基于图像分析方法研究柴油在多孔介质中的迁移与分布特征

张胜南， 马艳飞， 刘 晓， 王贝贝， 冯雪冬， 高佩玲

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院， 山东 淄博 255000； 2.山东理工大学 资源与环境工程学院， 山东 淄博 255000)

土壤是自然界物质和能量循环过程的重要场所，但随着人们对化工产品需求的日益增长，由此造成的土壤和地下水环境的有机污染也越来越严重。有机污染问题已经成为当前环境污染研究的热点问题[1-2]。墨西哥湾2010年的深水地平线灾难(Deepwater Horizon， DWH)是美国历史上最大的石油泄漏事故，已有学者研究发现，墨西哥和德克萨斯州的海滩有石油着陆，鱼类在胚胎阶段暴露于石油中会有明显的心脏畸形和心动过缓[3-5]。此外，由于人类的活动以及污染物的自然迁移，甚至在人迹罕至的南极洲地下多孔介质中也出现严重的石油污染[6]。石油类产品中不溶或者微溶于水的有机污染物通常被称为非水相流体(Non-Aqueous Phase Liquids， NAPLs)[7]，其进入地下环境后，通常以单独的相存在，不与水混溶，形成多相流，增加了研究的复杂性。

二维砂箱具有可视化的特点，可以用来观测非水相流体在二维尺度范围内的迁移与分布特征，目前已成为研究地下多孔介质中非水相流体污染的主要工具[8]。Tidwell等[9]通过光透法提出了计算介质水饱和度的简单经验参数模型；刘汉乐等[10]运用图像分析方法得到不同时刻污染物的入渗锋面变化图；杨宾等[11]采用数码图像分析方法确定介质和流体性质等因素对非水相流体在多孔介质中入渗迁移的影响；程洲等[8]采用改进光透法结合图像分析技术探讨重非水相流体在含不同透镜体非均质含水层中迁移和饱和度分布特性。利用图像分析方法在非水相流体污染特征研究中的应用优势，对多孔介质中柴油的迁移过程、污染形态以及饱和度分布特征进行综合分析，具有重要的理论和现实意义。

在石油产品中，柴油所占比例较大，性质比较稳定，比汽油不易挥发，并且在生产生活中普遍存在[12]，因此笔者选取柴油为代表性污染物进行实验研究。为确定多孔介质性质对柴油迁移与分布特征以及饱和度(多孔介质中柴油体积与多孔介质中孔隙体积之比)分布的影响，在保证均一孔隙度的情况下，通过二维砂箱实验研究柴油在不同多孔介质中的迁移与分布特征，利用图像分析方法分析柴油在多孔介质中的垂向迁移距离、污染面积、污染界面周长与时间的关系以及柴油饱和度的变化，为石油污染场地修复提供重要的理论与技术支持。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

实验选取3种不同粒径的石英砂(巩义市恒鑫滤料厂产品)作为多孔介质，其基本的理化性质见表1。硝酸，国药集团化学试剂有限公司产品； 氢氧化钠、H2O2，天津市北辰方正试剂厂产品；去离子水，采用中扬牌超纯水机制备；苏丹红Ⅳ，上海源叶生物科技有限公司产品。0#柴油，中国石化齐鲁石化公司产品，在20 ℃下，其密度0.82 g/cm3，动力黏度 3.11 mPa·s，油-水界面张力37.30 mN/m，表面张力23.90 mN/m。

表1 石英砂的基本理化性质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 实验装置

实验的主要装置为由厚5 mm的无色磨砂硅酸盐玻璃制成的二维砂箱，如图1所示。砂箱上部开口，两侧为带孔不锈钢管，并贴有孔径75 μm不锈钢网以免多孔介质泄漏到不锈钢管内。为消除外界光线的干扰，实验在搭建的暗室中进行。

图1 二维砂箱实验装置示意图Fig.1 Experimental apparatus of 2-dimensional sandboxa, b—Stainless steel pipes perforated with 75 μm stainless steel net

1.3 实验过程

为避免石英砂表面不洁净对其湿润性能的影响，在装填前分别用酸溶液、碱溶液、H2O2和去离子水对其进行细致的清洗，去除有机杂质，使其pH值接近中性，并自然风干，装入样品瓶备用。采用比重瓶法测得石英砂的颗粒密度为2.61 g/cm3，干密度为1.32 g/cm3，孔隙度为0.49。为便于摄影观察，增强柴油与背景的对比度，用苏丹红Ⅳ(质量浓度为0.08 g/L)对其进行染色。已有研究表明使用苏丹红Ⅳ染色，对柴油迁移与分布特征的影响可以忽略[13]。

采用标准分层法装填石英砂，每次装填高度为2 cm，重复装填，多孔介质的最终高度为32 cm。在多孔介质最顶层均匀装填1 cm厚、粒径大小为1 mm 的玻璃珠，使柴油能均匀入渗到石英砂，避免在注入过程中发生溅蚀作用。

