CN111259558B - 一种非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，装取原状土于圆柱形透明容器；充分饱和土柱，并确保无漏水、渗水现象发生；在土柱表面插上测点，建立测量电路，等待至电路稳定；调配纳米Fe₃O₄胶体，将胶体浇于土柱表面，浇注前需晃动胶体溶液，使纳米Fe₃O₄颗粒均匀分布于溶液中，待胶体完全渗入土壤后，静置并保证Fe₃O₄胶体充分下渗；读取设备测得的电位数据，根据胶体注入时间，将数据分为两部分；使用基于中心差分公式的有限差分法进行电势分布的正演；利用正演结果，使用BP神将网络进行电导率分布的反演，并将反演结果进行三维可视化。本发明操作性强、方法清晰，可得到可靠的土壤胶体运动特点，为提高土壤污染治理效率提供了新方法。

Description

一种非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法

技术领域

本发明属于农业技术和环境生态技术领域，尤其涉及一种非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法。

背景技术

随着国家战略目标的改变，近几年来环境问题收到越来越多的关注，与饱受关注的空气污染、水污染相比，土壤污染的研究工作相对较少。

土壤污染物主要是由人类活动带入土壤的，垃圾填埋渗漏、大气重金属沉降、污水排放、农业生产、工业制造等活动最终都会以污水的形式将污染物携带入土壤，而废水中的部分污染物是以胶体的形式存在的，且在运动过程中，胶体会吸附重金属、有机农药以及有机污染物等物质，将这些污染物带离浅层土壤，进入深层土壤及地下水，因此，土壤中胶体的运动在很大程度上增加了污染物的危害范围，并给土壤污染的治理带来难度。研究胶体在土壤中的运动特点可以为污染物的治理提供指导，提高治理效率，降低治理成本。

电法勘探发展历史悠久，现广泛应用于地质勘探工程中，其原理是通过研究与总结天然电场或人工电场的电磁场关于时间与空间的一般分布规律来解决相关问题，但目前的电法装置多应用于大尺度研究，无法在实验室环境中进行研究，实验成本及试验周期较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，操作性强，可得到可靠的土壤胶体运动特点，为提高土壤污染治理效率提供了新方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，该方法包括以下步骤，步骤一，装取原状土于圆柱形透明容器，充分饱和土柱；步骤二，在土柱表面布置测点电极，建立测量电路，设备上电，等待各测点电压稳定；步骤三，调配纳米Fe₃O₄胶体，将胶体浇于土柱表面，浇注前需晃动胶体溶液，使纳米Fe₃O₄颗粒均匀分布于溶液中，待液体完全渗入土壤后，静置并保证Fe₃O₄胶体充分下渗；步骤四，读取设备测得的电量数据，根据胶体注入时间，将数据分为两部分；步骤五，使用基于中心差分公式的有限差分法对两部分数据进行电势分布正演；步骤六，利用步骤五的正演结果，对两部分数据进行电导率分布反演，将反演结果进行三维可视化。

按上述技术方案，以Fe₃O₄胶体做为示踪剂。Fe₃O₄具有良好的导电性，胶体运动过程中滞留在土壤中的Fe₃O₄胶体颗粒可以显著改变运动轨迹上土壤的电导率，此外Fe₃O₄无毒，不会造成土壤污染。

按上述技术方案，采用单机供电法作为数据采集方法，电极采用二极排列，供电电极布置在直径两端。

按上述技术方案，所述步骤五中，电势正演方法的具体计算过程如下：

麦克斯韦方程，

其中σ为电导率，

为电势，研究对象非均匀介质，方程中的σ不是常数，使用差分代替导数来建立差分方程，差分公式如下：

将差分公式代入偏微分方程，化简后得：

按上述技术方案，所述步骤四中，读取设备测得的电量数据后转化为.csv文件。

按上述技术方案，所述步骤六中，使用BP神将网络对两部分数据进行电导率分布反演。

本发明产生的有益效果是：操作性强，可得到可靠的土壤胶体运动特点，为提高土壤污染治理效率提供了新方法。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例中二极排列图；

