武亞軍，韓亞東，唐 欣，陳 敏，陳天慧

（1. 上海大學(xué)土木工程系，上海200444；2. 上海市巖土工程檢測中心，上海200444）

近年來，我國土壤污染問題日益嚴(yán)重，人類的生存與發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。全國土壤污染總超標(biāo)率已達(dá)16.1%［1］，對土壤污染進(jìn)行防治及修復(fù)工作刻不容緩。依據(jù)注藥方式不同，常用的原位修復(fù)技術(shù)分為直壓式注藥法、注射井法和高壓旋噴注藥法等［2］。其中，高壓旋噴注藥法以適用土層范圍廣、成本低、修復(fù)深度大、施工效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于污染土壤的修復(fù)。然而，目前對于修復(fù)藥劑的遷移擴(kuò)散規(guī)律尚不明確，因此針對修復(fù)藥劑遷移特性的分析是非常有必要的。

隨著高壓旋噴注藥法的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外一些學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究。劉松玉［3］、唐小龍等［4］的研究表明，高壓旋噴注藥法對土壤結(jié)構(gòu)擾動劇烈，適用于滲透性較小的黏性土壤。高壓旋噴注藥技術(shù)應(yīng)用于上海黏性較高的污染土壤時，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)注藥方式存在的治理周期長、修復(fù)效果不理想等缺點(diǎn)［5］。由于修復(fù)藥劑也相當(dāng)于一種溶質(zhì)，因此借鑒污染物的研究方法對修復(fù)藥劑的遷移規(guī)律進(jìn)行研究。Guerrero等［6］研究污染物在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散問題，并求得空間上的一維線性變系數(shù)對流擴(kuò)散方程的解析解。鄭順安等［7］研究了鉛、鎘、銅、汞在七種典型農(nóng)田土壤中的吸附解吸、遷移積累等特性，結(jié)果表明土壤對Cu 的吸附性能是決定其遷移性能的重要因素。王亞平等［8］開展了等溫條件下土柱淋濾試驗(yàn)，得到鉻、鉛、汞三種重金屬離子在土壤中的穿透能力表現(xiàn)為Hg2+>Cd2+>Pb2+，三種不同質(zhì)地的土壤對離子遷移的能力都表現(xiàn)為大同土壤>臨汾土壤>太原土壤。Fox等［9］等的研究認(rèn)為，擴(kuò)散和固結(jié)引起的對流作用對溶質(zhì)遷移有重要影響。林青等［10］用耦合Freundlich 吸附的單點(diǎn)模型（OSM）模擬了鎘在粉壤、壤砂中的遷移過程，結(jié)果表明不同土壤對鎘運(yùn)移的阻滯能力不同。商建英［11］用Freundlich 方程、對流?彌散方程、確定性模型對鎘在土中的遷移吸附進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了pH 值和有機(jī)質(zhì)的影響。然而，常規(guī)的遷移模型試驗(yàn)，只能得到有限的離散點(diǎn)濃度，獲取的數(shù)據(jù)不連續(xù)，并且取樣過程中對土樣產(chǎn)生擾動。因此，尋求一種更加直觀的、非侵入式的研究手段顯得尤為重要。

隨著透明土材料和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，采用物理力學(xué)性質(zhì)與天然土體相近的透明材料來模擬天然土，開展土體內(nèi)部可視化模型試驗(yàn)研究逐漸成為一種趨勢［12］。Iskander 等［13］、Liu 等［14］、宮全美等［15］采用無定形二氧化硅和與其折射率相匹配的孔隙液體制配出透明土，發(fā)現(xiàn)其巖土工程性質(zhì)與黏土相似。White 等［16］將粒子圖像測速法（PIV）運(yùn)用在半模樁沉樁效應(yīng)的半模試驗(yàn)上，測定了沉樁過程的位移場?？拙V強(qiáng)等［17］開展了透明土材料電滲模型試驗(yàn)，探討了孔隙流體種類對透明土內(nèi)部滲流場的影響規(guī)律。Lo等［18］應(yīng)用三種不同類型的水族珠及染色流體，實(shí)現(xiàn)了觀察多相流動輸送過程的可行性。姜海波等［19］利用二氧化硅和白油溶液配置的透明軟黏土，研究了土樁形成機(jī)理。牟天瑜等［20］的研究表明，通過濃度?灰度的相互轉(zhuǎn)換，數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠較準(zhǔn)確地反映污染物遷移情況。

