朱文遠， 竇 智， 張學羿， 王錦國， 趙 燕， 劉一民

（河海大學地球科學與工程學院，南京 210098）

0 引 言

在場地污染物空間分布研究中，低滲透性含水層污染物反向擴散導致的持續(xù)污染是目前研究的重點方向［1-3］。受含水層介質非均質性、各向異性、水動力場等因素的影響，反向擴散過程中的污染物濃度空間分布極其復雜，因此，地下水污染物遷移過程，特別是反向擴散遷移過程的濃度實時監(jiān)測與可視化對研究場地污染物空間分布規(guī)律至關重要。光學成像法成本低、設備簡單，并且可以快捷實現(xiàn)對污染物位置、界面區(qū)域、水流動路徑與速度的監(jiān)測與測量，在污染物遷移實驗中應用廣泛［4-5］?；诠鈱W成像技術的地下水污染物遷移實驗可以成功地用于研究透明容器中多孔介質溶質質量傳輸過程，與傳統(tǒng)取樣法相比，該技術可實現(xiàn)無損監(jiān)測，即在不擾動水流場的情況下，更加詳細地獲得污染物遷移信息［6］。

目前，光學成像技術已為多數學者所使用。光學成像技術主要包括光透射法［4，7-9］和光反射法［5，10-12］。Yang等［10］使用光反射方法獲取砂箱模型內示蹤劑濃度分布，為改進分析模型、精確繪制低滲透性含水層濃度剖面提供新思路。文獻［8-9］中應用光透射法研究了非均質多孔介質中氣體和DNAPL的遷移規(guī)律與模型計算。高燕維等［4］使用光透射法研究水流流速對污染物遷移的影響。但光透射法僅適用于粒徑大，滲透性較高的含水層，相對地，針對滲透性差別較大的復雜含水層，光反射法可以用于研究透光性很差的低滲透性介質，準確地反映低滲透性介質中污染物遷移過程［5，10-12］。

本文設計并搭建了一套具有濃度可視化功能的砂箱實驗平臺。以熒光素鈉作為污染物，使用特制的光學成像系統(tǒng)，采集砂箱模型中污染物前向擴散與反向擴散過程中的濃度分布數字圖像，通過數字圖像分析和標準曲線測定，建立“逐像素”校準的熒光素鈉溶液濃度-圖像灰度值之間的定量關系，實現(xiàn)熒光素鈉濃度時空分布規(guī)律的可視化分析。

1 圖像分析原理

在數字圖像處理領域，圖像分為模擬圖像和數字圖像兩種，而圖像分析技術就是將所見的客觀場景通過數碼相機的模數轉換獲取數字圖像，進而實現(xiàn)在計算機上的處理與分析。在實際應用中，通常采用色彩空間來描述顏色的變化規(guī)律。常用的色彩空間有RGB［12］（Red、Green、Blue）和HSB［13］（Hue、Saturation、Brightness）兩種。其中，RGB圖像也稱為真彩色，是一種彩色圖像的表示方法。RGB圖像的每個像素都是由不同灰度級的紅、綠、藍描述的，每種單色的灰度描述方式相同，以數字0～255表示，各有256個級別，利用3個大小相同的二維數組表示1個像素，3個數組分別代表R、G、B 3個分量，通過3種基本顏色可以合成任意顏色，大大提高了成像的色彩豐富度。

為了建立圖像顏色與濃度的定量關系，實現(xiàn)濃度分布及變化的可視化，早在20世紀90年代，就有學者證實了在RGB模式下，可建立示蹤劑的濃度與圖像顏色的定量關系［14-15］。因此，本文選取圖像的RGB通道進行拆分與處理，并建立熒光素鈉溶液濃度與圖像灰度值之間的函數關系。

2 可視化實驗平臺設計

本文選擇熒光素鈉為污染物，使用玻璃砂模擬多孔介質，設計的可視化實驗平臺包括光學成像系統(tǒng)和二維砂箱模型。通過建立吸光度-熒光素鈉溶液濃度標準曲線、圖像信息-熒光素鈉溶液濃度標準曲線，獲得熒光素鈉溶液吸光度-濃度-圖像灰度值之間的定量關系，實現(xiàn)多孔介質中污染物濃度空間分布及變化的可視化。

2.1 光學成像系統(tǒng)

