兴安盟地区土壤电阻率测试及其规律分析

李洪伟 曹晓蒙 徐佳阳

摘要：对兴安盟不同类型土壤采用温纳法进行土壤电阻率测量，分析归纳了兴安盟固定地点土壤电阻率的变化规律，以及土壤电阻率同各气象要素的相关关系和土壤电阻率的月变化规律，对防雷规范给出的土壤电阻率表进行了本地化补充完善，为兴安盟开展雷电灾害防御具有实践指导意义。

关键词：土壤电阻率； 测试；规律

1.引言

土壤电阻率是防雷工程设计的重要参数，也是估算接地电阻、地面电位梯度、跨步电压、接触电压，计算相邻近的电力线路和通信线路间电感耦合的重要的参数之一，是雷电灾害风险评估、分析雷电灾害事故的重要因子。本文用温纳（Wenner）法对兴安盟地区不同类型土壤的土壤电阻率进行了实际测量，获得了土壤电阻率的初步变化规律。

2.选择土壤类型确定实验地点

选择具有代表性的土壤类型是确立本次实验地点的前提，同时选择相对稳定，不受农业耕作、灌溉等影响，地表相对平坦，土层除自然因素外，没有人为影响的测量实验地点也非常重要。此前对乌兰浩特的土壤分析结合了乌市农业局土肥站提供的土壤相关数据信息选定了具体实验地点，但此次我们又与土勘院合作，根据土勘院所提供的数据选定了乌兰浩特、突泉、科右中旗、科右扎旗、科右前旗、阿尔山这6个地区中的18个实验点（每个地区3个实验点），进行了1年的连续测量（每年12月至来年4月份兴安盟地区基本上无雷电现象，并且由于土壤上冻测试仪器对土壤电阻率测试也不准确，对我盟雷電灾害防御工作的意义不大，故这四个月的数据只做参考）。土勘院所提供的数据与土肥站所提供的数据比较起来更权威更准确，土肥站所提供的土壤数据只集中在距地面15公分深度的土壤，而土勘院的数据则来自地表下更深的土壤，所以对于本次研究的深入有极其重要的意义。

3.对比不同类型土壤进行土壤电阻率分析

土壤电阻率受很多客观因素影响，为了使测量的数据具有相对可比较性，将同一地块、相同电极间距、2014年5月至2014年11月份采集的数据做平均值处理。在最大电极间距20米范围内，科右中旗砂石土（中阳农业测试点）土壤电阻率最大值为467.2Ω·m，比突泉黑土（污水厂测试点）土壤电阻率最大值38.9Ω·m高近12倍。科右中旗砂石土壤电阻率最小值225Ω·m比突泉黑土土壤电阻率最小值15.3Ω·m高近15，比突泉黑土土壤电阻率最大值还高近6倍。从总体上来看科右中旗所有测试点的平均值均高于其他测试点平均值，究其最主要原因还是土壤类型不同导致。中旗砂石土属于高土壤电阻率土壤，黑土为所有土壤类型中土壤电阻率最低类型土壤，这也就是为什么我盟在雷电防护方面特别指出如果建筑物接地电阻值过大必须换黑土的原因。土壤电阻率大小排序：中旗>扎旗>阿尔山>乌兰浩特>前旗>突泉。

4.土壤电阻率随时间的变化的相应对比

土壤电阻率不仅随着土壤类型的变化而变化，而且也随着被测量土壤的湿度、温度的不同而不同，主要表现在相同地块不同时间测量的结果是不同的。

通过实际测量对比，每个地点不同时间测得的土壤电阻率曲线变化趋势基本相同。18个试验点在7、8月份基本都会达到土壤电阻率的最低值，而温度偏低降雨量偏少的其它月份土壤电阻率会偏高。扎旗土壤在6、7、8、9的数据变化最为强烈，而其它几块土壤电阻率变化情况相对舒缓。土壤中所含水的多少和孔隙水电阻率的高、低是土壤电阻率最重要的两个因素。孔隙水电阻率取决于水中游离的离子、电子的多少，扎旗土壤成分中可溶性离子成分较多，而离子在温度达到20-30℃时溶解性最好、浓度最高，6、7、8、9月又是土壤含水量相对充沛的季节，所以导致扎旗土壤电阻率的强烈变化。

