氣象因素與土壤性質(zhì)耦合效應(yīng)對土壤電導(dǎo)的影響.pdf

1、土壤電導(dǎo)是土壤的基本屬性,它與土壤性質(zhì)(電解質(zhì)構(gòu)成、濃度、土壤膠體類型、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤含水量、土壤溫度),以及氣象因素(降水、溫度、濕度、蒸發(fā)、風速、氣壓、日照)等密切相關(guān)。土壤電導(dǎo)特性指標常常用土壤電導(dǎo)率或者土壤電導(dǎo)率的倒數(shù)--土壤電阻率來表示,而土壤電阻率是防雷接地工程技術(shù)的基礎(chǔ),是判斷土壤腐蝕性的一個重要評價標準,也是反映土壤肥力特性的基礎(chǔ)指標。所以土壤電導(dǎo)特性在雷電災(zāi)害風險評估、雷電防護工程、地下金屬設(shè)施的防腐工程、精

2、細農(nóng)業(yè)等方面都有重要應(yīng)用。因此研究氣象因素與土壤性質(zhì)耦合效應(yīng)對防雷接地工程、地下金屬設(shè)施防腐工程、精細農(nóng)業(yè)等方面所涉及固定區(qū)域固定地點穩(wěn)定土壤電導(dǎo)的影響,其實質(zhì)就是研究氣象因素與土壤溫度、土壤含水量的耦合效應(yīng)對土壤電阻率的影響。但是,目前土壤電導(dǎo)研究主要集中在土壤自身的物理化學(xué)特性對土壤電導(dǎo)影響的研究,研究的手段主要是實驗或野外人工測量土壤電導(dǎo)與土壤的物理化學(xué)特性來分析土壤電導(dǎo)與土壤的物理化學(xué)特性的關(guān)系；還未見有關(guān)土壤電導(dǎo)特性、土壤含水

3、量、土壤溫度和氣象因素等連續(xù)自動監(jiān)測的野外觀測試驗和應(yīng)用長時間野外觀測試驗的海量資料分析研究土壤含水量、土壤溫度和氣象因素對土壤電導(dǎo)影響方面的報道。所以本研究主要是開展土壤電阻率自動測量裝置研制,在此基礎(chǔ)上對土壤電導(dǎo)性、土壤含水量、土壤溫度、氣象因素等進行連續(xù)監(jiān)測,最終闡明氣象因素與土壤性質(zhì)的耦合效應(yīng)對土壤電導(dǎo)的影響。
　　 本研究選擇了重慶市合川區(qū)氣象局觀測場作為氣象因素與土壤含水量特性、土壤溫度特性耦合效應(yīng)對土壤電導(dǎo)影響研究

4、的野外試驗場地,應(yīng)用觀測場已有的觀測儀器設(shè)備和自主研制并通過了中國氣象局綜合觀測司組織專家鑒定驗收的土壤電阻率自動測量裝置,開展了降水、溫度、濕度、風、氣壓、蒸發(fā)、水汽壓、日照和土壤電阻率、土壤溫度、土壤含水量以及降水酸堿度(pH值)、降水電導(dǎo)率(K值)的野外觀測試驗,并通過一年觀測試驗資料的分析研究,獲得了以下主要研究結(jié)果:
　　 (1)研制了多通道土壤電阻率自動測量裝置,開發(fā)了土壤電阻率自動測量系統(tǒng)遠程控制軟件,實現(xiàn)了對土壤

5、電阻率自動測量系統(tǒng)的遠程控制操作,建立了土壤電阻率每間隔1小時的連續(xù)性接地特征參數(shù)的數(shù)據(jù)庫；提供了土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻遠程自動測試裝置及方法；解決了傳統(tǒng)的野外土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻測量儀器設(shè)備需要工程技術(shù)人員現(xiàn)場進行測試還未實現(xiàn)無人狀態(tài)下的遠程自動監(jiān)測的技術(shù)難題,實現(xiàn)了土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻的多通道、長期、連續(xù)、穩(wěn)定、自動測量；同時土壤電阻率自動測量裝置提供了對降阻劑產(chǎn)品在使用過程中是否具有降阻效能、是否

6、有腐蝕性等的連續(xù)自動監(jiān)測手段,為氣象主管機構(gòu)依法按照《接地降阻劑》(QX/T104-2009)行使防雷安全社會管理職能之降阻劑產(chǎn)品管理奠定了基礎(chǔ)。
　　 (2)研究發(fā)現(xiàn),氣象因素主要是通過影響土壤溫度、土壤含水量的途徑來影響土壤電阻率,是間接影響因素；而土壤溫度、土壤含水量是影響土壤電阻率的直接因素,其中不同深度土壤含水量是影響不同深度土壤層電阻率的最主要因素,也是最敏感因素。各氣象因素中降水、氣溫、日照是影響不同深度土壤層電阻

7、率的主要因素,而其他氣象因素是影響土壤電阻率的協(xié)變因素。降水是影響土壤電阻率的最敏感因素,尤其當前小時的降水量對土壤電阻率變化的影響最顯著,隨著日、小時時間尺度的降水量的增加,不同深度土壤層日、小時時間尺度的電阻率隨著降低,但其土壤電阻率降低的趨勢減弱,甚至出現(xiàn)升高的趨勢,只有適當降水量,才可能使土壤電阻率降至最低。在雨季(5-9月),對不同深度土壤層電阻率的影響以月降水量為主,在非雨季(1-4月、10-12月),對不同深度土壤層電阻率

