一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法技术

本发明专利技术公开了一种基于透明土技术的非饱和流动可视化实验方法，主要是得到透明土像素强度与饱和度之间的相关关系，包括以下两个方面工作：①定量化饱和度SW，包括以下步骤：包括选取任意渗流剖面中连续均匀区域的油砂进行局部取样，利用离心机的方法进行测定该处的油砂比w(质量比，％)，从而确定饱和度大小；②图像处理：包括前期批处理操作、背景减法以及归一化处理。根据上诉操作，得到图像像素强度归一化值IN(x,y,t)，得到的饱和度SW与像素强度IN之间的校准关系。本发明专利技术方法得到的透明土像素强度与饱和度之间的关系，这与先前校准方法的规律性基本一致，且呈现出更好的相关性。本研究结果将为透明土在部分饱和多孔介质流动中的进一步潜在应用发挥必要的推动性作用。

A Visualization Method for Unsaturated Flow of Transparent Soil

The invention discloses an unsaturated flow visualization experiment method based on transparent soil technology, which mainly obtains the correlation between pixel strength and saturation of transparent soil. It includes the following two aspects: (1) Quantitative saturation SW, including the following steps: selecting oil sand in continuous and uniform area of arbitrary seepage profile for local sampling, and using centrifuge method to enter. The oil-sand ratio w (mass ratio,%) was determined to determine the saturation. 2. Image processing: including pre-batch processing, background subtraction and normalization. According to the appeal operation, the normalized value IN (x, y, t) of image pixel strength is obtained, and the calibration relationship between saturation SW and pixel strength IN is obtained. The relationship between the pixel strength and saturation of the transparent soil obtained by the method of the present invention is basically consistent with the regularity of the previous calibration method, and shows a better correlation. The results of this study will play a necessary role in promoting the further potential application of transparent soil in partially saturated porous media flow.

