一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法与流程

本发明提供一种基于透明土非饱和流动可视化实验方法。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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，t)＝i0(x，y，t)-i0(x0，g0，t)

式中：i(x，y，t)——校正后的像素强度；

i0(x，y，t)——均值化操作后得到的某点的平均像素强度初值；

i0(x0，g0，t)——同一时刻t参考点的像素强度值的变化量，由光源等环境因素引起的；

c、归一化处理：

根据下式对图像像素强度进行归一化，得到归一化像素强度in(x，y，t)：

in(x，y，t)是归一化像素强度，i(x，y，t)是像素强度的任何图像(基于捕获图像的灰度值)，is(x，y，t)是完全饱和时的像素强度，id(x，y，t)是完全干燥时的像素强度，注意：is(x，y，t)和id(x，y，t)也必须进行同一图片的背景减法操作；

s5、得到的饱和度sw与像素强度in之间的校准关系：

r²＝0.98265

作为优选，步骤s2中的相机设置：设置为手动“m”档，快门速度1/25秒，光圈f1/4.5，iso设置为400，自动白平衡awb，无闪光，照明设备由头顶荧光灯提供。

作为优选，步骤s3中离心机转速设为3500r/min，分两个周期完成除油操作，每个周期为30min，并将除油后的湿砂，利用烘干法烘至恒重的烘干温度为105℃-110℃，烘干时间为8小时以上，并用酒精燃烧法复查干砂是否除油彻底

与现有技术相比，本发明的有益之处是：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全局水分剖面，这是室内渗透试验的一项巨大的飞跃，该技术具有实用、快速、无损、成本低、自动化等优点。透明土技术突破了天然土壤的通透性的制约，使研究尺寸范围得到了很大的提升。本发明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了必要的推动性作用。

附图说明：

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的流程示意图。

图2是悬柱装置的结构示意图。

图3是部分饱和透明土渗流中的指流现象图。

图4是饱和度与像素强度之间的校准关系图。

1、直角柱子；2、排水/反渗柱；3、阀门；4、黑白参考点；5、溢水口；6、数字天平；

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述：

材料透明土，选用的透明土是一种熔融石英砂，折射率1.459。采用的熔融石英为均粒细砂，粒径范围为0.5～1.0mm，比重为2.19，最小干密度是1150kg/cm³，堆积密度为1200～1280kg/cm³，充填后经多次排水固结呈稍高密度，1295kg/cm³，对应的孔隙比为0.70。

透明多孔介质的孔隙液体采用一种矿物油和正十二烷(c12)的混合油，以一定质量比例混合配制而成，混合液折射率等于熔融石英折射率的流体。混合油的密度为820千克/立方米。为了确定流体随时间降解特性，样品保存在实验期内(大概3个月)，并定期测试其折射率。已有研究结果表明，混合矿油的动力粘滞系数比水高一个数量级；混合油的接触角大约是10～12°，而水的是53°；孔隙流体表面张力是比水的表面张力小2.5倍。

部分饱和透明土，在排水渗流过程中由于水气相互驱替作用而产生的指流现象如图3所示。

如图2所示悬柱装置包括18mm的有机玻璃连接成直角柱子1，直角柱子1内部截面积尺寸为45.0×45.0mm，高300mm，柱顶直接向大气开放。

在直角柱子1的前方，使用一台canoneos数字单反相机70d，来捕捉柱长方向的高分辨率照片，该相机放置在距柱子约1米的距离正前方。相机设置：设置为手动“m”档，快门速度1/25秒，光圈f1/4.5，iso设置为400，自动白平衡awb，无闪光。照明设备由头顶荧光灯提供。

为了成像的目的，悬柱的背面和一侧覆盖黑色背景，以提供与透明砂干燥时的白色形成明显的对比度。同时，为了使这些照片排列到同一个常用参考协调一致的系统中，并保证相机间颜色强度的一致性、连续性，在柱两侧全长范围内，在竖向50mm间隔上布设黑白参考点4。黑白参考点4的作用是，充分考虑沿柱高方向上的照明光源变化的影响，将悬柱上每张图像，协调统一到公共基准。每个参考点，由中心一个黑点以及周围一个白色圆圈组成。阀门3控制直角柱子1与排水/反渗柱2之间管路的通断，排水/反渗柱2中的水通过溢水口5排到容器中，然后通过数字天平6进行称量。

为了准确确定透明土像素强度颜色与饱和度之间的关系，本发明对具体的局部残余含水量的测试方法进行了一定的改进，提出一种更灵活方便，适用性更强且操作简单的校准程序，方法流程如图1所示；

首先，对于局部含水量测量方法，采用灵活方便的局部采样法，选取任意渗流剖面中连续均匀的区域进行局部取样，利用离心机的方法进行测定该处的油砂比w(质量之比)，从而确定饱和度大小。这样的操作，避免了以往溢流法控制体积含水率时，必须已知初始含水量为某一定量值的严苛条件，以及在渗流过程中由于边界条件导致渗流剖面出现非均匀性的特点而无法实现残余含水量的定量化难题。

具体地，离心机法定量饱和度的方法是：对于局部采样的油砂，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。具体地，离心机转速设为3500r/min，1个周期为30分钟，分两个周期完成除油操作。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，烘干温度105℃～110℃，烘干时间为8小时以上，并用酒精燃烧法复查是否除油彻底。根据前后质量关系确定选取样品的油砂比w(g/g)，并利用如下公式计算出其饱和度：

