本发明涉及土壤结构测量领域，尤其涉及一种土壤电阻率测量方法及分析土壤分层结构的方法。
背景技术：
：近年来，很多学者在土壤结构反演、土壤电阻率影响因素、土壤参数算法改进等方面做了大量研究。IEEEStd80、GB/T17949.1以及GB/T21431等标准规范将电极间距40m作为Wenner四极法(等距四极法)和非等距四极法选择的分界点。电极间距小于40m采用Wenner四极法，而电极间距大于40米采用非等距四极法。而在实际工程应用中，技术人员对于电极间距小于40米和大于40米的情况，基本都是采用Wenner四极法来进行测量。现有技术的研究，也更多的集中在如何提高Wenner四极法的具体算法，提高算法的性能上。何为[1]等为了寻找每层土壤参数对优化结果的总体表现，利用改进粒子群算法优化土壤参数，使用Wenner四极法测量的视在电阻率和采用复镜像法计算的视在电阻率之间的均方根误差作为目标函数，与已发表论文中水平两层和三层土壤参数模型对比，求解土壤参数的有效性和可行性。王洪亮[2]等以四川省溪洛渡水电站地质结构数据为例，利用拟牛顿法和非等距四极法测量的视在土壤电阻率数据进行了三层土壤结构模型的优化计算，求得了较合理的电流输电接地极极址附近地下电流和电压，三层土壤结构模型与实际土壤分层参数有差异。ZhangB[4]等基于Wenner四极法测量结果，釆用复镜像法求解视在电阻率的广义积分表达式，结合拟牛顿法来优化求解土壤参数，计算两层土壤模型分层，提出了利用实测的视在电阻率作为参考来合理选择土壤参数初值的方法。Lee[5]等采用神经网络算法和遗传算法，引入了神经网络及生物种群之间的相互协作及竞争关系，可较成功地求解非线性问题，不足的是神经网络算法需要对网络层数及网络权值进行设置，导致求解两层以上土壤时要重新设定网络参数。Calixto[6]等采用遗传算法，提出了利用测量和求解的视在电阻率之间相对误差的最小二乘估计大小来预先确定土壤层数，但该算法存在处理时间长和速度慢的问题。NayelM[7]等使用拟牛顿法来求解土壤参数，但是每次迭代海森矩阵都需要更新一次数据并重新计算矩阵求逆，降低了土壤参数求解速度。对于土壤参数的研究，绝大多数均基于等距四极法及两层土壤结构模型。同时，以往重点关注的是数理算法研究，及数理计算结果稳定收敛性或者收敛速度、求解有约束条件的非线性函数有效性等研究。但Werner法测量的视在电阻率计算结果只有两层或者三层，计算的土壤结构与实际土壤分层的差别、极间距与土壤测量深度、土壤分层深度之间的对应关系等问题也值得讨论。同时，针对城市化进程加快、土地过度硬化导致土壤内部结构复杂化或者土壤本身分层为三层以上情况，Werner法测量的视在电阻率的适用性，典型的回填土、淤泥、强风化层、中性风化层、岩石这种五层地质结构如何建模求取土壤参数，其他土壤电阻率测量方法的准确性等均值得研究。以下对比文献是本发明的
背景技术：
文献：[1].何为，张瑞强，杨帆等.变电站内水平多层土壤参数反演[J].中国电机工程学报，2014，(33)：5964-5973。[2].王洪亮、吴广宁.高压直流输电单极大地回线方式运行时接地极电流的研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2007。[3].王小凤.CDEGS软件在电力系统的应用[D].浙江大学硕士学位论文，2007。[4].ZhangB，CuiX，LiL.Parameterestimationofhorizontalmultilayerearthbycompleximagemethod[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2005，20(2)：1394-1401。