污染土壤高压旋喷修复药剂迁移影响因素的 透明土试验

摘要

基于透明土材料和Matlab图像处理技术，开展了高压旋喷修复药剂迁移透明土模型试验研究，实现了非嵌入式可视化地获得药剂的迁移过程。通过开展不同渗透压力差、粒径分布、孔隙比等情况下的药剂迁移试验，探究了不同因素下的迁移特性，并从药剂迁移速率和分布面积两方面进行了对比分析。结果表明：药剂迁移速率随大粒径颗粒含量、孔隙比、渗透压力差的减小而降低，并呈二次函数关系；药剂分布面积随时间不断增大，发展阶段可分为快速增长阶段和缓慢增长阶段。

关键词

药剂迁移; 高压旋喷法; 透明土技术; 分布面积; 迁移速率

近年来，我国土壤污染问题日益严重，人类的生存与发展受到严重威胁。全国土壤污染总超标率已达16.1%^[1]，对土壤污染进行防治及修复工作刻不容缓。依据注药方式不同，常用的原位修复技术分为直压式注药法、注射井法和高压旋喷注药法等^[2]。其中，高压旋喷注药法以适用土层范围广、成本低、修复深度大、施工效率高等突出优点，近年来被广泛应用于污染土壤的修复。然而，目前对于修复药剂的迁移扩散规律尚不明确，因此针对修复药剂迁移特性的分析是非常有必要的。

随着高压旋喷注药法的广泛应用，国内外一些学者进行了相应的研究。刘松玉^[3]、唐小龙等^[4]的研究表明，高压旋喷注药法对土壤结构扰动剧烈，适用于渗透性较小的黏性土壤。高压旋喷注药技术应用于上海黏性较高的污染土壤时，可弥补传统注药方式存在的治理周期长、修复效果不理想等缺点^[5]。由于修复药剂也相当于一种溶质，因此借鉴污染物的研究方法对修复药剂的迁移规律进行研究。Guerrero等^[6]研究污染物在多孔介质中的扩散问题，并求得空间上的一维线性变系数对流扩散方程的解析解。郑顺安等^[7]研究了铅、镉、铜、汞在七种典型农田土壤中的吸附解吸、迁移积累等特性，结果表明土壤对Cu的吸附性能是决定其迁移性能的重要因素。王亚平等^[8]开展了等温条件下土柱淋滤试验，得到铬、铅、汞三种重金属离子在土壤中的穿透能力表现为Hg²⁺> Cd²⁺> Pb²⁺，三种不同质地的土壤对离子迁移的能力都表现为大同土壤>临汾土壤>太原土壤。Fox等^[9]等的研究认为，扩散和固结引起的对流作用对溶质迁移有重要影响。林青等^[10]用耦合Freundlich吸附的单点模型(OSM)模拟了镉在粉壤、壤砂中的迁移过程，结果表明不同土壤对镉运移的阻滞能力不同。商建英^[11]用Freundlich方程、对流‒弥散方程、确定性模型对镉在土中的迁移吸附进行了数值模拟，探讨了pH值和有机质的影响。然而，常规的迁移模型试验，只能得到有限的离散点浓度，获取的数据不连续，并且取样过程中对土样产生扰动。因此，寻求一种更加直观的、非侵入式的研究手段显得尤为重要。

随着透明土材料和图像处理技术的发展，采用物理力学性质与天然土体相近的透明材料来模拟天然土，开展土体内部可视化模型试验研究逐渐成为一种趋势^[12]。Iskander等^[13]、Liu等^[14]、宫全美等^[15]采用无定形二氧化硅和与其折射率相匹配的孔隙液体制配出透明土，发现其岩土工程性质与黏土相似。White等^[16]将粒子图像测速法(PIV) 运用在半模桩沉桩效应的半模试验上，测定了沉桩过程的位移场。孔纲强等^[17]开展了透明土材料电渗模型试验, 探讨了孔隙流体种类对透明土内部渗流场的影响规律。Lo等^[18]应用三种不同类型的水族珠及染色流体，实现了观察多相流动输送过程的可行性。姜海波等^[19]利用二氧化硅和白油溶液配置的透明软黏土，研究了土桩形成机理。牟天瑜等^[20]的研究表明，通过浓度‒灰度的相互转换，数字图像处理技术能够较准确地反映污染物迁移情况。

