基于近紅外光譜技術的凍土未凍水含量分析研究★

李明寶 于司杭* 閻夢晴 鄭 憲

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

基于近紅外光譜技術的凍土未凍水含量分析研究★

李明寶 于司杭* 閻夢晴 鄭 憲

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

簡述了凍土的含義，對引入近紅外光譜技術對凍土中的未凍水含量進行測量的方法作了介紹，并與傳統測定方法進行了對比試驗，結果表明近紅外光譜技術可以準確的測量出凍土中的未凍水含量，凍土中的未凍水含量在-10 ℃時與初始含水量關系不大，都趨于同一數值。

凍土，未凍水，近紅外光譜技術

1 概述

凍土指的是溫度處在0 ℃以下，且內部有冰晶體存在的巖石或者土壤。地球表面分布有大量的這種低溫質體——凍土，并且在其區域范圍內蘊藏有豐富的礦物、森林及土地資源，所以凍土的存在及演變過程對人類的生產、生存環境和未來的可持續發展具有深遠的影響意義。經過前期研究人員的探究發現，凍土是由土顆粒、冰、未凍水和氣體組成的一種多相復雜體系。并且，凍土中這些物質復雜相態的不同組合將會給工程實踐帶來巨大的影響[1]。

土體凍結時，所有的水不是都以冰晶體的形式存在，還有少量是以液態水的形式存在，其原因是土粒表面的吸附作用和毛細作用使部分水保持在未凍成冰晶的液體狀態，即并非所有的初始液態水最后都全以冰晶體的形式存在，凍土中始終保留著部分液相水，我們稱之為未凍水[2]，凍土中水分遷移的主要成分就是未凍水。土體在凍融過程中，未凍水沿著土中溫度梯度發生遷移，其含量的變化將會引起土中熱量轉化的變化和物質的遷移，將使凍土中所有成分的位置重新分布[3]。所以，研究凍土中的未凍水對于凍土這一特殊土體的研究具有非常重要的理論和現實意義，也將會為實際的生產、生活提供重要的科學依據。

2 凍土中未凍水含量測定方法簡介

自凍土中存在未凍水這一課題提出以后，引發了國內外眾多學者在此研究領域的深入探索并開展了一系列的相關測試和理論研究。研究手段有最初發明的量熱法、脈沖核磁共振法、時域反射法和近紅外光譜法等等。

量熱法[5]是早期一種估算凍土未凍水含量的經典方法，其原理是：首先將凍土樣本放置在一個精密的量熱儀中，發生熱交換，當水的溫度與樣本的溫度相同時，根據能量守恒定律，將可以計算冰融化時放出的潛熱，從而估算出未凍水的含量。該方法通過設計實驗，可以測定土樣任一含水量任一負溫條件下的未凍水含量，計算公式如下：

其中，Ccw為量熱水的比熱，calg-1℃-1；Cd為干土的比熱，calg-1℃-1；Cuw為土壤中水的比熱，calg-1℃-1；Wcw為量熱水的質量，g；Ws為干土的質量，g；Ww為土壤中冰水混合物的質量，g；Wc為試樣杯的質量，g；Wp為硝基漆的質量，g；K為量熱儀器常數，cal℃-1；t0′為量熱水的初始溫度，℃；tn′為修正后的量熱水平均溫度，℃；ts為凍土樣本的初始溫度，℃。該方法適合在實驗室環境下測定凍土未凍水含量，其測量精度主要取決于儀器的精密程度、試驗操作過程的嚴謹性，雖然成本相對較低，但耗時，試驗操作和計算比較繁瑣。

脈沖核磁共振法(NMR)[7]是1978年,Tice等最先提出的能夠準確測定凍土中未凍水含量的方法。與其他方法相比，NMR法具有較高的測量精度[8,9]，可以在實驗室環境下對其他測定方法進行改進與修正[10]。然而，由于脈沖核磁共振法分析儀體積過于龐大、價格十分昂貴，且安裝與使用非常復雜，使其應用范圍只能局限于實驗室，無法廣泛使用。

時域反射法(TDR)[4],由于介電常數與土中的液態水存在函數關系，所以測定出介電常數的值，從而得到土壤的含水率。此方法有著操作簡單，不受實驗場地限制等優點，但需配合核磁共振法共同測量，所以有一定的局限性。

上述方法雖然在精度和操作方法上占有一定的優勢但其普遍存在設備昂貴、專業技術要求高、測試周期過長等缺點。本文將提供一種全新的技術手段——近紅外光譜技術來解決現階段對凍土未凍水含量測量上的諸多問題。

