土壤污染测试（精选九篇）
土壤污染测试 篇1
1 电阻率测试基本原理
从物理学中得知, 土壤电阻率其计算公式一般为:
其中, ρ为物质的导电性;R为土壤电阻率, Ω;L为导线长度, m;S为导线横截面面积, m2。土壤电阻率是指长、宽、高各为1 m的立方体土壤相对两面间的电阻 (见图1) , 单位为Ω·m, 在土壤电阻测定时, 可以借用式 (1) 。
2 土壤电阻率的测试
土壤电阻率的测试方法很多, 如地质判定法、双回路互感法、自感法、线圈法、偶极法以及四极电测深法。目前, 多采用四极电测法, 其准确性完全能满足工程设计要求, 这种测试方法所需仪表设备少, 操作简单, 易于工程中应用。
2.1 测试方法及计算公式
土壤电阻测试仪表多为ZC-8, 采用四点法, 用4个端钮的电阻测试仪测试土壤电阻率, 其接线如图2所示。测试时需要4根金属探棒, 内侧 (P1, P2极) 两根为电压棒, 采用铜质棒, 外侧 (C1极, C2极) 两根为电压棒, 采用铁棒。4根金属探棒布置在一条直线上, 金属探棒之间距离相等均为a, 金属探棒打入地下的深度h不应大于a值的1/20, a从1.5 m, 3.0 m, 6.0 m, 12.0 m等取值。
使用电阻测试仪都为ZC-8型, 当摇动接地电阻测试仪手柄时, 手摇发电机产生105 Hz~115 Hz的交流电, 通过C1, C2金属探棒流入被测大地, 再从金属探棒下引出回到接地电阻测试仪。由P1和P2探棒测出的电压值是C1和C2之间大地由于上述交流电引起的电压值, 测试结果计算如式 (2) :
其中, ρ为土壤电阻率, Ω·m;R为所测电阻, Ω;a为电极间距, m;b为电极入地深度, m。当电极入地深度b不超过0.2a时, 可以假定b=0, 则计算公式可简化为:
接地电阻测试仪由4根探棒获得的电流和电压值, 通过仪器已转换成电阻值, 故只要从接地电阻测试仪上读出探棒A, B之间的电阻值R, 就可根据式 (3) 求出该两探棒之间的土壤电阻率。
2.2 测试时注意事项
1) 测试时各极棒打入地下深度不应超过极棒间距a的1/20, 间距a同时也反映了测试的深度范围, 因此可以改变a值的大小, 测出分别为深1.5 m, 3 m, 6 m, 12 m时的土壤电阻率, 即可反映不同深度时土壤电阻率是否一致。2) 使用接地电阻测试仪时转速按100 r/min~120 r/min速度摇动摇表手柄, 应选择合适的电阻档位, 指针稳定后再读数。3) 四根极棒布设在一条直线上, 接线时, 极棒与仪表上的P2, C2接线端之间的短路片断开, 极棒与仪表上的接线端的连接顺序不能颠倒, 当地下存在金属物时, 可将接地棒排列方向与地下金属物走向一致。4) 土壤电阻率的测试宜在干燥季节或天气晴朗多日后进行。土壤电阻率ρ值还需考虑将测试值ρ0乘以季节修正系数[1]φ。即:ρ=ρ0φ。修正系数φ的取值, 可以根据测试时的情况和接地装置的设计或实际状况查表1取值。5) 使用接地电阻测试仪时应水平放置, 以便获得准确的测试数据。6) 如果在测试探棒附近有与被测接地极相连的金属管道或电缆, 则整个测试区域的电位将产生一定的均衡作用, 从而影响测试结果。7) 摇表接线会因生锈或氧化影响测试值, 在测试前应进行除锈。
3 土壤电阻率的测试结果分析
根据野外测试得到的电阻率值, 土壤电阻率值变化范围很大, 最低可小于1Ω·m, 最大可达上千欧姆·米。土壤电阻率受土壤类型、土壤含水量、含盐量、温度、土壤的紧密程度等因素影响。1) 土壤类型对土壤电阻率影响最大。不同性质的土壤, 其电阻率甚至相差几千到几万倍[1]。不同性质的土壤电阻率见表2。2) 含水量对土壤电阻率也有很大影响。绝对干燥的土壤电阻率可以认为接近无穷大。含水量对土壤电阻率的影响, 随土壤的种类不同有所不同, 如表2所示。3) 温度对土壤电阻率的影响, 当土壤温度在0℃以下时, 由于其中水分结冰、土壤冻结, 电阻率会突然增加。4) 土壤的含盐量, 当土壤中含有Cl-, H+, (OH) -成分时, 电阻率会显著下降。5) 土的紧密程度, 土壤本身是否紧密, 与接地极是否紧接, 对土壤电阻率也都有很大影响。土壤本身的颗粒越紧密, 电阻率越低, 其降低程度随土壤的种类而异。
Ω·m
4 结语
对于避雷系统接地装置而言, 要求其接地电阻越小越好, 因为接地电阻越小, 散流越快, 落雷物体高电位保持时间越短, 危险就越小。影响接地电阻的最重要的参数是土壤电阻率, 如果土壤电阻率数据不准确, 将会给防雷设计提供错误的基础数据。采用文中介绍的四点法测试土壤电阻率, 土壤电阻率数据准确, 将给防雷设计提供合理、准确的基础数据。
摘要：基于电阻率测试的基本原理, 提出了四极电测法测电阻率的计算公式, 并对该测试方法的注意事项进行总结, 最后, 结合土壤条件对测试结果进行了分析, 指出采用四极电测法测试土壤的电阻率数据准确, 可为防雷设计提供合理的基础数据。
关键词：电阻率,测试方法,测试结果,分析
参考文献
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摩托车燃油蒸发污染物排放测试浅析 篇2
摩托车燃油蒸发污染物排放测试浅析(1)
要保证燃油蒸发测试的准确性,首先应确保车辆状态的稳定,包括炭罐的.老化、炭罐正常的吸附、脱附,及油气管路的正确连接等.对燃油蒸发测试结果影响最大的因素是油品和试验用油的蒸气压,只有在试验用油和燃油蒸气压一致的条件下,各种测试结果才有可比性.因此,日后在进行燃油蒸发试验时应重点关注燃油的蒸气压.
