上海第四紀(jì)地層溫度場分布特征與影響因素分析

瞿成松，陳海洋，曹 袁，徐 丹

（1. 上海長凱巖土工程有限公司，上海 200070； 2. 上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，上海 200032；3. 河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 邯鄲 056038）

合理開發(fā)利用淺層地?zé)崮苜Y源，對于上海經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有積極意義[1]。由于地面沉降和對地下水保護(hù)的原因，地埋管地源熱泵是上海地區(qū)提取淺層地?zé)崮艿闹饕绞絒2,3]。地源熱泵系統(tǒng)因良好的環(huán)保和節(jié)能特性，在國內(nèi)外逐步得到推廣應(yīng)用+。但地源熱泵和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)并不相同，需要暖通專業(yè)人員了解原本并不熟悉的地質(zhì)環(huán)境條件。

目前，用以推導(dǎo)巖土熱物性參數(shù)的數(shù)學(xué)模型很多（如線熱源、柱熱源等）[5]，雖然仍沒有得出一個普遍公認(rèn)的模型，但這些模型計算中都需要預(yù)先測試獲取同一個參數(shù)，即巖土初始平均溫度?，F(xiàn)有研究表明，巖土初始平均溫度對巖土體熱物性參數(shù)的計算結(jié)果影響很大[6,7]，淺層巖土溫度受太陽輻射的周期變化、城市熱島效應(yīng)、地表植被、地質(zhì)構(gòu)造、地下水的運(yùn)動、大地?zé)崃鞯榷喾N因素影響。系統(tǒng)設(shè)計前應(yīng)在充分了解本地區(qū)地下溫度分布一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，對具體地點的地下溫度場進(jìn)行測量，得到更為準(zhǔn)確的巖土初始溫度[8]。

本文通過對上海地區(qū)不同地點、不同埋深范圍內(nèi)第四紀(jì)地層地溫實測數(shù)據(jù)，分析淺層巖土溫度場分布，并與歷史數(shù)據(jù)比較，從而為本地區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的勘察設(shè)計提供參考。

1 上海地區(qū)淺層巖土溫度現(xiàn)狀分析

為分析上海地區(qū)淺層巖土溫度的特點與規(guī)律，在徐匯、楊浦、浦東和崇明等地進(jìn)行淺層巖土溫度測試[9]，部分試驗成果如表1、圖1。

從表1中可以看出：不同的測試地點與埋深范圍所揭示的巖土平均溫度不同，本地區(qū)80～130m地埋管所揭露的巖土平均溫度一般在17.0～19.0℃之間；相同測試地點的不同埋深范圍內(nèi)，巖土平均溫度不同，地埋管所揭示的巖土平均溫度隨埋深的增加而增大；不同測試地點，在相同的埋深范圍所揭示的巖土平均溫度一般不同。

表1 上海地區(qū)淺層巖土溫度測試成果Table 1 The testing results of ground temperature at Shanghai

由圖1可以看出，自然地表以下20～35m深度范圍內(nèi)的巖土溫度一般在17.0～18.0℃之間，埋深35m以下的巖土溫度隨深度增加而增高，35～100m深度的巖土溫度一般在18～19.5℃之間，而100m埋深處的巖土溫度一般在19.0～20.0℃之間。

圖1 不同埋深的巖土溫度測試成果Fig.1 The testing results of ground temperature in different depth

2 上海地區(qū)淺層巖土溫度變化對比

上海地區(qū)第一承壓含水層頂板埋深25～45m，厚度0～20m，接近第一、二含水層溝通區(qū)厚度較大，約20m，巖性由黃色、青灰色粉細(xì)砂組成[10]。與上、下相鄰含水層水力聯(lián)系較密切，在楊浦區(qū)南部及閘北區(qū)北部與潛水相溝通；在黃浦江沿岸及南市、盧灣、徐匯區(qū)一帶與第二含水層溝通[11]。單位涌水量1.5～2.0噸/時?米。水位動態(tài)規(guī)律與第二含水層相似，但幅度較小。

上海地區(qū)第二承壓含水層除在基巖出露區(qū)缺失外，全區(qū)廣泛分布。頂板埋深60～75m，其底板在市區(qū)東部埋深70～100m，市區(qū)西部埋深110～125m。含水層厚度變化與底板埋深關(guān)系密切，一般東部厚20m左右，西部厚30m左右，在底板缺失區(qū)，因二三含水層溝通，厚達(dá)60m以上。含水層巖性由青灰色含礫中粗砂或細(xì)中砂組成，自西南向北東巖性變粗，厚度增加。單位涌水量10～30噸/時?米。由于含水層顆粒較粗，厚度較大，富水性及水質(zhì)良好，水溫較低，故歷史上開采量較大，曾為上海地區(qū)地下水的主要開采層次。

根據(jù)原上海市地質(zhì)處科研報告中的1962～1976年期間第一二承壓含水層的地層溫度[12]，與目前實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果見表2。

表2 不同時期含水層溫度對比Table 2 The compare of aquifer temperature in different phase

從表2約40年的變化結(jié)果中可以看出：第一承壓含水層的平均溫度有小幅升高，較40余年升高0.50℃～0.90℃；第二承壓含水層的平均溫度有所下降，較40余年前下降0.70℃～1.40℃。

3 上海地區(qū)巖土淺層溫度變化影響因素

影響淺層地溫場分布有多種因素，包括：太陽輻射的周期變化、城市熱島效應(yīng)、地表植被、地質(zhì)構(gòu)造、地下水徑流、大地?zé)崃鳌⒒咏邓暗叵滤毓嗟?。太陽輻射、城市熱島效應(yīng)、地形、植被等對淺層地溫場的影響隨深度的增加而減小。

