興安盟地區(qū)土壤電阻率測(cè)試及其規(guī)律分析

李洪偉 曹曉蒙 徐佳陽(yáng)

摘要：對(duì)興安盟不同類型土壤采用溫納法進(jìn)行土壤電阻率測(cè)量，分析歸納了興安盟固定地點(diǎn)土壤電阻率的變化規(guī)律，以及土壤電阻率同各氣象要素的相關(guān)關(guān)系和土壤電阻率的月變化規(guī)律，對(duì)防雷規(guī)范給出的土壤電阻率表進(jìn)行了本地化補(bǔ)充完善，為興安盟開展雷電災(zāi)害防御具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：土壤電阻率； 測(cè)試；規(guī)律

1.引言

土壤電阻率是防雷工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是估算接地電阻、地面電位梯度、跨步電壓、接觸電壓，計(jì)算相鄰近的電力線路和通信線路間電感耦合的重要的參數(shù)之一，是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、分析雷電災(zāi)害事故的重要因子。本文用溫納（Wenner）法對(duì)興安盟地區(qū)不同類型土壤的土壤電阻率進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，獲得了土壤電阻率的初步變化規(guī)律。

2.選擇土壤類型確定實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

選擇具有代表性的土壤類型是確立本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的前提，同時(shí)選擇相對(duì)穩(wěn)定，不受農(nóng)業(yè)耕作、灌溉等影響，地表相對(duì)平坦，土層除自然因素外，沒有人為影響的測(cè)量實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)也非常重要。此前對(duì)烏蘭浩特的土壤分析結(jié)合了烏市農(nóng)業(yè)局土肥站提供的土壤相關(guān)數(shù)據(jù)信息選定了具體實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，但此次我們又與土勘院合作，根據(jù)土勘院所提供的數(shù)據(jù)選定了烏蘭浩特、突泉、科右中旗、科右扎旗、科右前旗、阿爾山這6個(gè)地區(qū)中的18個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（每個(gè)地區(qū)3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)），進(jìn)行了1年的連續(xù)測(cè)量（每年12月至來(lái)年4月份興安盟地區(qū)基本上無(wú)雷電現(xiàn)象，并且由于土壤上凍測(cè)試儀器對(duì)土壤電阻率測(cè)試也不準(zhǔn)確，對(duì)我盟雷電災(zāi)害防御工作的意義不大，故這四個(gè)月的數(shù)據(jù)只做參考）。土勘院所提供的數(shù)據(jù)與土肥站所提供的數(shù)據(jù)比較起來(lái)更權(quán)威更準(zhǔn)確，土肥站所提供的土壤數(shù)據(jù)只集中在距地面15公分深度的土壤，而土勘院的數(shù)據(jù)則來(lái)自地表下更深的土壤，所以對(duì)于本次研究的深入有極其重要的意義。

3.對(duì)比不同類型土壤進(jìn)行土壤電阻率分析

土壤電阻率受很多客觀因素影響，為了使測(cè)量的數(shù)據(jù)具有相對(duì)可比較性，將同一地塊、相同電極間距、2014年5月至2014年11月份采集的數(shù)據(jù)做平均值處理。在最大電極間距20米范圍內(nèi)，科右中旗砂石土（中陽(yáng)農(nóng)業(yè)測(cè)試點(diǎn)）土壤電阻率最大值為467.2Ω·m，比突泉黑土（污水廠測(cè)試點(diǎn)）土壤電阻率最大值38.9Ω·m高近12倍。科右中旗砂石土壤電阻率最小值225Ω·m比突泉黑土土壤電阻率最小值15.3Ω·m高近15，比突泉黑土土壤電阻率最大值還高近6倍。從總體上來(lái)看科右中旗所有測(cè)試點(diǎn)的平均值均高于其他測(cè)試點(diǎn)平均值，究其最主要原因還是土壤類型不同導(dǎo)致。中旗砂石土屬于高土壤電阻率土壤，黑土為所有土壤類型中土壤電阻率最低類型土壤，這也就是為什么我盟在雷電防護(hù)方面特別指出如果建筑物接地電阻值過(guò)大必須換黑土的原因。土壤電阻率大小排序：中旗>扎旗>阿爾山>烏蘭浩特>前旗>突泉。