作 者：王臻 作者单位：国家摩托车质量监督检验中心刊 名：摩托车技术英文刊名：MOTORCYCLE TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(7)分类号：关键词：摩托车燃油蒸发 污染物排放 测试方法 影响因素
土壤污染测试 篇3
关键词：土压力传感器；土壤压实；原状土；测试系统
中图分类号： S222.23；S152.9文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0368-03
收稿日期：2014-03-11
基金项目：国家自然科学基金（编号：41371238）；江苏省优势学科建设工程资助项目（编号：PAPD）。
作者简介：柏建彩（1987—），男，山东临沂人，硕士，研究方向为土壤应力传递机理。E-mail：15895922573@163.com。
通信作者：丁启朔，教授，博士生导师，研究方向为作物生产环境工程与技术。E-mail：qsding@njau.edu.cn。田间作业机具对农田土壤的压实降低了土地生产力，因而监控各种田间作业机具对土壤的压实过程是有效避免土壤被过度压实的基础工作。关于土壤压实及模拟应用的研究报道较多[1-5]，使用土压力传感器监测土壤压实过程是农田土壤压实测试技术方法中的一个高效手段，当前的专用土压力传感器尺度较大[6-7]，且没有一套完善而规范的操作方法，使得这一监测过程的操作变得较为繁琐。当前的做法主要是将待测点的土壤清除，放好传感器后将土壤回填[8]；还有的方法首先需要在距待测地点1 m处开挖坑道，然后在坑道侧壁上的不同深度位置钻出水平孔洞，最后将土压力传感器安置在水平孔洞中[7]。从这2种方法可以看出，传感器埋设过程操作繁琐，费时费力，对土壤的扰动也比较大。另外，由于目前尚无专用的加载测试装置对埋设的传感器进行加载测试，因此本研究针对农田土壤压实监测的土压力传感器埋设及加载测试2个操作环节提供相应的装置和测试操作方法。
1总体结构和原理
测试系统主要由土压力传感器打孔机构、土压力传感器埋设机构、加载机构以及数据采集测试系统等组成，其结构如图1所示。该测试仪可以完成土压力传感器安放孔的挖设、土压力传感器的埋设、加载及测试等多道工序。工作时先将打孔机构和加载机构安放在导轨上，保证土压力传感器的安放位置和加载位置不会产生偏差。通过打孔机构在地表以一定的角度打到预定深度，完成安放孔的挖设，然后用埋设机构把传感器安放到孔内，最后进行加载及土壤压实过程的测试，原理如图2所示。
2主要机构设计
2.1土压力传感器打孔机构的设计及操作方法
如图1-a所示，打孔机构由1个打孔支架、1个导向套筒和1个取土器等组成。支架长800 mm，宽500 mm，高480 mm，上面3个安装孔能够将导向套的角度分别调整为30°、38°、45°。导向套筒是长400 mm、直径为30 mm的圆筒。取土器是长2 m、直径为20 mm的圆筒，将前端10 cm处去掉一半，方便取土。工作时，将支架安放在导轨上并先确定打孔角度，然后将导向套筒通过螺纹连接在支架上，将带有刻度的取土器安放在导向套筒内，使取土器前端触碰到地表，此时标记取土器的初始刻度；按照预计的土压力传感器埋设深度并结合导向套筒的倾斜角计算取土器探入地表的位移后开始钻孔，将取土器插入土层后轻转一角度，然后拉出地表，清除塞嵌在取土器凹槽内的土壤。重复上述动作，直到探入土层的取土器到达预定位置，即完成土压力传感器埋设孔的钻孔过程，此时移开打孔支架。
2.2土压力传感器埋设机构的设计及操作方法
如图1-b所示，传感器的埋设装置主要由传感器、夹持筒、顶杆等组成。夹持筒是长600 mm、直径为10 mm的圆筒，端部加工成可以与传感器完全贴合的形状。顶杆长1 m，端部开叉，可以叉住传感器。工作时，将土压力传感器的导线从夹持筒端部喂入并从夹持筒内穿过，拉紧土压力传感器的导线，令土压力传感器的侧壁顶住夹持筒端部，顶杆则由夹持筒的末端逆向穿过夹持筒并碰触到土压力传感器壁。转动夹持筒，令土压力传感器的感测面朝上，平缓地将夹持筒塞入传感器安装孔内。当土压力传感器到达安装孔底部时，推动顶杆，通过顶杆将土压力传感器顶靠在安装孔底部；此时将夹持筒从安装孔中抽出，传感器、传感器电缆和顶杆继续留在安装孔中，维持顶杆的状态，向安装孔中填入一定量的细沙，并用推杆推送，使送入的细沙塞满传感器后部的空间。轻轻抽出顶杆，保留土压力传感器电缆在安装孔中的状态，然后抽出推杆，继续向安装孔中填入足量细沙并依次用推杆推送，将安装
孔填实，完成传感器的安装。
2.3加载机构
如图1-c所示，液压加载装置主要由台架、液压缸、压板、配重块等组成，主要技术参数见表1。工作时，液压缸安装在台架上，压板通过拉压力传感器与液压缸连接。台架两侧放有配重块，配重块用铁丝与台架捆成一个整体。埋好土压力传感器后，将组合好的加载台架移动到埋设土压力传感器的上方，启动电机，用液压系统进行加载，同时测取施加的荷载、压板下陷的位移以及土压力传感器的感测应力。表1液压加载装置的主要技术参数
项目台架长×宽×高
（mm×mm×mm）总质量M
（kg）液压缸行程L
（mm）最大压力F
（mPa）液压缸动力P
（kW）液压油箱容量V
（L）参数值600×1 140×1 600700400100.754
2.4测试系统
本系统主要由土压力传感器、拉压力传感器、位移传感器、放大器、电阻应变仪、数据采集卡、计算机等组成。工作时，在加载的工程中，传感器产生的信号通过Labview软件及电阻应变仪、数据采集卡等硬件采集到计算机中。
nlc202309011120
3田间试验
土压力传感器型号为DZ-Ⅰ型，属于电阻应变式，传感器检测表面为感应膜片式，轮廓直径17 mm、厚度7 mm，该传感器的精巧安装尺寸便于原位埋设。土压力传感器的标定按照厂家规定，在实验室按与田间应用相同的安装角进行油标定，位移与拉压力传感器也进行室内标定，3个传感器的标定曲线如图3所示，可见都具有良好的线性关系。
试验于2013年11月在南京市浦口区江浦农场进行。试验地为多年稻麦轮作，土壤为黄棕壤发育而成的水稻土，水稻收后地表残茬150 mm左右，0～20 cm土层土壤基本物理参数为：含水率29.83%，干密度1.32 g/cm3，孔隙度49.98%，土壤内聚力55.33 kPa，土壤内摩擦角10.26°。试验过程所用总荷载、圆形平板直径、液压缸推进（平板下陷）速度、信号采样周期、总下限深度参数分别为700 kg、150 mm、10 mm/s、25 ms、40 mm。田间测试结果如图4、图5所示。
通过田间试验可以看出，土压力传感器的埋设角度和深度都很精确，测试曲线规律较明显，加载力一开始增加比较快，随着土壤压实并产生流变失效，加载力趋于平缓，表层土结构比较松散，具有一定的缓冲性；下陷位移较小时，土应力增加比较缓慢，随着下陷位移的增大，土壤被压得紧实，应力可以快速传递到下方，此时土应力急剧升高，在最大位移处达到最大值。
4结论
综合运用平板下陷和土压力传感器的土壤压实测试系统操作相对简单，对土壤扰动较少，满足在短时内多点原位测试
的要求。20 cm厚度的土壤应力传递能力形成显著滞后于土层的机械承载力结构形成，表明土层的应力传递能力滞后于承载结构土层的形成。
