陳青嬌,鄭君亮,蔡和章

(福建省氣象災害防御技術中心，福建 福州 350001)

0 引言

雷電災害是聯(lián)合國“國際減災十年”公布的最嚴重的十種災害之一。雷電可直接引起火災、爆炸、建筑物損毀、電氣設施損壞、通訊網(wǎng)絡癱瘓等事故，直接危害公共安全和人民生命財產(chǎn)安全。

雷電災害風險評估是風險管理的有效方法，是防雷工程廣泛和深入發(fā)展的需要，也是科學防雷、全面防雷的重要工作。在雷電災害風險評估以及防雷工程設計的前期勘查中，需要了解項目區(qū)域的土壤狀況，而土壤的各個指標中，土壤電阻率是一個非常重要的參數(shù)，土壤電阻率分布特征與建筑物遭受直接雷擊后雷電流的散流方向有很大聯(lián)系，土壤電阻率也直接決定了建筑物接地裝置接地電阻的大小、地網(wǎng)地面電位分布、接觸電壓和跨步電壓等其他接地特性，因此對項目區(qū)域的土壤電阻率分布特征有一個全面的把握是進行項目綜合設計的重要基礎，也是雷電災害區(qū)域風險評估重要組成內(nèi)容。

本文以某投資區(qū)工業(yè)園雷電災害風險評估為例，主要探討如何進行區(qū)域土壤電阻率測試與分布分析。

1 項目概述

某投資區(qū)工業(yè)園位于福州市馬尾區(qū)，在福州“南進東擴，沿江向?！钡目臻g發(fā)展方向上，處在連接福州市中心城區(qū)和濱海區(qū)域的關鍵樞紐地段，總面積41.26 hm2。工業(yè)園定位為企業(yè)遷移區(qū)、高新技術研發(fā)區(qū)，其中高新技術研發(fā)區(qū)計劃建設高新裝配制造、高新技術研發(fā)、高校研究實驗室等區(qū)域。具體為：眾創(chuàng)工業(yè)園一期1區(qū)、眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)、眾創(chuàng)工業(yè)園二期1區(qū)、眾創(chuàng)工業(yè)園二期2區(qū)、物流園區(qū)、智能加工區(qū)、研發(fā)基地區(qū)等7個功能區(qū)域。

2 土壤電阻率分布分析

2.1 土壤電阻率測試

根據(jù)項目所處位置的地形、地物狀況、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境及項目功能分區(qū)，制定土壤電阻率采集方案，采用文納四極法測試土壤電阻率，選取了7個土壤電阻率檢測點。每個檢測點電極間距a(m)分別取0.2、0.7、1、2、3、5、7、10、20、30 m測試土壤電阻率。

2.2 土壤電阻反演方法

本文利用CDEGS中的RESAP模塊進行土壤結(jié)構的分析，RESAP模塊的計算原理是構建計算與測量的土壤電阻率的均方根誤差為最優(yōu)函數(shù)，通過選擇多層土壤結(jié)構的電阻率與厚度的最佳組合，求得最優(yōu)函數(shù)的最小值，以獲得最終的等效土壤模型。RESAP模塊需要用戶導入實地測量的極間距和土壤電阻率數(shù)值，并設置相關的尋優(yōu)參數(shù)如精度要求、迭代次數(shù)、步長等，即可進行土壤結(jié)構的計算。本次評估土壤電阻率的測量選用溫納四極法，在RESAP模塊的測量按鍵下輸入土壤電阻率測量結(jié)果，通過RESAP模塊土壤類型按鍵可以進行土壤結(jié)構的初始化設置，通過優(yōu)化按鍵可以設置擬合的精度要求、迭代次數(shù)以及步長等參數(shù)。

2.3 土壤結(jié)構反演(土壤電阻率垂直分布)

根據(jù)實測的土壤電阻率值，利用CDEGS防雷接地軟件進行土壤結(jié)構反演，用土壤結(jié)構的數(shù)學模型去擬合土壤電阻率的實際測量值的方式來反演土壤真實的物理結(jié)構，利用平均誤差來表征土壤電阻率擬合的好壞情況(平均誤差公式如下，其中：xc為擬合值，xt為測量值，N為檢測組數(shù))，得出該項目各評價區(qū)土壤結(jié)構反演結(jié)果。

(1)