利用蠕动泵模拟线源污染，污染源宽度为16 cm，柴油的注入速率为4.85 mL/min，以柴油到达砂箱底部为实验结束点，停止注入柴油。

采用数码相机进行数据采集，利用EOS Utility软件以5 s 间隔定时取像。

实验以柴油到达石英砂开始计时，选取整个实验过程的1/4、2/4、3/4和4/4时间点的图像，利用Arcgis10.3软件对其锋面形态进行处理，并叠加显示。

1.4 图像分析与表征

配制不同柴油饱和度的多孔介质，以1.3节中方法装填，然后采集数据，并分别建立图像R、G、B波段与柴油饱和度的线性关系，选取拟合度最好的B波段曲线作为标准曲线，以表征多孔介质中柴油的饱和度分布。

将采集的数据导入软件Arcgis 10.3中，选取4个控制点对图像进行地理配准，以提供统一的坐标系统；裁剪出研究区域；对研究区域的B波段图像进行邻域分析，以减少噪点造成的误差；再对邻域分析后的图像进行重分类(污染区域和未污染区域)；然后将重分类的图像转换为矢量面图层，提取面图层中的污染面积、污染界面周长、垂向迁移距离；最后，将矢量面图层作为掩膜对邻域分析后的图像进行提取，再将柴油饱和度标准曲线代入，得到柴油饱和度分布图。

2 结果与讨论

2.1 柴油在不同多孔介质中的迁移形态

图2为柴油在石英砂中的迁移实验过程中4个时间点的迁移锋面形态。可以看出，柴油在向下迁移过程中，随着迁移深度的增加，迁移锋面变得不稳定，会绕过部分石英砂呈“指状”向下迁移，在粗粒径多孔介质中表现得尤为明显。柴油会优先从指进路径向下迁移入渗，形成优势流，与Parlange等[14]的不稳定湿润锋理论相一致。柴油在3种不同粒径石英砂中的迁移锋面形态差异明显，粗粒径石英砂中的迁移锋面形态更加不规则，指流数目较多，而较细粒径石英砂中的迁移锋面形态相对稳定、规则。这是由于粗粒径石英砂中的孔隙多为大孔隙，毛细作用相对较弱，垂向迁移速率较快，从而迁移锋面变得不稳定，横向迁移不明显。这与文献[15-17]中提出的多孔介质颗粒组成是影响污染物迁移较关键因素的观点相一致。

2.2 污染面积、污染界面周长、垂向迁移距离与时间的关系

对实验结束时柴油在3种不同粒径石英砂中迁移锋面的定量表征结果见表2。可以看出，柴油在不同石英砂中的垂向迁移速率、污染界面周长、污染面积均有明显差异。柴油到达砂箱底部的迁移时间分别为12、70、120 min，柴油在粗粒径石英砂中的垂向迁移速率明显大于在细粒径石英砂中的垂向迁移速率。此外，柴油在粗粒径石英砂中的横向迁移不明显，污染面积明显小于细粒径石英砂中的污染面积，约为细粒径石英砂污染面积的1/3。柴油在粗粒径石英砂中的迁移锋面更加不规则，其污染界面周长明显大于细粒径石英砂中的污染界面周长，杨宾等[11]的实验也证实了这一结论。

图2 柴油在石英砂中的迁移实验过程中4个时间点的迁移锋面形态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 柴油注入停止时的迁移锋面参数Table 2 Parameters of migration front at thetime when the diesel injection stopped

对柴油入渗迁移过程中即时达到的污染面积(S)、污染界面周长(L)、最大垂向迁移距离(l)与时间(t)的关系作图，如图3所示。可以看出，柴油在3种不同粒径石英砂中的污染面积、污染界面周长、最大垂向迁移距离与时间具有良好的线性关系,拟合系数R2均在0.99以上，且R2(S-t)>R2(l-t)>R2(L-t)。石英砂粒径大小对柴油的迁移与分布特征有显著影响：石英砂粒径越大，污染面积增长率、污染界面周长增长率和垂向迁移速率越大。在相同实验条件下，粒径越大，形成的孔隙越大，毛细作用相对较弱，有利于促进柴油的垂向迁移。在柴油连续不断注入条件下，相同时间内，柴油在粗粒径石英砂中的垂向迁移距离更深，污染面积更大。石英砂粒径越小，形成的孔隙相对较小，有较强的毛细作用，此毛细作用表现为吸力，阻碍柴油的垂向迁移，促进柴油的横向迁移，迁移锋面的形态相对稳定。因此，在柴油不断注入的时间段中，相同时间内，粗粒径石英砂中的污染面积更大，入渗深度更深，其环境风险明显大于细粒径石英砂。

2.3 多孔介质的性质与柴油污染面积和污染界面周长的关系

多孔介质的性质是影响柴油迁移与分布特征的重要因素，表征多孔介质性质的参数有很多，如D50、孔隙度、干密度、不均匀系数(Cu)、曲率系数(Cc)等。Cu反映土粒组成不均匀程度，工程上常将Cu≤5的土称为匀粒土，反之则称为非匀粒土。Cc反映粒径累积分布曲线的整体形状和细粒含量[18]。笔者将D50、Cu、Cc分别与实验结束时刻的柴油污染面积和污染界面周长进行一元和多元线性拟合，结果见表3。

