土壤電阻率影響因素研究

鐘慶

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

1 概述

土壤電阻率可以表征土壤的導(dǎo)電性，土壤電阻率由于其連續(xù)無損的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于含水率預(yù)測、地質(zhì)勘探和隱患探測等領(lǐng)域[1-3]。土壤的諸多性質(zhì)是影響電阻率的重要因素，Archie(1942) 開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)室測量砂巖的經(jīng)驗(yàn)電阻率- 含水率關(guān)系(Archie 定律)，很多學(xué)者對(duì)土電阻率理論進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。Yulong Chen 等人[4]詳細(xì)考察了含水率、干密度、溫度等因素對(duì)磷礦尾礦電阻率的影響；Jie Wang 等人[5]討論了飽和度對(duì)不同類型土壤熱導(dǎo)率和電阻率的影響。總結(jié)前人的研究，可以發(fā)現(xiàn)電阻率在地質(zhì)勘探和評(píng)估方面的應(yīng)用仍然頗有爭議。雖然已有較多研究探究土壤電阻率和各因素的關(guān)系，但是進(jìn)一步將其關(guān)系量化，建立更好的轉(zhuǎn)化關(guān)系也尤為重要。

基于此，本研究開展了不同含水率條件下的土壤樣品室內(nèi)電阻率實(shí)驗(yàn)，分析了含水率對(duì)土壤電阻率的影響規(guī)律，此研究能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用進(jìn)一步提供基礎(chǔ)參考。

2 試驗(yàn)方法

按電極數(shù)量劃分測量土壤電阻率的方法，可大致分為二相電極法和四相電極法。這兩種方法都是基于伏安法的原理，但是考慮到試驗(yàn)操作簡單并且對(duì)土樣干擾小等需求，故采用二相電極法開展實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖1。

圖1 二相電極法原理

本文主要開展了標(biāo)準(zhǔn)土樣電阻率試驗(yàn)。土樣電阻率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2，采用自制的亞克力容器承裝土體，該容器尺寸（直徑×高）50mm×150mm。在盛裝土壤的箱體兩端裝有銅片電極。試驗(yàn)設(shè)置含水率為0%、3%、6%、9%、12%、15%、18%。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

3 結(jié)果

含水率是影響土壤電阻率的主要因素，對(duì)試驗(yàn)所測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出電阻率與含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制曲線圖如圖3。

圖3 電阻率- 含水率關(guān)系

圖4 各含水率條件下土壤電阻率

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)電阻率與含水率關(guān)系密切，由圖3 可以發(fā)現(xiàn)在所有密度條件下的土壤電阻率隨著含水率的增大而減小，并且密度越小時(shí)，電阻率隨含水率變化的減小幅度越大，究其原因，這種現(xiàn)象是由于含水率增加時(shí)，就導(dǎo)致了孔隙水的增加，從而導(dǎo)致土壤顆粒連接更加緊密，并且水分的電阻更小，所以呈現(xiàn)出隨含水率增大，電阻減小，電流增大的現(xiàn)象。但是最終含水率增大到一定程度時(shí)，電阻率逐漸維持一定值，含水率達(dá)到一定值時(shí)，土壤達(dá)到飽和，再增加水分對(duì)其結(jié)構(gòu)組成影響不大。

由于高含水率的土壤電阻率較為接近，為了更清晰的對(duì)比各個(gè)變量下的電阻率情況，將各條件的電阻率曲線進(jìn)行列舉。從圖4 中可以清晰的看出土壤電阻率隨含水率的變化趨勢，電阻率在同一密度下，隨含水率增大明顯減小。在含水率0%時(shí)，各密度的土壤電阻率取得最大值，分別為2800Ω·m、1380Ω·m、1350Ω·m、760Ω·m、640Ω·m、48Ω·m、36Ω·m、39Ω·m 和33Ω·m。此時(shí)，同一含水率條件下的土壤電阻率隨密度增大而減小。

總的來說，土壤電阻率與其含水率關(guān)系極為密切，電阻率減小主要是由于孔隙水增多，而含水率的增大可以達(dá)到此效果。

4 結(jié)論

本研究開展了室內(nèi)土樣電阻率實(shí)驗(yàn)，研究了含水率對(duì)土壤導(dǎo)電性的影響，得出如下結(jié)論：

（1）土壤電阻率受含水率影響明顯，電阻率隨含水率增大而減??；

（2）密度1.2g/cm3的土壤受含水率的影響較大；（3）含水率對(duì)電阻率的影響是有限的。