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土壤耕作部件测试装置的设计 篇4
土壤耕作部件作为农机具的主要入土部分, 是机具产生阻力的主要原因, 要减少拖拉机的动力消耗, 就要减少耕作部件的阻力[1 - 2]。尤其是在免耕茬地上, 地表土壤坚实, 且有大量的秸秆、根茬覆盖, 对于土壤耕作部件阻力影响较大。播种试验结果表明, 在播种深度10cm时, 开沟器在免耕土壤要比在传统翻耕土壤的阻力增加约5 ~ 8 倍, 对开沟器、深松铲、浅松铲等土壤耕作部件的设计有更高的要求[3 - 5]。因此, 需要在免耕条件下对土壤耕作部件进行详细的受力分析, 以设计性能更好的土壤耕作部件, 这就需要性能良好的测试装置。
目前, 土壤耕作部件的测试主要是在土槽中完成, 测试装置多采用在测试部件上贴应变片等。这需要将测试装置安装在室内土槽中, 其结构比较复杂, 同时土槽造价昂贵、利用率低、试验费用高, 且难以实现免耕条件下的测试[6]。国外农机科研机构设计的多用途田间测试装置, 能在多种条件下测试农机土壤工作部件的工作性能, 但这些设备存在造价高、测试功能不足等缺点, 不能方便、灵活地应用[7 - 8]。国内苏元升研制了采用拉压传感器的田间测试系统, 能够测出牵引力、垂直反力等, 但结构复杂, 也不能方便、灵活地应用[9]。因此, 在免耕条件下要研究不同土壤耕作部件的受力情况, 需要设计一种应用方便的土壤耕作部件测试装置。
针对以上问题, 中国农业大学采用三分力传感器原理, 设计了便携式土壤耕作部件测试装置, 能够在不同条件下测试开沟器、深松铲、浅松铲等土壤耕作部件的受力情况, 包括牵引力、垂直反力、侧向力等参数, 旨在为开沟器、深松铲等土壤工作部件受力特性的研究提供可靠载荷数据, 为免耕播种机开沟器和深松铲的设计提供理论依据。
1 测试装置总体结构
本测试装置由测试软件、数据采集卡、三分力传感器等部分组成 ( 见图1) 。其采用三分力传感器原理, 输出信号为电压信号, 测试范围为- 1 ~ + 1V, 负号表示与标定的方向相反, 对应的测力范围为0 ~300kg。采用北京中泰科技有限公司生产的USB7325A型可编程数据采集卡, 其主要特点是: 体积小, 携带方便, USB接口, 能方便地与电脑相连。数据采集过程通过编程控制, 采集时间间隔可以通过内部时钟任意设定, 并且能够实时保存数据。
测试开沟部件时, 将传感器上端与播种机的机架或者其它方梁相连, 将开沟部件固接在传感器的下端 ( 如图1 所示) , 采集卡的输入端与传感器数据线相连, 输出端与电脑相连。当拖拉机正常前进时, 打开测试程序, 开始采集数据, 即可测试开沟部件的前进阻力、垂直反力和侧向力, 并且将采集的数据实时地保存在电脑中。
1.测试软件2.数据采集卡3.三分力传感器4.试验开沟器
2 测试装置的设计
2. 1 三分力传感器设计
开沟器、深松铲等土壤工作部件属于对称工作部件, 在土壤均匀的情况下, 作用于部件上的合力R应在纵向对称平面内, 分别为水平分量Rx和垂直分量Rz, 如图2 所示。工作部件往往还受到侧向力Ry, 此力一般情况下很小, 理想情况应该为0。理论上, 铲尖受到两侧土壤的侧向力相等, 即铲柄不会发生侧向弯曲; 但实际开沟过程中, 当铲尖碰到根茬或者石块, 瞬间必然会导致铲柄两侧受力不均, 产生侧向力[10]。为了能够测试土壤耕作部件3 个方向的力, 本测试装置的布片结构分别安装在梁的中线位置, 组成一个三维受力的传感器。
考虑到开沟部件的受力情况和在拖拉机机架上的安装位置, 传感器的结构采用了“L”字形。同时, 考虑到土壤不是均匀连续变化的介质, 加上传感器在安装时可能出现位置不正的偏差, 致使水平分量Rx和垂直分量Rz的合力R的作用线可能不在工作部件的对称平面内, 而使传感器的梁发生弯曲。梁的变形复杂, 给传感器的布片和计算带来很大的麻烦, 因此将传感器的梁做成正方形的截面。三分力传感器的结构形式如图3 所示。
传感器在工作过程中, 假设在同一温度下Rx1和Rx2截面处不会受到因温度变化而引起的应变。同时, 由于土壤质地不均匀, 会有Fy产生。因此Rx1, Rx2, Rx3, Rx4布置在传感器立梁的中性层上, 没有输出, 不会对Fx的测量产生影响[11 - 12]。
传感器上X, Y, Z这3 个方向力的测量采用了测剪力的原理。其中, Rx力测量时, 其在截面上产生的应力如图4 所示 ( 不考虑Rv的作用) 。
由图4 可知: ε1= εx1+ εz1+ εa1, ε2= εx2+ εz2+εa2。其中, εx1, εx2分别表示在Rx1, Rx 2截面处由Rx力作用而引起的应变, 此时没有考虑Ry的作用。如果由于工作部件安装不正确或土壤质地不均匀, 有Ry力产生时, 因为Rx的4 个应变片布置在传感器立梁的中性层上, 故没有输出, 不会对Rx的测量有影响。εz1, εz2分别表示在Rx1和Rx 2截面处由RZ力作用而引起的应变, 而且 εz1= εz2。εa1, εa2分别表示在Rx1和Rx 2截面处由于温度变化而引起的应变, 因传感器在同一温度下工作, 故 εa1= εq2。
因此由剪力测量原理可得[12]
其中, εx1和 εx2分别表示在Rx1和Rx2截面处由Fx力作用而引起的应变; E为材料弹性模量; W为抗弯截面模量; ΔL为Rx1和Rx2之间的距离。
由上式可以看出, Fx力的大小与 ( εx1- εx2) 成正比, 而图4 中的Rx的电桥布片输出正好是Rx1和Rx2的阻值变化之差。
由于Fy, Fz的结构和受力与Fx受力分析原理一样, 因此分析略。
2. 2 测试装置的软件设计
系统软件程序由主程序和中断程序两部分组成, 数据采集卡采用北京中泰科技有限公司生产的USB7325A型可编程数据采集卡, 然后根据测试要求用VB编程。接口程序如下:
在测试开沟部件时, 由于开沟部件自身的质量等原因, 传感器已经采集到数据 ( 尤其是垂直反力) , 因此首先选择基准值; 然后, 设置每秒采集次数, 可以根据拖拉机或者土槽的前进速度来设置采集卡每秒的采集次数, 考虑精度问题, 最好采集次数不超过200次/s。当拖拉机或者土槽保持匀速时, 点击开始采集按钮, 系统就能够实时地采集数据, 并且实时保存到电脑中。考虑到电脑处理数据的速度以及采集的精度, 本系统采集的数据是电压值, 测试结束后可以进行单位转换, 将电压值转换成牛顿。
2. 3 测试装置精度测量
系统调试完毕后, 在实验室进行模拟试验, 以标定测试装置的精度。采用精度为0. 15% 的拉压力传感器勾住测试装置的下端, 并且垂直于方梁。当拉压力传感器的显示保持恒定时, 记下传感器和测试系统的数值, 如表1 所示。
测试系统的误差为
其中, η 为误差; F实为弹簧秤实际测的力, N; F侧为测试装置测得的力, N。
测试结果如表1 所示。3 个方向上的平均精度分别为96. 2% , 96. 5% , 95% 。但系统误差中还要考虑到作为标定装置的拉压传感器本身精度0. 15% , 则上述精度分别为96. 05% , 96. 35% , 94. 85% 。3 个方向的精度基本能够达到95% , 因此能够满足测试要求。
