陜西省恒溫層深度主要影響因素及其估算

周 陽(yáng)， 張 卉， 江星辰， 許澤潤(rùn)， 王 克， 穆根胥

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，西安 710054； 2.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710068； 3.中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，西安 710000)

0 引言

恒溫層是指太陽(yáng)輻射熱向地表下釋減與地球內(nèi)熱向地表傳導(dǎo)釋熱在一定深度溫度達(dá)到平衡的界面，此處地溫年變化幅度接近于零，其埋藏深度稱為恒溫層深度。同一緯度地區(qū)日照強(qiáng)度基本相同，在恒溫層以上太陽(yáng)能影響大于地球內(nèi)熱傳導(dǎo)影響，地溫受地表空氣溫度影響強(qiáng)烈； 在恒溫層以下地溫受地球內(nèi)熱控制，隨深度增加而逐漸增高，其熱量主要來(lái)自地球內(nèi)部熱能。

恒溫層深度是地層溫度場(chǎng)的重要指標(biāo)。淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用[1-4]、農(nóng)業(yè)地質(zhì)及農(nóng)業(yè)溫室、地下空間建設(shè)等都需要對(duì)地層巖土體溫度做出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。學(xué)者對(duì)于大陸恒溫層溫度和深度的發(fā)育規(guī)律已有一定的認(rèn)識(shí)[5-9]，也進(jìn)行了局部海域恒溫層的研究[10-11]，城市工程地層地溫分布規(guī)律的觀測(cè)研究[12-14]取得了一定的成果，但關(guān)于區(qū)域恒溫層的研究較少。陜西省位于中緯度地區(qū)，四季分明，供暖制冷需求量大，地?zé)崮荛_發(fā)利用前景廣闊； 關(guān)中盆地古稱天府之國(guó)，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)； 隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展，地下空間的開發(fā)建設(shè)已然是大勢(shì)所趨。恒溫層深度對(duì)地?zé)崮?、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、地下空間開發(fā)利用都至關(guān)重要，查明陜西省恒溫層深度的分布特征已迫在眉睫。

本文依托前人的研究成果，通過野外調(diào)查、實(shí)驗(yàn)分析、地溫監(jiān)測(cè)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，分析了恒溫層深度的影響因素，計(jì)算了陜西省不同地貌單元恒溫層的深度范圍，結(jié)合實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象水文

陜西省位于我國(guó)大陸腹地，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷干燥，降水稀少； 夏季溫暖潮濕，降水量大。全省由南至北隨緯度增加分為3個(gè)氣候帶：陜南亞熱帶，濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)； 關(guān)中暖溫帶，濕潤(rùn)、半濕潤(rùn); 陜北溫帶、暖溫帶，半干旱、半濕潤(rùn)。年平均氣溫為5.9～15.7 ℃，年平均降水量為676.4 mm，氣溫和降水分布均由南向北遞減。

陜西省內(nèi)以秦嶺為界，南北分屬長(zhǎng)江、黃河兩大流域。前者面積占全省面積的35.1%，后者為64.8%。長(zhǎng)江流域主要河流有漢江、丹江等； 黃河流域有無(wú)定河、延河、渭河等。全省水資源總體貧乏，地域分配不均。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)自然地理、地質(zhì)條件所形成的南北差異、水文地質(zhì)的分帶性特點(diǎn)，將全省劃分為陜北黃土高原、關(guān)中盆地和陜南秦巴山地3個(gè)水文地質(zhì)區(qū)。

陜北黃土高原區(qū)普遍為上覆黃土及沙層孔隙潛水與下伏碎屑巖孔隙、裂隙承壓水的雙層疊置，僅在北山一帶有碳酸鹽巖類裂隙溶洞水的分布。全區(qū)富水性弱，僅在構(gòu)造條件優(yōu)越的西部白堊系厚層較疏松砂巖區(qū)富水性較好。

關(guān)中盆地具有第四系松散巖類典型盆地的水文地質(zhì)特征，砂礫卵石及粉質(zhì)黏土層厚度大，構(gòu)成穩(wěn)定的含水空間，潛水與承壓水豐富。