4.土壤電阻率隨時(shí)間的變化的相應(yīng)對(duì)比

土壤電阻率不僅隨著土壤類型的變化而變化，而且也隨著被測(cè)量土壤的濕度、溫度的不同而不同，主要表現(xiàn)在相同地塊不同時(shí)間測(cè)量的結(jié)果是不同的。

通過(guò)實(shí)際測(cè)量對(duì)比，每個(gè)地點(diǎn)不同時(shí)間測(cè)得的土壤電阻率曲線變化趨勢(shì)基本相同。18個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)在7、8月份基本都會(huì)達(dá)到土壤電阻率的最低值，而溫度偏低降雨量偏少的其它月份土壤電阻率會(huì)偏高。扎旗土壤在6、7、8、9的數(shù)據(jù)變化最為強(qiáng)烈，而其它幾塊土壤電阻率變化情況相對(duì)舒緩。土壤中所含水的多少和孔隙水電阻率的高、低是土壤電阻率最重要的兩個(gè)因素。孔隙水電阻率取決于水中游離的離子、電子的多少，扎旗土壤成分中可溶性離子成分較多，而離子在溫度達(dá)到20-30℃時(shí)溶解性最好、濃度最高，6、7、8、9月又是土壤含水量相對(duì)充沛的季節(jié)，所以導(dǎo)致扎旗土壤電阻率的強(qiáng)烈變化。

5、土壤電阻率同氣象要素的關(guān)系分析

防雷接地網(wǎng)一般都埋在地下，土壤會(huì)受到降水、氣溫、濕度等氣象因素的影響，接地網(wǎng)也會(huì)直接受到所埋對(duì)應(yīng)深度土壤溫度、溫度等的影響，在北方冬季還會(huì)受到凍土的影響。

（1）土壤電阻率隨降水量變化的關(guān)系分析

土壤電阻率與降水量的變化關(guān)系也就是土壤電阻率與土壤含水量的變化關(guān)系，我們粗略得認(rèn)為降水量大時(shí)土壤含水量就高，降水量小時(shí)土壤含水量就低。土壤電阻率與含水量之間的關(guān)系最早應(yīng)用于石油勘探領(lǐng)域。土壤電阻率主要取決于土壤中的含水量以及這種水的電阻率。絕對(duì)干燥的土壤電阻率可以認(rèn)為接近無(wú)窮大；含水量增加到15%左右時(shí)，土壤電阻率顯著降低；繼續(xù)增加水分直到75%左右時(shí)，電阻率改變很小；當(dāng)含水量超過(guò)75%時(shí)，土壤電阻率反而增加。含水量對(duì)土壤電阻率的影響，不僅隨土壤的種類不同有所不同，而且與所含的水質(zhì)也有關(guān)系。如在電阻率較低的土壤中加入較純凈的水后，會(huì)增加土壤電阻率。此外，不少學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)展開土壤體積含水量與電阻率相關(guān)性的研究工作。土壤主要靠離子來(lái)導(dǎo)電，干燥的土壤和巖石則近似電絕緣體。只有在土壤中含有足夠量的水，填充孔穴形成導(dǎo)電通路的條件下，土壤才具有導(dǎo)電性。含水量較小時(shí)，由于土壤空穴大多為空氣填充，有效的電解液通道截面積相對(duì)較小，通過(guò)土壤溶液導(dǎo)電的阻力較大，此時(shí)土壤導(dǎo)電主要是通過(guò)離子在土壤溶液中的導(dǎo)電和土壤顆粒表面導(dǎo)電共同實(shí)現(xiàn)。當(dāng)含水量增加后，水分填充了土壤顆粒間的大部分空穴，形成了有效的液態(tài)導(dǎo)電通道，此時(shí)土壤導(dǎo)電主要是通過(guò)離子在土壤溶液中導(dǎo)電來(lái)實(shí)現(xiàn)。含水量增加，一方面增加了液態(tài)導(dǎo)電通道截面，孔隙水連通性得到改善，降低了土壤溶液薪度，增加了土壤導(dǎo)電能力，土壤電阻率降低當(dāng)含水量超過(guò)一定值后，土壤孔隙的連通性己達(dá)較好狀態(tài)，土壤含水量的繼續(xù)增加對(duì)孔隙水的連通性的影響不大，因此電阻率隨含水量的繼續(xù)增加而減小緩慢。另一方面，由于土壤溶液中離子濃度隨含水量增加而降低，當(dāng)土壤含水量接近飽和時(shí)，其電阻率反而會(huì)增加。為此，用深度1.0m、電極間距5.0m土壤電阻率計(jì)算了同降水量、1.0m深地溫、1.0m深土壤濕度、凍土厚度、地面空氣溫度的相關(guān)關(guān)系。實(shí)測(cè)結(jié)果表明凍土對(duì)土壤電阻率的正關(guān)系影響最大，而1.0m深土壤地溫反關(guān)系最大。降水對(duì)1.0m深土壤電阻率的影響還是比較明顯的，但在土壤表面水分接近飽和狀態(tài)，降水影響則很小，以中旗為例，5、6、8月降水量最大，7、9月降水量最少，與測(cè)量的土壤電阻率大小的變化規(guī)律吻合。扎旗最大降水量出現(xiàn)在7月，而最低土壤電阻率也出現(xiàn)在7月份。

