第2章 溶质运移实验中示踪剂的性质对比及选择

2.1 概述

染色剂在地下水运动调查中具有重要地位，有记载的示踪实验可以追溯到公元1世纪。最近一个多世纪以来，一直被用来指示地下水流动以及溶质运移［141］。不同的有色示踪剂在实际应用中有着不同的作用。“示踪实验失败的原因主要就是示踪剂选择错误、示踪剂浓度过低以及对水力系统的认识不足”［142］。示踪剂按照其溶解性可以分成可溶性和不可溶性两种。常用的不可溶性示踪剂有木屑、悬浮性植物种子、真菌类及各种细菌；可溶性示踪剂包括各种染色剂、放射性同位素、无机盐等。由于可溶性示踪剂具有一系列诸如低浓度可检性、易采样等优点而获得更为广泛的使用［143］。溶质运移实验中使用的示踪剂必须具备以下两个基本条件：良好的移动性和可视性或易检性。例如亚甲基蓝，虽然在土壤中的颜色很明显，但由于其能被土体颗粒强烈吸附，使其移动性受到限制，所以不能用来指示水体的运动。而可视性或易检性则表现在其低浓度的敏感性，即能被准确检测的最低浓度，例如荧光钠的敏感浓度可以低至1/（2×10⁹）（体积浓度）。一些传统的示踪剂如Cl-或Br-，虽然其移动性良好，而且不易被土壤颗粒吸附，但其无法显示土壤中的水流路径。从20世纪60年代开始，荧光素类示踪剂被广泛运用于地表和地下水的示踪实验，但是其在多孔介质中的运用效果不如在水体中的效果［144^，145］。Corey［146］通过对比各种示踪剂的特性指出，酸性示踪剂最适合用于示踪实验。在某些实验中还要求示踪剂无毒，不能对环境造成伤害，因此需要找到一种兼顾移动性、可视性和环保的示踪剂。目前使用较多的示踪剂就是高锰酸钾和食品级染色剂亮蓝，其中高锰酸钾作为示踪剂的历史较长，而亮蓝仅仅是20世纪90年代才逐步推广开来的有色示踪剂，价格较高，在国内溶质运移实验中使用并不多，但由于其良好的性能，在国外同类实验中的使用已经相当广泛。虽然染色示踪剂的使用已经有一段历史，但很多染色剂的性质仍不为研究者所熟悉，了解示踪剂的性质对溶质运移实验起着至关重要的作用。

在做溶质运移的砂柱实验中要定量分析运移过程就要知道砂柱的不同位置和不同时间的溶质浓度，现行的方法主要是在砂柱中取样后进行溶质浓度的测定，这样会对砂柱中原有的流场和砂柱结构造成扰动，而且需要花费大量的人力和时间。染色示踪剂的颜色的变化直接反映了溶质的浓度变化，利用染色示踪剂的这个特性可以用来判断所分析区域的溶质浓度。近年来，随着技术的发展，彩色图像的识别已经成为一个热门课题，由于图像的直观性和易采集性，越来越多的研究者将其作为研究的一种辅助手段。Schincariol等［147］在一个盛满玻璃珠的水箱中采集了图片并以此判断了其中显色示踪剂的浓度，Aeby等［148］利用扫描仪和红外胶片成像分析了食品级染色剂亮蓝在砂柱中浓度和颜色的关系，Ewing和Horton［149］的实验也表明可以通过显色溶质的颜色来判断溶液的浓度。随着数字成像技术的普及和应用，Magnus Persson［150］用数码相机成像得到无压缩的RAW图像并加以处理分析，得出三种含泥量不同的砂土中溶质浓度和图像颜色的关系，但是其对相机及拍摄的要求较高。本章主要利用数码相机来采集样品的JPEG数字图像，并用高斯模板技术(Gaussian template)进行平滑处理，去除或减轻背景噪声的不良影响，分析得到砂层中高锰酸钾浓度和数字图像三原色(RGB)之间的关系；通过实验确定示踪剂的吸附类型，并采集吸附了染色剂的砂粒表面数字图像的RGB值来分析对比砂柱实验中两种染色剂的吸附性和适用情况。