2.3.1 研發(fā)基地區(qū)土壤結(jié)構 研發(fā)基地區(qū)土壤電阻率的曲線擬合結(jié)果見圖1a，反演得到的土壤結(jié)構參數(shù)見表1，擬合得到的平均相對誤差為11.22%。該區(qū)域土壤結(jié)構的擬合結(jié)果較好，反演的土壤結(jié)構參數(shù)可以看出研發(fā)基地區(qū)土壤結(jié)構分為3層，0～1.15 m之間土壤電阻率最高，為110.14 Ω·m。

表1 土壤結(jié)構反演參數(shù)Tab.1 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.2 智能加工區(qū)土壤結(jié)構 智能加工區(qū)土壤電阻率的曲線擬合結(jié)果見圖1b，反演得到的土壤結(jié)構參數(shù)見表2，擬合得到的平均相對誤差為9.82%。該區(qū)域土壤結(jié)構的擬合結(jié)果較好，反演的土壤結(jié)構參數(shù)可以看出分為4層，0.19～1.35 m土壤電阻率最大，為42.91 Ω·m。

表2 土壤結(jié)構反演參數(shù)Tab.2 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.3 物流園區(qū)土壤結(jié)構 物流園區(qū)土壤電阻率的曲線擬合結(jié)果見圖1c，反演得到的土壤結(jié)構參數(shù)見表3，擬合得到的平均誤差為7.86%。物流園區(qū)土壤結(jié)構的擬合結(jié)果好，反演的土壤結(jié)構參數(shù)可以看出物流園區(qū)土壤分為2層，0～1.49 m之間土壤電阻率最高，為30.77 Ω·m。

表3 土壤結(jié)構反演參數(shù)Tab.3 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.4 眾創(chuàng)工業(yè)園一期1區(qū)土壤結(jié)構 眾創(chuàng)工業(yè)園一期1區(qū)土壤電阻率的曲線擬合結(jié)果見圖1d，反演得到的土壤結(jié)構參數(shù)見表4，擬合得到的平均誤差為15.55%。反演的土壤結(jié)構參數(shù)可以看出眾創(chuàng)工業(yè)園一期1區(qū)土壤分為3層，靠近地面的2層較底層土壤電阻率大，0.09～1.1 m之間的土壤層土壤電阻率最大，數(shù)值為242.77 Ω·m。

表4 土壤結(jié)構反演參數(shù)Tab.4 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.5 眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)土壤結(jié)構 眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)土壤電阻率的曲線擬合結(jié)果見圖1e，反演得到的土壤結(jié)構參數(shù)見表5，擬合得到的平均誤差為10.85%。眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)土壤結(jié)構的擬合結(jié)果較好，反演的土壤結(jié)構參數(shù)可以看出眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)土壤結(jié)構分為3層，中間層0.32～2.23 m的土壤電阻率較其它層大，數(shù)值為161.17 Ω·m。

表5 土壤結(jié)構反演參數(shù)Tab.5 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.6 眾創(chuàng)工業(yè)園二期1區(qū)土壤結(jié)構 眾創(chuàng)工業(yè)園二期1區(qū)土壤電阻率的曲線擬合結(jié)果見圖1d，反演得到的土壤結(jié)構參數(shù)見表6，擬合得到的平均誤差為6.02%。眾創(chuàng)工業(yè)園二期1區(qū)土壤結(jié)構的擬合結(jié)果好，反演的土壤結(jié)構參數(shù)可以看出眾創(chuàng)工業(yè)園二期1區(qū)土壤分為3層，表層(0～0.23 m土壤層)土壤電阻率較低，中間層土壤電阻率較其他層大，1.27 m以下的土壤層土壤電阻率最低。

表6 土壤結(jié)構反演參數(shù)Tab.6 Inversion Parameters of Soil Structure

2.3.7 眾創(chuàng)工業(yè)園二期2區(qū)土壤結(jié)構 眾創(chuàng)工業(yè)園二期2區(qū)土壤電阻率的曲線擬合結(jié)果見圖1f，反演得到的土壤結(jié)構參數(shù)見表7，擬合得到的平均誤差為15.48%，擬合結(jié)果較好，反演的土壤結(jié)構參數(shù)可以看出區(qū)域內(nèi)土壤分為4層，整體土壤電阻率低，最大值為88.14 Ω·m，位于0.15～0.85 m土壤層。

圖1 土壤電阻率的曲線擬合圖Fig.1 Curve Fitting Diagram of Soil Resistivity

表7 土壤結(jié)構反演參數(shù)Tab.7 Inversion Parameters of Soil Structure

2.4 不同深度土壤電阻率水平分布

對評價區(qū)域土壤電阻率繪制等值線圖，評價區(qū)域不同深度土壤電阻率水平分布見圖2。從圖上可以看出：該區(qū)域總體土壤電阻率都處于較低值，不同深度的水平分布有所不同。