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。

事实上，该方法为局部含水量测量方法，其作用类似于天然土壤湿度传感器(tdr)的方法，但又优于tdr。因为它对所取试样的一定区域范围内的含水量的平均值，而不仅仅为某一点的单点式测量值，因而更符合该方法的测试对象。而且，土壤湿度传感器是使用是往往事先安装或固定在土柱某一特定位置，然而这个位置往往不是我们需要进行测试的目标区域。试验结果表明，该法确定的饱和度与传统的流量法得到的结果，规律相符。然而，却能极大地降低流量法对于初始饱和度必须定量的严格的实验条件。

同时，对该区域的土样进行拍照，并对其中多孔介质湿度均匀的部分进行截取，获取该湿度条件下的像素强度，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。

图片分析技术：透明土物理建模的一个重要组成部分是对图像的采集和分析。数字图片技术已被证实是一种在岩土工程方面的科研及实践中非常有效的非侵入式测量手段，例如，piv在测量土体变形里的用途以及通过追踪连续照片得到土中裂隙发育情况。

图像分析基础：在所有光学测量技术中，需要通过图像处理将反射光强度转换成感兴趣的变量，即饱和度、浓度等。透明土样品干时白色，饱和时呈完全透明。当其后布设黑色背景时，它在饱和时呈黑色。因此，对应于100％饱和到干燥的土壤条件，可以产生一种从黑到白的光谱。正是由于这个原因，采用分辨率强度值来测量体积含水量的技术有了明确的基础。

典型的8位灰度等级数字照片(或红、绿、蓝通道平均的彩色照片)，有0～255的分辨率强度范围，来分别描述黑色白色之间每个灰度值的范围。因此，一个初始饱和的土柱，会有一个较低的分辨率强度值，而随着孔隙中气体体积的增加，土颗粒会失去透明特性，并可见。一旦颗粒可见，像素强度将增高，土的白度将显现出来。相似地，当初始干燥的土样变饱和时，像素强度会下降。然而，实际上，含水量与像素强度的关系要比这复杂得多。由于准备采用的技术采用的是反射光，土的像素强度将是光的均匀性的函数，而不仅仅是受到含水量的影响。结果，必须做一些订正工作，以确保柱高方向上的色彩一致性，以及这些颜色如何代表相机捕获的照片的像素强度。

这些像素强度问题的订正，是采用在柱左侧布设参考点来提供色彩信息。由于参考点的颜色没有发生变化，任何观察到的参考点黑白部分像素强度的变化，都将关系到光的变化，要么是光源，要么是土柱上临时投影。因此，拍得照片参考点的像素强度，可以用来校准那些不是由于饱和度变化引起的像素强度变化。

图像处理步骤包括：剪裁、命名、曝光、图片格式转换、降噪滤波、背景减法、归一化处理。将前5步操作整合一起进行处理，统称为前期批处理操作。

a、对于选定图片，即对目标区域进行剪裁，定名，然后进行曝光、保存等初始操作之后，开发了一个批处理程序，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，将以像素替换为周围一定区域内的像素灰度的均值，以此方法遍历所有像素。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。这样，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、接下来，进行特别重要的一个操作，即将上一步骤得到的平均像素强度值进行背景减法，这是根据黑白参考点进行各图片之间系统协调化的操作，即，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，t)＝i0(x，y，t)-i0(x0，y0，t)

式中：i(x，y，t)——校正后的像素强度；

i0(x，y，t)——均值化掉作后得到的某点的平均像素强度初值；

i0(x0，y0，t)——同一时刻t参考点的像素强度值的变化量，由光源等环境因素引起的；

c、然后，我们根据下式对图像像素强度进行归一化，得到归一化像素强度in(x，y，t)；

这里，in(x，y，t)是归一化像素强度，i(x，y，t)是像素强度的任何图像(基于捕获图像的灰度值)，is(x，y，t)是完全饱和时的像素强度，以及in(x，y，t)是完全干燥时的像素强度。i(x，y，t)、is(x，y，t)和id(x，y，t)中的每一个都具有介于0(黑色)和255(白色)之间的值，而in(x，z，t)的值介于0和1之间。所有像素强度都是以单个像素(1.8像素/mm)的测量范围内的具体位置值，在本研究中，为了便于和土壤饱和度或体积含水率进行线性回归拟合校准，这里取的是测量区的所有像素强度的平均值。需要注意的是，在相机设置中，应确保黑色背景和白色(干)的图像不是纯黑色或白色(像素强度分别为0或255)，以确保在这些极端附近测量的强度值不被截断。

归一化光强度in是饱和和干燥条件下光传输的相对程度的量度，在本发明中，重要的是注意到，由于柱后面的黑色背景，像素强度在完全润湿饱和时是最暗的，而对于光透射则相反。该步骤对于校正照明中可能的波动至关重要，这可能会影响实验期间的亮度值。

通过上述方法得到的饱和度sw与像素强度in之间的校准关系，如图4所示，二者呈指数函数关系，且相关性很好，具体如下方程所述：

r²＝0.98265

透明土材料和技术，为利用光学技术研究非侵入性土壤模型的空间变形模式和流动特性提供了必要的基础。像素强度颜色与饱和度之间的关系校准工作，是透明土与光学成像技术应用于非饱和土流动可视化研究中的关键技术。我们对具体的校准方法进行了一定有益的改进，提出一种更灵活方便，普适性更强的局部饱和度测定方法，弥补了校准程序中无法严格控制样品初始体积含水率(饱和度)，继而难于利用溢流法追踪残余含水量(饱和度)的缺陷。在此基础上，在各种多相流瞬态流场定量化研究中，可以利用透明多孔介质技术在高空间和时间分辨率下进行相对廉价的全局水分剖面的连续测量，显示出比以往的研究方法更加强大的生命力和市场应用前景。

需要强调的是：对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。