（1）太陽輻射

太陽輻射是地表溫度年周期變化的主要控制因素。上海地區(qū)地表溫度峰值出現(xiàn)的時間，相對于太陽輻射時間而言滯后20天左右；另外，由于近地層大氣的主要熱源是地表的長波輻射和湍流交換，地表溫度與氣溫的年內(nèi)變化規(guī)律之間存在極顯著的相關(guān)性，氣溫變化相對于地表溫度有5天左右的滯后，地表溫度的年波動幅度略高于氣溫的年波動幅度，但是相差不大。

（2）熱島效應(yīng)

上海的高溫區(qū)面積在近10年來呈現(xiàn)出逐漸較少的趨勢，但在空間分布上具有明顯的多中心特征。中心城區(qū)、浦東新區(qū)、閔行區(qū)和寶山區(qū)是上海城市熱島的4個主中心，而嘉定、松江等近郊地區(qū)也正在形成新的城市熱中心。隨著近10年來上海建成區(qū)的迅速拓展，上海的城市熱島已呈現(xiàn)出明顯的多中心化趨勢，即多個熱中心共同決定了上海的熱場分布，快速城市化使整個上海熱力場主體部分的相對地溫有升高的態(tài)勢。

（3）地表植被

上海市中心城區(qū)地表溫度與綠地覆蓋率存在相關(guān)性，在綠地覆蓋率較高的區(qū)域，城市熱島效應(yīng)被有效緩解，地表溫度亦有所降低；喬木類型（包括喬灌木類型）和灌木類型的綠地對地表溫度的降低作用比草地類型要好。

（4）地質(zhì)構(gòu)造

本地區(qū)地溫梯度總體呈現(xiàn)出西高東低的趨勢，該變化主要受深部結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、基巖埋深和巖性特征、斷裂構(gòu)造等控制[13]。上海地區(qū)地下25℃的地溫界面埋深在200～250m之間，界面起伏受基巖影響；基巖的導(dǎo)熱系數(shù)一般比砂土、粘土高，基巖淺埋區(qū)地球內(nèi)部的熱量容易傳導(dǎo)到上部，使25℃的地溫界面上拱；在西部西岑基巖隆起區(qū)一帶，25℃的地溫界面埋深在200m左右，而在高橋一帶基巖相對凹陷區(qū)，25℃的地溫界面埋深則在250m左右。

（5）地下水徑流

淺層地下水不僅會對地溫場的垂向溫度梯度產(chǎn)生影響，而且在水平方向上的影響也非常明顯：由于地下水的水平徑流使得地?zé)岙惓^(qū)迎水一側(cè)溫度下降，背水側(cè)外圍局部溫度升高，即造成異常區(qū)的下移，其程度取決于異常區(qū)內(nèi)熱傳導(dǎo)的情況、地下水的流動速度及人工開采情況；在等溫線圖上同一異常區(qū)內(nèi)各等溫線形態(tài)并不相似，靠近地下水上游的地方等值線較密，而下游地區(qū)等值線稀疏，其主要原因就是受淺層地下水的循環(huán)條件影響[14]。

（6）大地?zé)崃?/p>

大地?zé)崃鳎喎Q熱流，是指地球內(nèi)部的熱量以傳導(dǎo)方式向上傳輸，其量值為大地?zé)崃髁?，即在單位時間內(nèi)通過單位面積地球表面散發(fā)至太空的熱量。影響大地?zé)崃鞯囊蛩睾芏?，如局部熱源、熱流的折射和再分配作用所產(chǎn)生的附加熱流值、地表地形的起伏、氣溫變化等[15]。上海地區(qū)大地?zé)崃髌骄导s為65mW/m2[16]。

上海地區(qū)每年由地球深部傳輸至地表的熱量可按下式計算：

式中，a為能量傳輸系數(shù)，取值1；q為大地?zé)崃?，?5mW/m2；M為計算面積，取6340.5×106m2；t為計算周期，取365天，即31536000s。據(jù)此推算，上海地區(qū)每年由地球深部傳輸至地表的熱量約為1.3×1013kJ，折合為44.4萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤（1kJ=0.0341204g標(biāo)準(zhǔn)煤）。

（7）地下水人工回灌

上海地區(qū)第一承壓含水層很少回灌，而第二承壓含水層的平均回灌量百分比逐年增大（20世紀(jì)70年代39%、80年代44%、90年代55%），近50年來的地下水人工回灌是造成本地區(qū)第二含水層平均溫度降低的主要原因之一[17]。

（8）基坑降水

本地區(qū)第一承壓含水層水量小、水質(zhì)差，過去僅少量開采供工業(yè)用水。近年來，隨著地下空間的開發(fā)利用，為確保施工安全和周邊環(huán)境保護(hù)，第一含水層的疏干與降壓較為普遍[18,19]。深基坑降水是第一承壓含水層溫度升高的影響因素[20]。

4 結(jié)論

上海地區(qū)巖土平均溫度隨埋深增加而升高。20～35m深度范圍一般在17.0～18.0℃之間，35～100m為18～19.5℃，100m埋深處在19.0～20.0℃之間。與40余年前相比，第一承壓含水層平均地溫小幅升高0.50℃～0.90℃；第二承壓含水層則小幅降低0.70℃～1.40℃。影響淺層地溫場分布的主要因素有太陽輻射的周期變化、城市熱島效應(yīng)、地表植被、地下水徑流、人工回灌等。

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