将透明土材料应用于污染土修复药剂迁移的模型试验，结合Matlab图像处理技术，探寻一种简便性、无损性的药剂迁移规律研究方法，并初步探究药剂迁移的影响因素。

1 试验材料及其物理力学指标

试验选用无定形硅粉作为透明黏土骨料，矿物油溶液(白油和正十二烷)作为孔隙流体。试验材料如图1所示。红色油溶性染料(易溶于油，化学性质稳定)作为示踪剂。

图1 试验材料

Fig. 1 Experiment materials

1.1 光学透明性分析

透明土的透明性是影响模型试验的重要因素。当孔隙液体和硅粉折射率相同时，试样的透明度最高。采用BM‒2WAJ 型阿贝折射仪测定孔隙液体的折射率，在室温下基于Black等^[21]提出的调制解调函数(MTF) 测定不同折射率下透明土的透明度，计算式如下所示：

$${\alpha }_{\mathrm{M}\mathrm{T}\mathrm{F}}=\frac{(I_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(\mathrm{I})}-I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{I})})/(I_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(\mathrm{I})}+I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{I})})}{(I_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(\mathrm{O})}-I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{O})})/(I_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(\mathrm{O})}+I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{O})})}$$

(1)

式中：$I_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}(\mathrm{I})}$、$I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}(\mathrm{I})}$分别为透明土试样中像素强度的最大值和最小值；$I_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\left(\mathrm{O}\right)}$、$I_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{O}\right)}$分别为空气中像素强度的最大值和最小值。${\alpha }_{\mathrm{M}\mathrm{T}\mathrm{F}}$越接近1，表示试样的透明性越好。透明土的光学透明性如图2所示。测试结果表明，当折射率为1.448时透明度最好，在该折射率下更有利于观察示踪剂的迁移情况，因此选用1.448折射率下的透明土试样进行下一阶段试验。

图2 光学透明性比较

Fig. 2 Comparison of transparency

1.2 颗粒分析特性

选择不同粒径硅粉颗粒配置的透明土试样进行颗粒分析试验，并同上海闵行区②₁层黏土^[22]比较，颗粒分析试验曲线如图3所示。结果表明，级配1试样以黏粒为主，含量达到58.2%，级配2、级配3试样以粉粒为主，粉粒含量均超过50%，分别达到62.5%、65.8%。其中，级配2试样与上海②₁层黏土在颗粒粒径方面最为相近，也表明所配制的透明土在粒径级配方面具备模拟黏性土的可行性。因此，选择级配2试样研究不同孔隙比、不同渗透压力差边界条件下的示踪剂迁移情况。

图3 颗粒级配曲线

Fig. 3 Gradation curves of particles

1.3 固结压缩特性

对上述三种级配试样进行固结试验，探究透明土的压缩特性，得到透明试样的孔隙比e随固结压力p的变化曲线，如图4所示。结果表明，e‒lg p压缩曲线与常规黏性土相似，近似为线性关系。级配1试样初始孔隙比明显大于级配2、级配3试样，在相同固结压力下，级配1试样孔隙比变化范围最大。通过曲线计算相应压缩性指标，如表1所示。三种级配试样的压缩系数分布在0.6~1.8 MPa^-1范围内，均属高压缩性“土”。

图4 透明土的e‒lgp 曲线

Fig. 4 e-lgp curves of transparent soil

表1 物理力学指标

Tab. 1 Physical and mechanical parameters

土样类型	比重	压缩系数/MPa-1	压缩模量/MPa
级配1	2.00	1.73	1.04
级配2	1.98	1.25	1.81
级配3	2.01	0.68	2.11

1.4 渗透特性

土体渗透性对溶质迁移有较大影响。利用渗透仪进行透明土样的渗透试验，探究三种级配试样在不同孔隙比下渗透性的变化。渗透系数k随孔隙比e的变化曲线如图5所示。结果表明，三种级配试样的e‒lg k发展趋势相似，渗透系数k均随孔隙比e减小而减小，呈明显的线性关系，并且在坐标系中离散性较小。在相同孔隙比下，级配1试样渗透系数最低，其次为级配2试样。这是因为级配1试样细颗粒含量较高，即黏粒含量增高，渗透系数有降低的趋势。级配3试样大颗粒含量较多，因而渗透性相对较高。透明土渗透系数在10^-4~10^-7 cm·s^-1范围内变化，同淄博原状黏土^[23] (10^-4~10^-6 cm·s^-1) 相比渗透系数相差不大，可以用来模拟溶质迁移过程。