试验结果表明, 所设计的开沟部件测试装置能够测试其前进阻力、侧向力、垂直反力, 能够方便地安装到机架上, 用于土槽或在田间试验。同时, 能够实时地采集保存数据, 采集数据速度高达200 次/s, 可以根据不同的前进速度设定采集次数, 采集数据精度在95% 以上, 能够满足要求。
3 结语
1) 采用三分力传感器原理, 设计了能够测试土壤耕作部件的便携式测试装置, 可测试不同土壤耕作部件的前进阻力、侧向力和垂直反力, 能够实施测试、保存数据。
2) 采集数据速度高达200 次/ s, 可以根据不同的前进速度设定采集次数。采集数据精度在95% 以上, 能够满足要求, 为开沟器、深松铲、浅松铲等土壤耕作部件的设计提供了技术支持, 有利于推动保护性耕作的发展。
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土壤阻力连续测试系统农田试验研究 篇5
农业机械的大量使用造成农田土壤被压实,直接影响作物的生长[1]。电子和信息技术的发展,为快速获取和处理土壤压实信息提供了技术基础。
在国内外众多农业科技工作者研究土壤压实信息获取方法[3,4,5,6,7,8,9,10]的基础上,笔者设计制作了拖拉机牵引的可快速连续测量农田土壤阻力的测试系统,如图1所示。系统包括机械部分、传感器和信息采集部分。为研究测试系统的适用性,将系统测试的土壤阻力指数TRI (Tillage Resistance Index)与ASAE定义的土壤圆锥指数[2]CI(Soil Cone Index)进行了对比试验,以期获得在反映土壤压实程度信息的一致性。
土壤阻力指数TRI定义为测试系统测量的土壤阻力与测试刀切割土壤面积之比,单位为MPa;土壤圆锥指数CI是ASAE制定的反映土壤压实程度指标,单位为MPa。
通过试验比较土壤阻力测试系统测试结果与土壤圆锥指数测试结果的一致性,对确定土壤阻力测试系统的测试效果和应用具有重要意义。
1 试验方案和材料
试验在美国肯塔基大学试验农场进行。试验农田是轮休了一年的田块,轮休前种植玉米,玉米种植前进行过深松(深度30cm),机械收获之后再未做任何处理。依据往年的测试情况,农场管理员估计该田块土壤压实程度总体上属中等(1MPa以上),对作物根系生长有影响,但不太严重。由于收获机械压实和雨水冲刷的作用,表层土壤的压实程度要稍大一些。
1.1 小区对比试验
首先在一块20m×3m的农田上标出长15m 、宽1m的测试区,如图2所示。采用带有GPS功能的5圆锥头(并列成一排)液压圆锥仪进行圆锥指数测试。圆锥头间距为20cm,沿测试方向间隔20cm连续测试,每次测试时分5个深度层(即10,20,30,40,50cm)测取CI值,深度层间隔10cm。测试结束后,将每米长度上每一深度层获得的25个CI值取平均值后作为该深度层每米长度的CI值,这样在15m测试长度的5个深度层上共测得75个CI数据。采样点位置示意如图2所示。随后,在CI采样点之间用土壤阻力测试系统(该系统测试深度可在10~50cm之间调节)分别以10,20,30,40,50cm深度连续测试TRI,测试深度与圆锥仪点采样测试深度一致,测试轨迹如图2所示。所有CI值和TRI值采样数据依GPS定位对应保存在文件中。
1.2 大田对比试验
在面积为70m×40m的田块上,标出6条测试线,间隔6m,其中3条用于对比试验,3条用于分析工作速度对测试结果的影响。首先,在3条对比测试线上用液压圆锥仪按间隔5m进行点采样,样点总数30,采样深度50cm,采样点位置平面示意图如图3所示。
圆锥仪记录系统沿采样深度每厘米记录一次CI值。测试结束后,将每10cm土层内测得的CI值取平均值后作为该层的CI值。在50 cm深度范围内得到5个CI值,然后由土壤阻力测试系统沿3条测试线分别按10,20,30,40,50cm深度测试TRI值,测试轨迹间隔20cm。所有连续TRI与点采样CI采样数据按GPS定位对应存储。
1.3 工作速度影响试验
测试深度取为40cm,工作速度分别取0.5,1.0,1.5m/s,在3条测试线上进行试验,比较不同工作速度对土壤阻力指数TRI的影响。
2 试验结果与讨论
2.1 小区对比试验结果
将点采样数据和连续采样数据按GPS定位数据对应处理。用EXCEL软件按10,20,30,40和50 cm采样深度绘出对应位置CI值及TRI值散点图及趋势线,如图4所示。
图4表明:在20~50cm土层的相同位置处,CI值与TRI变化趋势基本一致,且变化趋势线基本平行,但二者差值在不同深度土层间不成比例;表层土壤的CI和TRI都有相同的下降变化趋势,但变化强度不同;另外,在土壤表层(0~10cm深度)的测试值CI和TRI均变化较大,对二者的趋势性有影响。
2.2 大田对比试验结果
对大田试验连续采样的TRI数据进行均值处理,按GPS定位数据,取得接近CI值采样点位置的TRI值,并将测试深度10 ,30和50cm的CI值和TRI值按测试距离分别做出3条测试线散点分布图及趋势线图,如图5、图6和图7所示。图5显示,试验区域10cm土层和50 cm土层的TRI与CI有相同变化趋势,但变化程度不同,30cm土层变化趋势相反;图6显示,试验区域10cm土层的TRI与CI变化趋势相同,30 cm和50 cm土层则趋势相反;图7显示的结果与图5相似。
图5、图6和图7显示在反应土壤压实程度上尽管有些测试区域TRI与CI值有相同趋势,但有些测试区域没有或不明显,甚至相反,表明TRI和CI之间没有线性关系。因此,要简单地建立TRI和CI之间的联系是困难的,这也符合TRI和CI值的测定由于受到土壤性质和测试设备等多种因素的影响,采取不同测试方式,影响程度和方式也不一样,必然带来TRI和CI值的非线性变化。
2.3 工作速度影响试验结果
固定40cm测试深度,在另3条测试线上分别以0.5,1.0,1.5m/s工作速度测得TRI值作分布图,如图8所示。图8显示在相同测试深度和不同工作速度下的TRI值在1.5~2.0MPa之间,其中在1条测试线上,1.0m/s工作速度下测得的TRI值比0.5m/s和1.5m/s工作速度测得的TRI值小;而在第2和第3条测试线上的TRI值介于0.5m/s和1.5m/s工作速度测得的TRI值之间,且三者间数值较接近。考虑到实际作业时工作效率,工作速度应在保证测试系统安全和测试数据稳定的前提下,越大越好,但随着速度的增加,测试阻力会迅速增大,不利于系统安全。试验数据显示,可快速连续测量农田土壤阻力测试系统的较理想工作速度是1.0m/s。
2.4 讨论
1)图5、图6和图7中显示的试验区域表层土壤的TRI值在1.5MPa上下,比预估偏大,但结合其他土层的TRI值,发现田块整体压实程度与农场管理员预先估计的基本一致,这说明TRI数值也可以反应农田土壤的压实情况。
由于试验中CI 值是通过点采样测取的,因此其值受采样点位置选择的影响较大。在同一区域中,CI值越离散,数值起伏波动越大;而TRI值则是连续采样的计算值,平滑了点采样数值的起伏,这使得二者间没有较理想的对应关系。
