河南省城市淺層地溫場(chǎng)特征及影響因素分析

劉海風(fēng)，王春暉，梅棚里，時(shí)平平，王 昕

（1．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，鄭州 450000；2．欒川縣地質(zhì)礦產(chǎn)局，欒川 471500）

河南省城市淺層地溫場(chǎng)特征及影響因素分析

劉海風(fēng)1，王春暉1，梅棚里1，時(shí)平平2，王 昕1

（1．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，鄭州 450000；2．欒川縣地質(zhì)礦產(chǎn)局，欒川 471500）

本文在大量鉆孔測(cè)溫資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了河南省城市淺層地溫場(chǎng)分布特征，分析了不同地貌類型城市恒溫帶特征。全區(qū)地下水恒溫帶深度平均深度24．8m，溫度一般15．5℃～17．5℃；沖積平原區(qū)松散層恒溫帶深度最淺、溫度最高，內(nèi)陸河谷盆地區(qū)松散層恒溫帶深度最深、溫度最低。近山前地帶基巖淺埋區(qū)，地溫梯度低；沿深大斷裂帶和構(gòu)造?。ㄍ梗┢饏^(qū)，地溫梯度高；濟(jì)源—商丘斷裂的新鄉(xiāng)—延津段、內(nèi)黃凸起和通許凸起地溫梯度高。通過分析地溫增溫率特征和地溫恢復(fù)能力，得出顆粒越粗地溫恢復(fù)能力K值較大，富水性越強(qiáng)、水力坡度越大K值越大。對(duì)影響淺層地溫場(chǎng)的多種因素的系統(tǒng)研究表明，該區(qū)淺層地溫場(chǎng)受城市、人類活動(dòng)、地下水流場(chǎng)、地下水埋深、構(gòu)造、地下水補(bǔ)給、排泄等因素影響明顯。

淺層地溫場(chǎng)；恒溫帶；增溫率；地溫恢復(fù)能力；影響因素；河南；城市

0 前言

這里所指的淺層地溫場(chǎng)為200m以上松散層地溫的綜合反映，以該深度混合水的溫度來表征（淺層地?zé)崮芸辈煸u(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程，2009）。淺層地溫能是深層地?zé)崮芘c太陽輻射能共同作用的產(chǎn)物，影響淺層地溫的因素主要包括地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和層序、地下水、地形地貌、太陽輻射以、氣候等。前人對(duì)地溫場(chǎng)開展了一些研究，并取得了豐富的成果，主要分析了淺層地溫分布特征及其影響因素（劉彩波等，2013；譚靜強(qiáng)等，2009；王貴玲等，2015；衛(wèi)萬順等，2010；胡玉祿等，2003；劉曉燕等，2007）。氣候變暖給人類的生存環(huán)境帶來改變，不僅影響氣溫的升高，降水量區(qū)域性增加或減少，也影響到霜期和淺層地溫的變化（隋景躍等，2012；陸曉波等，2006；周晉紅等，2011），有專家學(xué)者對(duì)有關(guān)地溫的變化進(jìn)行了研究，在氣候變暖環(huán)境下不同區(qū)域地溫存在不同的響應(yīng)（杜軍等，2010；狄曉英等，2009；韓再生等，2007）。

1 概況

河南省處于暖溫帶和亞熱帶氣候過渡地區(qū)，以秦嶺至淮河一線為界，以南的信陽、南陽屬亞熱帶濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，以北的其它城市均屬暖溫帶干旱、半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。其氣候特征一般是冬季寒冷，夏季炎熱。夏季空調(diào)利用時(shí)間為6—9月份，冬季供暖時(shí)間一般為11月15日至次年的3月15日，供暖與制冷時(shí)間相當(dāng)，冷暖負(fù)荷基本相同。淺層地?zé)崮艿睦眯枰诙咎崛〉叵聼崮苡糜诙竟┡?，而在夏季則需要向地下儲(chǔ)存熱能，這樣可保持地下溫度場(chǎng)平衡，使其對(duì)環(huán)境的影響最小。

