長(zhǎng)沙地區(qū)土壤電阻率與氣象因素關(guān)聯(lián)性研究

劉鳳姣 粟鍇 劉艷清 楊加艷

摘要 土壤的真實(shí)電阻率與土壤的性質(zhì)、含水量及溫度有密切的聯(lián)系，氣象因素對(duì)土壤的含水量和溫度有直接影響。為探討氣象因素對(duì)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(guān)系，本文在2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)開展了試驗(yàn)。結(jié)果表明，土壤電阻率與各月降水量有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，而降水量對(duì)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(guān)，即在土壤含水量未飽和狀態(tài)下，降水量越大，土壤電阻率越低，而在土壤含水量飽和狀態(tài)下，降水量越大，則土壤電阻率越高。

關(guān)鍵詞 氣象因素；土壤電阻率；月降水量；湖南長(zhǎng)沙

中圖分類號(hào) S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）21-0169-03

土壤的電導(dǎo)特效是土壤固有的物理屬性，主要是由土壤自身的化學(xué)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(xì)農(nóng)業(yè)以及礦產(chǎn)勘探等方面廣泛應(yīng)用。在固定區(qū)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(jié)構(gòu)、成分以及含水量等，自然因素主要包括溫度、降水、日照長(zhǎng)短及蒸發(fā)量等氣象因素。在接地工程中，為了得到最準(zhǔn)確的土壤電阻率值，往往需要進(jìn)行一段時(shí)間的連續(xù)測(cè)量，利用不同換算系數(shù)進(jìn)行修訂，求得最接近于理論和實(shí)際的擬合值。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)氣象因素對(duì)土壤電阻率影響的認(rèn)識(shí)大多停留在定性方面，但也有包括重慶在內(nèi)的部分省、市進(jìn)行了長(zhǎng)期研究分析[1-4]，得出了當(dāng)?shù)貧庀髼l件下的土壤電阻率變化趨勢(shì)。本項(xiàng)目選擇溫納四極法，對(duì)長(zhǎng)沙市麓谷公園和洋湖濕地公園2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的土壤電阻率進(jìn)行了2年的跟蹤測(cè)試，主要從季節(jié)變化和溫度變化2個(gè)方面定量分析了季節(jié)、溫度變化對(duì)土壤電阻率的影響特性。

1 研究材料與方法

1.1 資料來(lái)源

溫度數(shù)據(jù)采用長(zhǎng)沙市氣候觀測(cè)資料，保障了數(shù)據(jù)的可靠性。降水量數(shù)據(jù)來(lái)自于長(zhǎng)沙市氣象局氣象觀測(cè)資料。

1.2 試驗(yàn)方法

在野外設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)，試驗(yàn)場(chǎng)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(cè)，研究在地質(zhì)條件確定的情況下土壤電阻率隨季節(jié)的變化規(guī)律。土壤電阻率的變化主要與土壤溫度有關(guān)，而土壤溫度與空氣溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5-6]。研究季節(jié)變化對(duì)土壤電阻率的影響，分析長(zhǎng)沙市氣候環(huán)境下土壤電阻率及接地電阻的季節(jié)修正值，能更好地為防雷檢測(cè)工作服務(wù)。

在2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)分別每隔5 m插入1根長(zhǎng)度20 cm、直徑12 mm的熱鍍鋅圓鋼（共4根）作為固定測(cè)試點(diǎn)，保障了每次測(cè)量數(shù)據(jù)不受測(cè)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(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)量3～5組數(shù)據(jù)，取其中3組變化較小數(shù)據(jù)的平均值作為該次測(cè)量結(jié)果。

1.3 測(cè)定內(nèi)容與方法

2013年3月至2015年12月，共計(jì)34個(gè)月，每月進(jìn)行2次測(cè)試，每個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)68組數(shù)據(jù)；每組數(shù)據(jù)包括土壤電阻率、當(dāng)月月份以及當(dāng)月降水量，其中月份能夠在一定程度上代表當(dāng)月平均氣溫，同時(shí)也能在一定程度上反映降水量、蒸發(fā)量等因子的綜合值。

土壤電阻率數(shù)據(jù)采用KD2571BV現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，測(cè)量方法為溫納四極法，測(cè)量電極間距為5 m，電極深度為20 cm，每15 d進(jìn)行1次測(cè)試，實(shí)際測(cè)試日期與設(shè)定值前后不超過3 d。

1.4 算法

對(duì)于2個(gè)現(xiàn)象相互聯(lián)系的關(guān)系判定，主要分為函數(shù)關(guān)系和相關(guān)關(guān)系。在樣本較多的情況下，一般無(wú)法確定非常吻合的函數(shù)關(guān)系，故在數(shù)理分析中一般用相關(guān)性來(lái)進(jìn)行分析，即主要是對(duì)現(xiàn)象之間相互關(guān)系的方向和程度進(jìn)行分析。主要內(nèi)容包括：確定現(xiàn)象之間是否存在相關(guān)關(guān)系及相關(guān)關(guān)系的表現(xiàn)形式；確定相關(guān)關(guān)系的密切程度、確定相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即回歸方程式；檢驗(yàn)估計(jì)值的誤差。在對(duì)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(shù)R2作為判定現(xiàn)象相關(guān)性的因子。因?yàn)槿绻捎靡淮畏匠?，其相關(guān)系數(shù)R值普遍在0.5以下，表現(xiàn)為弱相關(guān)或中等相關(guān)，而采用二次方程的R2，則部分分析結(jié)果表現(xiàn)為中等相關(guān)或強(qiáng)相關(guān)，更有說(shuō)服性。其算法采用計(jì)算機(jī)Excel進(jìn)行擬合，用線性方程求解。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤電阻率與溫度關(guān)聯(lián)性分析