从图4可以看出,由于采样密度大,采样间隔小,克服了点采样带来的信息量少和异常点对CI值的影响,CI值分布趋势线也比较平缓。图4显示CI值和TRI值没有明确的相关关系,但二者在反应土壤压实程度上是一致的。在图5、图6和图7中,由于点采样间隔加大,样点的CI值分散程度变大,信息量少,代表性弱,趋势线变化起伏程度变大;而TRI值由于是连续采样,每一样点的测试值均是周围连续样点测试值的均值,代表性强,趋势线变化程度小且平缓。
若将CI值和TRI值的变化趋势线放到一块农田中分析,由于点采样的影响,CI值变化趋势分布将是变化程度较大的转折起伏状分布,而TRI值分布则由于连续采样,其在整个田块上则呈平滑起伏状分布面。而对于GPS引导的变耕深作业机械,平滑起伏状分布更宜于变耕深耕作机械作业的开展。
2)工作速度对TRI值是有影响的,随着工作速度增加,TRI值会增大。试验测试的3个工作速度值是根据农业机械一般作业速度选择的,既兼顾效率,又兼顾对TRI的影响和测试系统的安全。综合来看,试验显示工作速度1.0m/s是可行的。
3)系统实际测试中,由于农田土层中存在的不确定性,经常会发生土壤阻力超出限制切断安全销保护传感器的情况,带来测试系统工作不连续及测试数据不连续的问题。为解决这一问题,采用圆盘测试刀,通过圆盘的旋转滑切作用,解决传感器过载保护和不连续测试是一条途径。
3 结论
1)土壤阻力连续测试系统测试的TRI值可以反应农田土壤压实的程度。
2)土壤阻力连续测试系统工作连续、采样信息量大和效率高,可快速采集农田土壤信息,TRI分布平滑,有利于变深度耕作作业开展。
3)在系统高效、安全和测试数据稳定的前提下,试验结果显示测试系统较理想的工作速度是1.0m/s。
摘要：土壤阻力连续测试系统可连续获取农田压实的土壤阻力信息。为研究土壤阻力连续测试系统测试土壤阻力指数(TRI)的适用性,安排了小区对比、大田对比和工作速度影响3个试验,进行了土壤阻力指数TRI值与土壤圆锥指数CI值对比分析。试验结果表明:在表征农田土壤压实程度上,TRI值与CI值具有一致性,即利用土壤阻力连续测量系统测取的TRI数据可以反应农田土壤的压实程度;土壤阻力连续测量系统采样连续、数据信息量大和采样效率高,适合于大面积农田土壤信息快速采集,有利于变耕深耕作技术的开展;在保证系统高效、安全和测试数据稳定的前提下,试验结果显示测试系统较理想的工作速度是1.0m/s。
关键词：土壤阻力,测试,信息采集,土壤阻力指数,土壤圆锥指数
参考文献
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[9]张利民,罗锡文.差分GPS定位技术在土壤耕作阻力测量中的应用[J].农业工程学报,1999,15(4):35-39.
浅谈土壤湿法消解测试重金属含量 篇6
1 前处理方法
1.1 试样的制备
国家标准中湿法消解是“用水湿润后加入10ml盐酸, 于通风橱内电热板上低温加热, 是样品初步分解, 当蒸发至约剩3ml时, 取下稍冷, 然后加入5ml硝酸, 5ml氢氟酸, 3ml高氯酸, 加盖后于电热板上中温加热1h左右, 然后开盖, 继续加热除硅。用水冲洗坩埚盖和内壁, 并加入1ml硝酸溶液温热溶解残渣。将溶液转移至25ml容量瓶中, 冷却后定容, 摇匀备测。”
1.2 实验器皿
国家标准中提到用消解的器皿是聚四氟乙烯坩埚, 聚四氟乙烯材质的实验器皿耐高温, 比较适合土壤消解, 而且聚四氟乙烯坩埚带盖子, 密封消解会使消解的效果更好。但是需要注意的是每次开盖的时候会发现有部分消解液凝结在盖子上面, 因此我们在开盖的时候需要让盖上面的消解液流入坩埚中, 以免样品损失导致实验结果偏低。
1.3 温度控制
标准中先用低温加热初步分解样品, 然后中温加热。盐酸的沸点在110℃左右, 因此本人觉得初步分解的温度最好在110℃左右比较好, 这样可以避免温度过高产生爆沸的现象。接下来加入硝酸、氢氟酸和高氯酸后中温加热, 可是中温加热的温度多少比较合适, 加好三个酸后从110℃慢慢加热到中温消解效果好还是先把电热板加热到中温再把加好酸的样品放上去, 经过多次实验发现前者的效果比后者的效果好;通过参考一些文献资料, 觉得中温温度最好控制在200℃~250℃这个范围内消解的效果更佳。
1.4 实验用酸控制
标准中先用盐酸初步分解, 然后加入硝酸、氢氟酸和高氯酸消解, 最后用硝酸定容。在刚开始的时候加入少量的水润湿样品就好, 水量多了就会稀释了盐酸, 影响初步消解的效果。后面加入硝酸、氢氟酸和高氯酸加盖中温加热, 本人觉得把酸一起加入消解的效果比较差, 坩埚内壁上面很容易沾上一圈土壤中难消解有机质, 后面需要多次循环加酸。在实验的过程中, 我们先加入硝酸, 温度控制在180℃左右消解, 消解15min左右, 稍冷后加入氢氟酸和高氯酸, 且温度需要升高到200℃~250℃这个范围内加盖消解1h。本人多次实验发现按照这样的加酸以及升温的方法样品消解的时间缩短了很多, 内壁上也不容易产生有机质, 即使有量也是很少的, 如果再加入高氯酸很容易就除去有机质了。当样品消解液呈现白色或淡黄色的粘稠物的时候加入1ml的硝酸, 并用高纯水冲洗坩埚盖以及坩埚内壁, 最后放在电热板上加热至微沸。冷却后定容。
2 测试仪器
国家标准基本上使用的是分光光度法比较多。电感耦合等离子体发射光谱仪是在热能的作用下, 样品蒸汽 (火焰) 中的基态原子吸收了能量, 最外层的电子产生跃迁, 从低能态跃迁到较高能态, 它就成为激发态原子。激发态原子很不稳定, 当它回到基态时, 这些能量以热或光的形式辐射出来, 成为发射光谱, 测出发射光波的强度, 求出样品中待测元素的能量。因此, 发射光谱的灵敏度取决于样品蒸汽中激发态原子的浓度。
原子吸收分光光度计是基于从光源辐射出待测元素的特征光波, 通过样品的蒸汽 (火焰) 时, 被蒸汽中待测元素的基态原子所吸收, 由辐射光波强度减弱的程度, 求出样品中待测元素的含量, 因此, 吸收光谱的灵敏度取决于样品蒸汽中基态原子的浓度和元素的激发能。从检出限的角度考虑的话优先选择电感耦合等离子体发射光谱仪, 但有些元素的含量很低的时候我们还是选择石墨炉原子吸收分光光度计, 比如镉。原子吸收是单一吸收谱, 电感耦合等离子体发射光谱仪是所有元素的吸收谱, 多个元素测试的时候可以选择电感耦合等离子体发射光谱仪。因此, 在测试仪器选择方面可以根据个人需要择优选择。
3 结语
土壤成分复杂, 我们在工作中可以不断优化消解过程, 择优选择测试仪器。消解过程中用到的都是强酸, 加热还会产生其他有毒物质, 因此我们需要在通风橱中操作, 并做好安全防护工作。
摘要：土壤的成分以及结构比较复杂, 测试土壤中的重金属含量必须对土壤进行消解, 常规的消解方法有湿法消解、高压消解、微波消解、干灰化法等。这些方法各有优缺点, 国家标准 (GB/T1713817141-1997) 使用的是湿法消解对样品进行前处理, 原子吸收分光光度法测试消解液中的金属元素。本文就湿法消解以及测试仪器提出个人看法。
关键词：湿法消解,土壤,重金属
参考文献
[1]严平川, 陈琨.湿法消解土壤过程的技术细节探讨.河湖水生态水环境专题论坛论文集, 2011.
