区域土壤电阻率分布分析

陈青娇,郑君亮,蔡和章

(福建省气象灾害防御技术中心，福建 福州 350001)

0 引言

雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种灾害之一。雷电可直接引起火灾、爆炸、建筑物损毁、电气设施损坏、通讯网络瘫痪等事故，直接危害公共安全和人民生命财产安全。

雷电灾害风险评估是风险管理的有效方法，是防雷工程广泛和深入发展的需要，也是科学防雷、全面防雷的重要工作。在雷电灾害风险评估以及防雷工程设计的前期勘查中，需要了解项目区域的土壤状况，而土壤的各个指标中，土壤电阻率是一个非常重要的参数，土壤电阻率分布特征与建筑物遭受直接雷击后雷电流的散流方向有很大联系，土壤电阻率也直接决定了建筑物接地装置接地电阻的大小、地网地面电位分布、接触电压和跨步电压等其他接地特性，因此对项目区域的土壤电阻率分布特征有一个全面的把握是进行项目综合设计的重要基础，也是雷电灾害区域风险评估重要组成内容。

本文以某投资区工业园雷电灾害风险评估为例，主要探讨如何进行区域土壤电阻率测试与分布分析。

1 项目概述

某投资区工业园位于福州市马尾区，在福州“南进东扩，沿江向海”的空间发展方向上，处在连接福州市中心城区和滨海区域的关键枢纽地段，总面积41.26 hm2。工业园定位为企业迁移区、高新技术研发区，其中高新技术研发区计划建设高新装配制造、高新技术研发、高校研究实验室等区域。具体为：众创工业园一期1区、众创工业园一期2区、众创工业园二期1区、众创工业园二期2区、物流园区、智能加工区、研发基地区等7个功能区域。

2 土壤电阻率分布分析

2.1 土壤电阻率测试

根据项目所处位置的地形、地物状况、地质条件和周边环境及项目功能分区，制定土壤电阻率采集方案，采用文纳四极法测试土壤电阻率，选取了7个土壤电阻率检测点。每个检测点电极间距a(m)分别取0.2、0.7、1、2、3、5、7、10、20、30 m测试土壤电阻率。

2.2 土壤电阻反演方法

本文利用CDEGS中的RESAP模块进行土壤结构的分析，RESAP模块的计算原理是构建计算与测量的土壤电阻率的均方根误差为最优函数，通过选择多层土壤结构的电阻率与厚度的最佳组合，求得最优函数的最小值，以获得最终的等效土壤模型。RESAP模块需要用户导入实地测量的极间距和土壤电阻率数值，并设置相关的寻优参数如精度要求、迭代次数、步长等，即可进行土壤结构的计算。本次评估土壤电阻率的测量选用温纳四极法，在RESAP模块的测量按键下输入土壤电阻率测量结果，通过RESAP模块土壤类型按键可以进行土壤结构的初始化设置，通过优化按键可以设置拟合的精度要求、迭代次数以及步长等参数。

2.3 土壤结构反演(土壤电阻率垂直分布)

根据实测的土壤电阻率值，利用CDEGS防雷接地软件进行土壤结构反演，用土壤结构的数学模型去拟合土壤电阻率的实际测量值的方式来反演土壤真实的物理结构，利用平均误差来表征土壤电阻率拟合的好坏情况(平均误差公式如下，其中：xc为拟合值，xt为测量值，N为检测组数)，得出该项目各评价区土壤结构反演结果。

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2.3.1 研发基地区土壤结构 研发基地区土壤电阻率的曲线拟合结果见图1a，反演得到的土壤结构参数见表1，拟合得到的平均相对误差为11.22%。该区域土壤结构的拟合结果较好，反演的土壤结构参数可以看出研发基地区土壤结构分为3层，0～1.15 m之间土壤电阻率最高，为110.14 Ω·m。

表1 土壤结构反演参数Tab.1 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.2 智能加工区土壤结构 智能加工区土壤电阻率的曲线拟合结果见图1b，反演得到的土壤结构参数见表2，拟合得到的平均相对误差为9.82%。该区域土壤结构的拟合结果较好，反演的土壤结构参数可以看出分为4层，0.19～1.35 m土壤电阻率最大，为42.91 Ω·m。

表2 土壤结构反演参数Tab.2 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.3 物流园区土壤结构 物流园区土壤电阻率的曲线拟合结果见图1c，反演得到的土壤结构参数见表3，拟合得到的平均误差为7.86%。物流园区土壤结构的拟合结果好，反演的土壤结构参数可以看出物流园区土壤分为2层，0～1.49 m之间土壤电阻率最高，为30.77 Ω·m。

表3 土壤结构反演参数Tab.3 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.4 众创工业园一期1区土壤结构 众创工业园一期1区土壤电阻率的曲线拟合结果见图1d，反演得到的土壤结构参数见表4，拟合得到的平均误差为15.55%。反演的土壤结构参数可以看出众创工业园一期1区土壤分为3层，靠近地面的2层较底层土壤电阻率大，0.09～1.1 m之间的土壤层土壤电阻率最大，数值为242.77 Ω·m。