將2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的土壤電阻率測(cè)試值與溫度的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)組制成直角坐標(biāo)系（圖1、2）?？梢钥闯?，2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的電阻率與溫度都成正相關(guān)，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(guān)系數(shù)分析來(lái)看，土壤電阻率與氣溫簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)都遠(yuǎn)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(rèn)為土壤電阻率在長(zhǎng)沙市非凍土地質(zhì)條件下與氣溫并無(wú)明顯相關(guān)性，可以將其忽略。

從土壤導(dǎo)電原理分析，當(dāng)氣溫高時(shí)，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(qiáng)，土壤的導(dǎo)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(fā)，土壤電解質(zhì)溶劑減少，土壤的導(dǎo)電性降低而使土壤電阻率提高。長(zhǎng)沙市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季溫度高，土壤水分蒸發(fā)快，如果測(cè)量日期選在夏季雨后，則會(huì)達(dá)到最小測(cè)量值；如果長(zhǎng)時(shí)間干旱，則測(cè)得的土壤電阻率會(huì)達(dá)到較高水平；而長(zhǎng)沙市冬季常出現(xiàn)陰雨綿綿的天氣，大氣補(bǔ)充到土壤的水分較少，但同時(shí)蒸發(fā)量也少，導(dǎo)致土壤具有較高的含水量，此時(shí)土壤電阻率會(huì)達(dá)到較低水平。

2.2 土壤電阻率與月份的關(guān)聯(lián)性分析

2.2.1 麓谷公園試驗(yàn)場(chǎng)。將麓谷公園試驗(yàn)場(chǎng)2013—2015年各年份以及3年平均的土壤電阻率測(cè)試值與溫度的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)組制成直角坐標(biāo)系（圖3）。

從2013—2015年3年的麓谷公園試驗(yàn)場(chǎng)土壤電阻率月變化趨勢(shì)看，2013年土壤電阻率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且R2達(dá)到了0.617 42，表明其具有一定的相關(guān)性；而2014年和2015年土壤電阻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且R2分別達(dá)到了0.576 85和0.553 30，其擬合度也有一定的參考價(jià)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(xiàn)遞增趨勢(shì)，8—12月逐漸下降，但總體上仍呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其R2為0.418 6。

2.2.2 洋湖濕地公園試驗(yàn)場(chǎng)。將洋湖濕地公園試驗(yàn)場(chǎng)2013—2015年各年份以及3年平均的土壤電阻率測(cè)試值與溫度的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)組制成直角坐標(biāo)系（圖4）。

從2013—2015年這3年的洋湖濕地公園試驗(yàn)場(chǎng)土壤電阻率月變化趨勢(shì)看，2013年土壤電阻率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且R2僅為0.292 4，基本不具備相關(guān)性；而2014年和2015年土壤電阻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且R2分別為0.648 56和0.406 76，其中2014年有較高的參考價(jià)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(xiàn)遞增趨勢(shì)，8—12月逐漸下降，但下降趨勢(shì)不大，總體上仍呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，其R2為0.669 72。

通過對(duì)比2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)3年平均土壤電阻率數(shù)據(jù)可以得出，土壤電阻率變化呈現(xiàn)不明顯的單峰趨勢(shì)，即每年長(zhǎng)沙市溫度最高的8月土壤電阻率達(dá)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(guān)聯(lián)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(chǔ)性質(zhì)、溫度、含水量有關(guān)，涉及到的氣象因素則主要有日照時(shí)間及降水量。為研究降水量對(duì)淺層土壤（厚度5 cm）電阻率的影響，觀測(cè)了2013年3月至2015年12月共34個(gè)月的土壤電阻率，結(jié)合長(zhǎng)沙市降水監(jiān)測(cè)資料，繪制了2個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)土壤電阻率與月降水量的趨勢(shì)對(duì)比圖（圖5、6）。

從圖5可以看出，土壤電阻率與月降水量成負(fù)相關(guān)，即降水量增加時(shí)，土壤電阻率降低；反之亦然，這一結(jié)果與研究前預(yù)計(jì)的基本相符。形成這種土壤電阻率變化規(guī)律的決定因素是試驗(yàn)場(chǎng)性質(zhì)，由于麓谷試驗(yàn)場(chǎng)位于城市中公園的土丘上，在一般情況下土壤不會(huì)積水而導(dǎo)致土壤含水量低，限制了土壤中可移動(dòng)的帶電離子形成，當(dāng)降水量增加時(shí)，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(guān)，即降水量增加時(shí)，土壤電阻率也升高；反之亦然，這一結(jié)果與研究前預(yù)計(jì)的結(jié)果相反。由于洋湖濕地公園試驗(yàn)場(chǎng)位于洋湖濕地公園小湖邊一處相對(duì)平坦的草地上，土壤含水量較高，在無(wú)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(dāng)月降水量大，進(jìn)一步提高了土壤的含水量，可能導(dǎo)致土壤間隙的“離子通道”截面積增大，而在含水量達(dá)到一定程度時(shí)離子并不會(huì)無(wú)限增加，導(dǎo)致土壤“離子通道”中電荷密度降低，出現(xiàn)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(dāng)前小時(shí)降水量對(duì)土壤電阻率變化的影響最顯著，隨著降水量時(shí)間尺度的增加，其土壤電阻率降低的趨勢(shì)減弱，甚至出現(xiàn)升高趨勢(shì)，只有適當(dāng)?shù)慕邓坎趴赡苁雇寥离娮杪式抵磷畹汀?/p>

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在非凍土條件下溫度的變化對(duì)土壤電阻率的影響不大。土壤電阻率與月份變化關(guān)聯(lián)性較好，總體上呈現(xiàn)單峰趨勢(shì)。土壤電阻率與降水量的關(guān)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。

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