、将步骤S1中的各组亮蓝水溶液分别通入步骤S2中的裂隙主体，静置30分钟；

步骤S4、设置成像系统：将所述相机通过数据线与数据采集和处理装置连接后，并设置于裂隙主体的正上方，再将灯箱安装于裂隙主体的正下方，固定设置相机适当的感光度、快门速度和光圈指数；

步骤S5、确定裂隙主体中不同点位亮蓝水溶液浓度的背景值：开启所述步骤S4中的灯箱的光源和图像采集系统，利用相机的白平衡模式进行颜色失衡预处理，记录所述步骤S3的各组亮蓝水溶液的亮蓝图像，再利用数据采集和处理装置中的Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理亮蓝影像中的噪点，生成图像，使用像素读取软件读取图像中红蓝绿三基色中的R值，而后再标定所需观测点位亮蓝的R值，并且得到亮蓝水溶液浓度与亮蓝的R值的相关关系式，所述亮蓝水溶液浓度与亮蓝的R值的相关关系式由R值和浓度值进行二次多项式拟合得到；

步骤S6、污染物迁移过程R值数据采集：按预定时间，将待测的代表污染物的亮蓝水溶液注入所述步骤S2的玻璃制单裂隙中，开启所述步骤S4中的灯箱的光源和图像采集系统，利用相机的白平衡模式进行颜色失衡预处理，记录代表污染物的亮蓝水溶液的亮蓝影像，当注入时间达到预定时间，停止代表污染物的亮蓝水溶液通入，同时通入纯水，并且通入纯水的过程中，再次开启所述步骤S4中的灯箱的光源和图像采集系统，等时间间隔记录代表污染物的亮蓝水溶液的亮蓝图像，并将得到的所有亮蓝影像，分别利用Matlab软件的imsubtract指令，在两幅图像之间对应像素做减法运算，进一步处理噪点，生成修正后的示踪剂运移图像，使用像素读取软件读取图像中红蓝绿三基色中的R值，最终得到一系列不同点位的代表污染物的亮蓝水溶液的R值作为污染物迁移过程中的亮蓝水溶液R值；

步骤S7、污染物迁移过程中的浓度分布分析：将步骤S6中获得的污染物迁移过程中的亮蓝水溶液R值代入步骤S5得到的亮蓝水溶液浓度与亮蓝的R值的相关关系式，得到亮蓝水溶液浓度分布。

3.根据权利要求2所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，所述步骤S1至少制备5组不同浓度的亮蓝水溶液，所述亮蓝水溶液的浓度大于0.048mg/L且小于24mg/L。

4.根据权利要求2所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，所述步骤S2中的玻璃制单裂隙透光率大于80％，所述玻璃制单裂隙采用光滑平行板模型、自定义粗糙度的单裂隙和人工仿制自然裂隙拓印构建的仿自然玻璃裂隙中的任意一种。

5.根据权利要求2所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，所述玻璃制单裂隙的总厚度小于10cm。

6.根据权利要求2所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，所述步骤S4中的灯箱带有面光源和导光板，且灯箱安置在所述步骤S3的裂隙主体的正下方，距离裂隙主体底部的垂直距离距离大于0cm且不超过10cm。

7.根据权利要求2所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，所述步骤S4的感光度设置在ISO 200～300，快门速度调节到1/1000～1/2000s。

8.根据权利要求2所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，所述步骤S6中的等时间间隔的间隔时间为0.5s。

9.根据权利要求2所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，相机采用CCD相机，像素读取软件采用Photoshop。

10.根据权利要求6所述的一种单裂隙介质污染物迁移过程的可视化实验方法，其特征在于，所述面光源的色温不小于6000K。