陜南秦巴山地區(qū)不同含水巖類的巖層相互交接，地下水的特征受地貌、巖性與構(gòu)造的嚴(yán)格控制，富水性分布極為不均，秦嶺南、北坡富水性較弱，山間盆地富水性較好。

1.3 地形地貌

陜西省總體地勢(shì)南北高、中間低、西部高、東部低，自北向南可分為5個(gè)地貌單元：風(fēng)沙高原區(qū)、黃土高原區(qū)、關(guān)中盆地區(qū)、秦巴山地區(qū)(秦嶺山地區(qū)和大巴山地區(qū))及漢中—安康山間盆地區(qū)(圖1)。

1.4 地層巖性

1.4.1 風(fēng)沙高原區(qū)

本區(qū)地貌單元可分為沙漠灘地、河谷階地和沙蓋黃土梁崗3類[15]。上部地層為粉細(xì)砂、粉土，下部為粉土，部分河谷階地下部地層為砂巖或砂質(zhì)泥巖。

1.4.2 黃土高原區(qū)

黃土高原在新近紀(jì)末起伏和緩的準(zhǔn)平原基礎(chǔ)上，經(jīng)歷第四紀(jì)以來(lái)多次黃土堆積和侵蝕作用，地形破碎，溝壑發(fā)育。根據(jù)形態(tài)特征可分為5種地貌類型：沙蓋黃土梁峁、黃土梁峁及黃土塬、黃土梁塬澗地、河谷階地和土石中低山。地層以粉細(xì)砂、黃土和粉質(zhì)黏土為主，土石中低山地層為砂巖。

圖1 陜西省地貌分區(qū)圖

1.4.3 關(guān)中盆地區(qū)

關(guān)中盆地為西狹東闊的新生代斷陷盆地，盆地由沖積平原、洪積平原和黃土臺(tái)塬組成，呈階梯狀地貌景觀。沖積平原上部地層為粉質(zhì)黏土及粉土，下部為砂層，部分高級(jí)階地地表覆蓋黃土。南部秦嶺山前洪積平原地層以粗粒物質(zhì)為主，北部北山山前洪積平原以細(xì)粒物質(zhì)為主。黃土臺(tái)塬區(qū)地層為黃土，一級(jí)黃土臺(tái)塬黃土厚100余m，二級(jí)黃土臺(tái)塬黃土厚度一般小于100 m。

1.4.4 山間盆地區(qū)

本區(qū)包括漢中盆地、西鄉(xiāng)盆地和安康盆地，發(fā)育一到四級(jí)階地。一級(jí)階地地層為黏土、粉砂及卵石； 高級(jí)階地地層為粉土、粉砂及礫砂。

1.4.5 秦巴山地區(qū)

秦巴山地區(qū)以中山地貌為主體，山間斷陷盆地較多，漢江谷地貫穿于秦嶺和巴山之間。中、高山區(qū)地層以花崗巖及片麻巖為主； 低山、丘陵區(qū)地層以千枚巖、花崗巖和石灰?guī)r為主。

2 恒溫層深度影響因素及計(jì)算方法

2.1 恒溫層深度影響因素

土壤恒溫層深度的主要影響因素包括導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和大氣溫度年振幅4項(xiàng)[6]。

導(dǎo)熱系數(shù)與恒溫層深度呈弱負(fù)相關(guān)，隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，恒溫層深度緩慢下降。地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與恒溫層深度呈弱正相關(guān)，隨著地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加，恒溫層深度緩慢上升。大氣溫度年振幅與恒溫層深度呈正相關(guān)，隨著大氣溫度年振幅的增加，恒溫層深度上升較快。陜西省乃至中緯度地區(qū)，大氣溫度年振幅理論值多介于15～25 ℃之間，因此對(duì)恒溫層實(shí)際深度影響較小。導(dǎo)溫系數(shù)對(duì)恒溫層深度影響較大，導(dǎo)溫系數(shù)越大，溫度的傳遞越迅速。

