专利摘要

本发明属于水文特性参数监测领域，为一种基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法，利用地面磁共振仪器测量得到多指数弛豫信号，利用QT反演方法获得地下每一深度的含水量和横向弛豫时间谱分布，再对横向弛豫时间的谱分布进行累加计算，得到横向弛豫时间的累计谱根据含水量和横向弛豫时间谱分布随深度的变化，确定非饱和带和饱和带的分界面；根据饱和带含水量和横向弛豫时间得到饱和水力传导度；根据非饱和带含水量和横向弛豫时间的累计谱得到相对水力传导度，得到非饱和水力传导度和有效饱和度。本发明克服传统的电阻率成像和地质雷达等非入侵地球物理方法只能获得电阻率和介电常数等地球物理信息，校正困难和计算结果不确定度高问题。

权利要求

1.一种基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法,其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、利用地面磁共振仪器测量得到多指数弛豫信号e(t)，其表达式：

其中e0为初始振幅，与含水量成正比，为第n个孔隙大小对应的横向弛豫时间，In为弛豫时间为的信号所占比例大小，t为时间；

步骤2、利用QT反演方法获得地下每一深度的含水量和横向弛豫时间谱分布，再对横向弛豫时间的谱分布进行累加计算，得到横向弛豫时间的累计谱

步骤3、根据步骤2得到的含水量和横向弛豫时间谱分布随深度的变化，确定非饱和带和饱和带的分界面；

步骤4、根据饱和带的含水量和横向驰豫时间得到饱和水力传导度以及根据非饱和带含水量和横向驰豫时间的累计谱得到相对水力传导度，进而得到非饱和水力传导度和有效饱和度；其中，根据非饱和带含水量和横向驰豫时间的累计谱得到相对水力传导度，进而得到非饱和水力传导度和有效饱和度，包括：

选择VG水分特征曲线模型；

基于地面磁共振信号累计谱和VG水分特征曲线模型加权差值建立目标函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法，拟合得到参数θS，θR，α，λ和m的值；其中，θ是孔隙介质含水量，θS是饱和含水量，θR是剩余含水量，α是缩放参数，h是压力水头，λ是孔隙分布指数，m＝1-1/λ；

由参数θS，θR，α，λ和m的值，根据式(5)计算非饱和带有效饱和度SE，

根据VG水分特征曲线模型，相对水力传导度为：

其中KU为非饱和水力传导度，KS为饱和水力传导度,计算得到非饱和带水力传导度。

2.按照权利要求1所述的方法,其特征在于，所述饱和带，有效饱和度SE＝1，饱和水力传导度为

其中，υ是密度，g是重力加速度，τ是弧弦比定义的曲率，η是动力粘度，θS是饱和含水量，D是自扩散常数，ρ是表面弛豫，TB是体积水弛豫时间。

3.按照权利要求1所述的方法,其特征在于，VG水分特征曲线模型：

其中，θ(h)是孔隙介质含水量，θR是剩余含水量，α是缩放参数，h是压力水头，λ是孔隙分布指数，m＝1-1/λ。

4.按照权利要求3所述的方法,其特征在于，

水分特征曲线等价于累计孔径尺寸分布，得出式(2)水分特征曲线与步骤2得到的累计谱形态一致，与h的比例关系：

其中C为比例系数。

5.按照权利要求4所述的方法,其特征在于，利用一个水分特征测量点标定地面磁共振信号与压力水头h间的比例关系，具体如下：

使用压力板装置在压力水头为某一固定值h1时测量有效饱和度SE1，根据式(2)，计算得到孔隙介质含水量θ1

θ1＝(θS-θR)SE1+θR (4)

在步骤2中得到的地面磁共振信号累计谱中找到寻找孔隙介质含水量θ1对应的地面磁共振信号

将h1和代入式(3)，得到比例系数C；

对步骤2中所有乘以比例系数C得压力水头的值，代入到式(2)中，得到水分特征曲线θ(h)。

说明书

技术领域

本发明属于水文特性参数监测领域，具体来讲为基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法。

背景技术

研究饱和-非饱和水分运动规律，首先要确定水分特征曲线和非饱和水力传导度等水力特征参数。目前，非饱和水力传导度等水力特征参数通常在实验室内使用，使用滤纸法、压力板仪法获来获得，费时费力，且难以得到任意条件下的结果。地面磁共振作为一种地下水直接探测方法，具有定量探测地下水分布的优势，且其信号的多弛豫特性与孔径分布相关，进而可以确定水分特征曲线和非饱和水力传导度。因此研究基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法具有重要意义。