8、的影響以月平均氣溫為主；月降水量對不同深度的土壤層電阻率月平均值的影響具有明顯的時間滯后性,滯后時間在土壤淺層為1個月、在土壤深層為2個月；不同深度的土壤層的月平均電阻率變化趨勢比土壤溫度變化趨勢具有明顯的時間滯后性,0-15cm、0-30cm、0-80cm土壤層月平均電阻率變化趨勢比氣溫變化趨勢滯后1個月,0-160cm、0-320cm土壤層月平均電阻率變化趨勢比氣溫變化趨勢滯后4個。
　　 (3)通過降水過程時間和降水量耦合

9、效應(yīng)對土壤電阻率恢復(fù)到降水前值的恢復(fù)時間影響的研究,得到了“降水量小于0.1mm的降水,其恢復(fù)時間為0小時；降水過程時間小于1小時或降水量小于2.0 mm的降水,其恢復(fù)時間不大于24小時；降水過程時間在2～10小時之間或降水量在2.1～5.0mm之間的降水,其恢復(fù)時間不大于72小時；降水過程時間大于11小時或者降水量大于5.1mm的降水,其恢復(fù)時間大于72小時,小于232小時”研究成果,解決了雷電災(zāi)害風險評估、雷電防護工程、地下金屬設(shè)施

10、防腐工程的土壤電阻率測量時,降水后,時隔多少時間進行土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻測量才能消除降水影響,從而獲得可靠而有效的土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻測量值的技術(shù)難題,為氣象主管機構(gòu)依法科學(xué)、客觀評估建筑(構(gòu))物防雷接地裝置安全性能、各種設(shè)施與儀器設(shè)備接地裝置安全性能提供了科學(xué)依據(jù)。
　　 (4)通過日降水pH值及其電導(dǎo)率(K值)觀測資料和不同深度土壤層電阻率自動監(jiān)測資料研究分析降水粒子電荷對土壤電阻率的影響,得到“在同

11、一區(qū)域固定地點不同深度土壤層的日平均電阻率與日降水K值的相關(guān)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性,是由于日降水量與不同深度土壤層的日平均電阻率的顯著負相關(guān)性和日降水量與降水K值的顯著負相關(guān)性綜合作用的結(jié)果,因此日降水中帶電離子濃度改善土壤的導(dǎo)電能力遠遠弱于日降水量改善土壤的導(dǎo)電能力,日降水酸堿度及其電導(dǎo)率對土壤電阻率的影響與日降水量對土壤電阻率的影響相比可以忽略不計”的重要研究成果,從而發(fā)現(xiàn)了“目前降阻劑產(chǎn)品研發(fā)中僅僅依靠降阻劑產(chǎn)品為土壤提供有限的帶電離

12、子改善土壤電阻率來降低接地電阻的技術(shù)路線”的問題,提出了降阻劑產(chǎn)品研發(fā)的“低電阻效率、吸收水分、保持水分”三大降阻原則,為降阻劑產(chǎn)品研發(fā)制定正確的研發(fā)技術(shù)路線提供了科學(xué)依據(jù)。
　　 (5)通過氣象因素與土壤溫度特性、土壤含水量特性的耦合效應(yīng)對土壤電阻率的影響分析,發(fā)現(xiàn)了氣象因素、土壤溫度、土壤含水量共同的耦合效應(yīng)對不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻遠比氣象因素、土壤溫度、土壤含水量單獨對不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的

13、貢獻顯著,比土壤溫度、土壤含水量二者的耦合效應(yīng)對不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻顯著,比氣象因素、土壤溫度二者的耦合效應(yīng)對不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻顯著,比降水單獨對不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻顯著。得到了“依據(jù)不同資料評估土壤電阻率時,應(yīng)采用不同的最佳回歸模型。因此0-15cm土壤層的日平均電阻率盡可能依據(jù)日平均(日值)氣象因素和不同深度土壤日平均溫度的耦合效應(yīng)對不同深度土壤層日平均電阻率影響的回歸模

14、型估算土壤層的日平均電阻率,0-30cm、0-80cm、0-160cm和0-320cm土壤層的日、時時間尺度電阻率盡可能依據(jù)日、時時間尺度氣象因素、不同深度土壤日、時時間尺度溫度及日、時時間尺度土壤含水量共同的耦合效應(yīng)影響不同深度土壤層日、時時間尺度電阻率的回歸模型估算土壤層的日、時時間尺度電阻率,0-80cm土壤層的日平均電阻率變化可依據(jù)日平均含水量變化或者日平均含水量變化及土壤溫度變化的耦合效應(yīng)影響不同深度土壤層日平均電阻率變化的回

15、歸模型估算,0-30cm土壤層的日平均電阻率變化盡可能依據(jù)日平均(日值)氣象因素變化、不同深度處的日平均土壤溫度變化及日平均土壤含水量變化共同的耦合效應(yīng)對不同深度土壤層日平均電阻率變化影響的回歸模型估算土壤層的日平均電阻率變化?！毖芯砍晒＝⒘死媚壳皻庀笥^測站現(xiàn)有氣象因素觀測資料、不同深度土壤溫度及其含水量觀測資料估算不同深度土壤層電阻率的回歸數(shù)學(xué)模型,為開展雷電災(zāi)害風險評估、防雷工程設(shè)計、大型地下金屬設(shè)施的防腐工程設(shè)計,以及土壤肥