3 近紅外光譜技術簡介及測試原理

3.1 近紅外光譜技術簡介

近紅外光譜技術是一種快速、無損的檢測方法，不僅能夠做定性的分析，還可以做定量的分析，非常適合在線的實時檢測，所以廣泛將其應用于各個領域[11]。早在20世紀的60年代，近紅外光譜技術就應用于土壤水分的測量中，Bowers和Hanks[12]在進行實驗時對土壤進行光譜觀測，發現隨土壤中含水量的不斷增加，在400nm～2 500nm波段內的光譜反射率反而整體下降。隨后許多學者也得到了同樣的結論。隨后的研究也證明，物質中的液態水對近紅外光譜的特定波長有著強烈的吸收作用，土壤水分的吸收波長為1 400nm，1 900nm和2 200nm，其中對1 900nm波長吸收最為強烈，同時，對1 800nm波長的光有微弱的吸收作用。根據這一特性，一些學者對近紅外光譜技術在測土壤含水量的應用也逐步深入，但對其在凍土未凍水含量中的應用，鮮有問津。因此，本文將引入近紅外光譜技術對凍土的未凍水含量進行測量，此方法將能達到方便快捷、數據精準等工程和技術方面的要求，且近紅外光譜分析技術能實現物質成分的定量測量，且測量速度較快、無需與樣品直接接觸并可重復測量，該技術能夠提供出較為準確的凍土未凍水含量數據，從而確定凍土的物理力學指標，為凍土的未凍水含量的檢測提供科學資料。

3.2 近紅外光譜技術測定凍土未凍水含量基本原理

近紅外光是指波長在800nm～2 500nm，介于可見光區與中紅外光區之間的電磁波，如圖1所示。近紅外光譜分析技術則是根據樣品的光譜信息進行定性、定量分析的一種新型分析方法。

近紅外光譜土壤水分測量技術是根據土壤中的液態水對光波有吸收的作用這一原理進行測量，是將近紅外波段中水分可以吸收波段的光投射到凍土上，隨后凍土中的未凍水對這一波長的能量進行吸收，沒有被吸收的則被反射回來，通過對反射回來的能量進行測量，可以對土壤吸收了多少能量進行計算，從而間接的得到凍土未凍水含量的多少。

漫反射定律是近紅外光譜分析中最基本的分析定律，是近紅外光譜分析的理論基礎。漫反射的過程中，光能深入土壤的內部，并經過多次的反射、折射、衍射和吸收過程，從而可以獲得對土壤更敏感的信號。

3.3 試驗儀器原理

本文利用美國Thorlabs公司的S122C傳感器和DFB激光器組成的近紅外光譜檢測儀，其獲得的信號是被測土樣樣品的反射光譜。該儀器的近紅外波譜范圍是900nm～2 500nm。此檢測儀分為兩部分——光電檢測系統和信號處理裝置。其原理見圖2。

其簡要工作原理為：光源發出近紅外光線，經過分光系統被分為兩束光路。外光路直接與凍土樣本進行作用，一部分被吸收，一部分被反射。通過探測器和信號采集器得到數據，并顯示于顯示器上。

4 試驗結果分析

4.1 傳統方法試驗結果

傳統方法測量凍土中未凍水含量的方法為：采集凍土樣本，將凍土樣本在加熱箱中加熱從而提供不同的溫度條件，通過埋在樣本中的水分傳感器和溫度傳感器檢測這兩個轉換過程中的未凍水含量和溫度的變化情況，經下位機數據采集終端處理發送至計算機，得出不同的溫度下對應的凍土中未凍水的含量[13]。上述方法試驗結果如圖3所示。

4.2 近紅外光譜法試驗結果分析

試驗中所用的土取自東北林業大學林場，不考慮土壤的土質，均取自地下50cm處。與4.1所述的試驗取自同一地區。共采集40個樣本，分為四組，每組的含水率分別控制在23%，18%，15%，13%，將樣本在-10 ℃～-1 ℃之間這10個溫度下放入近紅外光譜儀中，檢測其在當前溫度下的未凍水含量，這樣就得到了40組分別在-10 ℃～-1 ℃之間所對應的未凍水含量，圖4即為測量凍土樣本得到的未凍水含量與溫度之間的關系。