[5].LeeJP，JiPS，LimJY，etal.EarthparameterandequivalentresistivityestimationusingANN[C].PowerEngineeringSocietyGeneralMeeting.CA，USA：IEEE，2005：2597-2602。[6].CalixtoWP，NetoLW，WuM.Parametersestimationofahorizontalmultilayersoilusinggeneticalgorithm[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2010，25(3)：1250-1257。[7].NayelM，LuBoyang，TianYu，etal.Studyofsoilresistivitymeasurementsinverticaltwo-layersoilmodel。技术实现要素：本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种对于土壤结构不均匀的水平分层场地或者垂直分层(如河边)，测量精度高，适用性好的土壤电阻率测量方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种土壤电阻率测量方法，对于跨度小于预设跨度的待测土壤，采用非等距四极法测量获得多组土壤电阻率数据。进一步地，在测量土壤电阻率数据前，还包括：预先对土壤性质进行分析，当所述待测土壤属于非均匀土壤时，采用非等距四极法测量获得多组土壤电阻率数据。进一步地，所述非均匀土壤指土土壤的层数大预设的层数；或者土壤中非土壤固体物质的含量大于预设的标准。进一步地，所述非土壤固体物质包括：岩石及人工构筑物。进一步地，所述非等距四极法的内侧极间距大于1米，电极插入土壤的深度大于0.2米。进一步地，所述非等距四极法为对称非等距四极法。进一步地，所述对称非等距四极法的内侧极间距与外侧极间距的比大于等于2。进一步地，所述预设跨度的取值为120米，或者90米，或者60米。一种分析土壤分层结构的方法，通过上述任一项所述的土壤电阻率测量方法测量获得土壤的电阻率，通过土壤分层测算软件计算得到土壤分层结构。进一步地，所述土壤分层测算软件为CDEGS软件，通过CDEGS软件对所述土壤的电阻率数据进行反演，得到土壤分层结构。1、本发明系统的研究了Wenner四极法和非等距四极法在不同应用场景下的效果，通过大量的试验研究，提出了对于跨度较小的土壤，或者非均匀土壤，采用非等距四极法进行土壤分层结构测量，精确度更高，土壤的层次划分更为清晰。2、本发明提出了采用非等距四极法进行测量的具体实施过程，可以快速的对待测土壤进行测量，能够保证测量数据的准确性、合理性，提高测量效率。附图说明图1为本发明具体实施例的流程示意图。图2为本发明具体实施例非等距四极法示意图。图3为本发明具体实施例1号试验场实景图。图4为本发明具体实施例两个场地、两种方法的探针深度土壤电阻率测量数据差异示意图。图5为本发明具体实施例中对表3中序号2对应测量数据的CDEGS反演结果。图6为本发明具体实施例中2号试验场第一次非等距四极法测量数据的CDEGS计算结果。图7为本发明具体实施例中2号试验场对称不等间距法测量数据的分层结果。图8为本发明具体实施例中2号试验场部分Wenner四极法数据计算的分层结果。具体实施方式以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。如图1所示，本实施例的土壤电阻率测量方法，包括如下步骤：对于跨度小于预设跨度的待测土壤，采用非等距四极法测量获得多组土壤电阻率数据。在测量土壤电阻率数据前，还包括：预先对土壤性质进行分析，当所述待测土壤属于非均匀土壤时，采用非等距四极法测量获得多组土壤电阻率数据。所述非均匀土壤指土土壤的层数大预设的层数；或者土壤中非土壤固体物质的含量大于预设的标准。所述非土壤固体物质包括：岩石及人工构筑物。