河南省處于我國地勢(shì)第二階梯和第三階梯的過渡地帶，西部的太行山、崤山、熊耳山、嵩箕山、外方山、伏牛山等山地，屬于我國第二級(jí)地貌臺(tái)階，東部平原則屬第三級(jí)地貌臺(tái)階，而南部邊境地帶的桐柏—大別山構(gòu)成第三級(jí)地貌臺(tái)階中的橫向突起。18個(gè)省轄市加1個(gè)航空港綜合試驗(yàn)區(qū)均坐落在平原、盆地和丘陵區(qū)，利于淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。河南省位于黃淮海平原的中上部，第四系松散層厚度大，淺層地下水豐富。據(jù)本次研究成果結(jié)果，河南省地下水恒溫帶深度一般15～27m，平均深度24.8m，溫度一般15.5℃～17.5℃，平均溫度松散巖類孔隙水，含水層分布廣，厚度大，水量較豐富，易開采，可恢復(fù)性強(qiáng)。近系上部的各類松散堆積物，其所含地下水為淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用非常有利。

2 恒溫帶分布特征

地球內(nèi)熱與太陽幅射熱互相影響達(dá)到平衡的地帶為恒溫帶。年恒溫帶的深度和溫度受緯度、高度、巖性、地表水體的分布、植被及小氣候條件等的影響。據(jù)以往區(qū)域測(cè)溫資料和本次井中連續(xù)測(cè)溫結(jié)果綜合確定研究區(qū)恒溫帶深度與溫度。沖積平原型城市恒溫帶深度一般15～27m，平均深度22.9m；溫度一般15.5℃～17.5℃，平均溫度16.5℃。山前沖洪積傾斜平原型城市恒溫帶深度一般20～27m，平均深度24m；溫度一般15.5℃～17.5℃，平均溫度16.2℃。內(nèi)陸河谷盆地型城市恒溫帶深度一般27～29m，平均深度27.5m；溫度一般15.5℃～17.21℃，平均溫度16.1℃。綜合以上統(tǒng)計(jì)分析可以看出，沖積平原區(qū)松散層恒溫帶深度最淺，溫度最高，內(nèi)陸河谷盆地區(qū)平原區(qū)松散層恒溫帶深度最深，溫度最低。從各地區(qū)測(cè)溫曲線圖可看出（圖1、圖2），恒溫帶以上地下水溫度與埋深關(guān)系不明顯，主要隨季節(jié)和地表環(huán)境溫度變化；而在恒溫帶以下，地下水溫度有隨埋深增加而增加的趨勢(shì)。綜合考慮城市地貌類型、表層土體結(jié)構(gòu)和緯度變化，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定19（含鄭州航空港）個(gè)城市恒溫帶深度與溫度。

3 地溫增溫率特征

恒溫帶以下隨著深度的增加而地溫逐漸增高的地帶，稱為增溫帶。其值的大小用地溫梯度（G）表示，即深度每向下增加100m所增高的溫度值。地溫梯度的計(jì)算可采用水井深度與混合水溫的關(guān)系確定（圖3和圖4）。

圖1 航空港地下水溫度與深度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.1 The correspondence between the temperature and the depth of the groundwater in the Zhengzhou Airport Economy Zone

圖2 鄭州市地下水溫度與深度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.2 The correspondence between the temperature and the depth of the groundwater in ZhengZhou

在對(duì)地溫梯度分布特征分析的基礎(chǔ)上，確定18個(gè)主要城市在200m以淺增溫帶的地溫梯度（表1）。不同地區(qū)地溫梯度不同，這主要和控?zé)岬牡刭|(zhì)構(gòu)造、熱儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、巖漿和斷裂活動(dòng)及水文地質(zhì)環(huán)境有密切關(guān)系。如河南省地溫梯度分布（圖5）明顯受熱儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造的控制。近山前地帶基巖埋深較淺，上覆地層顆粒粗，地下水徑流較強(qiáng)烈，地溫梯度低，一般1.5℃～2.5℃/100m；沿深大斷裂帶和構(gòu)造?。ㄍ梗┢饏^(qū)，地溫梯度高，濟(jì)源—商丘斷裂的新鄉(xiāng)—延津段地溫梯度達(dá)3.5℃～4.8℃/100m，內(nèi)黃凸起、通許凸起地溫梯度高達(dá)3.5℃/100m以上。

