CT扫描研究污染物在非饱和砂土中的运移规律

中国环境学会  2011年 03月30日

    周念清1*  宋玮1,2  大谷顺2  江思珉1  (1. 同济大学水利工程系, 上海  200092;2. 熊本大学社会环境工学, 熊本  8608555 日本)


  摘要:为了研究垃圾渗滤液渗漏和运移规律,应用CT扫描进行室内模拟试验,以硅砂和山砂为试样,对达到稳定非饱和状态的试样分层进行扫描,得到不同层面CT图像,运用专业图像处理软件将其转化为CT数均值,建立CT数均值与饱和度的关系。然后在稳定非饱和试样中间断性连续注入污染液,测定不同时间间隔CT图像,研究污染物在非饱和砂土中运移特征,得出污染物在非饱和砂土中随时间和空间的变化规律,对污染监测与控制具有重要意义。
  关键词:污染物迁移;非饱和砂土;CT扫描;CT数均值;饱和度;
  中图分类号:X141                     文献标识码:A
   
  Pollutant migration in unsaturated sand by CT
  ZHOU Nianqing1, SONG Wei1,2, JUN Otani2, Jiang Simin1
  (1. Department of Hydraulic Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Civil and Environmental Engineering, Kumamoto University, Kumamoto 8608555, Japan)
  Abstract: The paper introduces a new method to study pollutant migration in unsaturated sands to reveal the mechanism of the leakage migration in unsaturated zone of the landfill. The computerized tomography (CT) is applied to obtain CT images at different depth of the stable unsaturated silica sand and yamazuna sand specimens by scanning each layer of specimens, the CT images are transformed into mean CT values by Image J software, the relationship is established between the mean CT value of each scanning layer and the saturation in corresponding layer in two different kinds of unsaturated sands. In this test, the pollutant potassium iodide (KI) solution is injected into the silica sand and yamazuna sand specimens by interval continuous method. The results show the migration characteristics of pollutant solution in unsaturated sands, and the change of pollution degree with the space and time. It is significant for pollution monitoring and controlling.
  Key words: pollutant migration; unsaturated sands; CT scanning; mean CT value;
   
  垃圾填埋场大多建在非饱和带之上,其滤液渗漏引起周围的环境污染在所难免,为了研究滤液渗漏中污染物在非饱和带的运移规律,经常采用室内模拟试验的方法。有关这方面的研究成果很多,无论从试验方法、检测手段、数值模拟还是污染治理等都取得了比较重要的进展。如吴楠楠等应用多孔介质流体力学、多相流以及土壤水动力学理论研究了垃圾填埋场中渗滤液运移过程的基本规律[1],刘汉乐等通过室内实验研究了非饱和带中层状非均质条件下轻非水相液体LNAPL(Light Non-AqueousPhase Liquid)的运移机制和分布特性[2],张金利等对非饱和土层中污染物运移过程进行了数值模拟[3]。本文以非饱和砂土作为研究对象,采用CT(Computerized Tomography)扫描技术研究污染物在非饱和砂土中的迁移规律。国内外学者开始将CT技术应用到土壤饱和度及污染的研究之中,主要是因为CT技术扫描得到的图像能够敏感、清晰地反映出污染物在土体中迁移时浓度随时间和空间的变化规律。国外有一些成功的实例,如Kawaragi等将CT技术应用于膨润土微观结构的研究中,用清晰的CT图像区分出膨润土试样中的孔隙和水配合物,提出了微观结构的差异取决于试样的渗透率、饱和度和混合条件[4];Lucas等用X射线扫描仪对天然非水相多孔介质中液相进行了三维可视化和量化[5];Wong等应用CT技术成功地测量出土壤试样的孔隙、空气和水饱和度的空间分布[6];等等。这些研究成果为我们研究非饱和带污染问题提供了有益的借鉴,也为我国垃圾填埋建设后污染监测和环境评价提供了科学决策与依据。


  1 CT扫描试验原理
 

  CT扫描是利用X射线穿透物体层面进行旋转扫描,收集射线经此层面不同物质衰减后的信息,进行放大及模数转换,由计算机按一定算法得出反映层面各部位对射线吸收系数的定量数据,并形成一幅反映物体特征的层面图像。本试验装置采用日本熊本大学X-Earth研究中心CT实验室的CT仪(TOSCANER-23200min),其装置及工作流程如图1所示,相关的技术参数列于表1中。
  表1  CT仪(TOSCANER-23200min)扫描的技术参数