表4 土壤结构反演参数Tab.4 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.5 众创工业园一期2区土壤结构 众创工业园一期2区土壤电阻率的曲线拟合结果见图1e，反演得到的土壤结构参数见表5，拟合得到的平均误差为10.85%。众创工业园一期2区土壤结构的拟合结果较好，反演的土壤结构参数可以看出众创工业园一期2区土壤结构分为3层，中间层0.32～2.23 m的土壤电阻率较其它层大，数值为161.17 Ω·m。

表5 土壤结构反演参数Tab.5 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.6 众创工业园二期1区土壤结构 众创工业园二期1区土壤电阻率的曲线拟合结果见图1d，反演得到的土壤结构参数见表6，拟合得到的平均误差为6.02%。众创工业园二期1区土壤结构的拟合结果好，反演的土壤结构参数可以看出众创工业园二期1区土壤分为3层，表层(0～0.23 m土壤层)土壤电阻率较低，中间层土壤电阻率较其他层大，1.27 m以下的土壤层土壤电阻率最低。

表6 土壤结构反演参数Tab.6 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.7 众创工业园二期2区土壤结构 众创工业园二期2区土壤电阻率的曲线拟合结果见图1f，反演得到的土壤结构参数见表7，拟合得到的平均误差为15.48%，拟合结果较好，反演的土壤结构参数可以看出区域内土壤分为4层，整体土壤电阻率低，最大值为88.14 Ω·m，位于0.15～0.85 m土壤层。

图1 土壤电阻率的曲线拟合图Fig.1 Curve Fitting Diagram of Soil Resistivity

表7 土壤结构反演参数Tab.7 Inversion Parameters of Soil Structure

2.4 不同深度土壤电阻率水平分布

对评价区域土壤电阻率绘制等值线图，评价区域不同深度土壤电阻率水平分布见图2。从图上可以看出：该区域总体土壤电阻率都处于较低值，不同深度的水平分布有所不同。

图2 不同深度土壤电阻率分布Fig.2 Soil Resistivity Distribution at Different Depths

①该园区0.7 m、1 m深处，土壤电阻率总体偏高，特别是南侧土壤电阻率较高，最大土壤电阻率位于众创工业园一期1区，其值为237 Ω·m，其次为研发基地区，其值为118 Ω·m，其他区域土壤电阻率较，均低于100 Ω·m。

②该园区2 m深处，土壤电阻率有所降低，2～5 m深度土壤电阻率逐渐由南侧单一高值区向南侧与西北侧双高值区变化，高值区位于片区南侧众创工业园一期2区以及西北侧智能加工区、研发基地。

③该园区7m深度土壤电阻率最小，且土壤电阻率高值区变为单区域形式，7 m、10 m、20 m、30 m深度土壤电阻率均以单一高值区为主，高值区位于西北侧研发基地，最高土壤电阻率位于研发基地20 m深处，其值为102 Ω·m。

2.5 土壤电阻率总体分布特征与建议

①该区域土壤电阻率总体较低，不同深度土壤电阻率水平分布有所不同。

②土壤电阻率垂直分布上，0.7 m、1 m深度的土壤电阻率总体偏高，2 m深度土壤电阻率逐步减小，2～5 m深度土壤电阻率逐渐由南侧单一高值区向南侧与西北侧双高值区变化，高值区位于片区南侧众创工业园一期2区以及西北侧的研发基地。7 m、10 m、20 m、30 m深度土壤电阻率除西北侧的研发基地较高外，其他区域土壤电阻率明显下降，且均以单一土壤电阻率高值区为主。

③土壤电阻率水平分布上，片区南侧的众创工业园一期1区、众创工业园一期2区以及片区西侧的研发基地土壤电阻率较高，其他区域土壤电阻率较低。

④根据雷电流散流原理，应将接地装置设计在土壤电阻率较低的区域，以保证雷电流的泄放，建议：对于一些精密电子信息设备如片区南侧的众创工业园一期1区、众创工业园一期2区以及片区西侧的研发基地，尽量避免放在土壤电阻率高值区。各区域的接地装置应根据土壤结构层次，尽量安装在低土壤电阻率层，即：研发基地区的接地装置，建议布设至 1.15 m或以下位置。智能加工区的接地装置，建议布设至 2.15 m以下位置。物流园区的接地装置，建议布设至 1.49 m或以下位置。众创工业园一期 1 区的接地装置，建议布设至 1.1 m或以下位置。众创工业园一期2区的接地装置，应避免布置在 0.32～ 2.23 m土壤层，尽量布置在 2.23 m以下土壤层中。众创工业园二期1区的接地装置，应避免布置0.23～1.27 m的土壤层中。众创工业园二期2区的接地装置，应充分利用桩基自然接地体，避免布置在 0.15～0.85 m土壤层。

3 结束语

本文通过对某投资区工业园的土壤电阻率测试，并利用CDEGS防雷接地软件进行土壤结构反演，分析投资区工业园不同区域土壤结构——土壤电阻率垂直分布，同时通过绘制土壤电阻率等值线图分析区域不同深度的土壤电阻率水平分布，得出该工业园区土壤电阻率分布特征，为建设项目选址与功能布局、建设项目防雷接地设计施工提出建设性意见。