多孔介质中含水量及NaCl溶液运移过程中的电容响应特征及成像方法研究

论文摘要

对多孔介质含水量以及水分运移过程的研究是地下水研究中的重要问题,目前的研究主要是用TDR, ERT,MRI等方法进行,很少有从电容成像的角度研究含水量以及地下水运移过程的报道。电容成像法是一种研究含水量及地下水运移的新方法,这种方法是根据被测物质各组分具有不同的介电常数,当各组分分布或浓度发生变化时,将引起被测介质介电常数发生变化,从而使测量电极对间的电容值发生变化。以这些电容测量值作为投影数据,通过一定的图像重建算法,便可以获得介电常数分布,从而获得物质分布的图像。电容成像法是对含水量和水分入渗与运移过程传统研究方法的一种补充和完善,并且可以对已有的方法及模型进行验证。本研究首先对电容法在多孔介质含水量测定中的有效性问题进行了探讨,然后用电容成像法对砂箱内多孔介质的含水量进行了探讨,通过电容成像法和烘干法各自所测得的含水量的比较,对电容成像法的可行性和准确性进行了讨论。其次以NaCl溶液代表水分,用电容成像法对砂箱内其入渗和运移过程进行了实时监测,对NaCl溶液入渗和运移过程中电容的响应特征以及时空变化过程进行了讨论,并通过对两次NaCl溶液入渗和运移过程的实时监测探讨了电容成像法的准确性和可重复性。通过上述研究获得了如下成果：(1)电容法在多孔介质含水量测定实验的有效性研究表明,在使用杆状电极,以1kHz频率测量的电容,反映出了所得介电常数与含水量之间的良好关系。(2)通过电容法和烘干法所得多孔介质含水量的对比试验结果即两种方法所获得的多孔介质含水量相差不大表明,对电容法所得的电容值进行反算获得的含水量的方法是可行的,而且是比较准确的。(3)在砂箱内细砂非饱和带中进行的NaCl溶液的入渗和运移试验表明,电容对NaCl溶液的响应非常灵敏,没有加入NaCl溶液时电容值非常小,只有几百pF左右,一旦加入NaCl溶液电容值将迅速增加,最大可以增加至几万个pF。根据实验所得到的电容值随时间的变化曲线可以清楚的看出电容的响应。由电容成像法所成的影像图清楚的反映出了NaCl溶液入渗和运移的过程,并且根据电容成像法所成图可以圈定出NaCl溶液影响的范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1. 土壤含水量测定与水分运移研究现状
• 1.2.2 电容成像方法研究现状
• 1.3 电容测试系统构成及测试原理
• 1.3.1 电容成像系统构成
• 1.3.2 电容法测试原理
• 1.4 研究内容与方法
• 第二章 电容及相关理论
• 2.1 电容与电容器
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 理想电容器的电容
• 2.1.3 电容器类型
• 2.2. 电容的串并联
• 2.2.1 串联电容器
• 2.2.2 并联电容器
• 2.3 电容器中的能量储存
• 2.4 电介质
• 2.4.1 介电常数
• 2.4.2 电介质的定义及其功能
• 2.4.3 有极分子电介质和无极分子电介质
• 2.4.4 电介质的极化现象
• 2.5 介电常数与温度的关系
• 2.6 介电常数与含水量之间的关系
• 2.6.1 经验模型
• 2.6.2 体积混合模型
• 第三章 电容法在多孔介质含水量监测中的有效性及成像分析
• 3.1 实验材料和实验过程
• 3.1.1 实验材料和设备
• 3.1.2 电容测量方法
• 3.1.3 实验过程
• 3.2 电容与含水量之间的关系
• 3.3 砂箱内砂土的含水量监测与讨论
• 3.3.1 电容与含水量关系准确性讨论
• 3.3.2 烘干法测与容法反算所得的含水量的影像图分析与讨论
• 3.3.3 电容与含水量的三维分布图对比分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 多孔介质中NaCl溶液入渗与运移过程的电容时空变化特征
• 4.1 实验材料与实验过程
• 4.1.1 实验材料与设备
• 4.1.2 实验过程
• 4.2 电容随NaCl溶液浓度的变化关系
• 4.3 NaCl溶液入渗与运移过程中的电容响应特征
• 4.3.1 NaCl溶液的单点注入实验的电容时空变化特征
• 4.3.2 NaCl溶液的两点注入实验的电容响应特性
• 4.3.3 NaCl溶液入渗与运移过程中电容的时空变化特征
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 参考文献
• 发表论文及参加项目情况
• 致谢