【技术实现步骤摘要】
一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法
：本专利技术提供一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法。
技术介绍
：渗流区(包气带)是一个高度交互的非均匀系统，其中的渗流行为涉及土壤的物理、化学、水文、力学等特性的改变产生极大的影响，对岩土工程安全、农业可持续发展、污染物迁移等环境安全问题关系紧密。土壤含水量是了解渗流区的水力行为和水文过程的一个关键变量，因而，水含量的测量受到科学界的特别关注。然而，由于自然土壤对可见光是不透明的，直接观察土壤内部发生的渗流过程通常不可行的，或借助昂贵的设备，如x光、计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)照相机。这通常会存在非常昂贵和难以使用的困难，并带来高能辐射的危害。透明土替代材料已成为探索许多岩土和地球环境工程问题的有力工具(IskanderandBathurstetal.,2015)。在透明土壤模型中，透明土与光学成像技术相结合，可以有效获取非饱和渗流区的水分场剖面，采用可视化的运动学方法来动态研究土壤模型的流动特性，这是室内渗透试验的一项巨大的飞跃，成为克服上述困难的新的研究手段和技术。透明土是由折射率(RI)匹配的代表土壤骨架的固体颗粒和孔隙流体配制而成的。由于透明土材料具体良好的透明性，极大地弥补了天然土壤的不透明性在光学成像技术应用的不足，透明土在渗流可视化领域显示了很好的发展前景。比起光反射或光透射技术，透明土允许制作更大的空间样本，进行以更高时间尺度上，进行更便宜而且深度更深的测量。饱和度与图像像素强度值的相关性，使得透明土在非饱和土力学中的潜在应用成为可能。这让我们发现透明土技术在定量非饱和多孔介质液体饱和度中的应用价值，并推广至各种多相流非饱和瞬态流场定量化研究中。透明的土壤在完全干燥时呈现白色，完全饱和时呈现透明。在这些状态之间，部分饱和透明土壤替代物的图像强度被发现与饱和度相关。因此，必须找到一种有效确定图像像素强度与饱和度关系的校准方法。这是该项技术能否推广应用的最关键的前提工作，也是制约该技术能否得到快速广泛发展的瓶颈性问题。然而，目前此项研究还处于早期发展阶段，工作开展较少。PetersandSiemensetal.(2011)采用1.2cm高的样品悬柱排水试验，采取小范围的成分测试的实验方法，根据测量得到的置换流体体积的结果来计算体积含水量(或饱和度)，从而确定透明土像素强度颜色与饱和度之间的分段非线性关系；SillsandMumfordetal.(2017)提出的一个适用于各种条件，包括不同的流体组合下的通用校准关系，只需要三个图像(干燥、完全润湿饱和度和残余润湿饱和度条件)和流体饱和度的一种独立测量(在残余下润湿饱和条件)。然而，由于受到非饱和渗流剖面非均匀性特点及瞬态系统相关变量能力的限制(见图1)，上述研究中采用的流量法往往无法准确有效地确定残余润湿条件下的饱和度值。而且，装样过程中单纯采用降雨法或干导管法，均很难实现初始饱和度严格为100％的初始试验控制条件。这为明确图像像素强度与饱和度关系的定量化研究带来很大的难度，成为该技术发展受限的瓶颈问题。样品制备方法是决定透明土样品质量的一个重要因素。在大多数情况下，制备相对密度一致的样品是最重要的。土样安装技术，将本源地生成独特的改变土体结构，密度和初始饱和度。对本试验来说，可以有两种装样技术。第一种土样安装技术称为湿雨法。在湿雨法，柱最初是充满孔隙水，然后慢慢降落土粒，使土壤颗粒通过流体。这种装样技术对于土样处于100％饱和度和最低密度时特别有用。湿降雨法通常可以建立比较连续的结果，并降低操作者的影响(LagioiaandSanzenietal.,2006)。然而，由于不同粒径的速度不同，以这种方式构造的土层稍有分选的可能。标准的湿雨法可以在透明土壤中引入圈闭空气，从而降低透明度的质量。Omidvaretal.(2015)确定了通过降雨方式提高透明土样质量的几个因素，如降低降雨高度、增加孔隙流体内的下降深度、控制降雨速率等。这些因素主要减少了透明土样中空气的滞留体积。第二种土样安装技术，称为干漏斗法，即将初始为干土的土样通过柱顶部的一个软管堆置在土表面的上方。该土样安装技术适用于安装初始含水量较低的土样，接近均粒结构，初始密度疏散。Ezzein和Bathurst(2011)为了防止气泡的形成而采取的一种策略是，在干漏斗法装样后，从样品体积的底部慢慢引入孔隙液体淹没熔融石英质量。在装样过程，均应保证管子保持在透明砂上方1～4cm，以防止沉降过程中颗粒尺寸的分选。这两种装样方法，均无法保证试样装入装置后的饱和度达到100％，即无法严格控制试验初始的饱和度条件。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种更灵活方便，适用性更强的校准方法。即在任意湿度土样的饱和度的定量方法，采取类似天然土湿度传感器的方法，对于拍照得到的照片中的均匀湿度的土样进行局部取样，然后利用离心机法定量其饱和度，这样得到的透明土像素强度颜色与饱和度之间的关系，更真实可信。为了解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法，包括以下步骤，S1、制备折射率匹配的透明土及孔隙液体和悬柱装置，并利用湿雨法将透明土及孔隙液体分层装置于悬柱装置中，制成饱和状态的透明土样，然后开启悬柱下方的开关，进行土柱的排水渗流，并利用悬柱前方的数码相机以一定时间间隔对整个土柱的渗流过程进行拍照；S2、取样：选取任意渗流剖面中连续均匀区域的试样为研究对象，一方面对油砂进行局部取样，确定饱和度值，另一方面对该区域的试样的图片进行选取。图片选取：采用悬柱装置，在悬柱的前方，使用一台数字单反相机来捕捉柱长方向的高分辨率照片，该相机放置在距悬柱1米的距离正前方，悬柱的背面和一侧覆盖黑色背景，在竖向50mm间隔上布设参考黑白点；S3、利用离心机的方法进行测定该处的油砂比w(质量比，％)，从而确定饱和度SW大小：对于选定区域局部采样的油砂，加入一定比例的纯水，然后利用油水分离的性质，利用高速离心机将二者进行分离，并将除油后的湿砂用容器承装置于烘箱内，利用烘干法烘至恒重，利用公式计算其饱和度：式中:Sr——饱和度；w——油砂比(g/g)；Gs——透明砂的比重；e——透明砂的孔隙比ρl——混合油的密度。S4、图片分析：A、前期批处理操作：对于选定图片，即对目标区域进行剪裁，定名，然后进行曝光、保存初始操作之后，进行批处理，根据下面描述的各种连续步骤自动进行图片格式转换、降噪滤波处理，具体操作步骤如下：首先，读取图片文件，即导入图像并提取存储在图像中的信息，然后调用程序代码，进行图片格式转换和灰度处理，使用批处理程序中的“opencv”命令转换灰度值的方法将图片转换为0-255的灰度矩阵；再进行均值降噪，去除或减小大量白色颗粒或早点带来的影响；然后，计算图片矩阵的每个像素点的灰度平均值，平均强度自动计算并存储在结果输出文件中；得到了在目标测量区域内，在时间t拍摄的照片上(x，y)位置处的平均像素强度，将它表示为I0(x，y，t)，平均强度自动计算并存储在结果输出文件中；B、背景减法：将上一步骤得到的平均像素强度值进行背景减法，对于每个图像，程序逐像素地减去背景强度值以获得校正的强度，即：I(x，y，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法，其特征在于：包括以下步骤，S1、制备折射率匹配的透明土及孔隙液体和悬柱装置，并利用湿雨法将透明土及孔隙液体分层装置于悬柱装置中，制成饱和状态的透明土样，然后开启悬柱下方的开关，进行土柱的排水渗流，并利用悬柱前方的数码相机以一定时间间隔对整个土柱的渗流过程进行拍照；S2、取样：选取任意渗流剖面中连续均匀区域的试样为研究对象，一方面对油砂进行局部取样，确定饱和度值，另一方面对该区域的试样的图片进行选取。图片选取：采用悬柱装置，在悬柱的前方，使用一台数字单反相机来捕捉柱长方向的高分辨率照片，该相机放置在距悬柱1米的距离正前方，悬柱的背面和一侧覆盖黑色背景，在竖向50mm间隔上布设参考黑白点；S3、利用离心机的方法进行测定该处的油砂比w(质量比，％)，从而确定饱和度SW大小：对于选定区域局部采样的油砂，加入一定比例的纯水，然后利用油水分离的性质，利用高速离心机将二者进行分离，并将除油后的湿砂用容器承装置于烘箱内，利用烘干法烘至恒重，利用公式计算其饱和度：