CN107014975A公开了一种轴径向变形可测的非饱和水力特性测量装置及测量方法，其水力特性测量系统包括计重装置和水势测量仪，通过将待测土体试样放置在测量仪器试样容器内，记录体积测量装置、位移传感器的读数，计算所述待测土体试样的轴向变形再结合土体水势测量仪和重装置的读数，实现待测土体试样土水特征曲线和非饱和渗透系数的测量。但是该方法测量步骤复杂，测量效率低。

CN104537714A公开了一种测量土壤水分特征曲线与非饱和水力传导度的方法。根据土柱水分消耗状况和若干张力计读数变化，利用土壤蒸发过程中土壤剖面基质势等有关数据，借助反复迭代修正技术，求得土壤水分特征和非饱和水力传导度。但是该方法属于传统的在实验室中测量非饱和水力传导度的方法，十分耗时，其张力计和土柱重量需要每日测量1～2次。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法，旨在基于地面磁共振方法，能够无损、快速的得出饱和度和水力传导度等水文特性参数，为地下水分运动等过程提供监测数据，。

本发明是这样实现的，

一种基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法,该方法包括如下步骤：

步骤1、利用地面磁共振仪器测量得到多指数弛豫信号e(t)，其表达式：

其中e0为初始振幅，与含水量成正比， 为第n个孔隙大小对应的横向弛豫时间，In为弛豫时间为 的信号所占比例大小，t为时间；

步骤2、利用QT反演方法获得地下每一深度的含水量和横向弛豫时间 谱分布，再对横向弛豫时间 的谱分布进行累加计算，得到横向弛豫时间 的累计谱

步骤3、根据步骤2得到的含水量和横向弛豫时间 谱分布随深度的变化，确定非饱和带和饱和带的分界面；

步骤4、根据饱和带的含水量和横向驰豫时间 得到饱和水力传导度以及根据非饱和带含水和横向驰豫时间的累计谱 得到相对水力传导度，进而得到非饱和水力传导度和有效饱和度。

进一步地，所述饱和带，有效饱和度SE＝1，饱和水力传导度为

其中，υ是密度，g是重力加速度，τ是弧弦比定义的曲率，η是动力粘度，θS是饱和含水量，D是自扩散常数，ρ是表面弛豫，TB是体积水弛豫时间。

进一步地，

根据非饱和带得到相对水力传导度和有效饱和度，包括：

选择VG水分特征曲线模型；

基于地面磁共振信号 累计谱 和VG水分特征曲线模型加权差值建立目标函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法，拟合得到参数θS，θR，α，λ和m的值；其中，θ是孔隙介质含水量，θR是剩余含水量，α是缩放参数，h是压力水头，λ是孔隙分布指数，m＝1-1/λ。

由参数θS，θR，α，λ和m的值，根据式(5)计算非饱和带有效饱和度SE，

根据VG水分特征曲线模型，相对水力传导度为：

其中KU为非饱和水力传导度，KS为饱和水力传导度,计算得到非饱和带水力传导度。

进一步地，VG水分特征曲线模型：

其中，θ(h)是孔隙介质含水量，θR是剩余含水量，α是缩放参数，h是压力水头，λ是孔隙分布指数，m＝1-1/λ。

进一步地，

水分特征曲线等价于累计孔径尺寸分布，得出式(2)水分特征曲线与步骤2得到的 累计谱形态一致， 与h的比例关系：

其中C为比例系数。

进一步地，利用一个水分特征测量点标定地面磁共振信号 与压力水头h间的比例关系，具体如下：

使用压力板装置在压力水头为某一固定值h1时测量有效饱和度SE1，根据式(2)，计算得到孔隙介质含水量θ1

θ1＝(θS-θR)SE1+θR (4)