[2]李海峰, 王庆仁, 朱永官.土壤重金属测定两种前处理方法的比较.环境化学, 2006.10-8-109.
土壤污染测试 篇7
关键词：无线地下传感器网络,MSP430,汇聚节点,土壤信息采集
0 引 言
土壤水分信息是现代化农业灌溉与生产中的关键部分。准确、实时获取土壤水分信息,对农作物的生长、水资源有效利用和作物精量灌溉决策等都是非常必要的。无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)可实时监测、采集被监测区域中的对象信息,将其应用于农田信息采集,能有效提取土壤信息,但存在一定弊端[1,2,3,4,5]。为此,研究开发新型的WSN即无线地下传感器网络(wireless underground sensor networks,WUSN)为地下土壤信息的监测提供了新的手段。WUSN将具有无线接收、发送模块的传感器设备完全埋入地下土壤中,通过无线方式收发数据。具有隐藏性强、易于布设、数据及时、可靠性强、覆盖范围大、容易升级等优点。
国内外目前已有WSN的相关理论与应用研究。J.A.Lopez将无线传感器网络应用于精准葡萄栽培[6],O.Green提出了利用无线传感器网络监测饲料仓的温度变化[7],张荣标实现了基于ZigBee的无线传感器网络的温室无线监控系统的通信[8],冯友兵将无线传感器网络应用于节水灌溉中等[9]。关于各种各样的传感器监测系统在地下环境中的现实应用或设想己有一部分著述。A,Sheth提出将无线传感器与拉力感应模块附着在一起预测山崩[10],K.Martinez介绍了一个传感器来测试冰层参数的系统[11], G.W.Allen提出用传感器网络来监测火山活动[12],这些系统并未真正构建无线地下传感器网络。本文设计了农业应用的基于无线地下网络的传感器节点和汇聚节点,并在不同水分含量下对电磁波信号衰减进行了试验,得出节点埋藏深度、土壤水含量与路径损耗之间的三维关系。
1 WUSN节点设计
在农业信息监测应用中,土壤参数信息是主要因素,根据应用特点和需求,结合现代电子信息系统设计思路,充分利用模块化设计思想[13,14,15,16],综合传感器、微处理器、RF通信和电源等子模块于一体,开发设计了无线地下传感器网络节点硬件系统,其框图如图1所示。
水分传感器为XR61-TDR2,它具有高稳定性、高密封性、强抗挤压能力、良好的屏蔽性和抗干扰性、传输距离远、土质影响较小、体积小型化、价格低廉等优点,可以精确获取土壤水分含量信息供处理器处理。工作电压为4～6.5 VDC,工作电流28～30 mA,输出电压为0～2.5 VDC,通过A/D转换将电压信号转换成数字信号,并传输至处理器模块。
处理器模块采用TI公司推出的16位系列MSP430单片机作为主要控制芯片,在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。MSP430具有非常高的集成度,通常在单个芯片上集成有12位的A/D比较器、多个定时器、片内USART、看门狗、片内振荡器、大量的I/O端口及大容量的片内存储器,该单片机性价比高,功能多,抗干扰能力很强,串口编程很方便。电路原理图如图2。
无线通信射频模块型号为H8410,工频433 MHz,8～24 VDC宽电压设计,最大发射功率100 mW,是一种嵌入高速处理器和低功耗射频芯片,采用打包方式进行数据控制传输,传输速率为2 400～57 600 bps。图3为所开发的无线地下传感器网络节点。
2 汇聚节点设计
2.1 硬件设计
汇聚节点负责对无线地下传感器网络节点采集的数据进行汇总、分析、处理、存储和显示。其硬件系统包括RF收发模块、中央处理电路、数据存储、液晶显示模块和电源等部分组成,结构如图4所示。
RF收发模块接收WUSN节点信号后,经信号调理电路处理转换,送入MSP430微处理器进行存储。此外,无线地下传感器节点自组成网后,由汇聚节点发送数据查询请求,WUSN节点可将查询数据发送给汇聚节点。汇聚节点接收到各个节点传输的数据,会定时自动存储到存储设备中,并可以根据用户需求在液晶屏幕上显示相关的信息。
2.2 软件设计
为便于管理和调度,节点所要实现的功能都是将其定义为事件进行处理的,每个事件完成相应的功能。将事件按一定关系串接,就能实现节点工作时要完成的功能[17,18]。汇聚节点工作流程如图5所示。
3 试验与分析
3.1 试验条件
无线地下传感器网络节点获取土壤水分信息时,无线电磁波在土壤以及土壤和空气界面的传播过程中,直射、反射和散射是同时存在的,并且随着季节的不断变化,土壤含水率将会对无线电信号传播造成很大的路径损耗。为了在部署地下传感器节点时路径损耗最小,需找到一个合适的深度,保证传感器节点部署最经济,信号路径损耗最小,可有效传输。
本次试验针对含50%沙粒,35%粉粒和15%黏粒的土壤,其容重为1.5 g/cm3,土壤固体颗粒密度为2.6 g/cm3,分别测量不同土壤水分含量VWC(VWC分别取5%、10%、15%、20%、25%、30%和35%)时信号传输功率的衰减情况,同时,测量WUSN节点埋藏深度h(h分别取0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1 m、1.2 m、1.4 m、1.6 m、1.8 m和2 m)不同时路径损耗,功率衰减和信号传输的误码率。
3.2 试验结果
路径损耗是真实的信号接收强度与发射源发射信号强度等级间的差值,即信号的衰减程度,它直接反映了无线电磁波信号传输的效率。图6反映了433 MHz射频下,WUSN节点埋藏深度与路径损耗和误码率之间的关系,图7是不同土壤含水率对无线地下传感器网络信号造成的路径损耗和误码率。
4 结 论
(1) 含水量为20%、节点埋藏深度为0.6
m时,433 MHz电磁波在地下传输路径损耗最低,约为70 dB左右。
(2)含水量为20%、节点埋藏深度在0～0.6
m时,信号传输误的码率在0～6%之间随深度增加而升高,且一次呈线性变化规律;节点深度大于1.2 m后,深度和误码率呈一次线性关系。
(3)节点埋藏深度为0.5
m、土壤水分含量在10%～25%之间时,土壤含水率和误码率之间关系曲线斜率很小,信号传输路径损耗为105 dB,误码率恒定、基本不变化。
(4)节点埋藏深度为0.5