圖3 新鄉(xiāng)市G01井地溫增溫曲線Fig.3 The growth curve of earth temperature in well G01 in ZhouKou

圖4 周口市地溫增溫曲線圖Fig.4 The growth curve of earth temperature in XinXiang

4 地溫恢復(fù)能力特征

巖土體的吸熱與排熱場(chǎng)所，即溫度場(chǎng)直接影響著地下巖土的傳熱，進(jìn)而影響熱泵機(jī)組功耗的系統(tǒng)性能指標(biāo)，隨著熱泵連續(xù)運(yùn)行，巖土在熱濕傳遞作用下，地下?lián)Q熱埋管周圍的土壤溫度場(chǎng)隨時(shí)間而改變，傳熱驅(qū)動(dòng)勢(shì)在衰減，傳熱速率降低。因此地溫恢復(fù)能力直接影響著土壤源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性。

通過觀察熱響應(yīng)試驗(yàn)回水時(shí)間段地溫的變化，來繪制出了地溫恢復(fù)段平均地溫與時(shí)間對(duì)數(shù)線性關(guān)系斜率的絕對(duì)值（k），該值是反應(yīng)了地層溫度恢復(fù)能力的強(qiáng)弱，進(jìn)而決定了地埋管換熱方式適宜性與否的直接因素之一（圖6和圖7）。得出：（絕對(duì)值）K與含水層巖性、富水性、水力坡度、鉆孔回填材料及回填材料的沉淀密實(shí)速度等有一定關(guān)系，顆粒越粗即卵礫石（絕對(duì)值）K較大，富水性越強(qiáng)、水力坡度越大K值（絕對(duì)值）越大。

表1 地溫梯度分布特征值Tab.1 The eigenvalue of geothermal gradient distribution

圖5 河南省松散層地溫梯度等值線Fig.5 The contour of geothermal gradient of loose stratum in Henan Province

圖6 ZD1恢復(fù)地溫與時(shí)間對(duì)數(shù)線性關(guān)系斜率的絕對(duì)值（k）圖Fig.6 The absolute values of the slope of the linear relationship between geothermal recovery and the logarithm of time (k) in well ZD1

圖7 ZD2恢復(fù)地溫與時(shí)間對(duì)數(shù)線性關(guān)系斜率的絕對(duì)值（k）圖Fig.9 The absolute values of the slope of the linear relationship between geothermal recovery and the logarithm of time (k) in well ZD2

5 淺層地溫場(chǎng)影響因素分析

這里所稱淺層地溫場(chǎng)指淺層地溫能資源可開發(fā)利用深度范圍內(nèi)的溫度場(chǎng)，與淺層地?zé)崮苓吔缦嘁恢隆８鶕?jù)不同城市地貌單元城市類型，根據(jù)主要城市開展的地溫測(cè)量，通過對(duì)潛水位以下2m深處水溫觀測(cè)結(jié)果分析，其淺層地溫場(chǎng)具有如下分布特征：

（1）地下水流動(dòng)是影響淺層地溫分布的重要因素，在地下水側(cè)向流動(dòng)強(qiáng)烈、地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件均十分良好的地區(qū)，從補(bǔ)給區(qū)進(jìn)入溫度較低的地下水，在流動(dòng)過程中不斷地把巖體的熱量帶走，從而降低了地溫，由于地下水交替強(qiáng)烈，巖溫和水溫之間尚未達(dá)到平衡，地下水起著冷卻的作用。因此山前地帶水溫略低，以三門峽和洛陽盆地型城市為例，地下水由盆地邊緣向盆地中心匯集，地下水或多或少經(jīng)歷了與圍巖的溫度的交換冷卻過程，所以邊緣地帶水溫略低。

（2）淺部地下水水溫明顯受氣候和埋藏深度的影響。以鄭州市為例，市區(qū)一帶地下水埋深較大溫度稍高，一般18℃～20℃，局部大于20℃；向外圍逐漸降低至16℃～18℃。鄭州市西郊地下水埋藏較深，含水層顆粒較細(xì)，局部呈膠結(jié)狀，導(dǎo)水性較差，地下水水溫較高，200m深水井的地下水溫可達(dá)20℃左右；鄭州市東北郊，淺層含水層為黃河沖積物，埋藏較淺，顆粒較粗且松散，導(dǎo)水性能好，黃河側(cè)滲補(bǔ)給強(qiáng)烈，淺層地溫場(chǎng)溫度較低，另外，在鄭州市地下水降落漏斗區(qū)，因地下水位埋深較大，水溫會(huì)略偏高。

