技术领域
[0001] 本
发明属于水分特征曲线测定技术领域，特别是一种测定多孔介质水分特征曲线的方法。
背景技术
[0002] 水分特征曲线，又称为持水曲线，是表征多孔介质中毛细压
力与
含水量、
饱和度之间关系的曲线。水分特征曲线在研究非饱和带水分入渗、
蒸发及溶质运移过程中扮演着重要
角色，根据水分特征曲线可以确定多孔介质的导水系数、水分分布等性质。
[0003] 为了测定多孔介质的水分特征曲线，人们做了大量努力，发明了数种测量方法。测量水分特征曲线的传统方法为压力膜法，压力膜法需要将饱和状态下的样品在
指定压力下加压脱水，同时测定饱和度。由于单次测定耗时过长，且取样时需要破坏样品，所以难以进行长期原位监测。为了克服这些缺点，发明了
张力计法，张力计法使用张力计测定多孔介质中的毛细压力，而用
中子仪法或γ-射线法或时域反射仪法测定相应的饱和度。张力计法不必
采样，可以连续定点监测，但是其垂直
分辨率有限。γ-射线法与中子仪法存在潜在
辐射危害，使其应用不便，不能广泛应用。相比前两种方法，时域反射仪法的安全性得到了提高，但是由于其探针长度存在下限，致使其测定
精度的提高受到阻碍。
发明内容
[0004] 针对于上述
现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测定多孔介质水分特征曲线的方法，本发明方法测得的水分特征曲线与用传统压力膜法测得的结果非常吻合，能够快速准确地获得多孔介质中各点的水分特征曲线。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] 本发明的一种测定多孔介质水分特征曲线的方法，包括步骤如下：
[0007] 将待测多孔介质置于砂箱中；
[0008] 砂箱的一侧设置一可见光
光源，另一侧设置一个与待测多孔介质一体的暗箱；
[0009] 可见光光源发出的光线透过待测多孔介质后，被设置于暗箱内的CCD相机接收，并利用相机控制
软件Maxlm DL自动记录
透射光强度；
[0010] 根据比尔定律，建立透射光强度与待测多孔介质饱和度之间的关系，根据透射光强度求出待测多孔介质每一
像素点的饱和度；
[0011] 在砂箱不同深度处埋入张力计，实时记录待测多孔介质中的毛细压力；
[0012] 根据测得的饱和度-毛细压力关系绘制待测多孔介质的水分特征曲线。
[0013] 优选地，所述透射光强度与待测多孔介质饱和度之间的关系为：Sw＝1-ln(I/Iw)/ln(Ires/Iw)，式中：Sw为饱和度；I为实测的透射光强度；Iw为待测多孔介质完全饱水时的透射光强度；Ires为待测多孔介质自由水完全排出，只有残余水时的透射光强度。
[0014] 优选地，所述测得的饱和度-毛细压力关系用van-genuchten模型拟合，得到待测多孔介质的水分特征曲线，该van-genuchten模型拟合如下：
[0015]
[0016] 式中，Sw为饱和度；为毛细压力；Ss为待测多孔介质最大饱和度；Sr为残余饱和度；α为进气值的倒数；n为孔隙分布指数。
[0017] 优选地，所述方法还包括：在排水过程中，待测多孔介质中的毛细压力-饱和度关系被分为三个阶段，在排水过程初期，随着待测多孔介质中的毛细压力增大，待测多孔介质中仅有少量水排出，表现为毛细压力变化很大而饱和度变化很小；当毛细压力增大到进气值以后，大量水分从待测多孔介质中排出，表现为饱和度变化很大而毛细压力变化很小；当待测多孔介质饱和度降到残余饱和度时，毛细压力再次随着饱和度降低而迅速增大，表现为毛细压力变化很大而饱和度变化很小。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 本发明规避了传统压力膜法和张力计法的缺点。首先，本发明中采用的方法无需破坏待测多孔介质；其次，本发明方法利用灯箱发出的可见光作为唯一光源，安全性远高于中子仪法与γ-射线法；最后，由于使用CCD相机作为接收装置，测定精度也远高于时域反射仪法。
附图说明
[0020] 图1为本发明的原理图。
具体实施方式
[0021] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合
实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0022] 参照图1所示，本发明的一种测定多孔介质水分特征曲线的方法，包括步骤如下：
[0023] 将待测多孔介质置于砂箱中；
[0024] 砂箱的一侧设置一可见光光源，另一侧设置一个与待测多孔介质一体的暗箱；
[0025] 可见光光源发出的光线透过待测多孔介质后，被设置于暗箱内的CCD相机接收，并利用相机控制软件Maxlm DL自动记录透射光强度；
[0026] 根据比尔定律，建立透射光强度与待测多孔介质饱和度之间的关系，根据透射光强度求出待测多孔介质每一像素点的饱和度；
[0027] 在砂箱不同深度处埋入张力计，实时记录待测多孔介质中的毛细压力；
[0028] 根据测得的饱和度-毛细压力关系绘制待测多孔介质的水分特征曲线。
[0029] 其中，根据比尔定律，对于特定
波长的光源，穿过待测多孔介质后的透射光强度I，可以表达为：