m、土壤水分含量在5%～15%之间变化时,信号传输误码率为5%;土壤水分含量在20%～25%之间变化时,信号传输误码率基本不变,保持在35%左右。
综合以上结论,在农业灌溉信息化WUSN技术研究及应用过程中,无线传感器网络节点掩埋深度在0.4 m左右、土壤含水率小于30%、节点频率为433 MHz时,信号功率衰减和传输误码率最小。
土壤污染测试 篇8
1.1 成立组织, 加强培训
组织由县推广中心、乡镇农技人员参加的土壤采集工作会议, 布置任务, 安排计划, 制定统一的操作规程。化验室配备必要的化验仪器设备, 先后派5人参加省、州土肥总站举办的技术培训班, 并实地进行了短期的跟班实习, 学习土壤检测技术。
1.2 合理布点, 科学取样
项目区涉及11个乡镇、133个村委会 (社区) , 耕地面积1.87万hm2。为使检测结果尽可能真实反映项目区土壤肥力水平, 根据地域和土种的分布多次考察和调查走访, 在1∶50 000的土地利用现状图上进行布点, 取样点确定后, 严格按照测土配方施肥技术规程进行采样取土。
1.3 精确化验, 认真分析
采集的土样经过规范的处理后, 采取了经典的化验方法检测:有机质采取油浴加热重铬酸钾氧化——容量法, 速效钾采用乙酸铵浸提——火焰光度法, 有效磷采用碳酸氢钠浸提——钼锑抗比色法, 碱解氮采用碱解扩散法, p H值采取电位法, 为使化验数据真实可靠, 确保土样化验进度, 保质、保量完成各项检测任务每年采集的样品尽量赶在当年加班加点的化验完毕, 基本做到无样品积压[1]。
2 土壤养分状况分析
2.1 土壤有机质
全县土壤有机质 (见表1) 平均含量为31.95 g/kg, 最高294 g/kg, 最低1 g/kg, 较第二次土壤普查平均28.9 g kg, 最高133 g/kg, 最低3.5 g/kg, 平均值上升了3.05 g/kg, 肥力有所上升, 按土壤养分分级标准判断, 处于丰富肥力状态。从各乡镇平均值看, 有机质有五个乡镇为中等, 六个乡镇为丰富。从各年度看自2012年开始有机质呈上升趋势, 说明进几年来使用配方肥有效果。
2.2 土壤碱解氮
全县土壤碱解氮从表1看平均含量为163.29 mg/kg, 最高906 mg/kg, 最低12.1 mg/kg, 较第二次土壤普查平均12.55 mg/kg, 最高30.6 mg/kg, 最低3.1 mg/kg, 平均值上升了150.74 mg/kg, 肥力上升了很多, 可能是前几年偏施氮肥导致的, 从表1看按土壤养分分级标准判断, 只有东坡乡为中等, 其余的均为丰富、很丰富肥力状态。从各年度看自2012年开始大面积施用配方肥, 情况有所好转。
3.2土壤有效磷
全县土壤有效磷从表1看平均含量为22.5 mg/kg, 最高186 mg/kg, 最低0.3 mg/kg, 较第二次土壤普查平均0.95 mg/kg, 最高8.7 mg/kg, 最低0.04 mg/kg, 平均值上升了21.55 mg/kg, 肥力上升了很多, 可能是单质肥施入过量造成的, 从各乡镇看, 按土壤养分分级标准判断, 有效磷都不缺, 只有东坡乡、发窝乡处于中等水平, 其余的都处于丰富肥力状态。
2.4 土壤速效钾
全县土壤速效钾从表1可以看出平均含量为1 6 9.2 1 m g/k g, 最高8 1 9 m g/k g, 最低1.3 m g/k g, 较第二次土壤普查平均19.35 mg/kg, 最高107.4 mg/kg, 最低2.6 mg/kg, 平均值升高l49.86 mg/kg, 肥力上升了很多, 可能是多年施用单质钾肥导致的, 从各乡镇看速效钾都不缺, 按土壤养分分级标准判断, 都处于中等、丰富肥力状态。
2.5 土壤p H值
全县土壤p H值 (见表1) 平均为6.03, 最高8.6, 最低3.9, 较第二次土壤普查平均6.69, 最高8.9, 最低4.5, 平均值下降了0.66, 从各乡镇看有部分土壤酸化严重, 特别是插甸乡p H值小于5.5的酸性土壤样品占总样品的1/2以上, 需尽快加以改良, 增施有机肥。
从600个核心样品看, 有效铁处于丰富状态、有效锰缺乏的土壤样品占总样品的4.33%、有效锌缺乏的土壤样品占总样品的0.18%, 交换性镁缺乏的土壤样品占总样品的0.3%。水溶态硼缺乏的土壤样品占总样品的36.64%, 有效硫缺乏的土壤样品占总样品的10.58%。2008-2014年全县土壤养分含量的平均值及指标判断养分缺乏样品百分率 (表1) 。
3 施肥建议
将检测结果转化为成果应用, 提出了一套科学的施肥原则, 制定水稻、玉米、小麦 (大麦) 、油菜、马铃薯、甘蓝 (大白菜) 、蚕豆 (菜豆) 等配方施肥建议卡22.5万张, 完成了武定县耕地各类养分分区图等图件绘制, 编制武定县土壤图、武定县地形地貌分区图等数字化基础图件10件;编绘了武定县大田取样点位图、土地利用现状图、土壤养分分布图等16件数字化成果图件。对系统内容进行更新和补充, 并将这些结果录入到测土配方施肥信息管理系统中去, 档案的收集、整理完备、清晰[2]。
针对7 a来的土壤检测结果, 提出全县应从当地生产实际出发, 因地制宜, 在施足有机肥的基础上, 适当控制氮、磷、钾单质肥及三元复合肥的投入比例, 调整土壤中的主要元素和中、微量元素之间的平衡关系, 加强厩肥管理, 推广堆肥和秸秆还田等措施, 大面积发展绿肥及豆类等经济作物的种植, 推广应用科学的施肥方法, 大力提倡施用复 (混) 合肥和配方肥[3]。建议农户参照“测土配方施肥建议卡”协调好氮、磷、钾的用肥比例, 强调水稻注意补锌、硅, 油菜注重补硼。用地与养地相结合, 合理调配作物布局, 以均衡土壤养分含量, 逐步达到改良土壤、培肥地力的目的[4]。
参考文献
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土壤污染测试 篇9
关键词：三极法,四极法,土壤电阻率,接地电阻
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参数之一, 是分析雷电灾害事故, 总结防雷经验的重要参数。土壤电阻率的测量时任何防雷接地分析的基础。
测量土壤电阻率的方法很多[1], 工程常用的是文纳四极法进行测量。贵阳所处地貌为典型喀斯特地貌, 地表土壤分布相对较较薄, 区域土壤电阻率均属于中偏高土壤电阻率地区, 这对准确测量土壤电阻率值提出了更高要求。
