李方方，萬(wàn) 秒，張雪林，梁詩(shī)順

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

滑坡體的穩(wěn)定性與人們的生活息息相關(guān)。據(jù)調(diào)查顯示，2007—2017年期間，我國(guó)發(fā)生的167 684起地質(zhì)災(zāi)害中，僅滑坡災(zāi)害占比就高達(dá)66%[1]?；驴睖y(cè)與防治工程實(shí)踐證明地下水是誘發(fā)滑坡形成的主要因素[2]，而滲透流速是滑坡體地下水特征參數(shù)的主要指標(biāo)之一[3]?；跓晒獗O(jiān)測(cè)法具有檢測(cè)限低、靈敏度高、取樣少、方法快捷等優(yōu)點(diǎn)，熒光監(jiān)測(cè)應(yīng)用在地下水滲透流速流向的測(cè)定中已有一個(gè)多世紀(jì)[4-5]。

光電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性是熒光監(jiān)測(cè)法精確測(cè)量的前提，如何提高地下水滲透流速測(cè)量精度是熒光監(jiān)測(cè)技術(shù)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。一般從兩個(gè)方面進(jìn)行研究，一是熒光試劑性質(zhì)方面，二是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。

在熒光試劑性質(zhì)研究方面，田繼東[6]從檢測(cè)條件、pH值、地層配伍性、地層吸附量等多個(gè)方面對(duì)市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛的不同種類的熒光試劑的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，篩選出YG-1為最佳檢測(cè)試劑；楊洗等[7]以羅丹明B為標(biāo)準(zhǔn)物，測(cè)定相同激發(fā)光波長(zhǎng)條件下兩種熒光物質(zhì)的積分熒光強(qiáng)度，進(jìn)而采用相對(duì)測(cè)量法對(duì)二氯熒光素稀釋液中的熒光量子產(chǎn)率進(jìn)行計(jì)算。在儀器設(shè)計(jì)方面，陳新波[8]對(duì)整個(gè)熒光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)得到了較為準(zhǔn)確的水流流速；陳俊華等[9]對(duì)熒光監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用光電信號(hào)后置放大電路進(jìn)行光電流的優(yōu)化，從而提高了光電流檢測(cè)精度，有利于滲透流速精準(zhǔn)測(cè)量。

上述兩方面均考慮比較單一，本文結(jié)合儀器設(shè)計(jì)與熒光試劑光電流特性兩方面，研制了室內(nèi)光電流檢測(cè)試驗(yàn)裝置，并分析得到地下水溫度為光電流值的影響因素，并在室內(nèi)進(jìn)行了溫度對(duì)光電流檢測(cè)的影響試驗(yàn)，得到了溫度與光電流值之間的函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)關(guān)系式可得到不同溫度所對(duì)應(yīng)的光電流值，對(duì)于精確測(cè)量地下水滲透流速具有重要意義。

1 光電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 熒光檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

熒光監(jiān)測(cè)技術(shù)是依據(jù)熒光溶液濃度與地下水滲透流速的數(shù)學(xué)模型，利用檢測(cè)裝置對(duì)測(cè)孔內(nèi)熒光溶液濃度的稀釋變化進(jìn)行檢測(cè)。地下水滲透流速測(cè)量過(guò)程中，投入測(cè)孔內(nèi)的熒光溶液不斷地被流經(jīng)測(cè)孔內(nèi)的地下水所稀釋，由于地下水所處環(huán)境較為復(fù)雜且為地表所覆蓋，熒光溶液濃度變化的實(shí)時(shí)值不易測(cè)得，而熒光試劑濃度的高低直接決定著熒光的強(qiáng)弱，不同強(qiáng)度熒光可轉(zhuǎn)化為相應(yīng)大小的電流值(即光電流)顯示于電腦客戶端上，基于光電轉(zhuǎn)換原理，進(jìn)行檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，主要目的是通過(guò)光電流值反饋熒光溶液濃度在地下水中變化的實(shí)時(shí)情況。檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)需滿足兩個(gè)要求：(1)激發(fā)熒光溶液中的熒光分子發(fā)光。(2)將熒光轉(zhuǎn)化為光電流。依據(jù)上述兩個(gè)要求，可知檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 檢測(cè)探頭工作原理圖