图5 渗透系数随孔隙比变化

Fig. 5 Variation of permeability coefficient with void ratio

由上述可知，尽管透明土的固结性质与天然黏土存在较大差异，但考虑到本试验探究修复药剂的迁移规律，利用透明土粒径和渗透性质与天然黏性土相似的特性，对药剂迁移规律进行定性研究是可行的。

2 修复药剂迁移模型试验

应用透明土材料探究修复药剂在饱和黏性土中的迁移规律，试验包含两部分内容：浓度‒灰度标定试验和不同边界条件下示踪剂迁移试验。选取不同渗透压力差、不同颗粒级配、不同孔隙比等边界条件，进行示踪剂迁移试验。

2.1 试样制备

透明土试样制备主要包括试样准备、试样压制、真空饱和三个步骤。称量所需的不同粒径下的二氧化硅颗粒放入烧杯中，用玻璃棒充分搅拌直至均匀，并将拌均匀的硅粉颗粒放入迁移装置；将装好试样的迁移装置放入制样器内，置于液压千斤顶下压制，得到所需的干试样；将压制好的试样置于装有折射率为1.448混合油溶液的真空饱和装置中真空饱和，饱和过程一般需要历时8~12 h。

2.2 迁移试验装置

试验中所用仪器与设备主要包括马氏瓶、数码相机、迁移装置、背景灯、计算机等，模型试验装置如图6a和6b所示。马氏瓶提供稳定“水头”，通过改变高度可控制不同的渗透压力差。通过背景灯获得均匀稳定的光源，试样拍摄时关闭窗帘，减小其他光源的干扰。示踪剂迁移过程由佳能60D相机记录，通过计算机控制相机可获得示踪剂迁移过程中的一系列图像。渗透装置中放置透明土样的土样盒由有机玻璃制成，可制得高40 mm、直径62 mm的透明土试样。

图6 模型试验装置

Fig. 6 Model test devices

取1 000 mg红色油溶性染料置于1 L孔隙溶液中，充分搅拌配制1 000 mg·L^-1的示踪剂溶液。透明土试样制备好后，把经过示踪剂溶液浸泡过的滤纸置于试样顶部，可使示踪剂均匀覆盖于试样顶部。

2.3 浓度场的测量与标定

将压制好的试样放入配置好的已知浓度(选取0、3、30、70、100、300、700、1 000 mg·L^-1)的示踪剂溶液内真空饱和，得到不同浓度下的饱和试样。试样取出后，通过数码相机拍摄不同浓度下试样的图像，借助Matlab软件平台对采集到的浓度图去噪声，进行灰度化处理。浓度越大，颜色越深，与之对应的灰度值越小。相应的浓度‒灰度关系曲线如图7所示。

图7 浓度‒灰度关系

Fig. 7 Relationship between concentration and gray

绘制出灰度和浓度散点图后，得到拟合曲线对应的浓度‒灰度公式，如下所示：

$$C=\frac{\mathrm{1}\mathrm{050}\mathrm{000}\mathrm{0000}\mathrm{000}\mathrm{000}}{G^{\mathrm{6.87}}+\mathrm{9}\mathrm{390}\mathrm{000}\mathrm{000}\mathrm{000}}-\mathrm{0.8}$$

(2)

式中：G表示图像的灰度值；C表示浓度值。

3 试验结果与分析

依照上述步骤制得饱和透明土试样，进行不同边界条件下示踪剂迁移试验。通过数码相机得到不同边界条件下示踪剂迁移过程中的一系列图像，然后采用Matlab软件图像处理技术进行处理，可获得不同边界条件、不同时刻的浓度等值线图。提取迁移过程中示踪剂底部平均位移，可得到示踪剂位移与时间关系曲线；提取不同时刻示踪剂覆盖面积，可得到示踪剂分布面积与时间关系曲线。

3.1 不同渗透压力差下示踪剂迁移

进行“水头”高度为1.0、1.5、2.0 m下的示踪剂迁移试验，对应的渗透压力差分别为7.5、11.3 、15.0 kPa。对Matlab图像处理得到的不同时刻示踪剂浓度等值线图进行分析，示踪剂的位移以示踪剂覆盖区域最底部点的纵坐标为准，为减小误差，选取竖向间隔相同10个点的平均值绘制位移曲线，如图8所示。从图8可以看出，渗透压力差为15.0 kPa时，迁移速率最快。随着顶部“水头”压力的减小，示踪剂的迁移速率也随之减小，示踪剂迁移方式呈现为整体下沉式迁移。三种压力边界条件下示踪剂位移曲线均为二次函数，随着时间的增长迁移距离也不断增长，但迁移速率呈减缓的趋势。

