第2章 溶質運移實驗中示蹤劑的性質對比及選擇

2.1 概述

染色劑在地下水運動調查中具有重要地位，有記載的示蹤實驗可以追溯到公元1世紀。最近一個多世紀以來，一直被用來指示地下水流動以及溶質運移［141］。不同的有色示蹤劑在實際應用中有著不同的作用。“示蹤實驗失敗的原因主要就是示蹤劑選擇錯誤、示蹤劑濃度過低以及對水力系統的認識不足”［142］。示蹤劑按照其溶解性可以分成可溶性和不可溶性兩種。常用的不可溶性示蹤劑有木屑、懸浮性植物種子、真菌類及各種細菌；可溶性示蹤劑包括各種染色劑、放射性同位素、無機鹽等。由于可溶性示蹤劑具有一系列諸如低濃度可檢性、易采樣等優點而獲得更為廣泛的使用［143］。溶質運移實驗中使用的示蹤劑必須具備以下兩個基本條件：良好的移動性和可視性或易檢性。例如亞甲基藍，雖然在土壤中的顏色很明顯，但由于其能被土體顆粒強烈吸附，使其移動性受到限制，所以不能用來指示水體的運動。而可視性或易檢性則表現在其低濃度的敏感性，即能被準確檢測的最低濃度，例如熒光鈉的敏感濃度可以低至1/（2×10⁹）（體積濃度）。一些傳統的示蹤劑如Cl-或Br-，雖然其移動性良好，而且不易被土壤顆粒吸附，但其無法顯示土壤中的水流路徑。從20世紀60年代開始，熒光素類示蹤劑被廣泛運用于地表和地下水的示蹤實驗，但是其在多孔介質中的運用效果不如在水體中的效果［144^，145］。Corey［146］通過對比各種示蹤劑的特性指出，酸性示蹤劑最適合用于示蹤實驗。在某些實驗中還要求示蹤劑無毒，不能對環境造成傷害，因此需要找到一種兼顧移動性、可視性和環保的示蹤劑。目前使用較多的示蹤劑就是高錳酸鉀和食品級染色劑亮藍，其中高錳酸鉀作為示蹤劑的歷史較長，而亮藍僅僅是20世紀90年代才逐步推廣開來的有色示蹤劑，價格較高，在國內溶質運移實驗中使用并不多，但由于其良好的性能，在國外同類實驗中的使用已經相當廣泛。雖然染色示蹤劑的使用已經有一段歷史，但很多染色劑的性質仍不為研究者所熟悉，了解示蹤劑的性質對溶質運移實驗起著至關重要的作用。

在做溶質運移的砂柱實驗中要定量分析運移過程就要知道砂柱的不同位置和不同時間的溶質濃度，現行的方法主要是在砂柱中取樣后進行溶質濃度的測定，這樣會對砂柱中原有的流場和砂柱結構造成擾動，而且需要花費大量的人力和時間。染色示蹤劑的顏色的變化直接反映了溶質的濃度變化，利用染色示蹤劑的這個特性可以用來判斷所分析區域的溶質濃度。近年來，隨著技術的發展，彩色圖像的識別已經成為一個熱門課題，由于圖像的直觀性和易采集性，越來越多的研究者將其作為研究的一種輔助手段。Schincariol等［147］在一個盛滿玻璃珠的水箱中采集了圖片并以此判斷了其中顯色示蹤劑的濃度，Aeby等［148］利用掃描儀和紅外膠片成像分析了食品級染色劑亮藍在砂柱中濃度和顏色的關系，Ewing和Horton［149］的實驗也表明可以通過顯色溶質的顏色來判斷溶液的濃度。隨著數字成像技術的普及和應用，Magnus Persson［150］用數碼相機成像得到無壓縮的RAW圖像并加以處理分析，得出三種含泥量不同的砂土中溶質濃度和圖像顏色的關系，但是其對相機及拍攝的要求較高。本章主要利用數碼相機來采集樣品的JPEG數字圖像，并用高斯模板技術(Gaussian template)進行平滑處理，去除或減輕背景噪聲的不良影響，分析得到砂層中高錳酸鉀濃度和數字圖像三原色(RGB)之間的關系；通過實驗確定示蹤劑的吸附類型，并采集吸附了染色劑的砂粒表面數字圖像的RGB值來分析對比砂柱實驗中兩種染色劑的吸附性和適用情況。