特别是在某些特定的区域, 采用四极法进行测量会受到空间限制, 故本文针贵阳喀斯特地貌下测量土壤电阻率的三极法和四极法进行了对比分析。
测量数据以四极法为基准进行对比, 通过测量数据的分析, 最后得出了在贵阳市内利用三极法测量土壤电阻率也是可行的, 而且具有灵活性[1,5]。
1 四极法测量原理分析
四极法是测量大范围土壤电阻率比较理想的方法, 是欧姆定律的现场应用。根据电位极和电流极不同的布置方式, 四极法又可以分为等间距电极布置 (Wenner法) 、非等间距电极布置、施兰伯格电极布置、电流极与电位极两侧布置四种方式。
其中文纳法是测量土壤电阻率常用的方法, 其测量原理如图1 (上) 所示。在图中ABCD为四个相同材料的电极, 其中AB电极为辅助电流极, CD电极为辅助电压极。设四个电极之间的距离均相等为a, 电极的入地深度为b, 测得的接地电阻值为R, 则该区域的土壤电阻率值为:
当接地极的入地深度b<0.1a时, 可认为b=0, 则公式 (1) 可以简化为:
大量的测试研究结果表明, 四极法电极电流穿透深度大至与相邻的电极间距相等[6], 也就是四极法测量的到的是与相邻电极间距相等深度的土壤电阻率。
同时, 在进行现场测量时, 应该在一个测量路径方向测量完成过后, 在于此垂直的方向路径方向进行相同间距的测量。通过两次测量数据分析, 如果结果相差较大, 则表明该区域突然个存在横向的分层, 应该按照分层土壤测量方法进行测量。
2 三极法测量原理分析
用于测量土壤电阻率的三极直线法测量的原理如图1 (下) 所示。测量土壤电阻率的三极直线法的测量原理与测量接地电阻的三极直线法的测量原理是相同的, 只是在测量土壤电阻率时, 被测电极E一般选用实心铜棒或空心钢管, 其原因有两方面:
第一, 实心铜棒或空心钢管的理论接地电阻值计算较简单, 便于分析结果;
第二, 细长的实心铜棒或空心钢管比较容易打入更深的土壤, 从而可以测量深层次的土壤电阻率值[6]。
当利用三极直线法测量出均匀土壤中E极的接地电阻后, 可利用公式 (3) 或公式 (4) 来计算出该区域的土壤电阻率值, 具体选用哪个公式取决于被测接地极的材料和计算的近似度。
式中:R为接地电阻的测量值 (Ω) ;ρ为土壤电阻率值 (Ω·m) ;l为接地极的长度 (m) ;r为接地极的半径 (m) , r<<l。
三极法测量到的相当于测试用的垂直接地极埋入地中长度的5到10倍的邻近地区的土壤特性。在城市中某些区域土壤电阻率的测量使用四极法很难展开, 特别是在贵阳市内, 由于受到地形限制, 贵阳绝大部分建筑都以高楼出现, 这时我们可以利用三极法进行测量。
如果现场已经打入了垂直接地极, 那我们就可以直接利用三极直线法进行测量, 只需从历史资料中查询出该接地极的尺寸就可以得出土壤电阻率数据;如果该区域不方便直线式测量, 我们可以利用三极三角法测量出该垂直接地极的接地电阻, 然后反推出该区域土壤电阻率的值。所以三极法测量土壤电阻率很具有灵活性。
3 测量数据对比分析
为了验证三极法测量土壤电阻率的可靠性及其灵活性, 本文选取贵州省防雷减灾中心所处办公楼后面空旷草坪区域土壤进行了现场测量。
在观测场打入了长度分别为1.2m、2.4m的垂直接地极, 接地极直径为2cm。测量仪器选用SSYSCAL 2-Channel Resistivity-meters土壤电阻率测试仪, 该仪器可以测量接地电阻, 也可以测量土壤电阻率, 是目前运用于地质分析及接地电阻测试中比较先进的测试仪。分别用三极法和四极法测量该区域的土壤电阻率, 并对测量结果做了对比分析。
3.1 三极法测数据分析
在实验区域打入1.2m和2.4m垂直圆柱型钢管接地极, 用SSYSCAL 2-Channe l Re s is tivity-m e te rs土壤电阻率测量仪分别对这两个接地极进行接地电阻测量, 测量方法采用三极直线法 (0.618法) 和三角直线法, 测量结果取两种方法测量结果的平均值。1号2.4m、2号1.2m钢管钢管测量结果如表3.1表3.2所示。
通过测量数据, 可以计算出2.4m垂直接地极在该测量区域的接地电阻平均值为17.83Ω, 利用公式 (3) 代入可得反演土壤电阻率为45.83Ω·m。计算1.2m垂直接地极在改区域的接地电阻平均值为17.78Ω, 通过公式 (3) 代入可得反演土壤电阻率为45.7Ω·m。
3.2 四极法测数据分析
利用SSYSCAL 2-Channel Resistivity-meters仪器, 采用文纳四极法对所打入垂直接地极的区域进行土壤电阻率的测量, 通过改变辅助测试极的极间距, 得到该区域的土壤电阻率值如表3.3所示, 经计算得改区域土壤电阻率的平均值为44.62Ω·m。
3.3 三极法和四极法测量数据对比分析
通过在试验区域打入的2.4m和1.2m垂直接地极, 利用极法和三角法测量出2.4m接地极的接地电阻平均值为17.83Ω, 代入公式 (3) 得到反演土壤电阻率为45.83Ω·m;同理得到1.2m垂直接地极在该区域的接地电阻平均值为17.78Ω, 代入公式 (3) 可得反演土壤电阻率为45.7Ω·m。
两者与用四极法测量到的该区域土壤电阻率平均值之差分别为1.21Ω·m和1.08Ω·m, 相对误差分别为±2.7%和±2.4%, 这个误差在工程范围内是可以接受的。
而且我们在实际测量土壤电阻率过程中, 有些地方利用四极法测量不便于展开, 特别在贵阳市内, 高层建筑居多且楼与楼之间间隔相对较小, 利用三极法 (三极直线法或三角法) 进行测量反演土壤电阻率显得更为方便, 而且在许多已经建好的建筑物接地装置所处区域大部分已经打入了已知尺寸的接地极, 我们便可以利用三极法展开进行测量。
4 结论
本文针对四极法的局限性对三极法测量土壤电阻率可靠性进行了探讨, 测量数据以四极法为基准进行对比, 通过现场测量数据的分析表明, 三极法测量土壤电阻率相对于四极法测量到的土壤电阻率相对误差不超过±3%, 这在工程范围内是可以接受的。
而且三极法测量又可以用三极直线法和三角法, 可以根据测量环境的不同选取不同的测量方法进行测量, 这也突出了利用三极法测量土壤电阻率具有灵活性。
在贵阳所处特殊的喀斯特地貌下, 在工程测量中, 如果在某些区域利用四极法无法展开测量, 我们就可以利用三极法测量, 这样就克服了四极法的局限性, 为我们的测量提供了方便。
参考文献
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