飽和—非飽和帶溫度動態(tài)與氣象因素關系

劉建強，黃金廷

(1.陜西省地質調查中心，陜西 西安710016;2.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安710054)

溫度可以通過介質傳遞，在地層中的變化是連續(xù)的，這為我們除直接測定地下水流速之外提供了另一種了解滲流場的物理量。在許多工程和科學問題中需要研究地下水運動和溫度場分布之間的關系。Stallman(1963)最早提出了模擬水熱在多孔介質中遷移運動的基本方程［1］。Bredehoeft基于Stallman方程提出了利用地下水溫度確定一維地下水流量的典型曲線方法［2］。后續(xù)在溫度場與滲流場耦合作用模型、數(shù)值模擬技術和滲流參數(shù)反演方法等方面眾多學者開展了廣泛的研究［3-6］。利用溫度分布狀況判斷研究地下水運動及其分布已得到廣泛應用。以溫度作為示蹤方法研究地下水運動，首要需確定研究問題的載體—溫度的特征及影響因素?；谶@一考慮，本文在野外試驗獲取數(shù)據(jù)的基礎上，分析飽和-非飽和帶的溫度變化特征，以期為相關研究提供借鑒。

1 試驗點概況及數(shù)據(jù)獲取

野外試驗點地處毛烏素沙地，多年平均降水量340 mm，降水主要集中在7-9三個月，占全年降水量的80%以上，具有量少、集中的特點;多年平均蒸發(fā)量1 800 mm(200 mm蒸發(fā)皿)，蒸發(fā)強烈，屬半干旱區(qū)。包氣帶為風積沙，含水介質上層為薩拉烏蘇組下層為白堊系砂巖。地下水水位埋深1.5 m左右。試驗點稀疏分布沙柳，為多年生灌木。實驗場地所在地的氣象要素由波文比系統(tǒng)監(jiān)測(美國Campbell科學儀器公司生產)。風速和風向由05130-5 RM Yong風速監(jiān)測儀監(jiān)測，凈輻射由 NR-LⅠTE凈輻射探頭監(jiān)測，空氣溫濕度由HMP45C溫濕度一體探頭監(jiān)測，包括兩個，一個位于凈輻射探頭上方，一個位于凈輻射探頭下方。土壤熱通量位于地表以下80 mm處，由相距1m的兩個HFP01溫度通量板組成。土壤溫度儲存由兩個不同位置的溫度探頭組成。降雨由自動雨量桶測量。所有的波文監(jiān)測系統(tǒng)的儀器每分鐘計算一次平均值、每個小時由CR3000數(shù)據(jù)采集器記錄一次數(shù)據(jù)。地面以下5處不同深度的土壤溫度變化由美國Oneset公司生產的土壤水溫度監(jiān)測儀監(jiān)測，所有探頭水平埋入土壤中，埋設深度為 5、20、40、70、100 cm。地下水溫度由 MiniDiver監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集由儀器內置的采集器完成，監(jiān)測頻率為10 s每次，1 hr記錄一次平均值，數(shù)據(jù)自動存儲。

2 飽和-非飽和帶溫度變化特征

試驗期間，觀測土壤溫度值由地表向下遞減(表1)。5 cm深度最高溫度 31.8℃，最低溫度 7.8℃，平均溫度20.3℃;20 cm 深度最高溫度 24.3℃，最低溫度 11.4℃，平均溫度 18.5℃;40 cm 深 度 最高溫度 21.3℃，最 低 溫 度11.7℃，平均溫度 14.9℃;70 cm 最高溫度 18.7℃，最低溫度10.6℃，平均溫度 14.9℃;100 cm 深度最高溫度 16.6℃，最低溫度 9.2℃，平均溫度 13.1℃;145 cm深度最高溫度14.7℃，最低溫度8.6℃，平均溫度 11.7℃。試驗期間內，觀測溫度隨時間都呈增加趨勢(圖1)，但是5、20、40 cm三個深度土壤溫度觀測值呈現(xiàn)晝夜動態(tài)變化，70、100、145 cm三個深度土壤溫度無晝夜變化，呈現(xiàn)趨勢性特征。