在本实施例中，对非均匀土壤的判断，土壤层数包括水平分层和垂直分层，其层数优选为大于等于2层。既包括因土质不同而产生的分层，土质包括但不限于如回填土、沙土、弱风化土、中等风化土和强风化土等；也包括由于土壤的含水量的变化而产生的分层，如在下雨天，上层土壤的含水量大，随着土壤深度的变化而含水量发生变化而产生的分层，以及在临水区域，如河流、湖泊附近，随着土壤与水域的远近而产生的在垂直方向上产生的分层。非土壤固体物质中的岩石是指自然形成的埋藏于土壤中的各类岩石；人工构筑物是指埋藏在土壤中的因人类活动而产生的各类构筑物，包括但不限于建筑物的基础部分，混凝土、砖、金属结构物、地下的各类管线，如地下排水管道、电力管道、PVC等各类材质的管道等。在本实施例中，进一步地，所述非等距四极法的内侧极间距大于1米。电极插入土壤的深度大于0.2米；优选为0.2米，或0.4米，或0.5米。如图2所示，对于按顺序设置的A、B、C、D四个电极，电极A和电极D为外侧电极，电极B和电极C为内侧电极，内侧极间距指两个内侧电极之间的距离，即电极B和C之间的距离b，外侧极间距指内侧电极和与之最近的外侧电极之间的距离，如电极A和电极B之间的距离a，或者电极C和电极D之间的距离c。对称非等距四极法中，外侧极间距相等，而内侧极间距不等于外侧极间距，即a＝c≠b。在本实施例中，所述非等距四极法为对称非等距四极法。所述对称非等距四极法的内侧极间距与外侧极间距的比优选为大于等于2。所述预设跨度的取值为120米，或者100米，或者60米。本实施例的分析土壤分层结构的方法，通过上述任一项所述的土壤电阻率测量方法测量获得土壤的电阻率，通过土壤分层测算软件计算得到土壤分层结构。所述土壤分层测算软件为CDEGS软件，通过CDEGS软件对所述土壤的电阻率数据进行反演，得到土壤分层结构。在本实施例中，通过位于长沙的两个土壤结构已知的试验场地对本测量方法进行测量验证，并通过对比现有技术中传统测量的测量结果对本测量方法的技术效果加以说明。其中1号试验场中心位置为东经112.98194°，北纬28.16333°，通过勘查剖面土壤情况，大致可视为首层30m厚的土质较为一致的场地，其土壤主要为黄壤。1号试验场的实景如图3所示。2号试验场中心位置为东经112.92442°，北纬28.33506°。2号试验场的地勘结果如表1所示，地勘报告表明，2号试验场为五层分层的非均匀土壤，其中，表层为沉积细砂质土壤。表1.2号试验场地勘结果所示的分层本实施例中，利用非等距四极法和Wenner四极法，采用不同探针深度和极间距(等效极间距)，对1号试验场和2号试验场进行多次土壤电阻率数据测量，分别获取60组和198组数据，如表2所示。表2土壤电阻率现场测量数据组数汇总表注：①测量当天下过雨，表层土壤含水量高。因为考虑探针深度的土壤电阻率与不考虑探针深度的土壤电阻率二者之间的存在一定的差异，在本实施例中，结合现场测量数据，绘制出两个场地的非等距四极法及Winner四极法中探针深度对土壤电阻率的影响图，如图4所示。通过对图4的分析，可以看出，两条曲线拟合得均较好，其相关系数分别为0.7336和0.9244。由此可知，考虑探针深度的土壤电阻率与不考虑探针深度的土壤电阻率差异d较小，均小于14％。在本实施例中，通过CDEGS软件及现有技术中已公开的方法对测量数据进行推算，并进行对比分析，以验证本发明方法有实际应用效果。其中，CDEGS软件是国际通用软件，表3也列出了部分参考文献中基于Wenner四极法测量的视在电阻率数据，利用改进粒子群算法、神经网络算法或CDEGS软件计算的土壤分层数等结果。国家重点实验室(重庆大学)学者何为[1]利用改进粒子群算法的结果与韩国学者Lee[5]神经网络算法的计算结果验证，Lee[5]神经网络算法的计算结果利用CDEGS软件的计算结果验证，浙江大学王小凤[3]也是CDEGS软件进行土壤参数的计算，说明CDEGS软件计算结果具有一定的可信度。