ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 2, с. 202-210
= ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 57.087.3+631.434.12
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ С ПОМОЩЬЮ РЕНТГЕНОВСКОЙ МИКРОТОМОГРАФИИ (МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)*
© 2015 г. О. А. Софинская1, Е. О. Стаценко2
Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008, Казань, Кремлевская, 18 e-mail: ushik2001@mail.ru, e.statsenko@yahoo.com Поступила в редакцию 17.05.2013 г.
Проведено сравнение показателей физических свойств серой лесной почвы суглинистого состава в колоночном эксперименте с загрязнением нефтью и последующим промачиванием водой с применением рентгеновской компьютерной томографии. С практической точки зрения, лабораторное загрязнение моделировало ситуацию остаточного загрязнения нефтью воздушно-сухой пахотной почвы. На томографических снимках с помощью контрольных образцов выделены диапазоны градаций серого, соответствующие разным компонентам грунта. Традиционными лабораторными методами и по томограммам зафиксированы подтверждающие друг друга изменения в поровом пространстве в присутствии воды и нефти. Нефть томографически отображалась в тех же тонах, что и песок, а почвенные агрегаты — как более плотное для рентгеновских лучей вещество. Присутствие нефти повысило рентгеновскую прозрачность образцов по сравнению с контрольной почвой. По томографическим снимкам и в ходе седиментации установлены факты кажущегося укрупнения частиц песка и почвы и сопутствующее растрескивание под действием нефти и воды. В присутствии и той, и другой жидкостей наблюдалось уплотнение агрегатов почвы. Совместное действие воды и нефти в течение двух суток привело к взаимному дополнению эффекта образования крупных пор, а через две недели размер видимых пор вернулся на уровень контрольного варианта.
Ключевые слова: поровое пространство, анализ цифровых изображений, серые лесные почвы. DOI: 10.7868/S0032180X15020112
ВВЕДЕНИЕ
Особенности распределения углеводородов нефти в грунтах до конца не изучены и представляют проблему при рекультивации почв [6]. Показано, что взаимодействие твердой фазы, воды и нефти зависит от структуры порового пространства и отражается на подвижности и биодоступности веществ в почве [4]. На биодоступности нефти может отразиться и тот факт, что окисляющие ее микроорганизмы предпочитают определенные размеры структурных элементов почвы [7]. Метод рентгеновской компьютерной томографии позволяет исследовать почвенные образцы без нарушения их структуры. Томографически морфология почвы исследуется с меньшими временными затратами, чем при лабораторном анализе, и оперативно проводится объемная визуализация порового пространства [3]. Отечественные и зарубежные авторы по томограммам отслеживают изменение влажности, внутриагре-гатной пористости, распределения пор по размерам, влагопроницаемости в ходе хозяйственной
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-04-31257).
деятельности или жизнедеятельности почвенной биоты [3, 5, 10, 12]. Размер объектов структуры почв, наблюдаемый современной микротомографией (в среднем несколько микрон), сопоставим с анализируемыми размерами в методах, разрушающих почвенный образец [3, 8, 14]. В целом, компьютерная томография является перспективным дополнением к традиционным методам лабораторного анализа. Тем не менее, остаются проблемы с распознаванием различных компонентов почвы на томографических изображениях — для этого используется широкий спектр статистических методов [17]. Показано, что распознавание компонентов почвы на томограммах различными методами приводит к совершенно разным результатам [11], то есть универсального метода распознавания не существует. Созданы программные продукты, реализующие анализ двух- и трехмерных томографических изображений, в частности, находящийся в свободном доступе пакет программ с открытым кодом 1ша§е1 [18]. Этот пакет успешно применяют при обработке виртуальных срезов почвы [11]. Кроме того, используют программное обеспечение, поставляемое в комплекте с томографами. Последний ва-
Основные физические свойства исследованных грунтов
Тип грунта Плотность твердой фазы Плотность грунта Пористость Массовая доля физического песка Полная влагоем-кость Наименьшая влагоемкость Гравитационная влага/капиллярно-подвешенная влага, объемные доли в почве
г/см3 % от массы
Песок 2.55 1.71 0.33 100 29 21 0.11/0.22
Серая лесная почва 2.50 1.20 0.52 69 43 38 0.06/0.46
риант обладает большими возможностями, но программы, находящиеся в свободном доступе, менее требовательны к вычислительным ресурсам и допускают обработку изображений на большем числе компьютеров.
Целью работы являлось исследование влияния воды и нефти на структуру порового пространства грунта с применением разрушающих образец методов и томографии в качестве взаимно уточняющих этапов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Экспериментальную среду готовили из пахотного слоя серой лесной почвы Рыбнослободского р-на Республики Татарстан. На момент забора почва находилась под паром. Содержание органического вещества в ней составило 3% от веса почвы. Для унификации набивки экспериментальных сосудов почву готовили по стандартной для насыпных образцов методике: отбирали корни растений и инородные включения, измельчали, просеивали через сито 1 мм, тщательно перемешивали. Характеристики полученной экспериментальной среды приведены в таблице. Песок (диаметр зерен — не крупнее 0.4 мм, стерилизованный обработкой антибиотиком и прокаливанием) выбрали в качестве модельной среды, по-ровое пространство которой не усложнено органическим веществом.