（3）受井深度的影響，由于水對(duì)溫度的傳遞速度較快，深度越大的井，相應(yīng)的淺部水溫也高。

（4）地下水與地表水的影響，水易于流動(dòng)且熱容量大，廣布于地殼淺部的地下水，在流動(dòng)過程中冷水不斷地把熱量帶走，對(duì)圍巖起著冷卻作用，從而降低地溫。溫度較高的地下水則相應(yīng)地會(huì)將熱量傳導(dǎo)到圍巖中，從而使地溫升高沿著河流兩側(cè)受地表水影響較大的地區(qū)，如河谷盆地型城市和傍河型城市受地下水徑流交替影響較大地區(qū)，地下水有一定的降溫作用，淺層溫度最低。

（5）受地區(qū)凹凸相間的地質(zhì)構(gòu)造格局的控制，地溫呈現(xiàn)高低溫相間的帶狀展布，在基巖隆起的區(qū)域表現(xiàn)為相對(duì)高溫區(qū)，而在基巖凹陷區(qū)表現(xiàn)為相對(duì)低溫區(qū)；蓋層的地溫梯度大小與基巖頂面埋常深度密切相關(guān)，通常表現(xiàn)為隨著基巖埋深變淺地溫梯度增大。

綜合分析認(rèn)為，區(qū)域淺層地溫受城市、人類活動(dòng)、地下水流場(chǎng)、地下水埋深、構(gòu)造、地下水補(bǔ)給、排泄等因素影響。

鑒于上述因素，淺層地溫場(chǎng)特征應(yīng)采用淺層地?zé)崮芾蒙疃葍?nèi)綜合溫度來描述。本次根據(jù)恒溫帶深度與溫度、增溫帶地溫梯度與淺層地?zé)崮艿捉缟疃?，采用公式?/p>

計(jì)算淺層地溫場(chǎng)溫度（T）。計(jì)算結(jié)果見表2。

式中：G為地溫梯度（℃/100m）；S為淺層地溫場(chǎng)底界深度（m）；S0為恒溫帶深度（m）；T0為恒溫帶溫度（℃）。

表2 淺層地溫場(chǎng)特征溫度一覽表Tab.2 List of the characteristic temperature of shallow geothermalfield

6 結(jié)論

全區(qū)下水恒溫帶深度一般15～27m，平均深度24.8m，溫度一般15.5℃～17.5℃；沖積平原區(qū)松散層恒溫帶深度最淺，溫度最高，內(nèi)陸河谷盆地區(qū)平原區(qū)松散層恒溫帶深度最深，溫度最低。

近山前地帶基巖埋深較淺，溫梯度低；沿深大斷裂帶和構(gòu)造?。ㄍ梗┢饏^(qū)，地溫梯度高；濟(jì)源—商丘斷裂的新鄉(xiāng)—延津段、內(nèi)黃凸起、通許凸起地溫梯度高。

地溫恢復(fù)能力，得出顆粒越粗即卵礫石地溫恢復(fù)能力K值較大，富水性越強(qiáng)、水力坡度越大K值越大。對(duì)影響淺層地溫場(chǎng)的多種因素進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

山前地帶、盆地補(bǔ)給區(qū)水溫略低；地下水位埋深越大，水溫會(huì)略偏高；受井深度的影響，由于水對(duì)溫度的傳遞速度較快，深度越大的井，相應(yīng)的淺部水溫也高；河谷盆地型城市和傍河型城市受地下水徑流交替影響較大地區(qū)，地下水有一定的降溫作用，淺層溫度最低；地溫梯度大小與基巖頂面埋常深度密切相關(guān)，通常表現(xiàn)為隨著基巖埋深變淺地溫梯度增大。

杜軍，李春，廖健，等，2010. 拉薩近45 年淺層地溫的變化特征[J]. 干旱區(qū)地理，30(6)：826- 831.

