長沙地區土壤電阻率與氣象因素關聯性研究

劉鳳姣 粟鍇 劉艷清 楊加艷

摘要 土壤的真實電阻率與土壤的性質、含水量及溫度有密切的聯系，氣象因素對土壤的含水量和溫度有直接影響。為探討氣象因素對土壤電阻率的影響，研究降水量月變化與土壤電阻率變化的關系，本文在2個試驗場開展了試驗。結果表明，土壤電阻率與各月降水量有較強的關聯性，而降水量對土壤電阻率的影響大小與土壤是否突破含水量“臨界值”有關，即在土壤含水量未飽和狀態下，降水量越大，土壤電阻率越低，而在土壤含水量飽和狀態下，降水量越大，則土壤電阻率越高。

關鍵詞 氣象因素；土壤電阻率；月降水量；湖南長沙

中圖分類號 S153 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）21-0169-03

土壤的電導特效是土壤固有的物理屬性，主要是由土壤自身的化學成分所決定的。土壤電阻率特性研究在防雷接地工程、地下金屬管道的防腐工程、精細農業以及礦產勘探等方面廣泛應用。在固定區域中，能影響土壤電阻率的因素主要包括人為因素和自然因素。其中，人為因素包括改變土壤結構、成分以及含水量等，自然因素主要包括溫度、降水、日照長短及蒸發量等氣象因素。在接地工程中，為了得到最準確的土壤電阻率值，往往需要進行一段時間的連續測量，利用不同換算系數進行修訂，求得最接近于理論和實際的擬合值。目前，國內對氣象因素對土壤電阻率影響的認識大多停留在定性方面，但也有包括重慶在內的部分省、市進行了長期研究分析[1-4]，得出了當地氣象條件下的土壤電阻率變化趨勢。本項目選擇溫納四極法，對長沙市麓谷公園和洋湖濕地公園2個試驗場的土壤電阻率進行了2年的跟蹤測試，主要從季節變化和溫度變化2個方面定量分析了季節、溫度變化對土壤電阻率的影響特性。

1 研究材料與方法

1.1 資料來源

溫度數據采用長沙市氣候觀測資料，保障了數據的可靠性。降水量數據來自于長沙市氣象局氣象觀測資料。

1.2 試驗方法

在野外設置2個試驗場，試驗場分別位于麓谷公園的小山丘和洋湖濕地公園的人工湖邊，通過跟蹤觀測，研究在地質條件確定的情況下土壤電阻率隨季節的變化規律。土壤電阻率的變化主要與土壤溫度有關，而土壤溫度與空氣溫度有一定的對應關系[5-6]。研究季節變化對土壤電阻率的影響，分析長沙市氣候環境下土壤電阻率及接地電阻的季節修正值，能更好地為防雷檢測工作服務。

在2個試驗場分別每隔5 m插入1根長度20 cm、直徑12 mm的熱鍍鋅圓鋼（共4根）作為固定測試點，保障了每次測量數據不受測試電極與土壤接觸緊密度影響。每隔15 d，利用溫納四極法進行測試，每次測量3～5組數據，取其中3組變化較小數據的平均值作為該次測量結果。

1.3 測定內容與方法

2013年3月至2015年12月，共計34個月，每月進行2次測試，每個試驗場68組數據；每組數據包括土壤電阻率、當月月份以及當月降水量，其中月份能夠在一定程度上代表當月平均氣溫，同時也能在一定程度上反映降水量、蒸發量等因子的綜合值。

土壤電阻率數據采用KD2571BV現場測量，測量方法為溫納四極法，測量電極間距為5 m，電極深度為20 cm，每15 d進行1次測試，實際測試日期與設定值前后不超過3 d。

1.4 算法

對于2個現象相互聯系的關系判定，主要分為函數關系和相關關系。在樣本較多的情況下，一般無法確定非常吻合的函數關系，故在數理分析中一般用相關性來進行分析，即主要是對現象之間相互關系的方向和程度進行分析。主要內容包括：確定現象之間是否存在相關關系及相關關系的表現形式；確定相關關系的密切程度、確定相關關系的數學表達式，即回歸方程式；檢驗估計值的誤差。在對土壤電阻率與月份、土壤電阻率與降水的分析中，采用二次方程判定系數R2作為判定現象相關性的因子。因為如果采用一次方程，其相關系數R值普遍在0.5以下，表現為弱相關或中等相關，而采用二次方程的R2，則部分分析結果表現為中等相關或強相關，更有說服性。其算法采用計算機Excel進行擬合，用線性方程求解。

2 結果與分析

2.1 土壤電阻率與溫度關聯性分析

將2個試驗場的土壤電阻率測試值與溫度的關聯數據組制成直角坐標系（圖1、2）。可以看出，2個試驗場的電阻率與溫度都成正相關，即溫度上升，土壤電阻率也上升，但離散型比較大，且氣溫越高，離散型越顯著。從相關系數分析來看，土壤電阻率與氣溫簡單相關系數都遠低于50%，麓谷公園、洋湖濕地公園R2分別為0.150 22、0.019 44，故認為土壤電阻率在長沙市非凍土地質條件下與氣溫并無明顯相關性，可以將其忽略。

從土壤導電原理分析，當氣溫高時，則大氣與土壤的熱量交換有利于土壤增溫，一方面土壤中離子活性增強，土壤的導電性提高而使土壤電阻率降低；另一方面土壤中的水分蒸發，土壤電解質溶劑減少，土壤的導電性降低而使土壤電阻率提高。長沙市屬于亞熱帶季風氣候區，夏季溫度高，土壤水分蒸發快，如果測量日期選在夏季雨后，則會達到最小測量值；如果長時間干旱，則測得的土壤電阻率會達到較高水平；而長沙市冬季常出現陰雨綿綿的天氣，大氣補充到土壤的水分較少，但同時蒸發量也少，導致土壤具有較高的含水量，此時土壤電阻率會達到較低水平。

