電阻式凍土自動觀測儀測量原理及實驗分析*

宋樹禮 ， 張 鑫 ， 劉志剛 ， 姚 遠

（1.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250000；2.山東省莒縣氣象局，山東 日照 276500；3.中國氣象局氣象探測中心，北京 100081；4.秦皇島市氣象局，河北 秦皇島 066000；5.沈陽新力新信息技術有限公司，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

我國在新中國成立初期開展了季節性凍土人工觀測技術研究，20 世紀50 年代中期開展了季節性凍土人工觀測。冬季土壤凍結時，在“凍脹”的作用下體積膨大，增加對建筑物的頂托或者擠壓等壓力。夏季融化又出現“融沉”作用，體積減小，地面下沉，造成墻體、柱體撕裂等不良影響。

季節性凍土觀測是我國地面氣象觀測的重要組成部分，已積累多年人工觀測數據，在各行各業中廣泛應用。連續自動的凍土觀測數據能客觀地反映季節性凍土維持時間和凍結層深度，進而表征土壤含水量的高低，對越冬作物產量評估具有重要價值。基于工程穩定性、耐久性及積極性考慮，連續自動的凍土觀測數據為國家大型土木工程的規劃實施、環境評價、生態預測、拓寬氣象服務預警領域提供了重要參考。增強凍土自動觀測能力建設是地面氣象觀測標準化、集約化、自動化、智能化發展的需要，也是現代氣象服務發展的需要，對氣候變化研究、農業生產服務、建筑工程設計等具有重要的意義。

1 凍土的概念

1）定義。《地面氣象觀測規范》（2003 版）明確指出，“凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或以下而呈凍結的狀態”[1]。凍土一般可分為短時凍土（數小時/數日以至半月）、季節凍土（半月至數月）以及多年凍土（又稱永久凍土，指的是持續兩年或兩年以上的凍結不融的土層）。

2）土壤凍結本質。土壤的凍結過程是一種熱物理現象，凍融相態轉換過程保持了水凍融過程的主要特征，土壤凍結的本質是含有水分的土壤的水發生了相變，土壤中不含有水分則凍結相變不能夠發生，水的凍融規律是對土壤綜合因素所賦予的熱傳導作用的客觀反映[2-3]。

2 凍土人工觀測

1）測量原理。我國凍土人工觀測的凍土器通過內管中水的相態變化能間接反映土壤凍融過程，可觀測到土壤的凍結層次和凍結深度。

2）觀測方法。每日的8 時，觀測人員用一只手將注水軟膠管提到地面之上，用另一只手摸測膠管的軟硬程度，根據摸測、感覺到的水體的硬度判定土壤的凍結深度和凍結層次。

3）缺點。人工凍土器內管標有厘米刻度，其軟膠管標尺隨內管水的凍結而伸長或彎曲；特別是凍結深度比較大的地區，提取內管摸測過程中容易產生彎折，破壞原有的自然凍結狀態；人工提取和放置凍土器內管的過程已對凍土器外套管內的溫度環境產生破壞，同時，因觀測人員對膠管軟硬的感知、認知程度不同，同樣影響“凍結”判斷。另外，凍土最大凍結深度出現時間一般在最低氣溫出現時間前后，而最低氣溫出現時間一般在日出前后，《地面氣象觀測規范》（2003 版）規定8 時為全國統一觀測時間，這對我國西部地區來說，容易漏測最大凍結深度。

3 凍土自動觀測

為提高凍土觀測數據質量，促進我國凍土觀測向標準化、集約化、自動化、智能化發展，我國氣象工作者自主研發了電阻式凍土自動觀測儀，經中國氣象局甄選，頒發了專用氣象技術裝備使用許可證，開始在全國進行凍土平行觀測試點。

1）測量原理。電阻式凍土自動觀測儀利用含有導電粒子的水在相變時電導率發生突變的特性，用非純凈水作為感應介質制成感應元件，通過測量水的相變情況反映同層土壤的凍融狀態、凍結層次和凍土上下限深度。

2）測量電路。電阻式凍土儀的測量電路由非純凈水體、感應電極、交流電源和轉換開關等部件構成，電阻式凍土自動觀測儀測量原理如圖1所示。

圖1 電阻式凍土自動觀測儀測量原理圖

測量電路的感應電極是置于水體中1 cm 間隔的水平電極，將感應水體劃分成均等的1 cm 厚度的水柱，以滿足1 cm分辨力的測量指標需求。

測量電路度數轉換開關的作用是自上而下，將測量電路的交流電源順次接入逐厘米層的上下兩個電極，實現對1 cm 厚度層水體電量的分揀。相對來說，電阻法凍土自動觀測測量原理簡單，感應器元器件較少，測量性能穩定。

水的導電性能取決于導電離子的含量，純凈水不含導電離子，其導電能力微乎其微。自然界中的水多數是導電的，原因是水中溶有大量的雜質（導電離子）。自來水在水廠消毒凈水時引入SO42-、Cl-等，增加了帶電離子。因此，這種水都是比較弱的電解質溶液，電解質溶液的導電是依靠正、負兩種離子各自向相反方向遷移以運輸電量的結果。當插入電解質溶液中的兩個電極之間存在電位差時，離子做定向運動，正離子移向負極，負離子移向正極，同時在電極上發生氧化還原反應，只有氧化還原反應不斷進行才能使電路中的電子不斷地做定向運動而導電。水分子屬于較強的極性分子，較容易溶有導電離子，這種分子對其他分子具有較強的吸引力[4-7]。導電離子在測量電路中的電壓、電阻、電流符合以下歐姆定律：

其中，I為兩極間通過的電流強度；V為兩極間的電壓；R電液為電解質溶液電阻；R極化為電極與溶液的界面電阻；R電極為電極內阻。

3）凍結閾值實驗。采用礦泉水作為測量介質，從測試數據中檢索出全部凍融界面的臨近數據，并統計“凍0”數據的最大值和“化0”數據的最小值，凍土自動觀測儀凍融界面測試數據如表1 所示，表中，“凍0”是凍融界面的凍結層，“化0”凍融界面的融化層[8-11]。

表1 凍土自動觀測儀凍融界面測試數據列表

“凍0”數據的最大值為3.95，“化0”數據的最小值為4.17，冗余間隔為0.22；凍土自動觀測儀凍結閾值取為4.0 較合理、可靠，可以確保不同地域凍結層判定有依據。

4 結論

1）電阻式凍土自動觀測儀繼承了我國地面氣象觀測業務中使用的TB1-1 型凍土器測量原理和感應器結構，承襲了TB1-1 型凍土器1 cm 的測量分辨力和2 cm的測量準確度。

2）電阻式凍土自動觀測儀通過縝密的水體凍融相態算法，能準確地反映出冬季土壤的漸凍、漸化過程和土壤凍融規律。

3）電阻式凍土自動觀測儀通過驗證的凍結閾值達到了測量準確度要求，其可替代TB1-1 型凍土器實現凍土自動觀測。