（2）土壤電阻率隨地溫變化的關(guān)系分析

土壤溫度對(duì)土壤電阻率的影響也較大。由于離子的激發(fā)性隨著溫度升高而增強(qiáng)，因此，土壤電阻率隨溫度的升高而下降。通常情況下土壤溫度每升高1℃，土壤電阻率將提高約2%；在0℃時(shí)土壤由于水份凍結(jié)而使電阻率迅速增加，因此，一般都將接地極放在冰凍層以下，以避免產(chǎn)生很高的流散電阻，通常最少埋深為0.5 m（北方地區(qū)應(yīng)為當(dāng)?shù)貎鐾翆右韵聻橐耍囟茸?℃繼續(xù)上升時(shí)，由于溶解鹽的作用，電阻率逐漸減小；溫度達(dá)到100℃時(shí)，由于士壤中的水分蒸發(fā)，電阻率又增高。土壤電阻率這些特性在接地裝置設(shè)計(jì)中有著重要的實(shí)際應(yīng)用意義。在一年之中，同一地方，由于氣溫和大氣的變化，受一定的氣象因素影響，土壤中含水量和溫度都不相同，因此土壤電阻率也不斷的變化，其中以表土最為顯著。溫度是影響土壤電化學(xué)電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的重要參數(shù)。土壤溫度升高能夠加快電極表面和土壤溶液中離子的擴(kuò)散過(guò)程土壤中的水可以看作電解液，電解液的粘度隨溫度變化，粘度變化直接影響離子遷移率，因此土壤中水的電阻率隨溫度變化，因此導(dǎo)致整個(gè)土體電阻率隨之變化。土壤電阻率隨溫度的上升而降低，主要是因?yàn)橥寥揽紫端恼硿噪S溫度的上升而減小從而導(dǎo)致了離子的遷移率增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)孔隙水的離解度隨著溫度升高而增大，從而使孔隙水的礦化度增大，因此電阻率降低。一般土壤溫度每增加1℃，電阻率減少2%。

6 、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）不同類型土壤的土壤電阻率不同，扎旗，非常有利于建筑物的雷電防護(hù)。（2）同一地點(diǎn)的不同時(shí)間測(cè)得的土壤電阻率的值不同，但變化趨勢(shì)基本相同，從夏季向冬季逐漸增大，從冬季向夏季逐漸降低，7月份最低，2月份最高，2月份土壤電阻率平均值是7月份的8.4倍。（3）地下深度1.0m、電極間距5.0m的土壤電阻率同降水、1.0m深土壤地溫和1.0m深土壤地溫、凍土厚度和地面空氣溫度的相關(guān)均為反比關(guān)系，1.0m深土壤地溫、凍土厚度和地面空氣溫度相關(guān)系數(shù)非常顯著。（4）根據(jù)不同類型土壤電阻率變化規(guī)律，對(duì)防雷規(guī)范給出的土壤電阻率參數(shù)可進(jìn)行本地化補(bǔ)充完善。在防雷工程設(shè)計(jì)中，可在雷暴初日、終日歷史極值之間查算出土壤電阻率的最大值，或計(jì)算出需要乘以的倍數(shù)，來(lái)設(shè)計(jì)防雷接地網(wǎng)，比防雷規(guī)范給出的土壤電阻率參數(shù)更直接、更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際。