A low-field NMR tool for soil moisture

Sucre, Oscar Elías; Blümich, Bernhard

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-36676

A low-field NMR tool for soil moisture = Ein in niedrigem Feld gebautes NMR-Messgerät für Bodenfeuchtigkeit

Sucre, Oscar Elías

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Oscar Elías Sucre

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang94 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blümich, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-36676
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63078/files/3667.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kernresonanz (Genormte SW) ; Bodenphysik (Genormte SW) ; Instrumentation (Genormte SW) ; Richards-Gleichung (Genormte SW) ; Diffusion (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Teilsättigung (frei) ; Hydraulische Parameter (frei) ; Zerfallszeitanalysis (frei) ; nuclear magnetic resonance (frei) ; soils (frei) ; partial saturation (frei) ; Richards equation (frei) ; hydraulic parameter (frei) ; relaxation analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 92.40.-t

Kurzfassung
Wegen des zunehmenden Bedarfs in Hydrologie nach experiementelle Methoden, die Teilsättigung in Boden nicht-invasiv messen könnten, wurde in dieser Dissertation die Entwicklung eines in niedrigem Feld NMR Detektor unternommen. Basierend auf vorherigen Designs von NMR Geräten wie der NMR-MOUSE und die Bohrlochmessgeräten, wurden zwei Entwürfe sind betrachtet. Folglich wurde eine von denen zur Bau eines zylindrischesförmigen Detektor (SLL tool) genommen. Es wird gezeigt, dass der Detektor in einer gut abgeschirmten experimentellen Anordnung die Teilsättigung von Boden mit einer Ungenaugigkeit von 3% in einer Messzeit von 3 min messen kann. Um die Fähigkeit des Detektors zu beweisen, von der Hydrologie aus bedeutsame Daten zu liefern, wird dieser in zwei experimentellen Versuchen angewandt, die den Modell-Boden FH31 und FH31/W3 entsprechend enthalten. In diesen Versuchen werden Entwässerung-Experimenten durchgeführt. Messung der Sättigung vor, nach und während der Entwässerung ermöglicht es, die Wasserabfluss unter vorgegeben Randbedingungen nachzufolgen. Die so erfassten Daten werden unter Berücksichtigung des Van Genuchten-Muallem Modelles für die hydraulische Durchlässigkeit des Boden und der Richards-Gleichung für Wasserströmung in teilgesättigten porösen Media analysiert. Aus der Ergebnissen dieser Analyse stehen die hydraulischen Parameter des Boden fest. Zusammen mit den Daten, die aus dem Modell-Boden in hydraulischem Gleichgewicht aufgenommen wurden, wird gezeigt, dass die zerfallende NMR Signale, wenn sie durch ein Inverse Laplace Discreet Transformation analyisiert werden, dazu dienen, die Prozesse, denen das Wasser bei abnehmender Sättigung unterlegen ist, auszubilden. Der Detektor ist deswegen in der Lage, nicht nur Wassergehalt zu messen sondern auch Daten zu liefern, die mit den mikroskopischen Bedingungen des in Boden gelagerten Wasser verbunden sind. Als letzte Anwendung wurde der Detektor in einem Feldgelände in Selhausen bei Düren, Deutschland eingesetzt, um die Sättigung im Feld zu messen. Einige Maßnahmen wurden zur Reduzierung des Einflusse des äusserlichen Rauschs auf den Messwerten umgesetzt, um die Messung in diesem Fall machbar zu machen. So wurden Sättigungsprofile ab einer Tief von 1.2 m während einer wochenlangen Messkampagne gewonnen.

Due to the increasing need in hydrology for techniques which could measure partial saturation of soils in a non-invasive way, the development of a low-field NMR sensor has been undertaken in this dissertation. Based on prior designs of low-field NMR instruments like the NMR-MOUSE and the well logging tools, two conceptual designs has been evaluated. One of these designs was chosen for construction of a cylindrical sensor labelled the Slim-Line Logging (SLL) Tool. It is shown that, in a well shielded experimental setup, the SLL tool can reliably measure partial saturation of soils with a uncertainty of 3% in a measurement time of 3 min. To demonstrate its capability to supply data of hydraulic interest, the SLL tool is deployed in two experimental setups, which respectively contain the model soils FH31 and FH31/W3. In these setups a One-Step Outflow (OSO) experiment is performed. Measurement of the saturation before, during and after the OSO experiment permits to follow the dynamic of flow in the model soil under known boundary conditions. Therefore, the obtained data could be analyzed using the Van Genuchten-Muallem model for the soil hydraulic conductivity and the Richard equation for the water flow in partially saturated media. The result of this analysis is the determination of the hydraulic parameters of the soil. Furthermore, with data acquired from the model soils in hydraulic equilibrium, it is demonstrated that the whole decay of the NMR signal, analyzed through the Inverse Discreet Laplace (ILD) transformation, also helps to form a picture of the processes the water is subjected to when the saturation decreases. Therefore, the sensor is not only capable of measuring water content but also to provide data related to the microscopicalconditions under which the water is retained in the soil. As a final application the sensor was deployed also in the test site Selhausen, Germany to measure the saturation on-field. To make the measurement feasible some provisions were made to decrease the influence of external noise on the final measurement. Profiles of saturation in depth up to 1.20 mt were made during aweek-long measurement campaign.

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