图2为本发明实施例中电极布置示例图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，本实施例中，选择粒径在100nm以下的纳米Fe₃O₄，溶于水后形成胶体，用来模拟胶体在土壤中的运动，胶体中的纳米Fe₃O₄颗粒可以显著改变胶体运动区域的土壤电导率，引起电场分布的改变，以麦克斯韦方程为基础，使用数值模拟计算测点外的其他电压值，反演出胶体运动轨迹，该方法包括测量电路的设计、差分方程的推导以及胶体轨迹反演，包括以下步骤:步骤1：装取原状土于圆柱形透明容器；充分饱和土柱，并确保无漏水、渗水现象发生；步骤2：在土柱表面布置测点电极，建立测量电路，设备上电，等待各测点电压稳定；步骤3：调配纳米Fe₃O₄胶体，将胶体浇于土柱表面，浇注前需晃动胶体溶液，使纳米Fe₃O₄颗粒均匀分布于溶液中，待液体完全渗入土壤后，静置并保证Fe₃O₄胶体充分下渗；步骤4：读取设备测得的电位数据并转化为.csv文件，根据胶体注入时间，将数据分为两部分；步骤5：使用基于中心差分公式的有限差分法对两部分数据进行电势分布正演；步骤6：利用步骤5的正演结果，使用BP神将网络对两部分数据进行电导率分布反演，并将反演结果进行三维可视化。

为了充分使用土罐内的空间，采用单点供电法作为数据采集方法，为充分利用空间采集较多的电压信息，电极采用二极排列，为减小无穷远极的影响，供电两极的距离尽可能的大于正极与测量电极之间的距离，因此供电电极布置在直径两端，该布极方式在众多排列中观测信号较强。

电势正演方法：电势正演的目的是通过测得的电压电流，借助电磁场基本方程计算出电压在样本空间内的分布，其最终要解决的是稳定电流场的边值问题。本发明使用中心差分公式，得到一种更加简洁的计算式，计算过程如下。

基础公式：麦克斯韦方程

其中σ为电导率，

为电势，研究对象非均匀介质，方程中的σ(电导率)不是常数，不能省略，使用差分代替导数来建立差分方程。

差分公式如下：

差分公式代入下式(4)，可得：

化简得：

其中

为总电位，

为背景电位，即在均匀介质中的电位，可用公式进行计算，

为异常电位，由介质不均匀产生。

从以上公式可知，总电位由两部分构成，若介质电导率一致，则总电位只包含背景电位

符合电场基本规律。

导电率反演则是使用正演过程算得的电势分布，计算对应的导电率分布，但由于投影数据空间小于要反演的图像数据空间，该问题的解必然依赖于正演或其他先验信息才能实际成像,因此数据采集应尽可能地密集、全方位、精确可靠,才能使成像更真实可靠。同时,该问题也是高度非线性问题,若使用数值解法,由于线性化时忽略高于一阶的导数项,会使成像有一定的误差,并且增加了迭代运算的复杂性。BP神经网络在解决非线性问题中具有良好的表现，通过使用“模拟退火”算法或随机梯度下降可避免其陷入局部最优解，因此选用该方法作为反演算法。

分布可视化：经过正演计算后，可得到土样的电导率分布，但直接用所得的电导率进行做图，不能直接反映胶体运动对计算单位内土壤电导率的影响，与之相比，电导率的变化更能直接表现胶体运动对土样的影响。

Δσ＝σ_s-σ₀ (10)

步骤四进行数据拆分的目的即在于此，σ₀为第一部分计算结果，作为背景电导率，σ_s为第二部分计算结果，为胶体运动稳定后的电导率，对Δσ进行可视化，即可反映出胶体对土样的影响。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，装取原状土于容器，充分饱和土柱；步骤二，在土柱表面布置测点电极，建立测量电路；步骤三，调配纳米Fe₃O₄胶体，将胶体浇于土柱表面；步骤四，读取设备测得的电量数据，根据胶体注入时间，将数据分为两部分，

由背景电位

与异常电位

组成，

步骤五，使用基于中心差分公式的有限差分法对两部分数据进行电势分布正演；步骤六，利用步骤五的正演结果，对两部分数据进行电导率分布反演，将反演结果进行三维可视化，电势正演方法的具体计算过程如下：

麦克斯韦方程，

其中σ为电导率，

为电势，研究对象非均匀介质，方程中的σ不是常数，使用差分代替导数来建立差分方程，差分公式如下：

将差分公式代入偏微分方程，化简后得：

2.根据权利要求1所述的非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，其特征在于，以Fe₃O₄胶体做为示踪剂。

3.根据权利要求1或2所述的非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，其特征在于，采用单机供电法作为数据采集方法，电极采用二极排列，供电电极布置在直径两端。

4.根据权利要求1或2所述的非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，其特征在于，所述步骤四中，读取设备测得的电量数据后转化为.csv文件。

5.根据权利要求1或2所述的非饱和土壤中胶体运动分布三维可视化的方法，其特征在于，所述步骤六中，使用BP神将网络对两部分数据进行电导率分布反演。

Images