光學成像實驗中，光源的選取對實驗圖像獲取的穩(wěn)定性與分析的準確性十分關鍵。LED燈具有光衰極小、壽命較長等優(yōu)點，本實驗選擇LED射燈作為光源。使用藍光照射熒光素鈉，使其從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，熒光素鈉從激發(fā)態(tài)釋放能量回歸基態(tài)的過程中會發(fā)出熒光。實驗需要特定波長的光源激發(fā)熒光素鈉，并確保相機只接受其所發(fā)射的熒光。故為LED燈配置截止深度為OD4，中心波長485 nm，帶寬10 nm的濾光片，為數碼相機配置中心波長512 nm，帶寬20 nm的濾光片，實現(xiàn)對熒光素鈉的激發(fā)，并接收其發(fā)射的波長。這種圖像獲取方法中熒光素鈉的激發(fā)波長和發(fā)射波長互不重疊，可以提高分析精度?？梢暬瘜嶒炂脚_如圖1所示。為保證實驗中激發(fā)熒光的光源均來自LED燈，將砂箱、光源及相機放置于完全密閉的黑箱內，以減少外界條件影響而造成的實驗誤差。

圖1 可視化實驗平臺示意圖

將相機（型號：佳能EOS800D）放置在距砂箱1.5 m處；相機感光度（ISO）調至最低值100，以減小噪點對圖像的影響；快門為1 s，光圈為F11，焦距為24 mm，手動對焦，保證每次拍攝的圖像均為相同的參數。

2.2 砂箱模型與材料

二維砂箱模型由兩塊1 cm厚的有機玻璃板焊接固定而成，內部空間尺寸為65 cm×30 cm×1.5 cm（長×高×寬），如圖2所示。砂箱兩側附有300目不銹鋼濾網，防止石英砂堵塞進、出水口。砂箱左側為一溢流槽，砂箱與溢流槽連接處為穿孔隔板，可使兩者之間保持良好的水力聯(lián)系。在模型右側設置一個出水口，并控制兩側水頭差，用于模擬地下水的側向流動。

圖2 二維砂箱模型示意圖

砂箱模型上層裝填細砂，模擬低滲透性含水層，粒徑范圍0.071～0.09 mm，孔隙度為0.36，裝填高度為22 cm；下層為粗砂，模擬高滲透性含水層，粒徑范圍0.28～0.355 mm，孔隙度為0.38，裝填高度為5.5 cm。裝填方式為濕法裝填，即裝填過程模型中的水位始終高于砂層的厚度，并且每裝填2 cm左右厚度時進行壓實，使玻璃砂在砂箱模型中分布均勻。

2.3 示蹤劑

顯色示蹤劑經常被用于地下水污染物遷移研究，指示其在地下介質中的空間分布及變化。顯色示蹤劑的顏色變化直接反映了污染物的濃度變化，根據這一特性分析研究區(qū)域的污染物濃度分布及變化。

本實驗選擇熒光素鈉（分子式C20H10Na2O5，相對分子質量376.27，上海麥克林生化科技有限公司）作為污染物是因為其具有很好的抗吸附性，且熒光素鈉在紫外光（λ＝256 nm）或藍光（λ＝490 nm）激發(fā)下以更大的波長（λ＝520 nm）發(fā)射。在中-堿性環(huán)境中，熒光素鈉水溶性好，毒性低，帶有強的綠色熒光，并且具有較高的靈敏度和分辨率［16］。在地下水污染物遷移試驗中，通過熒光強度推算示蹤劑的濃度變化，提高了污染物遷移過程的可監(jiān)測性。

2.4 實驗步驟

2.4.1 實驗過程

二維砂箱模型中污染物的前向擴散與反向擴散過程的可視化實驗包括以下步驟：

（1）將玻璃砂裝填進砂箱模型中，并放置于黑箱內。使用蠕動泵（型號：雷弗BT101L）將去離子水注入左側溢流槽，保持水頭恒定。

（2）調節(jié)右側出水口的高度，使左右兩側水頭差為4 cm，測定出水口流速直至水流基本穩(wěn)定后開始實驗。

（3）實驗開始前打開帶有濾光片的光源和相機進行預熱，預熱結束后迅速將左側溢流槽內的去離子水切換為熒光素鈉溶液，同一時間開始圖像采集，并在出水口取樣。

（4）使用試管在出水口處收集樣品，實驗初始階段每5 min取樣一次。在注入熒光素鈉溶液24 h后，與步驟（3）切換方式相同，將左側熒光素鈉溶液更替為去離子水進行沖洗，待下層高滲透性含水層沖洗完成后，每隔1 h取樣一次，直至將砂箱內的熒光素鈉基本沖洗干凈。

（5）使用紫外可見分光光度計（型號：哈希DR5000）測量所取樣品的吸光度。待實驗結束后，使用Image-J軟件將實驗獲取的圖像進行通道拆分與網格化剖分，計算單個網格G通道平均灰度值。