圖2 不同深度土壤電阻率分布Fig.2 Soil Resistivity Distribution at Different Depths

①該園區(qū)0.7 m、1 m深處，土壤電阻率總體偏高，特別是南側(cè)土壤電阻率較高，最大土壤電阻率位于眾創(chuàng)工業(yè)園一期1區(qū)，其值為237 Ω·m，其次為研發(fā)基地區(qū)，其值為118 Ω·m，其他區(qū)域土壤電阻率較，均低于100 Ω·m。

②該園區(qū)2 m深處，土壤電阻率有所降低，2～5 m深度土壤電阻率逐漸由南側(cè)單一高值區(qū)向南側(cè)與西北側(cè)雙高值區(qū)變化，高值區(qū)位于片區(qū)南側(cè)眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)以及西北側(cè)智能加工區(qū)、研發(fā)基地。

③該園區(qū)7m深度土壤電阻率最小，且土壤電阻率高值區(qū)變?yōu)閱螀^(qū)域形式，7 m、10 m、20 m、30 m深度土壤電阻率均以單一高值區(qū)為主，高值區(qū)位于西北側(cè)研發(fā)基地，最高土壤電阻率位于研發(fā)基地20 m深處，其值為102 Ω·m。

2.5 土壤電阻率總體分布特征與建議

①該區(qū)域土壤電阻率總體較低，不同深度土壤電阻率水平分布有所不同。

②土壤電阻率垂直分布上，0.7 m、1 m深度的土壤電阻率總體偏高，2 m深度土壤電阻率逐步減小，2～5 m深度土壤電阻率逐漸由南側(cè)單一高值區(qū)向南側(cè)與西北側(cè)雙高值區(qū)變化，高值區(qū)位于片區(qū)南側(cè)眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)以及西北側(cè)的研發(fā)基地。7 m、10 m、20 m、30 m深度土壤電阻率除西北側(cè)的研發(fā)基地較高外，其他區(qū)域土壤電阻率明顯下降，且均以單一土壤電阻率高值區(qū)為主。

③土壤電阻率水平分布上，片區(qū)南側(cè)的眾創(chuàng)工業(yè)園一期1區(qū)、眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)以及片區(qū)西側(cè)的研發(fā)基地土壤電阻率較高，其他區(qū)域土壤電阻率較低。

④根據(jù)雷電流散流原理，應將接地裝置設計在土壤電阻率較低的區(qū)域，以保證雷電流的泄放，建議：對于一些精密電子信息設備如片區(qū)南側(cè)的眾創(chuàng)工業(yè)園一期1區(qū)、眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)以及片區(qū)西側(cè)的研發(fā)基地，盡量避免放在土壤電阻率高值區(qū)。各區(qū)域的接地裝置應根據(jù)土壤結(jié)構層次，盡量安裝在低土壤電阻率層，即：研發(fā)基地區(qū)的接地裝置，建議布設至 1.15 m或以下位置。智能加工區(qū)的接地裝置，建議布設至 2.15 m以下位置。物流園區(qū)的接地裝置，建議布設至 1.49 m或以下位置。眾創(chuàng)工業(yè)園一期 1 區(qū)的接地裝置，建議布設至 1.1 m或以下位置。眾創(chuàng)工業(yè)園一期2區(qū)的接地裝置，應避免布置在 0.32～ 2.23 m土壤層，盡量布置在 2.23 m以下土壤層中。眾創(chuàng)工業(yè)園二期1區(qū)的接地裝置，應避免布置0.23～1.27 m的土壤層中。眾創(chuàng)工業(yè)園二期2區(qū)的接地裝置，應充分利用樁基自然接地體，避免布置在 0.15～0.85 m土壤層。

3 結(jié)束語

本文通過對某投資區(qū)工業(yè)園的土壤電阻率測試，并利用CDEGS防雷接地軟件進行土壤結(jié)構反演，分析投資區(qū)工業(yè)園不同區(qū)域土壤結(jié)構——土壤電阻率垂直分布，同時通過繪制土壤電阻率等值線圖分析區(qū)域不同深度的土壤電阻率水平分布，得出該工業(yè)園區(qū)土壤電阻率分布特征，為建設項目選址與功能布局、建設項目防雷接地設計施工提出建設性意見。