氣象因素與土壤性質(zhì)耦合效應(yīng)對(duì)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(lèi)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(fēng)速、氣壓、日照)等密切相關(guān)。土壤電導(dǎo)特性指標(biāo)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(lái)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(gè)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),也是反映土壤肥力特性的基礎(chǔ)指標(biāo)。所以土壤電導(dǎo)特性在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷電防護(hù)工程、地下金屬設(shè)施的防腐工程、精

2、細(xì)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(duì)防雷接地工程、地下金屬設(shè)施防腐工程、精細(xì)農(nóng)業(yè)等方面所涉及固定區(qū)域固定地點(diǎn)穩(wěn)定土壤電導(dǎo)的影響,其實(shí)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(duì)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(duì)土壤電導(dǎo)影響的研究,研究的手段主要是實(shí)驗(yàn)或野外人工測(cè)量土壤電導(dǎo)與土壤的物理化學(xué)特性來(lái)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(jiàn)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(dòng)監(jiān)測(cè)的野外觀測(cè)試驗(yàn)和應(yīng)用長(zhǎng)時(shí)間野外觀測(cè)試驗(yàn)的海量資料分析研究土壤含水量、土壤溫度和氣象因素對(duì)土壤電導(dǎo)影響方面的報(bào)道。所以本研究主要是開(kāi)展土壤電阻率自動(dòng)測(cè)量裝置研制,在此基礎(chǔ)上對(duì)土壤電導(dǎo)性、土壤含水量、土壤溫度、氣象因素等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),最終闡明氣象因素與土壤性質(zhì)的耦合效應(yīng)對(duì)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(cè)場(chǎng)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(duì)土壤電導(dǎo)影響研究

4、的野外試驗(yàn)場(chǎng)地,應(yīng)用觀測(cè)場(chǎng)已有的觀測(cè)儀器設(shè)備和自主研制并通過(guò)了中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司組織專家鑒定驗(yàn)收的土壤電阻率自動(dòng)測(cè)量裝置,開(kāi)展了降水、溫度、濕度、風(fēng)、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(cè)試驗(yàn),并通過(guò)一年觀測(cè)試驗(yàn)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(dòng)測(cè)量裝置,開(kāi)發(fā)了土壤電阻率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制軟件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤

5、電阻率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制操作,建立了土壤電阻率每間隔1小時(shí)的連續(xù)性接地特征參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)；提供了土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)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(cè)量?jī)x器設(shè)備需要工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試還未實(shí)現(xiàn)無(wú)人狀態(tài)下的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)難題,實(shí)現(xiàn)了土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻的多通道、長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、自動(dòng)測(cè)量；同時(shí)土壤電阻率自動(dòng)測(cè)量裝置提供了對(duì)降阻劑產(chǎn)品在使用過(guò)程中是否具有降阻效能、是否

6、有腐蝕性等的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)手段,為氣象主管機(jī)構(gòu)依法按照《接地降阻劑》(QX/T104-2009)行使防雷安全社會(huì)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(guò)影響土壤溫度、土壤含水量的途徑來(lái)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(dāng)前小時(shí)的降水量對(duì)土壤電阻率變化的影響最顯著,隨著日、小時(shí)時(shí)間尺度的降水量的增加,不同深度土壤層日、小時(shí)時(shí)間尺度的電阻率隨著降低,但其土壤電阻率降低的趨勢(shì)減弱,甚至出現(xiàn)升高的趨勢(shì),只有適當(dāng)降水量,才可能使土壤電阻率降至最低。在雨季(5-9月),對(duì)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(duì)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(duì)不同深度的土壤層電阻率月平均值的影響具有明顯的時(shí)間滯后性,滯后時(shí)間在土壤淺層為1個(gè)月、在土壤深層為2個(gè)月；不同深度的土壤層的月平均電阻率變化趨勢(shì)比土壤溫度變化趨勢(shì)具有明顯的時(shí)間滯后性,0-15cm、0-30cm、0-80cm土壤層月平均電阻率變化趨勢(shì)比氣溫變化趨勢(shì)滯后1個(gè)月,0-160cm、0-320cm土壤層月平均電阻率變化趨勢(shì)比氣溫變化趨勢(shì)滯后4個(gè)。
　　 (3)通過(guò)降水過(guò)程時(shí)間和降水量耦合

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

10、防腐工程的土壤電阻率測(cè)量時(shí),降水后,時(shí)隔多少時(shí)間進(jìn)行土壤電阻率、土壤電導(dǎo)率、接地電阻測(cè)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(cè)量值的技術(shù)難題,為氣象主管機(jī)構(gòu)依法科學(xué)、客觀評(píng)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(guò)日降水pH值及其電導(dǎo)率(K值)觀測(cè)資料和不同深度土壤層電阻率自動(dòng)監(jiān)測(cè)資料研究分析降水粒子電荷對(duì)土壤電阻率的影響,得到“在同

11、一區(qū)域固定地點(diǎn)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(fù)相關(guān)性和日降水量與降水K值的顯著負(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)土壤電阻率的影響與日降水量對(duì)土壤電阻率的影響相比可以忽略不計(jì)”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(lái)降低接地電阻的技術(shù)路線”的問(wèn)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(guò)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(duì)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(duì)不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)比氣象因素、土壤溫度、土壤含水量單獨(dú)對(duì)不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的

13、貢獻(xiàn)顯著,比土壤溫度、土壤含水量二者的耦合效應(yīng)對(duì)不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻(xiàn)顯著,比氣象因素、土壤溫度二者的耦合效應(yīng)對(duì)不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻(xiàn)顯著,比降水單獨(dú)對(duì)不同深度土壤層電阻率影響的回歸模型的貢獻(xiàn)顯著。得到了“依據(jù)不同資料評(píng)估土壤電阻率時(shí),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(duì)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(shí)時(shí)間尺度電阻率盡可能依據(jù)日、時(shí)時(shí)間尺度氣象因素、不同深度土壤日、時(shí)時(shí)間尺度溫度及日、時(shí)時(shí)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(shí)時(shí)間尺度電阻率的回歸模型估算土壤層的日、時(shí)時(shí)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(duì)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?。建立了利用目前氣象觀測(cè)站現(xiàn)有氣象因素觀測(cè)資料、不同深度土壤溫度及其含水量觀測(cè)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(kāi)展雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防雷工程設(shè)計(jì)、大型地下金屬設(shè)施的防腐工程設(shè)計(jì),以及土壤肥