（6）根據熒光素鈉溶液濃度與吸光度及圖像灰度值之間的定量關系，計算砂箱模型中熒光素鈉溶液濃度的時空分布情況，并驗證可視化系統(tǒng)的有效性。

2.4.2 吸光度-熒光素鈉溶液濃度標準曲線

配置濃度為0～40 mg／L的熒光素鈉溶液，利用分光光度計測量不同濃度熒光素鈉溶液的吸光度，并繪制熒光素鈉溶液濃度-吸光度標準曲線，如圖3所示。

圖3 吸光度-熒光素鈉溶液濃度標準曲線

由圖3知，當熒光素鈉溶液濃度大于20 mg／L時，吸光度增幅逐漸減小。這是由于濃度過高時，有色溶液對光的吸收程度逐漸趨于不變，透射光強度的差異逐步變小，導致分光光度計對較高濃度的熒光素鈉溶液識別能力下降，呈現(xiàn)非線性變化。熒光素鈉溶液濃度在0～20 mg／L時，其吸光度與濃度之間呈線性關系，線性相關系數R2＝0.993。為實現(xiàn)所獲取的圖像具有較高的對比度與清晰的邊緣，本次實驗選取的熒光素鈉溶液濃度為20 mg／L。

2.4.3 圖像信息-熒光素鈉溶液濃度標準曲線

圖像噪聲是存在于圖像數據中多余的干擾信息。在圖像獲取過程中，由于模型材質、光照條件、玻璃砂裝填過程等不能達到完全的一致，以及圖像信息在傳輸過程中受傳輸介質及不完善的通信系統(tǒng)的影響，每個像素點的背景噪聲無法完全一致。趙勇勝等［11］在圖像信息標準曲線的處理上使用單獨的小模型進行測定，雖然保證了與實驗條件一致的光源，但是光源的不均勻性對標準曲線的影響有待進一步探討。本文依據Citarella等［17］介紹的方法，對實驗模型進行了“逐像素”校準，以提高分析結果的準確性。

具體校準步驟如下：

（1）使用已知濃度的熒光素鈉溶液將玻璃砂完全飽和，按照2.2節(jié)所述方法在砂箱模型中進行裝填。

（2）保證各實驗條件不變，并在相同的光照情況下進行圖像信息采集。

（3）更換不同濃度的熒光素鈉溶液，并重復步驟（1）和（2）。

校準程序中所使用的熒光素鈉溶液濃度為0、4、8、12、20 mg／L，基于此獲取校準曲線所需的圖像信息。通過Image-J軟件分析獲取的圖像如圖4所示，以實驗進行到24 h的圖像為例，對圖像進行拆分得到R、G、B通道。

圖4 通道拆分對比圖

圖5為校準圖像中不同通道的灰度值與熒光素鈉溶液濃度之間的關系。由圖5可知，圖像R、G、B通道的灰度值隨熒光素鈉溶液濃度的增加出現(xiàn)非線性變化，考慮使用冪函數、指數函數以及多項式函數等擬合熒光素鈉溶液濃度與圖像灰度值之間的關系，但是不能確定通過上述函數所擬合的關系可以作為適合所有校準信息的唯一函數。因此，本文選擇分段線性擬合，根據相鄰濃度的熒光素鈉溶液與圖像信息之間的線性關系，實現(xiàn)對實驗所采集圖像的校準處理。

圖5 熒光素鈉溶液濃度-R、G、B通道灰度值標準曲線

假設繪制標準曲線的圖像上任意一像素點的橫、縱坐標為i，j，記為Pi，j，該點濃度為Ci，j，通過Image-J軟件讀取該點灰度值為Vi，j，有：

式中，ki，j、bi，j分別為擬合函數的斜率與截距。

通過讀取實驗所獲取圖像相同位置的灰度值，即可計算出該點的濃度。

由圖4、5可知，G通道顏色對比明顯，邊緣顯色清晰，且灰度值變化范圍較大，對熒光素鈉溶液濃度變化響應最大，故采用G通道標準曲線校準實驗獲取的圖像。

3 實驗結果與分析

3.1 可視化實驗平臺圖像精度分析

在對污染羽形態(tài)的刻畫與污染物遷移量的計算中，可視化實驗平臺的圖像分析精度是關鍵因素。設計一個尺寸為30 cm×15 cm×1.5 cm（長×高×寬）的小型砂槽進行圖像精度分析實驗。與砂箱模型裝填方法一致，并在相同的光照條件下使用數碼相機獲取不同濃度的熒光素鈉溶液的圖像信息。對比分光光度計與可視化實驗平臺的檢測下限，分析兩種方法的濃度采集精度。

由表1可知，使用分光光度計測得的熒光素鈉最小質量濃度為10μg／L，與食用亮藍相比，所測最小濃度提高了一個數量級［11］。在裝填粗砂的砂槽中，當熒光素鈉溶液濃度分別為10和1μg／L時，測得的G通道灰度值與標準溶液（熒光素鈉濃度為0.000 mg／L）差值為1.00與0.04。考慮到熒光素鈉溶液的濃度為1μg／L時與標準溶液差值較小，所以在裝填粗砂的模型中，圖像分析精度在10～1μg／L之間；在裝填細砂的砂槽中，熒光素鈉溶液的濃度為10μg／L時，所測得的G通道灰度值與標準溶液差值為0.16，所以使用細砂模擬多孔介質時，圖像分析精度可以確定為10 μg／L。