【技术特征摘要】
1.一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法，其特征在于：包括以下步骤，S1、制备折射率匹配的透明土及孔隙液体和悬柱装置，并利用湿雨法将透明土及孔隙液体分层装置于悬柱装置中，制成饱和状态的透明土样，然后开启悬柱下方的开关，进行土柱的排水渗流，并利用悬柱前方的数码相机以一定时间间隔对整个土柱的渗流过程进行拍照；S2、取样：选取任意渗流剖面中连续均匀区域的试样为研究对象，一方面对油砂进行局部取样，确定饱和度值，另一方面对该区域的试样的图片进行选取。图片选取：采用悬柱装置，在悬柱的前方，使用一台数字单反相机来捕捉柱长方向的高分辨率照片，该相机放置在距悬柱1米的距离正前方，悬柱的背面和一侧覆盖黑色背景，在竖向50mm间隔上布设参考黑白点；S3、利用离心机的方法进行测定该处的油砂比w(质量比，％)，从而确定饱和度SW大小：对于选定区域局部采样的油砂，加入一定比例的纯水，然后利用油水分离的性质，利用高速离心机将二者进行分离，并将除油后的湿砂用容器承装置于烘箱内，利用烘干法烘至恒重，利用公式计算其饱和度：式中：Sr——饱和度；w——油砂比(g/g)；Gs——透明砂的比重；e——透明砂的孔隙比；ρl——混合油的密度。S4、图片分析：A、前期批处理操作：对于选定图片，即对目标区域进行剪裁，定名，然后进行曝光、保存初始操作之后，进行批处理，根据下面描述的各种连续步骤自动进行图片格式转换、降噪滤波处理，具体操作步骤如下：首先，读取图片文件，即导入图像并提取存储在图像中的信息，然后调用程序代码，进行图片格式转换和灰度处理，使用批处理程序中的“opencv”命令转换灰度值的方法将图片转换为0-255的灰度矩阵；再进行均值降噪，去除或减小大量白色颗粒或早点带来的影响；然后，计算图片矩阵的每个像素点的灰度平均值，平均强度自动计...

【专利技术属性】
技术研发人员：王娟，刘伟，谌文武，张燕芳，冉雪斌，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62