表1 試驗期間土壤溫度變化特征表

圖1 試驗期間飽和-非飽和帶溫度變化

3 飽和-非飽和帶溫度與氣象因子的關系

3.1 日動態(tài)對降水的響應

圖2為試驗期間土壤溫度對降雨響應的折線圖。由圖2可以看出，降水發(fā)生的時間及降水量大小對土壤溫度的影響表現(xiàn)出不同的特征?？傮w規(guī)律為夜間降水加速了土壤溫度的下降，白天降水量較大時對土壤溫度影響較大。夜間降雨對溫度的影響為:5月3日、5月19日、5月29日及6月13日降水發(fā)生在夜間，在此期間，土壤溫度受降水影響，下降更快，尤其在降雨量較大的5月20日更為明顯。白天降雨對溫度的影響為:5月8-9日降水從上午開始，降雨開始后，2～40 cm范圍內的土壤溫度較未降雨前明顯降低，且各深度溫度值基本接近，尤其是5月9日的降雨，使得土壤溫度介于14℃～15℃之間。6月22日降水發(fā)生在下午，降水量并未導致明顯的土壤溫度降低。6月26日降雨發(fā)生在中午，降雨后，土壤溫度并未發(fā)生明顯的降低。

圖2 降水對土壤溫度的影響

3.2 飽和-非飽和帶溫度與其他氣象因子的關系

3.2.1 相關分析

試驗期間土壤溫度與氣象因子(降水除外)相關關系載于表2中。由表可以看出，不同深度間的土壤溫度之間呈現(xiàn)正相關關系，相臨兩個探頭獲取的溫度數(shù)據(jù)相關系數(shù)較與其他探頭的相關系數(shù)高。土壤溫度與氣溫(air_T)、凈輻射(Rn)呈正相關關系，與氣壓(P)呈負相關關系。土壤溫度與相對濕度(RH)關系較為復雜，與表層兩個探頭測定的溫度(2 cm、5 cm)呈正相關關系，與其他深度的溫度呈負相關關系。氣象因子對土壤溫度的影響，氣溫的相關系數(shù)最大。

3.2.2 回歸分析

多元線性回歸分析用于分析不同深度土壤溫度與氣象因子的相關關系。多元線性回歸方程如式1所示:

式中:Ts為土壤溫度，Rn為凈輻射、Ta為空氣溫度、RH為相對濕度、U 為風速，P 為空氣壓力，b0、b1、b2、b3、b4、b5分別為系數(shù)?；貧w系數(shù)和相關系數(shù)列于表3中。多元線性回歸分析表明氣象因子基本解釋了土壤溫度的變化(圖3)。氣溫、凈輻射、相對濕度、風速和氣壓分別解釋了2、5、8、15、40、70、100 cm 及地下水的 86%、84%、67%、59%、59%、58%和57%的溫度變化。

4 結語

通過野外試驗，可以得到如下的結論:

(1)試驗地點土壤中70 cm以上溫度呈現(xiàn)晝夜波動特征，70 cm以下溫度為趨勢變化，無晝夜波動特征。

(2)夜間降水加速了土壤溫度的下降，白天降水量較大時對土壤溫度影響較大。

(3)土壤溫度與氣溫(air_T)、凈輻射(Rn)呈正相關關系，與氣壓(P)呈負相關關系。

(4)多元線性回歸分析表明，氣溫、凈輻射、相對濕度、風速和氣壓分別解釋了 2、5、8、15、40、70、100 cm 及地下水溫度的86%、84%、67%、59%、59%、58%和57%的變化。

圖3 不同深度土壤溫度的觀測值與線性回歸分析預測值散點圖

表2 試驗期間土壤溫度與氣象因子相關系數(shù)表

表3 式1中的各參數(shù)的系數(shù)及相關系數(shù)表

［1］Stallman RW.Computation of groundwater velocity from temperature data［J］.US Geol.Surv.Water Supply Pap.，1544(H):36-46，1963.

［2］Bredehoeft JD，ⅠS Papadopulos.Rates of vertical groundwater movement estimated from the Earth’s thermal profile［J］.Water Resour.Res.1:325-328，1965.

［3］韋立德，楊春和.考慮飽和-非飽和滲流、溫度和應力耦合的三維有限元程序研制［J］.巖土力學.2005，26(6):100-104.

［4］Anderson MP.Heat as a ground water tracer［J］.Ground Water，2005，43(6):951-968.

［5］Yefang J.A Bayesian approach to the groundwater inverse problem for steady state flow and heat transport［D］.Canada:University of Manitoba，2002.

［6］吳志偉.地下水溫度示蹤理論與方法研究進展［J］.水科學進展.2011，22(5):733-740.