扫描类型

X射线电压

检测器数量

扫描试件最大尺寸

X射线光束

空间分辨率

横向/旋转

300kV/200kV

176 管道

D:400mm×H:600mm

0.5, 1, 2mm

0.2mm(孔直径)

  不同密度的试样经过CT扫描得到的图像其明暗程度不同,X射线穿透物质后的强度呈指数规律衰减,物质的密度可以采用X射线的衰减系数来确定。Hounsfield通过研究空气、水和其它物质对X射线的吸收衰减规律,提出了反映物质对X射线的相对吸收程度公式

 

  2  砂土试样选取与饱和度确定
 

  2.1试样选取
  试验样品取自日本的硅砂和山砂,这两种试样的基本参数如表2所示。根据颗分试验得到的粒径级配曲线,硅砂是一种均匀砂土,分选性和磨圆度均比较好,而山砂是典型的非均质砂土,颗粒大小分布不均。
  表2  试件的基本物理力学指标

试件名称

重度γ /kN·m-3

比重G

孔隙比e

不均匀系数Cu

曲率系数Cc

粒径/ mm

硅砂

15.48

2.633

0.67

1.60

0.96

0.08-0.8

山砂

15.98

2.695

0.65

12.00

1.23

0.001-10

  2.2 CT扫描试验步骤
  在内径为200mm的透明有机玻璃圆柱体容器底部放置15mm厚的砾石层,整平后铺设0.5mm厚土工织物,然后将砂土试样分层装入容器中,高度为40mm。容器底部通过软管与定水头容器连接,并安装控制开关,试验前开关处于关闭状态,试验容器置于称重计上,调节定水头容器使水位高度与试验砂土底部处于同一高度,如图2所示。准备工作就绪后,用参数设定好的CT扫描仪开始分别对硅砂和山砂试样进行分层扫描,扫描层厚为5mm,扫描图像像素为2048×2048,得到试样不含水情况下的CT图像;然后打开开关,砾石层先达到饱和状态,在毛细作用下,水分沿着试样孔隙不断上升,待称重计的读数不再变化即认为试样达到了稳定的非饱和状态,再对试样进行分层扫描,得到稳定非饱和状态的扫描图像,如图3所示。
     CT图像中暗色部分为低密度区,亮色部分为高密度区。顶层的图像颜色最深,说明其对应层的砂土密度最低,随着扫描深度的增加,CT图像画面的颜色越来越亮,说明试件密度越来越高,这主要是水分含量增高饱和度增大的结果。
     2.3 CT数均值与饱和度Sr的关系
  将CT扫描得到的图像运用Image J图像处理软件处理转化为有效的数字信息,得到各扫描层的CT数均值。在扫描结束后测定每个扫描层的平均含水率,得到每个扫描层砂土的平均饱和度,结果如图4所示。两种砂土试件扫描得到的CT数均值均随着砂土试样饱和度的增加而增大,且近似呈线性关系。 

  2.4 饱和度Sr随深度的变化规律
  两种砂土粒径大小不等,孔隙分布不均,其毛细水上升高度也不同。经反复试验,得到硅砂试样的毛细上升高度为235mm,山砂试样高度为380mm。为便于分析比较,将两种砂土的毛细上升高度进行标准化处理,使上升高度均作为1.0,其结果如图5所示。
  