После начальной подготовки создавали загрязненные нефтью варианты почвы и песка. В воздушно-сухом состоянии их перемешивали с масляно-нефтяной эмульсией (соотношение нефть : растительное масло — 1 : 1) из расчета 1 г нефти (2 г эмульсии) на 100 г сухого грунта. Масло вносили для более равномерного распределения нефти по поровому пространству. Смеси помещали в герметичные условия при комнатной температуре на 21 день. Периодически проводили механическое перемешивание смесей. Полученную концентрацию нефти проверяли методом сухого сжигания, она оказалась равной 1.2% от веса почвы.
Загрязненные и незагрязненные среды распределяли по экспериментальным сосудам диаметром 6 см слоем около 10 см в воздушно-сухом состоянии (2% влаги от веса серой лесной почвы
и 0% влаги от веса песка). Параметры сосудов задавали по образцу эксперимента с насыпными колонками, где показана стабилизация профиля почвенной влаги через 48 ч после полива [6]. Набивку сосудов производили, постоянно перемешивая грунт. После набивки сосудов с помощью полива создавали влажность, соответствующую наименьшей влагоемкости. Далее в течение опыта влажность поддерживали на постоянном уровне путем полива до установленного веса. Содержание влаги в почве проверяли при отборе проб, после сушки при температуре 105°С. Поверхность почвы прикрывали пленкой во избежание чрезмерного испарения и попадания инородных тел.
Образцы грунта сравнивали с контрольными вариантами: 1) почва, не содержащая нефти, 2) песок стерилизованный, 3) почва, содержащая нефть как фазу значительного объема.
Из традиционных методов анализа образцов использовали:
— взвешивание цилиндра с известным объемом для определения плотности грунта;
— пикнометрический — для определения плотности твердой фазы по изменению объема пробы после удаления воздуха;
— взвешивание сосудов с почвой после 24-часового насыщения почвы водой для определения полной влагоемкости и повтор взвешивания после свободного стекания влаги для определения наименьшей влагоемкости;
— седиментологический — для распределения частиц по размерам при оседании согласно урав-
2
нению Стокса: V=
2г £(ртв.ф - Рж)
9 ^
Расчет пористости проводили из соотношения плотностей грунта и твердой фазы: е = 1 — — рпочвы/Ртв.ф. Доли гравитационной и капиллярно подвешенной влаги рассчитывали из сравнения полной влагоемкости и наименьшей влагоемкости [9].
Во избежание пристеночных эффектов для томографического исследования использовали центральную часть содержимого экспериментальных сосудов, отстоящую от стенок не менее чем на 2 см. Из нее отбирали керны, не допуская сдвига слоев, с помощью погружаемых в почву
пластиковых цилиндров с заостренным краем диаметром 11 мм и высотой 52 мм. Чтобы не происходило передвижения влаги, цилиндры запаивали, а съемку проводили в течение ближайших суток. Компьютерную томографию образцов почвы проводили на томографе General Electric Phoenix V|tome|X S240. Ускоряющее напряжение составляло 80—110 кВт, сила тока — 150—190 мА. Получали по 1200 проекций образца. При анализе проекций можно было оперировать элементами с диаметром порядка 50 мкм.
Проекции образцов подвергали компьютерной обработке с помощью пакета ImageJ [18] и внутреннего программного обеспечения в комплекте томографа. Распознавание твердой фазы и пор проводили по контрольным изображениям (песок 00, почва 00 — без нефти и почва 01 — с нефтью, образующей почти сплошную фазу) путем анализа гистограмм градаций серого и визуальной оценки. Таким образом, были найдены пороговые тона, разделяющие изображения пор, твердых частиц и мелкодисперсного вещества. Исходя из полученных результатов, анализировали снимки образцов, содержащих нефть и воду.
Вариантам опыта присвоили обозначения:
песок 00 — песок, не содержащий влаги и нефти (контрольный вариант);
песок 02 — абсолютно-сухой песок с нефтью в количестве 1% от веса (2% масляно-нефтяной эмульсии), распределявшейся 3 недели;
почва 00 — воздушно-сухая почва, не содержащая нефти (контрольный вариант);
почва 01 — воздушно-сухая почва с нефтью, добавленной за несколько часов до съемки в количестве 1/4 объема почвы (контрольный вариант);
почва 02 — воздушно-сухая почва с нефтью в количестве 1% от веса (2% масляно-нефтяной эмульсии), распределявшейся 3 недели;
почва 10 — почва, увлажненная до наименьшей влагоемкости за двое суток до съемки и не содержащая нефти;
почва 20 — почва, в которой влажность наименьшей влагоемкости поддерживали две недели, не содержащая нефти;
почва 12 — почва, увлажненная до наименьшей влагоемкости за
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.