激發(fā)光源發(fā)射的光通過(guò)上透鏡折射為平行光照射于熒光溶液中，溶液中熒光分子吸收足夠能量后躍遷到激發(fā)態(tài)，再通過(guò)各種途徑釋放能量回到基態(tài)，釋放能量的過(guò)程即為發(fā)射出熒光的過(guò)程[10-12]，此時(shí)的熒光和部分激發(fā)光則會(huì)穿過(guò)下透鏡，經(jīng)過(guò)濾光鏡過(guò)濾掉除熒光以外其他光之后，匯聚于光電轉(zhuǎn)換元件上并轉(zhuǎn)化為光電流值。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)原理，選擇檢測(cè)裝置的組成元件，包括激發(fā)光源、透鏡、濾光鏡、光電轉(zhuǎn)換元件等。激發(fā)光源是提供特定波長(zhǎng)激發(fā)光激發(fā)熒光試劑發(fā)出熒光；上透鏡可將散光折射為平行光，下透鏡將平行光匯聚為光點(diǎn)；濾光鏡可過(guò)濾掉除熒光外的其他波長(zhǎng)的干擾光，光電轉(zhuǎn)換元件是將匯聚的光點(diǎn)轉(zhuǎn)化為電流。

1.2 其他設(shè)備選擇

采用進(jìn)口的皮安表Keithley-6847進(jìn)行光電流數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取；利用USB接口的溫度傳感器Pt100進(jìn)行試驗(yàn)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；恒流穩(wěn)壓源為激發(fā)光源提供穩(wěn)定的電流保證激發(fā)光線穩(wěn)定的輸出；穩(wěn)壓直流源實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)換并為光電轉(zhuǎn)換元件提供穩(wěn)定電壓。

結(jié)合1.1節(jié)設(shè)計(jì)的熒光檢測(cè)裝置，連接相關(guān)穩(wěn)壓穩(wěn)流儀器及計(jì)算機(jī)等元件，組成一套室內(nèi)熒光檢測(cè)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 室內(nèi)裝置連接示意圖

2 溫度對(duì)光電流影響檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

地下水長(zhǎng)期處于地底，存在環(huán)境較為復(fù)雜，熒光監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行地下水滲透流速測(cè)量過(guò)程中，地下水中影響光電流檢測(cè)的因素非常之多，其中，溫度的變化貫穿整個(gè)測(cè)量過(guò)程，而溫度對(duì)所選熒光試劑的光電流影響未知，因此，利用熒光監(jiān)測(cè)法進(jìn)行地下水滲透流速的測(cè)量之前，則須先進(jìn)行溫度對(duì)光電流值影響的研究，根據(jù)1.1節(jié)設(shè)計(jì)的室內(nèi)試驗(yàn)裝置對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行研究。

室內(nèi)試驗(yàn)采用單一控制變量法進(jìn)行溫度與光電流之間關(guān)系的探索，由于光電流值與熒光溶液濃度之間存在相關(guān)的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此，需設(shè)計(jì)多組熒光溶液濃度組進(jìn)行參考對(duì)照，觀察同濃度組熒光溶液中溫度與光電流值的變化規(guī)律，比較不同濃度組間溫度與光電流值變化規(guī)律，并進(jìn)行相應(yīng)的敏感性分析。

地下水溫度常年處于2～32 ℃之間，因此，設(shè)定試驗(yàn)溫度為5～35 ℃之間。為避免室內(nèi)光線干擾試驗(yàn)效果，利用遮光桶對(duì)熒光溶液進(jìn)行遮光處理。設(shè)置試驗(yàn)濃度分別為0.0050‰、0.0125‰、0.0250‰、0.0500‰、0.0750‰的熒光溶液組，在每組不同濃度的熒光溶液中，進(jìn)行溫度為6 ℃、12 ℃、16 ℃、21 ℃、25 ℃、27 ℃、31 ℃時(shí)光電流值變化規(guī)律試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)熒光監(jiān)測(cè)法用于地下水滲透流速測(cè)定的熒光檢測(cè)試劑為L(zhǎng)uyor-6200，本次室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)試劑即為L(zhǎng)uyor-6200。試驗(yàn)儀器：遮光筒、Pt100溫度傳感器、5000 mL量筒、規(guī)格為50 μL的注射器、玻璃攪拌棒。

將檢測(cè)裝置的檢測(cè)區(qū)域浸入濃度為0.0050‰的熒光溶液中，接通電路，觀察相同濃度、不同溫度條件下，光電流值隨時(shí)間變化情況，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。濃度為0.0050‰的熒光溶液中，檢測(cè)裝置測(cè)得光電流值變化結(jié)果如圖3所示。