在步骤2中得到的地面磁共振信号 累计谱 中找到寻找孔隙介质含水量θ1对应的地面磁共振信号

将h1和 代入式(3)，得到比例系数C；

对步骤2中所有 乘以比例系数C得压力水头的值，代入到式(2)中，得到水分特征曲线θ(h)。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明能够非入侵、快速的得出饱和度和水力传导度等水文特性参数，传统的电阻率成像和地质雷达等非入侵地球物理方法只能获得电阻率和介电常数等地球物理信息，在转化为模型可用的水力特征参数过程中，面临着经验公式难以校正和计算结果不确定度高等问题。采用地面磁共振方法，可以准确地得到地下水的含水量和弛豫时间，进而得到饱和度和水力传导度，为地下水分运动等过程提供监测数据，对实现地下水的合理开发和水资源保护具有重要意义。

附图说明

图1为水力特征参数估计方法的流程图；

图2为地面磁共振信号的 谱，和 累计谱；

图3为van Genuchten(VG)水分特征曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法，包括

步骤1、利用地面磁共振仪器测量得到多指数弛豫信号e(t)，其表达式：

其中e0为初始振幅，与含水量成正比， 为第n个孔隙大小对应的横向弛豫时间，In为弛豫时间为 的信号所占比例大小，t为时间；

步骤2、利用QT反演方法获得地下每一深度的含水量和横向弛豫时间 谱分布，再对横向弛豫时间 的谱分布进行累加计算，得到横向弛豫时间 的累计谱

步骤3、根据步骤2得到的含水量和横向弛豫时间 谱分布随深度的变化，确定非饱和带和饱和带的分界面；

步骤4、根据饱和带的含水量和横向驰豫时间 得到饱和水力传导度以及根据非饱和带含水和横向驰豫时间的累计谱 得到相对水力传导度，进而得到非饱和水力传导度和有效饱和度。

其中，在一实施例中，步骤2：利用QT反演方法获得地下每一深度的含水量和横向弛豫时间 谱分布，见图2中黑色实线所示，再对横向弛豫时间 的谱分布进行累加计算，即可得到横向弛豫时间 的累计谱 见图2中灰色虚线，其等价于累计孔径尺寸分布。

对于饱和带，有效饱和度SE＝1，饱和水力传导度为

其中，υ是密度，g是重力加速度，τ是弧弦比定义的曲率，η是动力粘度，θS是饱和含水量，D是自扩散常数，ρ是表面弛豫，TB是体积水弛豫时间。

对于非饱和带，包括：

拟合VG水分特征曲线模型未知参数；

标定地面磁共振信号的横向弛豫时间T2*累计谱和压力水头间比例关系；

得到相对水力传导度和有效饱和度。

其中：选择式(2)所示的van Genuchten(VG)水分特征曲线(见图3黑色实线)模型：

其中，θ是孔隙介质含水量，θR是剩余含水量，α是缩放参数，h是压力水头，λ是孔隙分布指数，m＝1-1/λ。

由毛管势理论可知水分特征曲线等价于累计孔径尺寸分布。因此，可以得出式(2)水分特征曲线与步骤2得到的 累计谱形态一致。而且， 与h存在如下比例关系：

其中C为比例系数。

基于地面磁共振信号 累计谱和VG水分特征曲线模型加权差值建立目标函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法，拟合得到未知参数θS，θR，α，λ和m的值。在一实施例中，计算得到：θS＝0.31cm3/cm3，θR＝0.55cm3/cm3，α＝0.13，λ＝3.2，m＝0.69。

利用一个水分特征测量点标定地面磁共振信号 与压力水头h间的比例关系，具体实现方法如下：

使用压力板装置在压力水头为某一固定值h1时测量有效饱和度SE1，本实施例中，选择h1＝-63cm。根据式(2)，即可计算得到孔隙介质含水量θ1

θ1＝(θS-θR)SE1+θR(4)

在步骤2中得到的地面磁共振信号 累计谱中找到寻找孔隙介质含水量θ1对应的 将h1和 代入式(3)，即得到比例系数C,本实施例中C＝8.2。对步骤2中所有 乘以比例系数C即得压力水头的值，代入到式(2)中，得到水分特征曲线θ(h)，见图3中虚线所示。

根据上述的计算的参数，利用式(5)计算非饱和带有效饱和度SE，

根据van Genuchten(VG)水分特征曲线模型，相对水力传导度为：

其中KU为非饱和水力传导度，KS为饱和水力传导度。因此可以计算得到非饱和带水力传导度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种基于地面磁共振弛豫信号的水力特征参数估计方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。