在本实施例中，按照表2中基于不同地质条件和天气条件获取的Wenner(等距)四极法测量数据，利用CDEGS软件反演土壤分层，计算的土壤分层数和对应的分层深度结果见表3。表3两个试验场和部分参考文献中利用Wenner四极法测量数据反演结果统计表从表3可以看出，Wenner四极法反演的土壤层数均为两层或三层。但是根据视在土壤电阻率与计算土壤电阻率之间的关系反演的2号试验场分层结果，如图5所示，与该地地勘报告五层分层差距较大。通过对现有技术中Wenner四极法土壤电阻率测量数据分析结果均表明，Wenner四极法反演的土壤分层不大于三层。考虑文献王小凤等[3]中采用Wenner四极法测量土壤电阻率与极间距的对应关系如表4所示，表4王小凤等[3]中Wenner四极法测量土壤电阻率与极间距的对应关系极间距(m)1510255080120200300土壤电阻率(Ω·m)85.163.245.164.199.9113162216254并对表4中的数据进行了对比计算，结果如表5所示：表5王小凤等[3]中Wenner四极法测量土壤电阻率两次计算结果比较通过对比分析了王小凤等[3]采用Wenner四极法获取的表4中所示的9组土壤电阻率数据，由表可知，测量极间距由1m，跨度到50m、80m、120m、200m和300m，其理论最大测量深度可达225m。表5给出了基于表4数据，采用CDEGS反演后文献计算的与本实施例计算的土壤结构，均为三层水平结构。王小凤等[3]结果表明，底层土壤电阻率约为301Ω·m，顶层土壤与中间层土壤的厚度之和近19m；本实施例的计算结果说明，底层土壤电阻率为316Ω·m，顶层土壤与中间层土壤的厚度之和约为23m。总的来说，基于以上土壤电阻率数据，采用CDEGS软件反演得到的结果与参考文献计算结果较一致，说明了1号试验场和2号试验场测量数据处理分析具有较高的可信度。表5的结果也表明，在测量深度较大时，计算的土壤分层的深度(19m)与理论测量深度(225m)存在较大的差异，计算的顶层和中间层两层土壤电阻率都小于100Ω·m，可简单地将顶层和中间层这两层视为一层，也就意味着根据Wenner四极法测量数据反演的土壤分层与实际土壤结构差异可能较大。在本实施例中，根据表2中非等距四极法测量数据，利用CDEGS软件反演两个试验场土壤结构，结果见表6。表6两个试验场非等距四极法测量数据反演分层结果统计注：①为表2中备注①测量结果；②为表7中对称不等距四极法测量数据的结果，因测量前几天下雨多，土壤较湿，测量阻值较小。其中，图6列出了2号试验场第一次采样数据(即表6中序号2对应数据)分析结果，表7及图7分别列出了表2中2号试验场第四次采样中使用对称非等距四极法测量土壤电阻率的数据(即表6中序号6对应数据)及其分析结果。为方便对比，表7也给出了所采用Wenner四极法测量的数据，并将其分析结果显示在图8中。表72号试验场中对称非等距四极法与Wenner四极法数据对比分析由上述图表可知，除表6中序号4数据因采样当天表层土壤含水量较大使得反演结果为两层土壤分层外，其他的非等距四极法测量数据反演的土壤分层均较明显，均为三层及以上土壤分层。这意味着基于非等距四极法采样的土壤电阻率数据，能更加细致地反映土壤水平分层情况。另外，表6可以看出，2号试验场土壤分层深度变化较大。其中，序号5、6为对称非等距对应计算结果，与2号试验场的土壤实际分层深度较一致，比序号2、3、4(完全不对称的非等距四极法采样数据)的计算结果一致性好。在1号试验场，Wenner四极法数据反演的顶层土壤电阻率约为59.44Ω·m，底层厚度7.28m的土壤电阻率为41.60Ω·m，这一结果与1号试验场为同一性质的黄土土质较相符。使用非等距四极法数据反演的1号试验场土壤为三层，其中，顶层的土壤电阻率约为80.55Ω·m，中间层土壤电阻率约为12.12Ω·m，底层土壤电阻率为345.57Ω·m，这一结果，与长沙实际土壤越往下土壤越紧、电阻率越高的地质分布原理较吻合。