基于核磁共振技术的孔隙水形态及土壤渗透性分析
发布时间：2021-02-15 09:07
干湿循环过程会影响土壤孔隙水储存形态,导致土壤渗透性增大、养分流失。该文基于核磁共振技术,探究不同含水率和经历0～4次干湿循环后土壤孔隙水储存形态的变化规律,研究干湿循环对土壤渗透性的影响。结果表明:依据"饱和—吸力"联测方法可将孔隙水分为束缚水和可动水,二者的横向弛豫时间（T2）阈值为1.96 ms。土壤湿润过程中,孔隙水主要以可动水的形态存在;土壤含水率较低时,束缚水（T2<1.96 ms）和可动水（T2≥1.96 ms）占比接近;当含水率超过13%时,可动水的含量迅速增大,而束缚水量增加较少。经历多次干湿循环后,土壤束缚水含量几乎不变,而可动水含量随着循环次数增加而线性增加;将干湿循环作用引入Coope渗透率模型可知,0～4次循环内,土壤渗透率与循环次数的6次方成正比;干湿循环作用会显著增加农田土渗透性、降低土壤肥力。研究可为农田土水分、肥力保持方案的制定提供理论支持。
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
束缚水和可动水间阈值T2C的确定
图1显示了随着吸力的增加，黏土试样含水率的变化规律。当吸力从21.82 MPa增加到149.51 MPa时，试样含水率减小了约71%；而吸力达到71.12 MPa时，试样含水率已经衰减了约64%；吸力介于71.12～149.51MPa之间时，试样含水率减小缓慢并趋于恒定。由式（2）计算出储存束缚水的孔隙的半径，结合文献[23]可知，71.12 MPa可以被认为是束缚水和可动水之间的临界吸力值，但该临界吸力值对应的T2值尚未得到。分别测试饱和状态和临界吸力（71.12 MPa）作用状态下试样的2条T2曲线，并将T2曲线转化为T2累计曲线。利用这2条T2累计曲线的交点得到用T2表示的束缚水和可动水的阈值T2C。如图2所示，与“饱和-吸力联测方法”相对应，黏土试样的饱和状态定义为Sw,71.12 MPa吸力作用后的状态表示为Sd。核磁共振弛豫时间与水的储存形态直接相关，束缚水的弛豫时间T2较小，而可动水的T2较大。Sw状态的T2累计曲线包含了束缚水和可动水信息，而Sd状态的T2累计曲线仅包含束缚水信息。这2条累计曲线的交点表示束缚水和可动水之间的T2阈值（T2C=1.96ms）。结合式（1）和式（2）可知，与Sd相对应的临界孔隙半径为1.56 nm，可认为束缚水膜厚度约为1.56 nm，这与前人研究结果相近[25]。在所测试的土样中，从T2累计曲线上可以观察到约49.49%的束缚水（T2<T2C），而剩余的50.51%为可动水（T2≥T2C）。吸力作用下，土壤孔隙明显收缩，孔隙侧壁对孔隙水的束缚力增强，T2时间处于0.1～1.96 ms的水量要多于饱和状态（图2）。
对含水率为10%～28%的试样进行核磁共振测试，获取不同含水率下的T2曲线，并在图3中对束缚水和可动水进的变化特征行对比分析。弛豫时间T2与孔隙水受到的束缚力反相关，T2值越大表示该部分水受到的束缚力越小，恢复初始平衡状态需要时间越长；T2值越小则说明该部分水受到较大的束缚力作用，能快速恢复初始平衡位置；T2曲线的积分面积表示该段T2时间内的水含量[20]。T2<1.96 ms的曲线段积分面积代表束缚水，可动水则是T2≥1.96 ms的曲线段积分面积（图3）。不同含水率（10%～28%）的T2曲线都只观察到1个波峰，集中在0.76～2.31 ms之间。T2主要分布在0.04～10.72 ms之间，很少有T2<0.04 ms或者T2>10.72 ms的弛豫信号。当试样含水率<19%时，T2曲线之间的幅值增量明显，而T2值跨度区间变化不大（0.040～7.05 ms）；含水率19%～22%之间，T2曲线的幅值和跨度都出现1个明显的跳跃式增长；含水率介于22%～28%的试样T2曲线间形状相似，且幅值和T2最大值都逐渐增大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究[J]. 叶万军,吴云涛,杨更社,景宏君,常帅斌,陈明. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[2]煤矸石改良膨胀土特性及其最佳掺量条件下的孔隙结构表征[J]. 张雁,殷潇潇,刘通. 农业工程学报. 2018(22)
[3]基于核磁共振技术的软土三轴剪切微观孔隙特征研究[J]. 刘勇健,李彰明,郭凌峰,康文武,周瑶瑶. 岩石力学与工程学报. 2018(08)
[4]躺滴法测量干湿循环条件下土壤固-液接触角的滞后特性[J]. 杨松,马泽慧,王磊,罗茂泉. 农业工程学报. 2018(02)
[5]多级干湿循环对农田土壤干缩裂缝演变特征的影响[J]. 张展羽,李文杰,王策,陈于,范世敏. 农业机械学报. 2016(12)
[6]低场核磁探测水稻田改蔬菜地土壤水分的相态变化[J]. 孔超,王美艳,史学正,郭乃嘉,于全波. 农业工程学报. 2016(24)
[7]考虑固-液接触角影响的粗颗粒间液桥毛细力计算方法[J]. 张昭,刘奉银,齐吉琳,柴军瑞. 水利学报. 2016(09)
[8]基于低场核磁技术研究土壤持水性能与孔隙特征[J]. 孔超,王美艳,史学正,徐胜祥,郭乃嘉,杨培强. 土壤学报. 2016(05)
[9]干湿循环过程中壤质黏土干缩裂缝的开闭规律[J]. 李文杰,张展羽,王策,朱文渊,陈于. 农业工程学报. 2015(08)
