【技术实现步骤摘要】
一种基于核磁共振原理区分土壤水分形态及其含量的方法
[0001]本专利技术涉及土壤水分形态的判定，尤其涉及一种基于核磁共振原理区分土壤水分形态及其含量的方法。
技术介绍
[0002]土壤是一种具有突出持水能力的多孔介质。在农业和自然生态领域，水分形态是评价土壤水对植物生长有效性高低的主要指标，同时也可作为预测土质发展的重要依据。植物根系在面对不同形态水分时表现出了明显的选择性特征，如毛管水，具有较快的迁移速度以及溶解养分的能力，是植物生长过程中最为宝贵的水分类型；而过多重力水频繁的渗透作用反而会导致土壤可溶性养分的流失并最终引起土体砂化。研究表明，土壤水分形态也能为特定地区的生态环境治理和农业产量提升发挥科学指导作用。
[0003]在寒区工程建设领域，土壤水分形态的差异也会直接影响冻土的热力学以及变形特性。如冻土区经常发生的冻胀、融沉现象，本质就是土体水分(冰晶)的反复冻结(融化)，涉及到的关键因素(相变温度)与土壤水分形态密不可分。明晰土壤水分形态对于研究土体物理力学性质和进行水热数值模拟必不可少。由此，区分土壤水...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于核磁共振原理区分土壤水分形态及其含量的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.定量化描述土壤对水吸力ψ与横向弛豫时间T2之间的变化规律：式中，ψ为土壤对水吸力，Pa；T2为横向弛豫时间，ms；T
s
为水相的表面张力，N/m；α为气
‑
水交界面上的切线与水
‑
固交界面上直线之间的夹角；ρ2为横向弛豫率，m/ms；F
s
为孔隙的形状因子，对于板状、柱状和球状孔隙，F
s
分别为1，2和3；为与温度和土质有关的常数；S2.由土壤对水的界限吸力值确定不同水分所属的T2值区间；S3.进行核磁共振试验，获取目标土壤的峰值信号强度，经傅里叶变换反演目标土壤的T2分布曲线；S4.在目标土壤的T2分布曲线横轴上进行区间划分，以此确定目标土壤所含有的水分形态及分布特征；S5.由各区间内T2分布曲线的峰面积确定不同形态水分含量。2.根据权利要求1所述的一种基于核磁共振原理区分土壤水分形态及其含量的方法，其特征在于：所述步骤S1包括：土壤对水的吸力主要由基质吸力和渗透吸力组成，与气压和重力无关。对于非盐渍土等一般性土壤，其内部溶质浓度较低，且比较均匀，溶质对水分的吸附作用可以忽略不计，因此一般土壤对水的吸力主要指基质吸力(u
a
‑
u
w
)。土壤对水的吸力ψ与基质吸力(u
a
‑
u
w
)之间的关系可表示为：ψ≈u
a
‑
u
w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)理想土体孔隙中的水
‑
土交界曲面上的总压力变化(u
a
‑
u
w
)可用下式来表示：式中，u
a
为孔隙气压，Pa；u
w
为孔隙水压，Pa；T
s
为水相的表面张力，N/m；α为接触角，定义为气
‑
水交界面上的切线与水
‑
固交界面上直线之间的夹角；r为毛细管孔隙的半径，m；横向弛豫时间T2(ms)与孔径r(m)之间存在如下关系：式中，ρ2为横向弛豫率，它是横向表面弛豫强度的一个因子，m/ms，随土颗粒表面顺磁性离子的改变而改变，通常ρ2的大小在10
‑9～10
‑8m/ms之间；S/V是孔隙的表面积与体积之比；F
s
为孔隙的形状因子，对于板状、柱状和球状孔隙，F
s
分别为1，2和3；假定土壤内部孔隙结构均为毛细管，则土壤对水吸力ψ(Pa)与横向弛豫时间T2(ms)之间的定量关系表示为：
式中，可视为与温度和土质有关的常数，由此可知，当温度和土质确定时，T2是关于ψ的单调递减函数。3.根据权利要求1所述的一种基于核磁共振原理区分土壤水分形态及其含量的方法，其特征在于：所述步骤S2包括：孔隙水分形态根据土壤对水吸力的范围进行划分。记重力水与毛管水的界限吸力值为ψ
gc
，毛管水与束缚水的界限吸力值为ψ
cb
，则土壤吸力值小于ψ
gc
范围内的孔隙水为重力水，土壤吸力值介于ψ
gc
与ψ
cb
之间的孔隙水为毛管水，土壤吸力值大于ψ
cb
范围内的水分为束缚水；重力水，ψ＜ψ
gc
；毛管水，ψ
gc
＜ψ＜ψ
cb
；束缚水，ψ＞ψ
cb
，其中ψ
gc
＝0.008MPa，ψ
cb
＝0.625MPa...
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