將透明土材料應(yīng)用于污染土修復(fù)藥劑遷移的模型試驗(yàn)，結(jié)合Matlab 圖像處理技術(shù)，探尋一種簡便性、無損性的藥劑遷移規(guī)律研究方法，并初步探究藥劑遷移的影響因素。

1 試驗(yàn)材料及其物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)選用無定形硅粉作為透明黏土骨料，礦物油溶液（白油和正十二烷）作為孔隙流體。試驗(yàn)材料如圖1所示。紅色油溶性染料（易溶于油，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定）作為示蹤劑。

1.1 光學(xué)透明性分析

透明土的透明性是影響模型試驗(yàn)的重要因素。當(dāng)孔隙液體和硅粉折射率相同時，試樣的透明度最高。采用BM?2WAJ 型阿貝折射儀測定孔隙液體的折射率，在室溫下基于Black等［21］提出的調(diào)制解調(diào)函數(shù)（MTF）測定不同折射率下透明土的透明度，計算式如下所示：

式中：Imax(I)、Imin(I)分別為透明土試樣中像素強(qiáng)度的最大值和最小值；Imax(O)、Imin(O)分別為空氣中像素強(qiáng)度的最大值和最小值。αMTF越接近1，表示試樣的透明性越好。透明土的光學(xué)透明性如圖2所示。測試結(jié)果表明，當(dāng)折射率為1.448時透明度最好，在該折射率下更有利于觀察示蹤劑的遷移情況，因此選用1.448折射率下的透明土試樣進(jìn)行下一階段試驗(yàn)。

1.2 顆粒分析特性

選擇不同粒徑硅粉顆粒配置的透明土試樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，并同上海閔行區(qū)②1層黏土［22］比較，顆粒分析試驗(yàn)曲線如圖3所示。結(jié)果表明，級配1試樣以黏粒為主，含量達(dá)到58.2%，級配2、級配3試樣以粉粒為主，粉粒含量均超過50%，分別達(dá)到62.5%、65.8%。其中，級配2試樣與上海②1層黏土在顆粒粒徑方面最為相近，也表明所配制的透明土在粒徑級配方面具備模擬黏性土的可行性。因此，選擇級配2 試樣研究不同孔隙比、不同滲透壓力差邊界條件下的示蹤劑遷移情況。

1.3 固結(jié)壓縮特性

對上述三種級配試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，探究透明土的壓縮特性，得到透明試樣的孔隙比e隨固結(jié)壓力p的變化曲線，如圖4所示。結(jié)果表明，e?lgp壓縮曲線與常規(guī)黏性土相似，近似為線性關(guān)系。級配1 試樣初始孔隙比明顯大于級配2、級配3 試樣，在相同固結(jié)壓力下，級配1 試樣孔隙比變化范圍最大。通過曲線計算相應(yīng)壓縮性指標(biāo)，如表1 所示。三種級配試樣的壓縮系數(shù)分布在0.6～1.8 MPa-1范圍內(nèi)，均屬高壓縮性“土”。

表1 物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical parameters

1.4 滲透特性

土體滲透性對溶質(zhì)遷移有較大影響。利用滲透儀進(jìn)行透明土樣的滲透試驗(yàn)，探究三種級配試樣在不同孔隙比下滲透性的變化。滲透系數(shù)k隨孔隙比e的變化曲線如圖5所示。結(jié)果表明，三種級配試樣的e?lgk發(fā)展趨勢相似，滲透系數(shù)k均隨孔隙比e減小而減小，呈明顯的線性關(guān)系，并且在坐標(biāo)系中離散性較小。在相同孔隙比下，級配1 試樣滲透系數(shù)最低，其次為級配2試樣。這是因?yàn)榧壟?試樣細(xì)顆粒含量較高，即黏粒含量增高，滲透系數(shù)有降低的趨勢。級配3 試樣大顆粒含量較多，因而滲透性相對較高。透明土滲透系數(shù)在10-4～10-7cm·s-1范圍內(nèi)變化，同淄博原狀黏土［23］（10-4～10-6cm·s-1）相比滲透系數(shù)相差不大，可以用來模擬溶質(zhì)遷移過程。

由上述可知，盡管透明土的固結(jié)性質(zhì)與天然黏土存在較大差異，但考慮到本試驗(yàn)探究修復(fù)藥劑的遷移規(guī)律，利用透明土粒徑和滲透性質(zhì)與天然黏性土相似的特性，對藥劑遷移規(guī)律進(jìn)行定性研究是可行的。

2 修復(fù)藥劑遷移模型試驗(yàn)