[10]A Novel Model of Predicting Archie’s Cementation Factor from Nuclear Magnetic Resonance（NMR） Logs in Low Permeability Reservoirs[J]. Liang Wang,Zhiqiang Mao,Yujiang Shi,Qin’e Tao,Yumei Cheng,Yong Song. Journal of Earth Science. 2014(01)
本文编号：3034579
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
束缚水和可动水间阈值T2C的确定
图1显示了随着吸力的增加，黏土试样含水率的变化规律。当吸力从21.82 MPa增加到149.51 MPa时，试样含水率减小了约71%；而吸力达到71.12 MPa时，试样含水率已经衰减了约64%；吸力介于71.12～149.51MPa之间时，试样含水率减小缓慢并趋于恒定。由式（2）计算出储存束缚水的孔隙的半径，结合文献[23]可知，71.12 MPa可以被认为是束缚水和可动水之间的临界吸力值，但该临界吸力值对应的T2值尚未得到。分别测试饱和状态和临界吸力（71.12 MPa）作用状态下试样的2条T2曲线，并将T2曲线转化为T2累计曲线。利用这2条T2累计曲线的交点得到用T2表示的束缚水和可动水的阈值T2C。如图2所示，与“饱和-吸力联测方法”相对应，黏土试样的饱和状态定义为Sw,71.12 MPa吸力作用后的状态表示为Sd。核磁共振弛豫时间与水的储存形态直接相关，束缚水的弛豫时间T2较小，而可动水的T2较大。Sw状态的T2累计曲线包含了束缚水和可动水信息，而Sd状态的T2累计曲线仅包含束缚水信息。这2条累计曲线的交点表示束缚水和可动水之间的T2阈值（T2C=1.96ms）。结合式（1）和式（2）可知，与Sd相对应的临界孔隙半径为1.56 nm，可认为束缚水膜厚度约为1.56 nm，这与前人研究结果相近[25]。在所测试的土样中，从T2累计曲线上可以观察到约49.49%的束缚水（T2<T2C），而剩余的50.51%为可动水（T2≥T2C）。吸力作用下，土壤孔隙明显收缩，孔隙侧壁对孔隙水的束缚力增强，T2时间处于0.1～1.96 ms的水量要多于饱和状态（图2）。
对含水率为10%～28%的试样进行核磁共振测试，获取不同含水率下的T2曲线，并在图3中对束缚水和可动水进的变化特征行对比分析。弛豫时间T2与孔隙水受到的束缚力反相关，T2值越大表示该部分水受到的束缚力越小，恢复初始平衡状态需要时间越长；T2值越小则说明该部分水受到较大的束缚力作用，能快速恢复初始平衡位置；T2曲线的积分面积表示该段T2时间内的水含量[20]。T2<1.96 ms的曲线段积分面积代表束缚水，可动水则是T2≥1.96 ms的曲线段积分面积（图3）。不同含水率（10%～28%）的T2曲线都只观察到1个波峰，集中在0.76～2.31 ms之间。T2主要分布在0.04～10.72 ms之间，很少有T2<0.04 ms或者T2>10.72 ms的弛豫信号。当试样含水率<19%时，T2曲线之间的幅值增量明显，而T2值跨度区间变化不大（0.040～7.05 ms）；含水率19%～22%之间，T2曲线的幅值和跨度都出现1个明显的跳跃式增长；含水率介于22%～28%的试样T2曲线间形状相似，且幅值和T2最大值都逐渐增大。
【参考文献】：
期刊论文
[1]干湿循环作用下古土壤细微观结构及宏观力学性能变化规律研究[J]. 叶万军,吴云涛,杨更社,景宏君,常帅斌,陈明. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[2]煤矸石改良膨胀土特性及其最佳掺量条件下的孔隙结构表征[J]. 张雁,殷潇潇,刘通. 农业工程学报. 2018(22)
[3]基于核磁共振技术的软土三轴剪切微观孔隙特征研究[J]. 刘勇健,李彰明,郭凌峰,康文武,周瑶瑶. 岩石力学与工程学报. 2018(08)
[4]躺滴法测量干湿循环条件下土壤固-液接触角的滞后特性[J]. 杨松,马泽慧,王磊,罗茂泉. 农业工程学报. 2018(02)
[5]多级干湿循环对农田土壤干缩裂缝演变特征的影响[J]. 张展羽,李文杰,王策,陈于,范世敏. 农业机械学报. 2016(12)
[6]低场核磁探测水稻田改蔬菜地土壤水分的相态变化[J]. 孔超,王美艳,史学正,郭乃嘉,于全波. 农业工程学报. 2016(24)
[7]考虑固-液接触角影响的粗颗粒间液桥毛细力计算方法[J]. 张昭,刘奉银,齐吉琳,柴军瑞. 水利学报. 2016(09)
[8]基于低场核磁技术研究土壤持水性能与孔隙特征[J]. 孔超,王美艳,史学正,徐胜祥,郭乃嘉,杨培强. 土壤学报. 2016(05)
[9]干湿循环过程中壤质黏土干缩裂缝的开闭规律[J]. 李文杰,张展羽,王策,朱文渊,陈于. 农业工程学报. 2015(08)
[10]A Novel Model of Predicting Archie’s Cementation Factor from Nuclear Magnetic Resonance（NMR） Logs in Low Permeability Reservoirs[J]. Liang Wang,Zhiqiang Mao,Yujiang Shi,Qin’e Tao,Yumei Cheng,Yong Song. Journal of Earth Science. 2014(01)
本文编号：3034579
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