圖3 濃度為0.0050‰熒光溶液中光電流值變化情況

由圖3可知，同一濃度條件下，熒光溶液中光電流值隨溫度的升高而降低；同一溫度條件下，光電流值隨時(shí)間的變幅微小，基本與X軸持平。就此曲線分析可知：溶液溫度為6℃時(shí)的光電流值約為0.75 μA，溶液溫度為31 ℃時(shí)，光電流值約為0.68 μA，試驗(yàn)組最大溫差為25 ℃，隨著溫度的升高，光電流值整體下降約0.12 μA。

將檢測(cè)探頭檢測(cè)區(qū)域沒(méi)入濃度分別為0.0050‰、0.0125‰、0.0250‰、0.0500‰、0.0750‰的熒光溶液中，重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程，記錄并整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4～圖7所示。

圖4 濃度為0.0125‰熒光溶液中光電流值變化情況

圖5 濃度為0.0250‰熒光溶液中光電流值變化情況

圖6 濃度為0.0500‰熒光溶液中光電流值變化情況

圖7 濃度為0.0750‰熒光溶液中光電流值變化情況

由圖4～圖7可知，同一濃度條件下，隨著溫度的升高，光電流值逐漸下降；同一濃度、溫度條件下，光電流值趨于穩(wěn)定狀態(tài)，與圖3結(jié)果一致。綜合光電流數(shù)據(jù)，繪制不同濃度條件下，光電流值與溫度的擬合曲線，擬合關(guān)系式如圖8所示。

圖8 不同濃度下光電流與溫度的擬合曲線

由圖8可知：同一濃度條件下，溫度與光電流值擬合關(guān)系呈線性相關(guān)，且擬合關(guān)系較好；不同濃度組間，光電流隨溫度的升高而減小。出現(xiàn)上述試驗(yàn)現(xiàn)象原因是所選熒光試劑Luyor-6200對(duì)溫度較為敏感，溶液溫度下降時(shí)，介質(zhì)黏度增大，熒光物質(zhì)與分子的碰撞也隨之減小，去活化過(guò)程也減小，則熒光強(qiáng)度增加；相反，隨著溫度上升，熒光物質(zhì)與分子碰撞頻率增加，使去活化幾率增加，則熒光強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致光電流減小，因此出現(xiàn)了隨著溫度升高光電流值反而降低的現(xiàn)象。由于濃度與光電流值本身之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式，且由圖8可知，同一溫度下，光電流值與熒光試劑濃度之間存在正相關(guān)性。

綜上所得結(jié)果，熒光監(jiān)測(cè)法進(jìn)行地下水滲透流速測(cè)量過(guò)程中，光電流值隨溫度的變化而變化，而實(shí)際測(cè)量中，地下水溫度不可控制，處于時(shí)刻變化狀態(tài)，因此光電流值基本處于變化狀態(tài)，而地下水為地表所覆蓋，增加了測(cè)量難度與成本。本文通過(guò)設(shè)計(jì)室內(nèi)光電流檢測(cè)系統(tǒng)得出光電流值與溫度之間的擬合關(guān)系式，同時(shí)結(jié)合光電流值與濃度之間的關(guān)系式，可快捷、方便地得到不同溫度下對(duì)應(yīng)的熒光試劑濃度值，進(jìn)而求解出更為精確的地下水滲透流速。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套用于室內(nèi)光電流值的檢測(cè)系統(tǒng)，可進(jìn)行影響因素對(duì)光電流值影響的檢測(cè)，辨別光電流值的主要影響因子與次要影響因子。利用設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度為光電流值的主要影響因素，并建立了溫度與光電流值之間的函數(shù)關(guān)系式，求得不同溫度所對(duì)應(yīng)的熒光光電流值。

不同滑坡體地區(qū)的地下水環(huán)境影響因素不同，此檢測(cè)系統(tǒng)不僅適用于檢測(cè)試劑Luyor-6200的其他影響因素檢測(cè)，同樣也適用于除Luyor-6200外其他熒光檢測(cè)試劑的光電流值的檢測(cè)，并建立相關(guān)函數(shù)關(guān)系式，提高地下水滲透流速求解的準(zhǔn)確性，因此，本文中的室內(nèi)檢測(cè)裝置具有一般適用性，這對(duì)于研究滑坡體的穩(wěn)定性具有實(shí)際的意義。