2.2 土壤電阻率與月份的關聯性分析

2.2.1 麓谷公園試驗場。將麓谷公園試驗場2013—2015年各年份以及3年平均的土壤電阻率測試值與溫度的關聯數據組制成直角坐標系（圖3）。

從2013—2015年3年的麓谷公園試驗場土壤電阻率月變化趨勢看，2013年土壤電阻率呈現下降趨勢，且R2達到了0.617 42，表明其具有一定的相關性；而2014年和2015年土壤電阻率呈現上升趨勢，且R2分別達到了0.576 85和0.553 30，其擬合度也有一定的參考價值。而從3年的平均土壤電阻率變化可以看出，土壤電阻率1—8月呈現遞增趨勢，8—12月逐漸下降，但總體上仍呈現出上升趨勢，其R2為0.418 6。

2.2.2 洋湖濕地公園試驗場。將洋湖濕地公園試驗場2013—2015年各年份以及3年平均的土壤電阻率測試值與溫度的關聯數據組制成直角坐標系（圖4）。

從2013—2015年這3年的洋湖濕地公園試驗場土壤電阻率月變化趨勢看，2013年土壤電阻率呈現下降趨勢，且R2僅為0.292 4，基本不具備相關性；而2014年和2015年土壤電阻率呈現上升趨勢，且R2分別為0.648 56和0.406 76，其中2014年有較高的參考價值。從3年的平均土壤電阻率變化可以看出，土壤電阻率1—8月呈現遞增趨勢，8—12月逐漸下降，但下降趨勢不大，總體上仍呈現出上升趨勢，其R2為0.669 72。

通過對比2個試驗場3年平均土壤電阻率數據可以得出，土壤電阻率變化呈現不明顯的單峰趨勢，即每年長沙市溫度最高的8月土壤電阻率達到峰值，而每年氣溫最低的1月和2月土壤電阻率最低。

2.3 土壤電阻率與降水的關聯性分析

在一般情況下，土壤電阻率的大小主要與土壤的基礎性質、溫度、含水量有關，涉及到的氣象因素則主要有日照時間及降水量。為研究降水量對淺層土壤（厚度5 cm）電阻率的影響，觀測了2013年3月至2015年12月共34個月的土壤電阻率，結合長沙市降水監測資料，繪制了2個試驗場土壤電阻率與月降水量的趨勢對比圖（圖5、6）。

從圖5可以看出，土壤電阻率與月降水量成負相關，即降水量增加時，土壤電阻率降低；反之亦然，這一結果與研究前預計的基本相符。形成這種土壤電阻率變化規律的決定因素是試驗場性質，由于麓谷試驗場位于城市中公園的土丘上，在一般情況下土壤不會積水而導致土壤含水量低，限制了土壤中可移動的帶電離子形成，當降水量增加時，土壤含水量也隨之增加，帶電離子密度增大，使其土壤電阻率降低。

從圖6可以看出，土壤電阻率與月降水量成一定的正相關，即降水量增加時，土壤電阻率也升高；反之亦然，這一結果與研究前預計的結果相反。由于洋湖濕地公園試驗場位于洋湖濕地公園小湖邊一處相對平坦的草地上，土壤含水量較高，在無降水的情況下，其土壤含水量也非常高，因而其土壤電阻率較低。如果當月降水量大，進一步提高了土壤的含水量，可能導致土壤間隙的“離子通道”截面積增大，而在含水量達到一定程度時離子并不會無限增加，導致土壤“離子通道”中電荷密度降低，出現了降水量增加但土壤電阻率反而降低的情況。

降水是影響土壤電阻率的最敏感因素，尤其當前小時降水量對土壤電阻率變化的影響最顯著，隨著降水量時間尺度的增加，其土壤電阻率降低的趨勢減弱，甚至出現升高趨勢，只有適當的降水量才可能使土壤電阻率降至最低。

3 結論與討論

試驗結果表明，在非凍土條件下溫度的變化對土壤電阻率的影響不大。土壤電阻率與月份變化關聯性較好，總體上呈現單峰趨勢。土壤電阻率與降水量的關系受土壤所在位置影響很大，在不可能形成過飽和含水量的山丘上，降水量越大，土壤電阻率越低；與此相反，在容易形成過飽和含水量的濕地上，降水量越大，土壤電阻率越高。

4 參考文獻

[1] 曹曉斌，吳廣寧，付龍海，等.溫度對土壤電阻率影響的研究[J].電工技術學報，2007，22（9）：1-6.

[2] 孫為民，何金良，曾嶸，等.季節因素對發變電站地表高阻層安全效果的影響[J].中國電力，2000，33（1）：62-64.

[3] 何金良，曾嶸，高延慶，等.冰凍季節對發變電站接地系統安全性能的影響[J].清華大學學報（自然科學版），2000，40（3）：9-11.

[4] 李良福.氣象因素與土壤性質耦合效應對土壤電導的影響[D].重慶：西南大學，2010.

[5] 譚威，王悅，李承昊.土壤電阻率測量影響因素的試驗研究[J].科技創新導報，2017，14（24）：81-82.

[6] 張軍，柴巖紅，屈疆.淺談影響土壤電阻率的因素及降阻方法[J].中國高新技術企業，2017（6）：20-21.