电阻式冻土自动观测仪测量原理及实验分析*

宋树礼 ， 张 鑫 ， 刘志刚 ， 姚 远

（1.山东省气象防灾减灾重点实验室，山东 济南 250000；2.山东省莒县气象局，山东 日照 276500；3.中国气象局气象探测中心，北京 100081；4.秦皇岛市气象局，河北 秦皇岛 066000；5.沈阳新力新信息技术有限公司，辽宁 沈阳 110004）

0 引言

我国在新中国成立初期开展了季节性冻土人工观测技术研究，20 世纪50 年代中期开展了季节性冻土人工观测。冬季土壤冻结时，在“冻胀”的作用下体积膨大，增加对建筑物的顶托或者挤压等压力。夏季融化又出现“融沉”作用，体积减小，地面下沉，造成墙体、柱体撕裂等不良影响。

季节性冻土观测是我国地面气象观测的重要组成部分，已积累多年人工观测数据，在各行各业中广泛应用。连续自动的冻土观测数据能客观地反映季节性冻土维持时间和冻结层深度，进而表征土壤含水量的高低，对越冬作物产量评估具有重要价值。基于工程稳定性、耐久性及积极性考虑，连续自动的冻土观测数据为国家大型土木工程的规划实施、环境评价、生态预测、拓宽气象服务预警领域提供了重要参考。增强冻土自动观测能力建设是地面气象观测标准化、集约化、自动化、智能化发展的需要，也是现代气象服务发展的需要，对气候变化研究、农业生产服务、建筑工程设计等具有重要的意义。

1 冻土的概念

1）定义。《地面气象观测规范》（2003 版）明确指出，“冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0 ℃或以下而呈冻结的状态”[1]。冻土一般可分为短时冻土（数小时/数日以至半月）、季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（又称永久冻土，指的是持续两年或两年以上的冻结不融的土层）。

2）土壤冻结本质。土壤的冻结过程是一种热物理现象，冻融相态转换过程保持了水冻融过程的主要特征，土壤冻结的本质是含有水分的土壤的水发生了相变，土壤中不含有水分则冻结相变不能够发生，水的冻融规律是对土壤综合因素所赋予的热传导作用的客观反映[2-3]。

2 冻土人工观测

1）测量原理。我国冻土人工观测的冻土器通过内管中水的相态变化能间接反映土壤冻融过程，可观测到土壤的冻结层次和冻结深度。

2）观测方法。每日的8 时，观测人员用一只手将注水软胶管提到地面之上，用另一只手摸测胶管的软硬程度，根据摸测、感觉到的水体的硬度判定土壤的冻结深度和冻结层次。

3）缺点。人工冻土器内管标有厘米刻度，其软胶管标尺随内管水的冻结而伸长或弯曲；特别是冻结深度比较大的地区，提取内管摸测过程中容易产生弯折，破坏原有的自然冻结状态；人工提取和放置冻土器内管的过程已对冻土器外套管内的温度环境产生破坏，同时，因观测人员对胶管软硬的感知、认知程度不同，同样影响“冻结”判断。另外，冻土最大冻结深度出现时间一般在最低气温出现时间前后，而最低气温出现时间一般在日出前后，《地面气象观测规范》（2003 版）规定8 时为全国统一观测时间，这对我国西部地区来说，容易漏测最大冻结深度。

3 冻土自动观测

为提高冻土观测数据质量，促进我国冻土观测向标准化、集约化、自动化、智能化发展，我国气象工作者自主研发了电阻式冻土自动观测仪，经中国气象局甄选，颁发了专用气象技术装备使用许可证，开始在全国进行冻土平行观测试点。

1）测量原理。电阻式冻土自动观测仪利用含有导电粒子的水在相变时电导率发生突变的特性，用非纯净水作为感应介质制成感应元件，通过测量水的相变情况反映同层土壤的冻融状态、冻结层次和冻土上下限深度。

2）测量电路。电阻式冻土仪的测量电路由非纯净水体、感应电极、交流电源和转换开关等部件构成，电阻式冻土自动观测仪测量原理如图1所示。

图1 电阻式冻土自动观测仪测量原理图

测量电路的感应电极是置于水体中1 cm 间隔的水平电极，将感应水体划分成均等的1 cm 厚度的水柱，以满足1 cm分辨力的测量指标需求。

测量电路度数转换开关的作用是自上而下，将测量电路的交流电源顺次接入逐厘米层的上下两个电极，实现对1 cm 厚度层水体电量的分拣。相对来说，电阻法冻土自动观测测量原理简单，感应器元器件较少，测量性能稳定。

水的导电性能取决于导电离子的含量，纯净水不含导电离子，其导电能力微乎其微。自然界中的水多数是导电的，原因是水中溶有大量的杂质（导电离子）。自来水在水厂消毒净水时引入SO42-、Cl-等，增加了带电离子。因此，这种水都是比较弱的电解质溶液，电解质溶液的导电是依靠正、负两种离子各自向相反方向迁移以运输电量的结果。当插入电解质溶液中的两个电极之间存在电位差时，离子做定向运动，正离子移向负极，负离子移向正极，同时在电极上发生氧化还原反应，只有氧化还原反应不断进行才能使电路中的电子不断地做定向运动而导电。水分子属于较强的极性分子，较容易溶有导电离子，这种分子对其他分子具有较强的吸引力[4-7]。导电离子在测量电路中的电压、电阻、电流符合以下欧姆定律：

其中，I为两极间通过的电流强度；V为两极间的电压；R电液为电解质溶液电阻；R极化为电极与溶液的界面电阻；R电极为电极内阻。

3）冻结阈值实验。采用矿泉水作为测量介质，从测试数据中检索出全部冻融界面的临近数据，并统计“冻0”数据的最大值和“化0”数据的最小值，冻土自动观测仪冻融界面测试数据如表1 所示，表中，“冻0”是冻融界面的冻结层，“化0”冻融界面的融化层[8-11]。

表1 冻土自动观测仪冻融界面测试数据列表

“冻0”数据的最大值为3.95，“化0”数据的最小值为4.17，冗余间隔为0.22；冻土自动观测仪冻结阈值取为4.0 较合理、可靠，可以确保不同地域冻结层判定有依据。

4 结论

1）电阻式冻土自动观测仪继承了我国地面气象观测业务中使用的TB1-1 型冻土器测量原理和感应器结构，承袭了TB1-1 型冻土器1 cm 的测量分辨力和2 cm的测量准确度。

2）电阻式冻土自动观测仪通过缜密的水体冻融相态算法，能准确地反映出冬季土壤的渐冻、渐化过程和土壤冻融规律。

3）电阻式冻土自动观测仪通过验证的冻结阈值达到了测量准确度要求，其可替代TB1-1 型冻土器实现冻土自动观测。