两种结果均表明1号试验场的土壤结构可视为简单的水平分层结构，与实际情况基本相符。但比较来说，非等距四极法数据反演的结果略优于Wenner四极法数据反演的结果。针对2号试验场，首先给出地勘数据与上述CDEGS反演的平均结果，见表8。由表可知，2号试验场由上至下存在人工填土层、淤泥层、砾质黏性土层、强风化花岗岩层、中风化花岗岩层等水平分层，与表6中的非等距四极法数据推算的多层土壤分层结构有较好的对应关系，而与表3中2号试验场Wenner四极法反演的两层较均匀土壤存在巨大差异。同时，根据地勘的各层土质情况，结合标准《接地电阻测量导则》(GB/T17949-2000)，可估算出2号试验场各水平分层的土壤电阻率范围。根据地勘报告，可设定五层土壤相应的测量深度，接着，按照非等距四极法和Wenner四极法的测试原理，设定相应的极间距，将测量数据输入CDEGS软件反演得出土壤电阻率的计算值。可以确定，Wenner四极法结果显示2号试验场各层土壤电阻率均处在100-300Ω·m区间，并且从上往下递增，这明显与2号试验场结构不相符。其中，第4层、第5层的土壤电阻率与地勘结果差异较大，相差一个数量级；而非等距四极法结果显示各层土壤电阻率在第1、2、3、5层均与地勘数据有较好对应关系。表82号试验场的地勘结果与CDEGS反演的土壤结构比较在本实施例中，将跨度为120米(即等效极间距a为40米)做为采用Wenner四极法或非等距四极法的临界值，对比分析等效极间距a为5米、10米、15米、20米、25米、30米及40米时两种方法对应的极间距，即跨度为15米、30米、45米、60米、75米、90米和120米，见表9。非等距四极法的土壤电阻率计算公式为：式1中，ρ为计算得到的电阻率，R为测量的接地电阻值(单位：Ω)，Se1、Si、Se2均为不同极之间的极间距，Se1+Si+Se2为电流极间距，的倒数为非等距四极法的等效极间距。Wenner四极法的土壤电阻率计算公式为：ρ＝2πRa(2)式2中，ρ为计算得到的电阻率，a为电极间距，3a为电流极间距，单位：m。其中，非等距四极法的等效极间距可根据公式(1)中所说明的部分求得。表9不同土壤电阻率测量方法的极间距(单位：m)从表9可看出，等效极间距在40m以下时，Wenner四极法极间距与非等距四极法等效极间距有较大的差别，二者比值最小值为1.8，最大值约为4。结合表7中的土壤电阻率结果来看，电极间距在40m以内时，Wenner四极法与非等距四极法的土壤电阻率的计算值也有一定差异，土壤分层结果也明显不同。同时，等效极间距为40m时，其对应的理论探测深度为27m，而就目前实际的土质条件来说27m深的土壤一般有分层，因此把进行40m深度以内的土壤测量时假设为内侧两个电位极的电位差不会迅速下降，可能有不合理的地方。因为Wenner四极法在土壤电阻率测量时，是将土壤假设成统一介质的均匀土壤，要求电极间距相等，且布置在一条直线上，通过测量两个电位极的电压值，来计算目标区域的平均土壤电阻率。在实际中这种假设忽略了不同介质中电场分布不均匀，导致的电流密度、电场梯度不一致对测量结果的影响，同时，土壤电介质的极化可改变原来的电场，不同媒质的传导特性以及电磁波在土壤分界面的反射与透射对测量结果也有不同的影响。因此当电极间距不大时受上述因素影响也是可能的，也应该要求两个电位极靠近两个电流极进行土壤电阻率的测量。同时，2#试验场地勘数据、土壤电阻率测量数据及各水平分层的反演结果都证明了这一点，因此将极间距40m作为Wenner四极法和非等距四极法选择的分界点可能不准确。上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。当前第1页1 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