[發(fā)明專利]一種非飽和土壤中膠體運動分布三維可視化的方法

有效

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• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111259558B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設計）人: 李立;倪福佳;王康
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/23;G06T17/00;G06N3/04;G06N3/00;G06F111/10
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發(fā)明公開了一種非飽和土壤中膠體運動分布三維可視化的方法，裝取原狀土于圓柱形透明容器；充分飽和土柱，并確保無漏水、滲水現(xiàn)象發(fā)生；在土柱表面插上測點，建立測量電路，等待至電路穩(wěn)定；調配納米Fe₃O₄膠體，將膠體澆于土柱表面，澆注前需晃動膠體溶液，使納米Fe₃O₄顆粒均勻分布于溶液中，待膠體完全滲入土壤后，靜置并保證Fe₃O₄膠體充分下滲；讀取設備測得的電位數(shù)據(jù)，根據(jù)膠體注入時間，將數(shù)據(jù)分為兩部分；使用基于中心差分公式的有限差分法進行電勢分布的正演；利用正演結果，使用BP神將網絡進行電導率分布的反演，并將反演結果進行三維可視化。本發(fā)明操作性強、方法清晰，可得到可靠的土壤膠體運動特點，為提高土壤污染治理效率提供了新方法。

技術領域

本發(fā)明屬于農業(yè)技術和環(huán)境生態(tài)技術領域，尤其涉及一種非飽和土壤中膠體運動分布三維可視化的方法。

背景技術

隨著國家戰(zhàn)略目標的改變，近幾年來環(huán)境問題收到越來越多的關注，與飽受關注的空氣污染、水污染相比，土壤污染的研究工作相對較少。

土壤污染物主要是由人類活動帶入土壤的，垃圾填埋滲漏、大氣重金屬沉降、污水排放、農業(yè)生產、工業(yè)制造等活動最終都會以污水的形式將污染物攜帶入土壤，而廢水中的部分污染物是以膠體的形式存在的，且在運動過程中，膠體會吸附重金屬、有機農藥以及有機污染物等物質，將這些污染物帶離淺層土壤，進入深層土壤及地下水，因此，土壤中膠體的運動在很大程度上增加了污染物的危害范圍，并給土壤污染的治理帶來難度。研究膠體在土壤中的運動特點可以為污染物的治理提供指導，提高治理效率，降低治理成本。

電法勘探發(fā)展歷史悠久，現(xiàn)廣泛應用于地質勘探工程中，其原理是通過研究與總結天然電場或人工電場的電磁場關于時間與空間的一般分布規(guī)律來解決相關問題，但目前的電法裝置多應用于大尺度研究，無法在實驗室環(huán)境中進行研究，實驗成本及試驗周期較大。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種非飽和土壤中膠體運動分布三維可視化的方法，操作性強，可得到可靠的土壤膠體運動特點，為提高土壤污染治理效率提供了新方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種非飽和土壤中膠體運動分布三維可視化的方法，該方法包括以下步驟，步驟一，裝取原狀土于圓柱形透明容器，充分飽和土柱；步驟二，在土柱表面布置測點電極，建立測量電路，設備上電，等待各測點電壓穩(wěn)定；步驟三，調配納米Fe₃O₄膠體，將膠體澆于土柱表面，澆注前需晃動膠體溶液，使納米Fe₃O₄顆粒均勻分布于溶液中，待液體完全滲入土壤后，靜置并保證Fe₃O₄膠體充分下滲；步驟四，讀取設備測得的電量數(shù)據(jù)，根據(jù)膠體注入時間，將數(shù)據(jù)分為兩部分；步驟五，使用基于中心差分公式的有限差分法對兩部分數(shù)據(jù)進行電勢分布正演；步驟六，利用步驟五的正演結果，對兩部分數(shù)據(jù)進行電導率分布反演，將反演結果進行三維可視化。

按上述技術方案，以Fe₃O₄膠體做為示蹤劑。Fe₃O₄具有良好的導電性，膠體運動過程中滯留在土壤中的Fe₃O₄膠體顆粒可以顯著改變運動軌跡上土壤的電導率，此外Fe₃O₄無毒，不會造成土壤污染。

按上述技術方案，采用單機供電法作為數(shù)據(jù)采集方法，電極采用二極排列，供電電極布置在直徑兩端。

按上述技術方案，所述步驟五中，電勢正演方法的具體計算過程如下：

麥克斯韋方程，

其中σ為電導率，為電勢，研究對象非均勻介質，方程中的σ不是常數(shù)，使用差分代替導數(shù)來建立差分方程，差分公式如下：