  3 污染物在非饱和砂土中的运移特征


  3.1 污染物的投放
      在制备好的非饱和稳定状态试样上面安装污染液注入器,注入器口径为0.1mm,注入器有一开关用于控制污染液注入时间。污染液采用密度1.1g/cm3的KI溶液。在污染物注入过程中,保持注入器内KI溶液水头恒定以确保KI溶液匀速注入,速度为0.69g/s,如图6所示。采用间断性的连续注入方法进行试验。先打开注入器开关,将KI溶液连续注入13.5s后关闭注入器开关,即刻从上往下进行层面扫描,扫描层厚5mm。扫描完毕后,再打开注入器开关,将KI溶液连续注入20.0s,关闭注入器开关进行相同层面的扫描。然后用时间间隔为31.4s、43.0s、60.0s、93.4s、182.6s注入KI溶液重复上述操作,以模拟垃圾填埋场渗滤液的污染扩散过程,得到间断性连续注入污染物运移的CT扫描图像。              
  3.2 扫描结果处理
  由于通过CT扫描得到的图像不能直接转化为直观的数字信息,需要采用Image J图像处理软件对污染物在硅砂和山砂中迁移扫描图像进行处理,并对剖面进行重建。经过处理后得到不同投放时间间隔的扩展规律,如图8所示。
  
  4 试验结果分析与讨论


   经过处理后得到反映污染物迁移规律的CT均值数字信息,如图9所示。随着污染物不断注入,在饱和度低的区域,CT值随着时间推移不断增大,说明染污程度和污染范围都在不断扩大,但污染的速度和范围存在很大差异,硅砂中污染物下渗的速度明显要比山砂快,污染物比较容易进入饱和带地下水体中,这主要与硅砂颗粒均匀、孔隙较大,污染物在其中运移途径短有关。硅砂在平面上受到的污染范围要比山砂小,当试样饱和度增加到一定程度时,CT值的敏感度明显下降,这与污染物被水分稀释有关。
  
  5 结论与展望


  借助先进的CT扫描检测装置,通过对硅砂和山砂两种不同试样饱和度的测定和污染物的室内弥散试验,得到以下结论:
  (1)不同试样材料其毛细管上升高度差别很大,硅砂的毛细上升高度为23.5cm,山砂的毛细上升高度为38cm,且硅砂的饱和度随高度的增加呈近似直线降低,而山砂的饱和度在25%和50%左右曾存在比较明显的拐点,但接近饱和砾石层的硅砂和山砂试样,其底部的饱和度都不超过90%。
  (2)在试样中注入污染物溶液后,硅砂在低饱和度区域污染的范围明显要比山砂的小,随着饱和度的增加污染的范围越来越大,扫描得到的CT值也逐渐增大,但到一定深度,随着饱和度的增大,污染物逐渐被稀释,测定的CT值敏感性逐渐降低。
  (3)对于不同土壤的污染特性也都可以采用CT扫描来研究其污染规律,特别是对于不同地区不同土质类型中修建的垃圾填埋场,预先进行相关试验进行污染预测是非常必要的。通过大量CT扫描试验取得足够的数据资料,并对试验结果进行数值模拟和分析是下一步需要进一步开展的工作,以期取得实质性的研究成果,为污染治理和环境保护服务。


  参考文献
  [1] 吴楠楠,郭楚文,夏爽. 垃圾填埋场渗滤液运移规律分析与模拟[J]. 环境工程学报, 2009, 3 (9):1602-1606.
  [2] 刘汉乐,周启友,徐速. 非饱和带中非均质条件下LNAPL运移与分布特性实验研究[J]. 水文地质工程地质, 2006, (05): 52-57.
  [3] 张金利,栾茂田,杨庆岩. 非饱和土层中污染物运移过程的数值分析[J]. 岩土工程学报,2006, 28 (2):221-224. 
  [4] Kawaragi C, Yoneda T, Sato T, et al. Microstructure of saturated bentonites characterized by X-ray CT observations. Engineering Geology.  2009, 106 (1-2): 51-57.
  [5] Lucas G, Shiv O P, Subhasis G. Three-dimensional visualization and quantification of non-aqueous phase liquid volumes in natural porous media using a medical X-ray Computed Tomography scanner. Contaminant Hydrology, 2007, 93: 96-110.
  [6] Wong R C K, Wibowo R. Tomographic evaluation of air and water flow patterns in soil column. Geotechnical Testing, 2000, 23, 413-422.
  [7] Hounsfield G N. Computerized transverse axial scanning (tomography). British Journal of Radiology. 1973, 46: 1016-1022       
  
  日本熊本大学X-Earth研究中心资助项目。
  *作者简介:周念清,(1964- ),男,教授、博士生导师,工学博士,主要研究方向为地下水渗流数值模拟与计算。E-mail: nq.zhou@tongji.edu.cn

 
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