表1 取樣法與可視化實驗圖像精度分析對比

綜上，使用熒光素鈉作為污染物，可視化實驗平臺不僅可以實現(xiàn)污染物濃度空間分布的準確獲取，且在使用粗砂模擬多孔介質時其分析精度可以達到10－2～10－3mg／L之間。此外，使用分光光度計所能達到的最低檢測限較食用亮藍提高了一個數量級。

3.2 可視化實驗平臺有效性分析

根據實驗所測的熒光素鈉溶液的吸光度-濃度-圖像G通道灰度值之間的關系，提取圖4中的線段L的灰度值，計算對應位置熒光素鈉溶液濃度并繪制穿透曲線。如圖6所示，通過可視化實驗平臺計算的熒光素鈉溶液濃度與取樣法所得結果基本一致。因此，可以根據獲取的圖像信息計算砂箱模型不同時空下熒光素鈉溶液的濃度值，即以熒光素鈉為污染物的可視化實驗平臺是有效且可行的。

圖6 污染物遷移過程穿透曲線

3.3 地下水污染物前向與反向擴散可視化分析

低滲透性含水層中的污染物被廣泛認為是可能存在的長期污染源，利用可視化實驗平臺可以實現(xiàn)對低滲透性含水層中污染物反向擴散過程的長時間監(jiān)測與分析。本文使用光學成像系統(tǒng)監(jiān)測高-低滲透性含水層中的污染物遷移過程，獲取了一系列圖像，選取代表性時刻的圖像信息如圖7所示。

圖7 不同時刻污染物遷移過程變化情況

多孔介質的最小有效體積需要包含一組顆粒和顆粒間的相對間隙，即能夠反映研究區(qū)域滲透特性的最小區(qū)域?？紤]到所使用玻璃砂的粒徑大小，將圖像剖分為多個2×2像素大小的網格。選取12、48、192、288 h的圖像，通過圖像G通道灰度值與熒光素鈉溶液濃度之間的關系計算其濃度空間分布及變化情況。在Surfer軟件中，使用克里金插值繪制濃度等值線圖，如圖8所示。

圖8 砂箱模型中污染物濃度分布等值線圖

圖8中，紅色虛線代表高-低滲透性含水層交界面。污染物注入階段，在水頭差的作用下，高滲透性含水層中污染物遷移較快，且由于高-低滲透性含水層中濃度的差異，高滲透性含水層中的污染物擴散到低滲透性含水層中，并不斷累積。在沖洗階段，高滲透性含水層得到了有效的沖洗。高滲透性含水層中的污染物基本沖洗干凈時，高-低滲透性含水層之間由于濃度梯度的反轉，使得低滲透性含水層中的污染物不斷的擴散至高滲透性含水層中，并隨水流遷移，且速度極慢，在出水口處可以持續(xù)檢測到污染物的存在，成為長期存在的污染源。

對比圖8等值線圖與圖7直接拍攝的圖像可以發(fā)現(xiàn)，以熒光素鈉為污染物，使用可視化實驗平臺可以清晰地分辨出污染物遷移的前緣與邊界。相較于傳統(tǒng)的打孔取樣法，能夠準確、實時獲取污染物遷移過程中的濃度時空分布及變化。

4 結 語

本文設計了一種非侵入性、成本相對較低且準確性高的可視化實驗平臺，該平臺可用于研究透明模型多孔介質中污染物遷移行為。

在可視化實驗中，以熒光素鈉作為污染物，環(huán)境噪聲影響更小，成像清晰。最低檢測濃度在10－2～10－3mg／L之間，較食用亮藍示蹤劑提高一個數量級，且空間分辨率更高（比常規(guī)打孔取樣分析多3～4個數量級的取樣點）。通過獲取的圖像可以更加清楚地分析污染物擴散的前緣及高-低滲透性含水層界面處的變化，對地下水污染羽形態(tài)的監(jiān)測識別與刻畫方面更加精確。

通過建立熒光素鈉溶液吸光度-濃度-圖像信息灰度值三者之間的定量關系，實現(xiàn)多孔介質中污染物濃度時空分布及變化的可視化分析。采用“逐像素”校準，可以實現(xiàn)對各像素點的準確分析，具有較高的可信度與可靠性。本文提出的地下水污染物遷移過程的可視化實驗方法，為地下水污染物遷移實驗提供了一種簡單高效的監(jiān)測方法。