尹升华等：基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 ·277· 大，采用矿石作为介质时伪影较多，图像扭曲严重，无 (3)选取图像中边界明显、轮廓清晰、无伪影且无 法进行结果分析.本文采用自制琼脂颗粒作为散体介 扭曲图像进行保存，供后续图像处理和结果分析 质代替矿石，随机堆积分布构造堆浸渗流的空隙间结 3结果与讨论 构，从而减小金属物质对成像的影响，以获得清晰的核 磁共振图像，颗粒粒径分别为8、l0和15mm 3.1柱浸核磁共振测速图像获取 2.3实验步骤 图2为柱浸实验过程中获得的玻璃柱横截面核磁 (1)将不同粒径琼脂球充分混合后置于有机玻璃 共振图，其中图2(b)的流量为0.3L·min.静止状态 柱内，对装置进行饱和水处理2，使柱浸体系孔隙充 下成像效果较溶液流动时更为良好，因为溶液流动时 分饱和水，排尽装置内空气. H核移动影响了成像效果.静态图像反映了截面内颗 (2)将饱和处理后的矿柱固定在夹持装置内，减 粒和溶液的分布情况：黑色区域为代表矿粒的琼脂颗 少设备震动对柱浸系统成像的影响，然后将有机玻璃 粒，白色为溶液，颗粒随机分布，相互作用形成多孔 柱连同固定装置一起置于核磁共振仪中，进行成像实 介质结构，溶液充满孔隙，模拟堆浸渗流过程的饱和状 验.实验过程中分别设定流量为静止、0.3、0.4和0.5 态.此外，颗粒内黑色区域为气泡，对成像效果有一定 L·min.选择不同的编码方式及参数设置进行效果 影响.图2(b)中白色区域的明亮程度反映了流速的 比对，最终确定有效的编码方式和参数设定对有机玻 快慢，越亮表示速度越快，相反黑色部分表示不流动， 璃柱中段部分进行渗流过程的成像 这样就得到了横截面的流速分布核磁共振图像 a 图2柱浸核磁共振截面图.(a）溶液静止：(b)溶液流动 Fig.2 Nuclear magnetic resonance imaging of column leaching:(a)motionless state:(b)flow state 3.2渗流速度场特性分析 加，得到截面总流速，与设置流量进行对比，计算误差 3.2.1量化速度场的建立 结果表明最大误差出现在0.5L·min的流量，误差为 为了量化研究渗流速度场分布规律，将不同流量 8.82%,实验结果可以接受 下核磁共振成像相位图导入Imagej软件进行处理，通 经分析可知，堆浸系统中的渗流速度场分布由流 过软件转化计算得到每个截面内超过1万个像素点的 量、横截面积、散体分布、孔隙度等共同决定，而每个截 数据，后导入Excl数据库.根据图中颗粒分布，去噪 面的颗粒分布情况不同，孔隙率沿纵向动态变化，流速 和去除影响点后确定流动区域，得到每个像素点处速 分布情况随之变化。结果表明各截面溶液分布具有明 度值，建立量化的速度场分布图，如图3.为了验证结 显的不均匀性，溶液分布的不均匀与孔隙分布的不均 果的准确性，将不同流量下得到速度场各点速度值相 匀相一致的.流速与孔隙大小并不是严格的线性关 (a) (c) 流速/cm·s 圆1.52.0 ☐1.0-1.5 ■0.5-1.0 ■0-0.5 图3不同流量下渗流速度场分布.(a)0.3 L'min-!:(b)0.4Lmin1:(c)0.5 L'min-1 Fig.3 Seepage velocity field distribution at different fluxes:(a)0.3 L'min-;(b)0.4Lmin-1;(c)0.5 Lmin-尹升华等: 基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 大，采用矿石作为介质时伪影较多，图像扭曲严重，无 法进行结果分析． 本文采用自制琼脂颗粒作为散体介 质代替矿石，随机堆积分布构造堆浸渗流的空隙间结 构，从而减小金属物质对成像的影响，以获得清晰的核 磁共振图像，颗粒粒径分别为 8、10 和 15 mm． 2. 3 实验步骤 ( 1) 将不同粒径琼脂球充分混合后置于有机玻璃 柱内，对装置进行饱和水处理 2 h，使柱浸体系孔隙充 分饱和水，排尽装置内空气． ( 2) 将饱和处理后的矿柱固定在夹持装置内，减 少设备震动对柱浸系统成像的影响，然后将有机玻璃 柱连同固定装置一起置于核磁共振仪中，进行成像实 验． 实验过程中分别设定流量为静止、0. 3、0. 4 和 0. 5 L·min － 1 ． 选择不同的编码方式及参数设置进行效果 比对，最终确定有效的编码方式和参数设定对有机玻 璃柱中段部分进行渗流过程的成像． ( 3) 选取图像中边界明显、轮廓清晰、无伪影且无 扭曲图像进行保存，供后续图像处理和结果分析． 3 结果与讨论 3. 1 柱浸核磁共振测速图像获取 图 2 为柱浸实验过程中获得的玻璃柱横截面核磁 共振图，其中图 2( b) 的流量为 0. 3 L·min － 1 ． 静止状态 下成像效果较溶液流动时更为良好，因为溶液流动时 H 核移动影响了成像效果． 静态图像反映了截面内颗 粒和溶液的分布情况: 黑色区域为代表矿粒的琼脂颗 粒，白色为溶液［14］，颗粒随机分布，相互作用形成多孔 介质结构，溶液充满孔隙，模拟堆浸渗流过程的饱和状 态． 此外，颗粒内黑色区域为气泡，对成像效果有一定 影响． 图 2( b) 中白色区域的明亮程度反映了流速的 快慢，越亮表示速度越快，相反黑色部分表示不流动， 这样就得到了横截面的流速分布核磁共振图像． 图 2 柱浸核磁共振截面图． ( a) 溶液静止; ( b) 溶液流动 Fig． 2 Nuclear magnetic resonance imaging of column leaching: ( a) motionless state; ( b) flow state 图 3 不同流量下渗流速度场分布． ( a) 0. 3 L·min － 1 ; ( b) 0. 4 L·min － 1 ; ( c) 0. 5 L·min － 1 Fig． 3 Seepage velocity field distribution at different fluxes: ( a) 0. 3 L·min － 1 ; ( b) 0. 4 L·min － 1 ; ( c) 0. 5 L·min － 1 3. 2 渗流速度场特性分析 3. 2. 1 量化速度场的建立 为了量化研究渗流速度场分布规律，将不同流量 下核磁共振成像相位图导入 Imagej 软件进行处理，通 过软件转化计算得到每个截面内超过 1 万个像素点的 数据，后导入 Excel 数据库． 根据图中颗粒分布，去噪 和去除影响点后确定流动区域，得到每个像素点处速 度值，建立量化的速度场分布图，如图 3． 为了验证结 果的准确性，将不同流量下得到速度场各点速度值相 加，得到截面总流速，与设置流量进行对比，计算误差． 结果表明最大误差出现在 0. 5 L·min － 1的流量，误差为 8. 82% ，实验结果可以接受． 经分析可知，堆浸系统中的渗流速度场分布由流 量、横截面积、散体分布、孔隙度等共同决定，而每个截 面的颗粒分布情况不同，孔隙率沿纵向动态变化，流速 分布情况随之变化． 结果表明各截面溶液分布具有明 显的不均匀性，溶液分布的不均匀与孔隙分布的不均 匀相一致［15］． 流速与孔隙大小并不是严格的线性关 · 772 ·