應(yīng)用透明土材料探究修復(fù)藥劑在飽和黏性土中的遷移規(guī)律，試驗(yàn)包含兩部分內(nèi)容：濃度?灰度標(biāo)定試驗(yàn)和不同邊界條件下示蹤劑遷移試驗(yàn)。選取不同滲透壓力差、不同顆粒級配、不同孔隙比等邊界條件，進(jìn)行示蹤劑遷移試驗(yàn)。

2.1 試樣制備

透明土試樣制備主要包括試樣準(zhǔn)備、試樣壓制、真空飽和三個步驟。稱量所需的不同粒徑下的二氧化硅顆粒放入燒杯中，用玻璃棒充分?jǐn)嚢柚敝辆鶆?，并將拌均勻的硅粉顆粒放入遷移裝置；將裝好試樣的遷移裝置放入制樣器內(nèi)，置于液壓千斤頂下壓制，得到所需的干試樣；將壓制好的試樣置于裝有折射率為1.448 混合油溶液的真空飽和裝置中真空飽和，飽和過程一般需要?dú)v時8～12 h。

2.2 遷移試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中所用儀器與設(shè)備主要包括馬氏瓶、數(shù)碼相機(jī)、遷移裝置、背景燈、計算機(jī)等，模型試驗(yàn)裝置如圖6a和6b所示。馬氏瓶提供穩(wěn)定“水頭”，通過改變高度可控制不同的滲透壓力差。通過背景燈獲得均勻穩(wěn)定的光源，試樣拍攝時關(guān)閉窗簾，減小其他光源的干擾。示蹤劑遷移過程由佳能60D 相機(jī)記錄，通過計算機(jī)控制相機(jī)可獲得示蹤劑遷移過程中的一系列圖像。滲透裝置中放置透明土樣的土樣盒由有機(jī)玻璃制成，可制得高40 mm、直徑62 mm 的透明土試樣。

取1 000 mg 紅色油溶性染料置于1 L 孔隙溶液中，充分?jǐn)嚢枧渲? 000 mg·L-1的示蹤劑溶液。透明土試樣制備好后，把經(jīng)過示蹤劑溶液浸泡過的濾紙置于試樣頂部，可使示蹤劑均勻覆蓋于試樣頂部。

2.3 濃度場的測量與標(biāo)定

將壓制好的試樣放入配置好的已知濃度（選取0、3、30、70、100、300、700、1 000 mg·L-1）的示蹤劑溶液內(nèi)真空飽和，得到不同濃度下的飽和試樣。試樣取出后，通過數(shù)碼相機(jī)拍攝不同濃度下試樣的圖像，借助Matlab 軟件平臺對采集到的濃度圖去噪聲，進(jìn)行灰度化處理。濃度越大，顏色越深，與之對應(yīng)的灰度值越小。相應(yīng)的濃度?灰度關(guān)系曲線如圖7所示。

繪制出灰度和濃度散點(diǎn)圖后，得到擬合曲線對應(yīng)的濃度?灰度公式，如下所示：

式中：G表示圖像的灰度值；C表示濃度值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依照上述步驟制得飽和透明土試樣，進(jìn)行不同邊界條件下示蹤劑遷移試驗(yàn)。通過數(shù)碼相機(jī)得到不同邊界條件下示蹤劑遷移過程中的一系列圖像，然后采用Matlab 軟件圖像處理技術(shù)進(jìn)行處理，可獲得不同邊界條件、不同時刻的濃度等值線圖。提取遷移過程中示蹤劑底部平均位移，可得到示蹤劑位移與時間關(guān)系曲線；提取不同時刻示蹤劑覆蓋面積，可得到示蹤劑分布面積與時間關(guān)系曲線。

3.1 不同滲透壓力差下示蹤劑遷移

進(jìn)行“水頭”高度為1.0、1.5、2.0 m下的示蹤劑遷移試驗(yàn)，對應(yīng)的滲透壓力差分別為7.5、11.3 、15.0 kPa。對Matlab圖像處理得到的不同時刻示蹤劑濃度等值線圖進(jìn)行分析，示蹤劑的位移以示蹤劑覆蓋區(qū)域最底部點(diǎn)的縱坐標(biāo)為準(zhǔn)，為減小誤差，選取豎向間隔相同10個點(diǎn)的平均值繪制位移曲線，如圖8 所示。從圖8 可以看出，滲透壓力差為15.0 kPa時，遷移速率最快。隨著頂部“水頭”壓力的減小，示蹤劑的遷移速率也隨之減小，示蹤劑遷移方式呈現(xiàn)為整體下沉式遷移。三種壓力邊界條件下示蹤劑位移曲線均為二次函數(shù)，隨著時間的增長遷移距離也不斷增長，但遷移速率呈減緩的趨勢。

