姜明梁，鄧 忠，李 迎，秦京濤，呂謀超

(中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所/河南省節(jié)水農業(yè)重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002)

0 引 言

在我國的西北和華北地區(qū)，入冬以后土壤便逐漸凍結，這種土壤季節(jié)性凍結的現象，乃是一項重要的氣候特征。同時，凍土氣象觀測資料對建筑、工程施工、交通運輸和農田水利建設都具有重要意義[1]。在開發(fā)森林、礦山，修筑公路、鐵路以及大型水利工程時，凍土現象都是經常遇到的主要災害，必須在施工前對工區(qū)凍土的分布、厚度等進行認真的調查研究，以采取有效的防治措施[2]。然而，凍土資料卻異常缺乏，有關凍土深度測量的研究也不多。凍土層深度的傳統(tǒng)測定方法是根據地面氣象觀測場中的凍土器內水柱凍結的部位和長度，來探測凍結層次的上限和下限深度。該方法測量周期長、檢測過程繁瑣、勞動強度大，在實際工作中由于受到財力、物力、人力的限制，常無法采集足夠數量的樣品，因此采用較易獲得的土壤表觀電導率以表征土壤信息是快速獲得土壤更多定量化信息的一條行之有效的途徑[3-5]。EM38電導率儀是一種基于電磁感應原理的、非接觸式測量儀器，它既可手持測量，又可車載進行測量。國內外已應用EM38在表觀電導率對土壤鹽分、含水量、黏粒含量、緊實度甚至作物產量預測等性質的響應特征方面進行了大量的研究[6-11]，同時還與空間技術相結合，將其擴展到區(qū)域尺度，使其成為研究土壤性質的有力工具。

經過幾個月的實驗表明，對凍土過程中電導(電阻)的變化特性研究是很有價值的。目前，凍土測試技術難題之一是不能在實驗過程中直接測出不同時刻各個土層的含水量、含鹽量，同樣也不能直接確定由含水量、含鹽量所決定的凍結溫度，即凍結鋒面(凍土深度)的位置。用實驗結束時取樣測得的含水量、含鹽量來確定某一時刻凍結鋒面的位置，顯然是不夠方便，亦不夠準確[12]。為能真實地反映某一時刻凍結鋒面的位置及凍結時含水量的情況，本實驗采用自主研制的冰凍傳感器測量系統(tǒng)來測量某一時刻各個剖面土層的含水量，然后通過數學方法確定冰凍深度。用電導率儀EM38測量某一時刻土壤的表觀電導率，通過對電導率的動態(tài)分析來研究凍土層深度。

1 材料與方法

1.1 凍土過程中土層結構變化

土壤冰凍過程中，有冰凍和融化兩個過程，可以分為3個階段。首先階段Ⅰ：由于外界環(huán)境溫度的下降，土壤表層開始慢慢凍結，凍土深度越來越深，此時土層只有2層，即冰凍層和未凍層；Ⅱ：當外界環(huán)境溫度慢慢上升時，土壤表層首先開始融化，此時就多了解凍層，土體變成3層，如圖1所示；Ⅲ：到最后融化完成，冰凍土層就消失了，此時也變成了2層。我們的研究目的是研究凍土的深度，應該考慮冰凍和融化兩個過程。圖2是凍融交界面和凍土深度在這個冰凍和融化過程中的變化趨勢。

圖1 凍土過程中土層結構Fig.1 Soillayer structure in frozen soil

圖2 冰凍和融化過程兩個交界面3個階段的變化曲線Fig.2 The 3 stages of freezing and thawing processes at the two interfaces

圖3 EM38結構和原理示意圖Fig.3 Measurement principle of EM38

1.2 EM38工作原理簡述

電磁感應法的測量原理如圖3所示[13]，它主要由一對線圈構成。其中線圈之一(簡稱發(fā)射端)的功能是發(fā)射電磁波，發(fā)射出的電磁波穿過土壤介質與另一個線圈(簡稱接收端)構成電磁回路，兩線圈之間的相隔距離為s，感應出的電壓大小與土壤表觀電導率ECa成確定性函數關系，即：

(1)

式中：Hp為發(fā)射端的磁場強度，A/m；Hs為接收端的磁場強度，A/m；ω為發(fā)射電磁波的角頻率，s-1；μ0為真空下的導磁率，H/m。

EM38隨線圈的放置形式有2種可選探測模式，其中水平偶極模式的有效探測深度約為0.75 m，而垂直偶極模式的有效探測深度可達1.5 m，在本文中這兩種測量模式均有采用。兩種模式下的測量靈敏度函數為：

(2)

(3)

式中：z表示為垂直深度除以線圈距離s的值。

函數φ給出了儀器從深度為z的、厚度為dz的水平面測量讀數的響應部分?？梢钥闯鲈诖怪迸紭O模式下，靠近地表材料的靈敏度關系很低(在表面接近零)，隨著深度的增加，靈敏度增加，在深度達0.4 m時達到最大值，然后隨著深度的繼續(xù)增加，靈敏度逐漸下降；在水平偶極模式下，靠近地表材料的靈敏度關系最高，然后隨著深度的增加而下降。這兩種線圈結構對靠近地表材料響應的巨大差異是很重要的，水平偶極模式會對靠近地表的變化產生感應關系，而垂直偶極模式會對距地表一定深度的變化產生感應關系。

進一步，由靈敏度函數可積分求得每層的貢獻系數，其為不同深度土壤層的電導率反映到表層時對計算土壤復合表觀電導率所作出的貢獻。

(4)

(5)