[0030] I＝CI0τpl2kSτpg2k(1-S)exp(-αpdpk) (1)
[0031] 式中，C为纠正光在发射和观测点之间差异的光学几何参数；对于
准直光源，或是光源和待测多孔介质到接收器的距离大致相同时，C可以忽略不计；I0为入射光源强度；τpl为固体颗粒/水界面的透射率；τpg为固体颗粒/气界面的透射率；k为整个待测多孔介质厚度上颗粒(或孔隙)的数量；S为水的有效饱和度；dp为固体颗粒平均粒径；αp为固体颗粒的吸收系数。
[0032] 考虑待测多孔介质完全饱水和疏干(只有残余水)的两种极端情况，则由(1)式可得：
[0033] Iw＝CI0τpl2k exp(-αpdpk) (2)
[0034] Ires/Iw＝[CI0τpg2k exp(-αpdpk)]/[CI0τpl2k exp(-αpdpk)]＝(τpg/τpl)2k (3)[0035] 式中，Ires为待测多孔介质自由水全部排出，只有残余水状态时的透射光强；Iw为待测多孔介质完全饱水状态时的透射光强。
[0036] 联立(1)、(2)、(3)三式，可得：
[0037] Sw＝1-ln(I/Iw)/ln(Ires/Iw) (4)
[0038] 式中，Sw为待测多孔介质的有效饱和度。
[0039] 对于特定介质来说，若光源
稳定性够好，待测多孔介质每一像素点处的Ires、Iw可看作恒定。因此，在测定进行过程中只需知道待测多孔介质每一像素点处的透射光强度，即可根据式(4)得到待测多孔介质在该点处的实时饱和度。
[0040] 实例中，采用如下试验装置，砂箱内部长55cm，高45cm，宽2.5cm，由两
块有机玻璃内夹一个55cm×45cm×2.5cm的
铝质中心框构成。砂箱一侧放置灯箱作为唯一光源，另一侧用CCD相机(AP2E,Apogee Instruments,Auburn,CA)记录透过砂箱的光线强度。灯箱距砂箱5cm，相机距砂箱1.5m。控制CCD相机所用软件为Maxlm DL(Ottawa,ON)，CCD相机所记录的透光强度经过换算，可以实时反映待测多孔介质饱和度的变化情况，本实施例中待测多孔介质选为
石英砂。此外，在砂箱的不同高度处(15cm、22.5cm和30cm)对应安装了三个张力计，用于测定砂箱中待测多孔介质的毛细压力。砂箱顶部与大气相通，砂箱底部连接
蠕动泵。实验过程中采用
蠕动泵控制砂箱中水的注入、排出。
[0041] 实验中首先向砂箱通入CO2气体至饱和，然后用蠕动泵从砂箱底部注水，流速10ml/min，注水1天左右。此时，可认为砂箱是完全饱水的状态，可以测得饱和状态下的光强Iw，随后：
[0042] (1)关闭蠕动泵并调节泵的流量，使之以小于1ml/min的流速从砂箱底部向外排水，排水历时1500min；
[0043] (2)关闭蠕动泵并静置24h，可认为砂箱中待测多孔介质饱和度为残余饱和度，测得此状态下的光强Ires；
[0044] (3)调节蠕动泵的流量，使之以小于1ml/min的流速从砂箱底部向砂箱注水，注水历时1000min；
[0045] 在上述过程中，CCD相机的曝光时间设定为6s，拍照间隔设定为1min，实时记录了待测多孔介质饱和度的变化。每过5min对三根张力计进行读数，记录待测多孔介质毛细压力的变化情况。
[0046] 待测多孔介质在排水过程中的van-genuchten模型参数，参见表1，如下：
[0047] 表1
[0048]
[0049] 透射光强度与待测多孔介质饱和度之间的关系为：Sw＝1-ln(I/Iw)/ln(Ires/Iw)，式中：Sw为饱和度；I为实测的透射光强度；Iw为待测多孔介质完全饱水时的透射光强度；Ires为待测多孔介质自由水全部排出，只有残余水时的透射光强度。
[0050] 实验中测得的Ires/Iw均值为0.032，相应的残余饱和度0.16，表2给出了排水-注水过程中，实际流量与光透法测得的流量的对比，表2如下：
[0051] 表2
[0052]
[0053] 从表2中可以看出，光透法测得的流量与实际流量大致相符，可以准确反映待测多孔介质中饱和度的变化。
[0054] 在待测多孔介质排水过程中，介质中的毛细压力-饱和度关系可以被分为三个阶段。在排水过程初期，随着待测多孔介质中的毛细压力增大，待测多孔介质中仅有少量水排出，表现为毛细压力变化很大而饱和度变化很小；当毛细压力增大到进气值以后，大量水分从待测多孔介质中排出，表现为饱和度变化很大而毛细压力变化很小；当待测多孔介质饱和度降到残余饱和度时，毛细压力再次随着饱和度降低而迅速增大，表现为毛细压力变化很大而饱和度变化很小。
[0055] 此外，在饱和度相同时，待测多孔介质在排水过程中的毛细压力要大于吸水过程中的毛细压力。即对于同一介质来说，在毛细压力相同的情况下，介质在排水过程中的饱和度要大于吸水过程中的饱和度。
[0056] 使用van-genuchten模型拟合得到的待测多孔介质水分特征曲线参数见表3，如下：
[0057] 表3
[0058]
[0059]
[0060] 比较表1与表3的结果可以发现，本发明方法测得的水分特征曲线参数与用压力膜法测得的参数非常接近。
[0061] 本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
