长沙地区土壤电阻率与气象因素关联性研究

刘凤姣 粟锴 刘艳清 杨加艳

摘要 土壤的真实电阻率与土壤的性质、含水量及温度有密切的联系，气象因素对土壤的含水量和温度有直接影响。为探讨气象因素对土壤电阻率的影响，研究降水量月变化与土壤电阻率变化的关系，本文在2个试验场开展了试验。结果表明，土壤电阻率与各月降水量有较强的关联性，而降水量对土壤电阻率的影响大小与土壤是否突破含水量“临界值”有关，即在土壤含水量未饱和状态下，降水量越大，土壤电阻率越低，而在土壤含水量饱和状态下，降水量越大，则土壤电阻率越高。

关键词 气象因素；土壤电阻率；月降水量；湖南长沙

中图分类号 S153 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）21-0169-03

土壤的电导特效是土壤固有的物理属性，主要是由土壤自身的化学成分所决定的。土壤电阻率特性研究在防雷接地工程、地下金属管道的防腐工程、精细农业以及矿产勘探等方面广泛应用。在固定区域中，能影响土壤电阻率的因素主要包括人为因素和自然因素。其中，人为因素包括改变土壤结构、成分以及含水量等，自然因素主要包括温度、降水、日照长短及蒸发量等气象因素。在接地工程中，为了得到最准确的土壤电阻率值，往往需要进行一段时间的连续测量，利用不同换算系数进行修订，求得最接近于理论和实际的拟合值。目前，国内对气象因素对土壤电阻率影响的认识大多停留在定性方面，但也有包括重庆在内的部分省、市进行了长期研究分析[1-4]，得出了当地气象条件下的土壤电阻率变化趋势。本项目选择温纳四极法，对长沙市麓谷公园和洋湖湿地公园2个试验场的土壤电阻率进行了2年的跟踪测试，主要从季节变化和温度变化2个方面定量分析了季节、温度变化对土壤电阻率的影响特性。

1 研究材料与方法

1.1 资料来源

温度数据采用长沙市气候观测资料，保障了数据的可靠性。降水量数据来自于长沙市气象局气象观测资料。

1.2 试验方法

在野外设置2个试验场，试验场分别位于麓谷公园的小山丘和洋湖湿地公园的人工湖边，通过跟踪观测，研究在地质条件确定的情况下土壤电阻率随季节的变化规律。土壤电阻率的变化主要与土壤温度有关，而土壤温度与空气温度有一定的对应关系[5-6]。研究季节变化对土壤电阻率的影响，分析长沙市气候环境下土壤电阻率及接地电阻的季节修正值，能更好地为防雷检测工作服务。

在2个试验场分别每隔5 m插入1根长度20 cm、直径12 mm的热镀锌圆钢（共4根）作为固定测试点，保障了每次测量数据不受测试电极与土壤接触紧密度影响。每隔15 d，利用温纳四极法进行测试，每次测量3～5组数据，取其中3组变化较小数据的平均值作为该次测量结果。

1.3 测定内容与方法

2013年3月至2015年12月，共计34个月，每月进行2次测试，每个试验场68组数据；每组数据包括土壤电阻率、当月月份以及当月降水量，其中月份能够在一定程度上代表当月平均气温，同时也能在一定程度上反映降水量、蒸发量等因子的综合值。

土壤电阻率数据采用KD2571BV现场测量，测量方法为温纳四极法，测量电极间距为5 m，电极深度为20 cm，每15 d进行1次测试，实际测试日期与设定值前后不超过3 d。

1.4 算法

对于2个现象相互联系的关系判定，主要分为函数关系和相关关系。在样本较多的情况下，一般无法确定非常吻合的函数关系，故在数理分析中一般用相关性来进行分析，即主要是对现象之间相互关系的方向和程度进行分析。主要内容包括：确定现象之间是否存在相关关系及相关关系的表现形式；确定相关关系的密切程度、确定相关关系的数学表达式，即回归方程式；检验估计值的误差。在对土壤电阻率与月份、土壤电阻率与降水的分析中，采用二次方程判定系数R2作为判定现象相关性的因子。因为如果采用一次方程，其相关系数R值普遍在0.5以下，表现为弱相关或中等相关，而采用二次方程的R2，则部分分析结果表现为中等相关或强相关，更有说服性。其算法采用计算机Excel进行拟合，用线性方程求解。

2 结果与分析

2.1 土壤电阻率与温度关联性分析

将2个试验场的土壤电阻率测试值与温度的关联数据组制成直角坐标系（图1、2）。可以看出，2个试验场的电阻率与温度都成正相关，即温度上升，土壤电阻率也上升，但离散型比较大，且气温越高，离散型越显著。从相关系数分析来看，土壤电阻率与气温简单相关系数都远低于50%，麓谷公园、洋湖湿地公园R2分别为0.150 22、0.019 44，故认为土壤电阻率在长沙市非冻土地质条件下与气温并无明显相关性，可以将其忽略。

从土壤导电原理分析，当气温高时，则大气与土壤的热量交换有利于土壤增温，一方面土壤中离子活性增强，土壤的导电性提高而使土壤电阻率降低；另一方面土壤中的水分蒸发，土壤电解质溶剂减少，土壤的导电性降低而使土壤电阻率提高。长沙市属于亚热带季风气候区，夏季温度高，土壤水分蒸发快，如果测量日期选在夏季雨后，则会达到最小测量值；如果长时间干旱，则测得的土壤电阻率会达到较高水平；而长沙市冬季常出现阴雨绵绵的天气，大气补充到土壤的水分较少，但同时蒸发量也少，导致土壤具有较高的含水量，此时土壤电阻率会达到较低水平。