圖9為不同滲透壓力差下示蹤劑分布面積。從圖9 可以看出，分布面積曲線可劃分為兩個階段。第一階段為快速增長階段，從示蹤劑開始遷移至離開“土層”表面，表現(xiàn)為分布面積快速增長，此階段示蹤劑在較短時間內(nèi)達(dá)到最終分布面積的60%以上；第二階段為平穩(wěn)增長階段，主要是示蹤劑在土層內(nèi)部的遷移，表現(xiàn)為分布面積緩慢增長，增長速率逐漸降低，這一階段示蹤劑遷移以對流為主要影響因素，最終隨著滲透壓力差的增大，分布面積也隨之增大。這主要是由于滲透壓力差越大，土體內(nèi)部的對流越強(qiáng)，示蹤劑分布區(qū)域越廣。

3.2 不同粒徑級配下示蹤劑遷移

選取上述三種粒徑級配進(jìn)行示蹤劑遷移試驗(yàn)，圖10為三種級配下示蹤劑位移圖。可以看出，級配3試樣遷移速率最快，級配1試樣最慢。這是由于級配1試樣以黏粒為主，對流效應(yīng)明顯弱于級配2試樣和級配3 試樣。雖然級配2 和級配3 試樣在粒徑級配上相差不大，但是在示蹤劑遷移速率上表現(xiàn)出較大差異，級配3 試樣的遷移速率約為級配2 試樣的1.7倍。這是由于級配3試樣含有較多的大顆粒，使得在相同孔隙比下級配3試樣的對流效應(yīng)大于級配2 試樣。圖11 為不同粒徑級配下示蹤劑分布面積。由圖11可以看出，級配3試樣示蹤劑分布面積最大，級配1 試樣最小。這是因?yàn)榇罅筋w粒含量越多，滲透性越好，在示蹤劑遷移過程中溶質(zhì)受到的阻礙作用越小，分布面積就越大。三種級配下，示蹤劑分布面積在快速增長和緩慢增長階段中的變化仍比較明顯。

3.3 不同孔隙比下示蹤劑遷移

為探究不同孔隙比對示蹤劑遷移的影響，選取0.30、0.45、0.60 三種孔隙比進(jìn)行了遷移試驗(yàn)，得到的示蹤劑位移曲線如圖12所示。從圖12可以看出，孔隙比越低，遷移速率越小，并且不同孔隙比下遷移速率差別較大。當(dāng)孔隙比為0.60時，遷移速率幾乎不隨時間的變化而改變。圖13 為不同孔隙比下示蹤劑分布面積。從圖13 可知，孔隙比越低，示蹤劑遷移分布面積最小。這是因?yàn)榭紫对蕉?，溶質(zhì)遷移效果越明顯，分布面積也就越大。當(dāng)孔隙比超過0.45時，表現(xiàn)為覆蓋面積增長速度基本一致，示蹤劑分布面積在兩個發(fā)展階段的變化不再明顯。

4 結(jié)論

（1）基于透明土材料和Matlab 圖像處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)示蹤劑遷移規(guī)律的非侵入式研究，與常規(guī)測試方法相比，可以直觀、連續(xù)地獲得示蹤劑的實(shí)時遷移數(shù)據(jù)。

（2）隨著遷移的進(jìn)行，示蹤劑在豎直方向上整體下移，并且遷移速率不斷減小，示蹤劑位移與時間近似成二次函數(shù)關(guān)系。滲透壓力差越高、孔隙比越大、大顆粒含量越高，示蹤劑豎向遷移速率越大。

（3）示蹤劑遷移主要受對流和擴(kuò)散的影響，孔隙比越大、大顆粒含量越高、滲透壓力差越大時，相同時刻內(nèi)示蹤劑分布面積越大，反之越??；示蹤劑分布面積隨著時間的發(fā)展可分為兩個階段：其一為快速發(fā)展階段，主要從示蹤劑開始遷移至離開“土層”表面，表現(xiàn)為分布面積增速大，示蹤劑分布面積的增長主要在此階段完成；其二為“土體”內(nèi)部遷移階段，主要表現(xiàn)為分布面積緩慢增加，本階段主要受對流因素的影響。