1.3 測量可行性理論分析

在自然狀態(tài)下，凍土的電阻率受到多種因素的影響：

(1)凍結土壤含冰量的多少對其電阻率有決定性的影響，對于同一種土質的凍結地層而言，含冰量越多，凍結程度越高，其電阻率越高。

(2)不同的土質，凍結前后電阻率的變化相差很大。有的電阻率可相差10～30倍，而有的凍結前后其電阻率差異僅為1～5倍。

(3)溫度對電阻率的影響。一般地溫下降到0 ℃以下，凍結地層的電阻率急劇上升。如圖4所示[14]。

圖4 土樣電阻與溫度的關系線Fig.4 Relationship between resistance and temperature of soil sample

綜上所述，無論是哪種地質體，在凍結后，其電阻率均發(fā)生急劇增加。而電導率是電阻率的倒數，所以在土壤凍結后，電導率會急劇下降。這也是因為水的電導率和冰的電導率差異很大所引起的結果。這是用電導率法預測凍土層深度的可信前提和理論基礎。

1.4 利用冰凍深度傳感器確定凍土深度

如圖5(a)所示是本實驗室自主研制的冰凍深度傳感器，即土壤水分剖面測量系統(tǒng)。它可快速獲取 0～200 cm 深度范圍內土壤剖面含水率。其中水分傳感器工作原理為基于電容邊緣場效應測量電極周圍介質的介電常數，與土壤接觸采用 PVC 套筒式滑動結構，深度測量為霍爾磁敏傳感器陣列，測量系統(tǒng)數據處理平臺為 PDA，它可以測量同一點土壤不同層次的土壤容積含水率，適用于多種質地類型的土壤[15]。

在本研究中，設同一個測量點的所有實驗數據中，最小水分值為P1，最大值設為P2，則門限值P0=(P1+P2)/2，當一個點一次測量的容積含水率P

1.5 農田實驗

農田實驗時間為2015年2-4月。由于2014年11月-2015年1月一直處于下雪期，積雪太厚，沒辦法測量。所以本次實驗沒有詳細記錄土壤凍結的過程，主要是土壤融化過程。實驗環(huán)境如圖5(b)～圖5(c)所示，位于北京市小湯山精準農業(yè)示范基地，實驗地塊的質地為壤土，埋設6根約1.5 m長的PVC套管，通過冰凍傳感器確定凍土的深度，用EM38測量相對應的土壤表觀電導率，研究土壤表觀電導率ECa與凍土深度之間的關系。實驗過程中EM38采用人工手動模式(Manul)，測量者手持著EM38，在6個試驗點周圍分別進行垂直和水平模式的單點測量。一般實驗間隔為2～3 d。

圖5 實驗環(huán)境Fig.5 Experimental environment

2 結果與分析

2.1 電導率ECa與土壤含水量的總體對比

數據的采集和記錄主要是從2015年2月2日開始，到2015年3月26日結束。從冬天的整體氣象來看，2月初是最冷的時候，也就是凍土深度最大的時候。所以，本實驗沒有記錄凍土實驗中凍的過程，只能分析融化的過程。從圖6中可以看出，土壤1.5 m內的平均容積含水量先稍降低然后緩緩上升，說明先經過一段凍土過程，然后就進入融化階段。電導率的總體趨勢和平均含水量是一致的，具有一定的相關性，其都是緩緩上升，最后趨于平坦，表明了凍土融化的過程。圖中QV1～QV6分別指1～6號試驗點在垂直模式下的土壤表觀電導率。

圖6 所有試驗點過程趨勢圖Fig.6 All the test point process chart

2.2 電導率ECa與凍土深度的統(tǒng)計分析

圖7和圖8是2號與5號試驗點的統(tǒng)計分析圖。主要研究了土壤表觀電導率(ECa)與凍土深度(Frozen depth)、平均容積含水量(θV)之間的相關性。

從6個試驗點中隨機挑選了2個進行成圖分析可知，土壤表觀電導率ECa(無論是垂直模式還是水平模式)與凍土深度均具有極大的相關性，相關系數很高。其中5號試驗點去掉一個異常點。這為用電導率來預測凍土深度提供了可行性。

表1是6個試驗點的統(tǒng)計分析后的相關系數。

表1 統(tǒng)計分析相關性Tab.1 Correlation of statistical analysis

圖7 2號試驗點的相關性統(tǒng)計分析圖 Fig.7 Statistical analysis of correlation of No. 2 test sites

圖8 5號試驗點的相關性統(tǒng)計分析圖 Fig.8 Statistical analysis of correlation of No. 5 test sites

3 結 語

由表1中可以看到，所有試驗點的相關系數都較高，表明電導率ECa不僅與容積含水率有關，而且與凍土深度有關。其實兩者表達的意思是一致的，因為在凍土實驗中，容積含水率實際上主要是指土壤中未被凍的水分，其和冰凍的程度有關，這也恰好體現了土壤的冰凍程度和凍土深度。由于土壤融化過程比較復雜，前面已經分析過，融化過程是上下一起進行的。所以在預測凍土深度過程中，上層融化土壤對凍土深度的預測會造成一定困擾。同時，由于操作上的原因，該研究是建立表觀電導率值與土壤物理特性之間的單因子回歸關系，這種回歸關系往往只針對特定地塊，一旦推廣到其他具有不同土壤性質的區(qū)域時，預測模型需要重新建立或校正。

理論分析與初步試驗結果一致表明，應用電磁感應式電導率測量裝置EM38在凍土實驗中快速預測凍土深度是可行的，所有的統(tǒng)計相關系數均介于0.776 8≤R2≤0.962 8，具有極顯著的相關性。該方法的一個突出優(yōu)點是不破壞表層土壤，它為凍土深度的預測，提供了一種有效、簡捷的工程檢測手段。

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