5、土壤电阻率同气象要素的关系分析

防雷接地网一般都埋在地下，土壤会受到降水、气温、湿度等气象因素的影响，接地网也会直接受到所埋对应深度土壤温度、温度等的影响，在北方冬季还会受到冻土的影响。

（1）土壤电阻率随降水量变化的关系分析

土壤电阻率与降水量的变化关系也就是土壤电阻率与土壤含水量的变化关系，我们粗略得认为降水量大时土壤含水量就高，降水量小时土壤含水量就低。土壤电阻率与含水量之间的关系最早应用于石油勘探领域。土壤电阻率主要取决于土壤中的含水量以及这种水的电阻率。绝对干燥的土壤电阻率可以认为接近无穷大；含水量增加到15%左右时，土壤电阻率显著降低；继续增加水分直到75%左右时，电阻率改变很小；当含水量超过75%时，土壤电阻率反而增加。含水量对土壤电阻率的影响，不仅随土壤的种类不同有所不同，而且与所含的水质也有关系。如在电阻率较低的土壤中加入较纯净的水后，会增加土壤电阻率。此外，不少学者在实验室内展开土壤体积含水量与电阻率相关性的研究工作。土壤主要靠离子来导电，干燥的土壤和岩石则近似电绝缘体。只有在土壤中含有足够量的水，填充孔穴形成导电通路的条件下，土壤才具有导电性。含水量较小时，由于土壤空穴大多为空气填充，有效的电解液通道截面积相对较小，通过土壤溶液导电的阻力较大，此时土壤导电主要是通过离子在土壤溶液中的导电和土壤颗粒表面导电共同实现。当含水量增加后，水分填充了土壤颗粒间的大部分空穴，形成了有效的液态导电通道，此时土壤导电主要是通过离子在土壤溶液中导电来实现。含水量增加，一方面增加了液态导电通道截面，孔隙水连通性得到改善，降低了土壤溶液薪度，增加了土壤导电能力，土壤电阻率降低当含水量超过一定值后，土壤孔隙的连通性己达较好状态，土壤含水量的继续增加对孔隙水的连通性的影响不大，因此电阻率随含水量的继续增加而减小缓慢。另一方面，由于土壤溶液中离子浓度随含水量增加而降低，当土壤含水量接近饱和时，其电阻率反而会增加。为此，用深度1.0m、电极间距5.0m土壤电阻率计算了同降水量、1.0m深地温、1.0m深土壤湿度、冻土厚度、地面空气温度的相关关系。实测结果表明冻土对土壤电阻率的正关系影响最大，而1.0m深土壤地温反关系最大。降水对1.0m深土壤电阻率的影响还是比较明显的，但在土壤表面水分接近饱和状态，降水影响则很小，以中旗为例，5、6、8月降水量最大，7、9月降水量最少，与测量的土壤电阻率大小的变化规律吻合。扎旗最大降水量出现在7月，而最低土壤电阻率也出现在7月份。

（2）土壤电阻率随地温变化的关系分析

土壤温度对土壤电阻率的影响也较大。由于离子的激发性随着温度升高而增强，因此，土壤电阻率随温度的升高而下降。通常情况下土壤温度每升高1℃，土壤电阻率将提高约2%；在0℃时土壤由于水份冻结而使电阻率迅速增加，因此，一般都将接地极放在冰冻层以下，以避免产生很高的流散电阻，通常最少埋深为0.5 m（北方地区应为当地冻土层以下为宜）。温度自0℃继续上升时，由于溶解盐的作用，电阻率逐渐减小；温度达到100℃时，由于士壤中的水分蒸发，电阻率又增高。土壤电阻率这些特性在接地装置设计中有着重要的实际应用意义。在一年之中，同一地方，由于气温和大气的变化，受一定的气象因素影响，土壤中含水量和温度都不相同，因此土壤电阻率也不断的变化，其中以表土最为显著。温度是影响土壤电化学电极反应动力学过程的重要参数。土壤温度升高能够加快电极表面和土壤溶液中离子的扩散过程土壤中的水可以看作电解液，电解液的粘度随温度变化，粘度变化直接影响离子迁移率，因此土壤中水的电阻率随温度变化，因此导致整个土体电阻率随之变化。土壤电阻率随温度的上升而降低，主要是因为土壤孔隙水的粘滞性随温度的上升而减小从而导致了离子的迁移率增大，导电性增强孔隙水的离解度随着温度升高而增大，从而使孔隙水的矿化度增大，因此电阻率降低。一般土壤温度每增加1℃，电阻率减少2%。

6 、实验结论

（1）不同类型土壤的土壤电阻率不同，扎旗，非常有利于建筑物的雷电防护。（2）同一地点的不同时间测得的土壤电阻率的值不同，但变化趋势基本相同，从夏季向冬季逐渐增大，从冬季向夏季逐渐降低，7月份最低，2月份最高，2月份土壤电阻率平均值是7月份的8.4倍。（3）地下深度1.0m、电极间距5.0m的土壤电阻率同降水、1.0m深土壤地温和1.0m深土壤地温、冻土厚度和地面空气温度的相关均为反比关系，1.0m深土壤地温、冻土厚度和地面空气温度相关系数非常显著。（4）根据不同类型土壤电阻率变化规律，对防雷规范给出的土壤电阻率参数可进行本地化补充完善。在防雷工程设计中，可在雷暴初日、终日历史极值之间查算出土壤电阻率的最大值，或计算出需要乘以的倍数，来设计防雷接地网，比防雷规范给出的土壤电阻率参数更直接、更符合当地实际。