狄曉英，趙俊萍，史海平，等，2009. 近46 年臨汾淺層地溫氣候特征分析[J]. 山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，23(1)：120- 124.

韓再生，冉偉彥，佟紅兵，等，2007. 淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)[J].中國地質(zhì)，34(6)：1115-1121.

胡玉祿，胡紅文，邱希青，等，2003. 華北地溫場(chǎng)垂向變化[C]. 地質(zhì)與可持續(xù)發(fā)展——華北六省一市地選科技論壇文集，124-126.

劉彩波，胡安焱，黃景銳，等，2013. 西安市淺層地溫場(chǎng)特征及其影響因素分析[J]. 地下水，35(2)：30-32.

劉曉燕，趙軍，石成，等，2007. 土壤恒溫層溫度及深度研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，28(5)：494-498.

陸曉波，徐海明，孫丞虎，等，2006. 中國近50 a 地溫的變化特征[J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，29(5)：706- 712.

隋景躍，張國林，2012. 朝陽地區(qū)霜期農(nóng)業(yè)氣候資源特征分析[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，40(7)：747- 750.

譚靜強(qiáng)，琚宜文，侯泉林，等，2009. 淮北煤田宿臨礦區(qū)現(xiàn)今地溫場(chǎng)分布特征及其影響因素[J]. 地球物理學(xué)報(bào)，52(3)：732-739.

王貴玲，劉峰，王婉麗，2015. 我國陸區(qū)淺層地溫場(chǎng)空間分布及規(guī)律研究（一）[J]. 空調(diào)熱泵，(2)：52-54.

王貴玲，劉峰，王婉麗，2015. 我國陸區(qū)淺層地溫場(chǎng)空間分布及規(guī)律研究（二）[J]. 空調(diào)熱泵，(3)：60-61.

衛(wèi)萬順，鄭桂森，欒英波，2010. 北京平原區(qū)淺層地溫場(chǎng)特征及其影響因素研究[J]. 中國地質(zhì)，36(7)：1733-1739.

周晉紅，張忠效，2011. 近45 a 山西冬季0 cm地溫時(shí)空分布及氣候分區(qū)[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，39(9)：997- 1000.

中華人民共和國國土資源部，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009. 《淺層地?zé)崮芸辈煸u(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程(DZT0225－2009)》[S].

Characteristics and In fluencing Factors of the Shallow Geothermal Field in Cities of Henan Province

LIU Haifeng, WANG Chunhui, MEI Pengli, Shi Pingping, WANG Xin
(1. No.5 Institute of Geo-Exploration of Henan,Zhengzhou 450000; 2. The Luchuan Bureau of Geology Resources, Luanchuan 471500)

Based on a large number of borehole temperature data, the authors systematically studied the distribution characteristics of the shallow geothermal field in cities of Henan Province, and analyzed the characteristics of different types of urban constant temperature zone. The average constant temperature zone of this area （0～300 m） is 24.8m and the temperature range is 15.5°C～17.5°C; the depth of the temperature zone is the most shallow in the loose bed of alluvial plain area and highest temperature; the depth of the temperature zone is the deepest in the loose bed inland valley basin and lowest temperature, the shallow buried area of bedrock in the piedmont zone with low geothermal gradient, along the deep fault zone and tectonic uplift (convex) zone with high geothermal gradient, Xinxiang-Yanjin section of Jiyuan-Shangqiu fault, Neihuang uplift and Tongxu uplift with high geothermal gradient. Based on the analysis of the characteristics of temperature increasing rate and recovery ability,it found the more coarse particles, the greater the recovery ability (K); the richer the water and the greater the slope of water conservancy, the greater the recovery ability(K). The various factors that affect the shallow geothermal field are systematically studied. The shallow geothermal field in this area is affected by the city, human activities,groundwater flow field, groundwater depth, structure, groundwater recharge, excretion and other factors.

Shallow geothermal field; Zone of constant temperature; Temperature increasing rate; Ground temperature recovery; Influencing factors; Henan Province; City

中國地質(zhì)科學(xué)院全國地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目（12120114086501－21）

劉海風(fēng)（1983- ），女，本科，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。E-mail：305515802@qq.com

A

1007-1903（2017）04-0061-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.012