由表3可知，拟合的一元线性方程中：D50与污染面积的拟合程度较好，拟合系数R2为0.9964，污染面积随着D50的增大而减小；D50和Cu与污染界面周长的拟合度较高，拟合系数均在0.93以上，且污染界面周长随着D50的增大而增大，随着Cu的增大而减小。在拟合的多元线性方程中，D50、Cu、Cc任意两者结合与污染面积和污染界面周长的拟合均较好，说明多孔介质的D50、Cu和Cc任意两者的变动都会显著影响柴油的污染面积和污染界面周长。

图3 柴油在3种不同粒径石英砂中污染面积(S)、污染界面周长(L)、垂向迁移距离(l)与时间(t)的关系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

图4为柴油污染面积和污染界面周长的实验值与其线性拟合方程的计算值。从图4可以看出，由拟合方程得到的计算值与实验值有一定差距，但差距很小。多元线性拟合方程计算得到的计算值与实验值更为接近。这也进一步说明可以用拟合方程得到的计算值近似表示实验值。

图4 柴油污染面积和污染界面周长的实验值与其线性拟合方程的计算值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 柴油在不同多孔介质中的饱和度分布

随着柴油的不断注入，柴油在石英砂不同位置的饱和度也不断变化。传统测定多孔介质中污染物饱和度的方法，具有时间长、侵入性、探测面积小等缺点，图像分析方法正好弥补了这些不足，能够快速、准确、非侵入性地表征柴油在多孔介质中的饱和度分布情况。选取柴油在3种不同粒径多孔介质中到达砂箱底部时刻的图像进行分析，结果如图5 所示。可以看出，粗砂中柴油的饱和度为0～0.15，细砂中柴油的饱和度为0～0.48，显然柴油在粗粒径多孔介质中的饱和度比在细粒径多孔介质中的低。因为在相同孔隙度的条件下，粗粒径多孔介质的孔隙大，毛细作用力相对较小，对柴油的滞留能力较弱；细粒径多孔介质堆积密实，渗透性能有所降低，并且会出现小孔、微孔、死孔等不连通的孔隙，增加柴油迁移的迂曲度，形成“微孔调节效应”，对柴油有较强的持留能力[19]。整个实验过程中，与柴油的垂向迁移相比，柴油的横向迁移相对较弱，柴油的高饱和度区主要分布在柴油线源污染宽度的垂向迁移区域，而横向迁移区域的饱和度相对较低。

在图5的基础上，以垂向到达砂箱底部的迁移路径为基准布设5个点位，并计算柴油在各点位处的饱和度，结果如图6所示。

从图6可以看出，细砂中各点位处的饱和度明显大于粗砂。这是由于细砂的颗粒小，比表面积大，堆积得较密实，孔隙多为小孔隙，对柴油持留能力较强，对其垂向迁移具有吸附和阻滞作用。在垂向迁移距离4 cm处，柴油在细砂中的饱和度比在中砂的低，可能是由于在装填多孔介质的过程中不能保证介质的绝对均匀，此处细砂较疏松，孔隙度比中砂大，对柴油持留能力下降。

图5 柴油在3种不同粒径石英砂中注入停止时刻的饱和度分布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

图6 柴油在各布设点位处的饱和度Fig.6 Diesel saturation value at each deployment point

因此，在污染源注入宽度、注入速率和多孔介质孔隙度一定的条件下，多孔介质相同深度区域中，细粒径多孔介质中的污染面积更大，污染物的饱和度更高，污染程度更强。综合污染的长期性而言，细粒径多孔介质中的污染更广，危害程度更高。

3 结 论

(1)在相同实验条件下，柴油在粗粒径石英砂中的垂向迁移速率更大，迁移锋面不稳定，指流现象更明显，并且在相同时间内垂向迁移距离更大，其环境风险明显大于细粒径石英砂。

(2)柴油在入渗迁移过程中，其污染面积、污染界面周长、垂向迁移距离与时间具有良好的线性关系，拟合系数均在0.99以上。同时，污染面积增长率、污染界面周长增长率、垂向迁移速率与多孔介质粒径大小呈正相关。实验结束时，在石英砂垂向迁移相同深度区域中，粗粒径石英砂中的污染面积是细粒径石英砂污染面积的1/3左右。

(3)污染面积随着D50的增大而减小，二者拟合系数R2为0.9964；污染界面周长随着D50的增大而增大，随着Cu的增大而减小，且拟合度均在0.93以上；多孔介质的D50、Cu和Cc任意两者的变动都会显著影响污染物的污染面积和污染界面周长；拟合方程得到的计算值可近似表示实验值。

(4)在相同实验条件下，垂向迁移相同深度区域多孔介质中，柴油在细粒径多孔介质中的饱和度比在粗粒径多孔介质中的高，污染程度更强，综合污染的长期性而言，细粒径多孔介质中的污染更广，危害程度更高。