图8 不同渗透压力差下示踪剂位移

Fig. 8 Tracer transport at different osmotic pressure differences

图9为不同渗透压力差下示踪剂分布面积。从图9可以看出，分布面积曲线可划分为两个阶段。第一阶段为快速增长阶段，从示踪剂开始迁移至离开“土层”表面，表现为分布面积快速增长，此阶段示踪剂在较短时间内达到最终分布面积的60%以上；第二阶段为平稳增长阶段，主要是示踪剂在土层内部的迁移，表现为分布面积缓慢增长，增长速率逐渐降低，这一阶段示踪剂迁移以对流为主要影响因素，最终随着渗透压力差的增大，分布面积也随之增大。这主要是由于渗透压力差越大，土体内部的对流越强，示踪剂分布区域越广。

图9 不同渗透压力差下示踪剂分布面积

Fig. 9 Tracer distribution area at different osmotic pressure differences

3.2 不同粒径级配下示踪剂迁移

选取上述三种粒径级配进行示踪剂迁移试验，图10为三种级配下示踪剂位移图。可以看出，级配3试样迁移速率最快，级配1试样最慢。这是由于级配1试样以黏粒为主，对流效应明显弱于级配2试样和级配3试样。虽然级配2和级配3试样在粒径级配上相差不大，但是在示踪剂迁移速率上表现出较大差异，级配3试样的迁移速率约为级配2试样的1.7倍。这是由于级配3试样含有较多的大颗粒，使得在相同孔隙比下级配3试样的对流效应大于级配2试样。图11为不同粒径级配下示踪剂分布面积。由图11可以看出，级配3试样示踪剂分布面积最大，级配1试样最小。这是因为大粒径颗粒含量越多，渗透性越好，在示踪剂迁移过程中溶质受到的阻碍作用越小，分布面积就越大。三种级配下，示踪剂分布面积在快速增长和缓慢增长阶段中的变化仍比较明显。

图10 不同颗粒级配下示踪剂位移

Fig. 10 Tracer transport at different particle gradations

图11 不同颗粒级配下示踪剂分布面积

Fig. 11 Tracer distribution area at different particle gradations

3.3 不同孔隙比下示踪剂迁移

为探究不同孔隙比对示踪剂迁移的影响，选取0.30、0.45、0.60三种孔隙比进行了迁移试验，得到的示踪剂位移曲线如图12所示。从图12可以看出，孔隙比越低，迁移速率越小，并且不同孔隙比下迁移速率差别较大。当孔隙比为0.60时，迁移速率几乎不随时间的变化而改变。图13为不同孔隙比下示踪剂分布面积。从图13可知，孔隙比越低，示踪剂迁移分布面积最小。这是因为孔隙越多，溶质迁移效果越明显，分布面积也就越大。当孔隙比超过0.45时，表现为覆盖面积增长速度基本一致，示踪剂分布面积在两个发展阶段的变化不再明显。

图12 不同孔隙比下示踪剂位移

Fig. 12 Tracer transport at different void ratios

图13 不同孔隙比下示踪剂分布面积

Fig. 13 Tracer distribution area at different void ratios

4 结论

(1) 基于透明土材料和Matlab图像处理技术，可以实现示踪剂迁移规律的非侵入式研究，与常规测试方法相比，可以直观、连续地获得示踪剂的实时迁移数据。

(2) 随着迁移的进行，示踪剂在竖直方向上整体下移，并且迁移速率不断减小，示踪剂位移与时间近似成二次函数关系。渗透压力差越高、孔隙比越大、大颗粒含量越高，示踪剂竖向迁移速率越大。

(3) 示踪剂迁移主要受对流和扩散的影响，孔隙比越大、大颗粒含量越高、渗透压力差越大时，相同时刻内示踪剂分布面积越大，反之越小；示踪剂分布面积随着时间的发展可分为两个阶段：其一为快速发展阶段，主要从示踪剂开始迁移至离开“土层”表面，表现为分布面积增速大，示踪剂分布面积的增长主要在此阶段完成；其二为“土体”内部迁移阶段，主要表现为分布面积缓慢增加，本阶段主要受对流因素的影响。