李洪偉 曹曉蒙 徐佳陽

摘要：對興安盟不同類型土壤采用溫納法進行土壤電阻率測量，分析歸納了興安盟固定地點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，對防雷規(guī)范給出的土壤電阻率表進行了本地化補充完善，為興安盟開展雷電災(zāi)害防御具有實踐指導意義。

關(guān)鍵詞：土壤電阻率； 測試；規(guī)律

1.引言

土壤電阻率是防雷工程設(shè)計的重要參數(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)害風險評估、分析雷電災(zāi)害事故的重要因子。本文用溫納（Wenner）法對興安盟地區(qū)不同類型土壤的土壤電阻率進行了實際測量，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驗地點

選擇具有代表性的土壤類型是確立本次實驗地點的前提，同時選擇相對穩(wěn)定，不受農(nóng)業(yè)耕作、灌溉等影響，地表相對平坦，土層除自然因素外，沒有人為影響的測量實驗地點也非常重要。此前對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)信息選定了具體實驗地點，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個地區(qū)中的18個實驗點（每個地區(qū)3個實驗點），進行了1年的連續(xù)測量（每年12月至來年4月份興安盟地區(qū)基本上無雷電現(xiàn)象，并且由于土壤上凍測試儀器對土壤電阻率測試也不準確，對我盟雷電災(zāi)害防御工作的意義不大，故這四個月的數(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)比較起來更權(quán)威更準確，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)則來自地表下更深的土壤，所以對于本次研究的深入有極其重要的意義。

3.對比不同類型土壤進行土壤電阻率分析

土壤電阻率受很多客觀因素影響，為了使測量的數(shù)據(jù)具有相對可比較性，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（中陽農(nóng)業(yè)測試點）土壤電阻率最大值為467.2Ω·m，比突泉黑土（污水廠測試點）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。從總體上來看科右中旗所有測試點的平均值均高于其他測試點平均值，究其最主要原因還是土壤類型不同導致。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方面特別指出如果建筑物接地電阻值過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.土壤電阻率隨時間的變化的相應(yīng)對比

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)在相同地塊不同時間測量的結(jié)果是不同的。

通過實際測量對比，每個地點不同時間測得的土壤電阻率曲線變化趨勢基本相同。18個試驗點在7、8月份基本都會達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偏高。扎旗土壤在6、7、8、9的數(shù)據(jù)變化最為強烈，而其它幾塊土壤電阻率變化情況相對舒緩。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因素?？紫端娮杪嗜Q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，而離子在溫度達到20-30℃時溶解性最好、濃度最高，6、7、8、9月又是土壤含水量相對充沛的季節(jié)，所以導致扎旗土壤電阻率的強烈變化。

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，土壤會受到降水、氣溫、濕度等氣象因素的影響，接地網(wǎng)也會直接受到所埋對應(yīng)深度土壤溫度、溫度等的影響，在北方冬季還會受到凍土的影響。

（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，我們粗略得認為降水量大時土壤含水量就高，降水量小時土壤含水量就低。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。絕對干燥的土壤電阻率可以認為接近無窮大；含水量增加到15%左右時，土壤電阻率顯著降低；繼續(xù)增加水分直到75%左右時，電阻率改變很??；當含水量超過75%時，土壤電阻率反而增加。含水量對土壤電阻率的影響，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，會增加土壤電阻率。此外，不少學者在實驗室內(nèi)展開土壤體積含水量與電阻率相關(guān)性的研究工作。土壤主要靠離子來導電，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，填充孔穴形成導電通路的條件下，土壤才具有導電性。含水量較小時，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較小，通過土壤溶液導電的阻力較大，此時土壤導電主要是通過離子在土壤溶液中的導電和土壤顆粒表面導電共同實現(xiàn)。當含水量增加后，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)導電通道，此時土壤導電主要是通過離子在土壤溶液中導電來實現(xiàn)。含水量增加，一方面增加了液態(tài)導電通道截面，孔隙水連通性得到改善，降低了土壤溶液薪度，增加了土壤導電能力，土壤電阻率降低當含水量超過一定值后，土壤孔隙的連通性己達較好狀態(tài)，土壤含水量的繼續(xù)增加對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，當土壤含水量接近飽和時，其電阻率反而會增加。為此，用深度1.0m、電極間距5.0m土壤電阻率計算了同降水量、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。實測結(jié)果表明凍土對土壤電阻率的正關(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，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?shù)貎鐾翆右韵聻橐耍?。溫度?℃繼續(xù)上升時，由于溶解鹽的作用，電阻率逐漸減?。粶囟冗_到100℃時，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)計中有著重要的實際應(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電極反應(yīng)動力學過程的重要參數(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散過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，因此導致整個土體電阻率隨之變化。土壤電阻率隨溫度的上升而降低，主要是因為土壤孔隙水的粘滯性隨溫度的上升而減小從而導致了離子的遷移率增大，導電性增強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 、實驗結(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。（2）同一地點的不同時間測得的土壤電阻率的值不同，但變化趨勢基本相同，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，對防雷規(guī)范給出的土壤電阻率參數(shù)可進行本地化補充完善。在防雷工程設(shè)計中，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，或計算出需要乘以的倍數(shù)，來設(shè)計防雷接地網(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?shù)貙嶋H。