4.3 試驗結果分析

1)由上述兩種試驗方法所得到的結果分析，兩個試驗所得到的結果相似，由于取自同一地區的同一土壤，初始試驗條件相同，所以可以得出，近紅外光譜法所得到的凍土未凍水含量是準確的。2)近紅外光譜技術與傳統方法相比，更為快速并且便捷，在未來的研究中可以應用于現場試驗而不單單局限于室內試驗。3)從兩種方法所得到的數據可以知道，樣本凍土的未凍水含量在-5 ℃～-2 ℃之間隨溫度下降近乎直線下降，當溫度小于-5 ℃后則會變成緩慢下降。在-10 ℃時，凍土的未凍水含量與初始含水量關系不大，都趨于同一數值。

5 結語

1)通過凍土未凍水含量難以測得這一突破口，對現有凍土未凍水含量檢測方法進行研究，并根據近紅外光譜技術對水的特有性質，提出近紅外光譜法測量凍土中未凍水含量的方法。2)通過與先前研究人員的試驗對比，驗證了本文提出的近紅外光譜技術的可行性，并得到，隨溫度的降低，凍土中的未凍水最終會趨于一致，這與凍土的初始含水量沒有關系。3)凍土中未凍水的含量一直是工程中的測量難點，通過本文中介紹的近紅外光譜技術可以直觀、準確、便捷的測量出其數值，并可根據凍土中未凍水的含量通過建立模型進一步估算出凍土中的含冰量，此數值的準確估算也將會對工程建設帶來巨大收益。

[1]ANDERSLANDOB,LADANYIB.Anintroductiontofrozengroundengineering[M].NewYork:JohnWiley&Sons,1994.

[2]Baker,J.M.WaterRelationsinFrozenSoir’,EncyclopediaofSoilScience,2006(1)：1858-1859.

[3] 冷毅飛,張喜發,楊鳳學,等.凍土未凍水含量的量熱法試驗研究[J].巖土力學,2010,31(12):3758-3764.

[4] KUNIO WATANABE. Measurement of unfrozen watercontent and relative permittivity of frozen unsaturated soilusing NMR and TDR[J].Cold Regions Science and Technology,2009(59):34-41.

[5] [蘇]馬祖羅夫Γ Π.凍土物理力學性質[M].梁惠生,伍期建，譯.北京:煤炭工業出版社，1980.

[6] ANDERSON D M,PUSH R,PENNER E. Physical and thermal properties of frozen ground[C].Geotechnical Engineering for Cold Regions.Ottawa:McGraw-Hill Company,1978.

[7] Tice,A.R.,Burrous,C.M.,Anderson,D.M..Determination of unfrozen water in frozen soil bypulsed nuclear magnetic resonance.Proceedings,Third International Conferenceon Permafrost. Ottawa:National Research Council of Canada,1978：149-155.

[8] Turov,V.V.,Leboda,R..Application of NMR spectroscopy method for determination of characteristics of thin layers of water adsorbed on the surface of dispersed and porous adsorbents.Advances in Colloid and Interface Science,1999(79):173-211.

[9] Watanabe,K.,Mizoguchi,M..Amount of unfrozen water in frozen porous media saturated with solution[J]. Cold Regions Seience and Technology,2002(34):103-110.

[10] Watanabe,K.,Wake,T..Measurement of unfrozen water content and relative permittivity of frozen unsaturated soil using NMR and TOR[J].Cold Regions Science and Technology,2009(59):34-41.

[11] 陳 禎.基于近紅外光譜分析的土壤水分信息的提取與處理[D].武漢：華中科技大學,2010.

[12] BowersSA,HanksRJ.Reflection of Rediant Energy from Soil[J].Soil Science,1965(100):130-138.

[13] 閆久陽.凍土的水分測量及含冰量估計方法的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2015.

The analysis of unfrozen water in frozen soil by near infrared spectroscopy★

Li Mingbao Yu Sihang* Yan Mengqing Zheng Xian

(SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper introduces the definition of the frozen soil, indicates the measurement of the unfrozen water in the frozen soil by introducing the near infrared spectroscopy technique, undertakes the comparative test with the traditional measurement, and proves by the result that the technique can accurately measure the unfrozen water and the water content at minus 10 Celsius degree has little relationship with the primitive water content, so it tends to the same data.

frozen soil, unfrozen water, near infrared spectroscopy

1009-6825(2015)32-0061-03

2015-09-08★：國家林業局948項目(項目編號：2013-4-58)；哈爾濱市優秀學科帶頭人基金(項目編號：2013RFXXJ033)

李明寶(1969- )，男，教授； 閻夢晴(1990- )，女，在讀碩士； 鄭 憲(1992- )，女，在讀碩士

于司杭(1989- )，女，在讀碩士

TU445

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