2.2 土壤电阻率与月份的关联性分析

2.2.1 麓谷公园试验场。将麓谷公园试验场2013—2015年各年份以及3年平均的土壤電阻率测试值与温度的关联数据组制成直角坐标系（图3）。

从2013—2015年3年的麓谷公园试验场土壤电阻率月变化趋势看，2013年土壤电阻率呈现下降趋势，且R2达到了0.617 42，表明其具有一定的相关性；而2014年和2015年土壤电阻率呈现上升趋势，且R2分别达到了0.576 85和0.553 30，其拟合度也有一定的参考价值。而从3年的平均土壤电阻率变化可以看出，土壤电阻率1—8月呈现递增趋势，8—12月逐渐下降，但总体上仍呈现出上升趋势，其R2为0.418 6。

2.2.2 洋湖湿地公园试验场。将洋湖湿地公园试验场2013—2015年各年份以及3年平均的土壤电阻率测试值与温度的关联数据组制成直角坐标系（图4）。

从2013—2015年这3年的洋湖湿地公园试验场土壤电阻率月变化趋势看，2013年土壤电阻率呈现下降趋势，且R2仅为0.292 4，基本不具备相关性；而2014年和2015年土壤电阻率呈现上升趋势，且R2分别为0.648 56和0.406 76，其中2014年有较高的参考价值。从3年的平均土壤电阻率变化可以看出，土壤电阻率1—8月呈现递增趋势，8—12月逐渐下降，但下降趋势不大，总体上仍呈现出上升趋势，其R2为0.669 72。

通过对比2个试验场3年平均土壤电阻率数据可以得出，土壤电阻率变化呈现不明显的单峰趋势，即每年长沙市温度最高的8月土壤电阻率达到峰值，而每年气温最低的1月和2月土壤电阻率最低。

2.3 土壤电阻率与降水的关联性分析

在一般情况下，土壤电阻率的大小主要与土壤的基础性质、温度、含水量有关，涉及到的气象因素则主要有日照时间及降水量。为研究降水量对浅层土壤（厚度5 cm）电阻率的影响，观测了2013年3月至2015年12月共34个月的土壤电阻率，结合长沙市降水监测资料，绘制了2个试验场土壤电阻率与月降水量的趋势对比图（图5、6）。

从图5可以看出，土壤电阻率与月降水量成负相关，即降水量增加时，土壤电阻率降低；反之亦然，这一结果与研究前预计的基本相符。形成这种土壤电阻率变化规律的决定因素是试验场性质，由于麓谷试验场位于城市中公园的土丘上，在一般情况下土壤不会积水而导致土壤含水量低，限制了土壤中可移动的带电离子形成，当降水量增加时，土壤含水量也随之增加，带电离子密度增大，使其土壤电阻率降低。

从图6可以看出，土壤电阻率与月降水量成一定的正相关，即降水量增加时，土壤电阻率也升高；反之亦然，这一结果与研究前预计的结果相反。由于洋湖湿地公园试验场位于洋湖湿地公园小湖边一处相对平坦的草地上，土壤含水量较高，在无降水的情况下，其土壤含水量也非常高，因而其土壤电阻率较低。如果当月降水量大，进一步提高了土壤的含水量，可能导致土壤间隙的“离子通道”截面积增大，而在含水量达到一定程度时离子并不会无限增加，导致土壤“离子通道”中电荷密度降低，出现了降水量增加但土壤电阻率反而降低的情况。

降水是影响土壤电阻率的最敏感因素，尤其当前小时降水量对土壤电阻率变化的影响最显著，随着降水量时间尺度的增加，其土壤电阻率降低的趋势减弱，甚至出现升高趋势，只有适当的降水量才可能使土壤电阻率降至最低。

3 结论与讨论

试验结果表明，在非冻土条件下温度的变化对土壤电阻率的影响不大。土壤电阻率与月份变化关联性较好，总体上呈现单峰趋势。土壤电阻率与降水量的关系受土壤所在位置影响很大，在不可能形成过饱和含水量的山丘上，降水量越大，土壤电阻率越低；与此相反，在容易形成过饱和含水量的湿地上，降水量越大，土壤电阻率越高。

4 参考文献

[1] 曹晓斌，吴广宁，付龙海，等.温度对土壤电阻率影响的研究[J].电工技术学报，2007，22（9）：1-6.

[2] 孙为民，何金良，曾嵘，等.季节因素对发变电站地表高阻层安全效果的影响[J].中国电力，2000，33（1）：62-64.

[3] 何金良，曾嵘，高延庆，等.冰冻季节对发变电站接地系统安全性能的影响[J].清华大学学报（自然科学版），2000，40（3）：9-11.

[4] 李良福.气象因素与土壤性質耦合效应对土壤电导的影响[D].重庆：西南大学，2010.

[5] 谭威，王悦，李承昊.土壤电阻率测量影响因素的试验研究[J].科技创新导报，2017，14（24）：81-82.

[6] 张军，柴岩红，屈疆.浅谈影响土壤电阻率的因素及降阻方法[J].中国高新技术企业，2017（6）：20-21.