2.2 恒溫層深度計(jì)算方法

2.2.1 土壤自然溫度場(chǎng)

土壤自然溫度場(chǎng)呈年周期性變化，其計(jì)算公式為[6]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:T(x,t)為t時(shí)刻x深度處的土壤溫度,℃；Tmax為一年內(nèi)最高日均氣溫，℃；Tam為年均氣溫，℃；t為距離最熱大氣溫度時(shí)間，s；t0為年周期時(shí)間，s；a為土壤導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；λt為土壤導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；a2為地表和大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；v為年均風(fēng)速，m/s。

2.2.2 恒溫層計(jì)算方法

由余弦公式特征可知，深度x處的土壤溫度振幅(A)為

(5)

(6)

根據(jù)以上推導(dǎo)公式可以求取不同地區(qū)的恒溫層理論深度。公式中的年均溫、最高日均溫、年均風(fēng)速等數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象網(wǎng)或區(qū)縣志查詢所得，年周期時(shí)間指一個(gè)自然年時(shí)間。導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)選取地表下20 m以淺巖層的綜合導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。通過采集全省巖土樣品測(cè)試數(shù)據(jù)，以格羅布斯判據(jù)剔除異常值，得到不同地貌單元、不同巖性的導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。由于恒溫層是指地層溫度的變化幅度等于零的地帶，筆者認(rèn)為當(dāng)?shù)販刈兓圈巍?.1 ℃，即進(jìn)入恒溫層。

將咸陽(yáng)市和延安市的氣象、地質(zhì)參數(shù)代入公式，通過對(duì)比理論結(jié)果(咸陽(yáng)市14.5 m，延安市10.5 m)和實(shí)際地溫監(jiān)測(cè)曲線圖，認(rèn)為理論計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際規(guī)律(圖2、圖3)。

圖2 咸陽(yáng)地溫變化圖

圖3 延安地溫變化圖

3 陜西省恒溫層分布

利用土壤恒溫層深度計(jì)算方法，結(jié)合氣象、地質(zhì)資料，得出陜西省不同地貌單元恒溫層的深度范圍。

陜西省恒溫層深度為10.5～23.8 m。其中，陜北風(fēng)沙高原區(qū)為11.6～19.7 m，黃土高原區(qū)為10.5～23.8 m； 關(guān)中沖洪積平原區(qū)為11.1～17.4 m，黃土臺(tái)塬區(qū)為11.0～16.0 m； 陜南山間盆地區(qū)為11.7～18.2 m，秦巴山地區(qū)為14.7～18.6 m(表1)。

通過對(duì)比恒穩(wěn)層深度的理論值和實(shí)測(cè)值，發(fā)現(xiàn)26組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的24組落入理論數(shù)據(jù)的區(qū)間內(nèi)，僅陜北風(fēng)沙高原區(qū)內(nèi)存在2處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稍大于理論值，即沙漠灘地區(qū)的榆林市榆陽(yáng)區(qū)蓋排梁村(實(shí)測(cè)17.0 m，理論16.9 m)、河谷階地區(qū)的榆林市榆陽(yáng)區(qū)橋頭村(實(shí)測(cè)20.0 m，理論19.7 m)。認(rèn)為本文所用理論公式基本符合實(shí)際，可靠性較高。

如前說(shuō)述，導(dǎo)溫系數(shù)對(duì)恒溫層深度影響較大。風(fēng)沙高原區(qū)內(nèi)的沙漠灘地區(qū)和沙蓋黃土梁崗地層以導(dǎo)溫系數(shù)較低的粉細(xì)砂、粉土為主，最大恒溫層深度為17.8 m，而河谷階地區(qū)的砂巖地層由于導(dǎo)溫系數(shù)較大，最大恒溫層深度可達(dá)19.7 m。在黃土高原區(qū)南部中低山區(qū)，受砂巖導(dǎo)溫系數(shù)較大的影響，深度可達(dá)23.8 m。陜南地區(qū)恒溫層深度為11.7～18.6 m，其中秦巴山地區(qū)受導(dǎo)溫系數(shù)較大的花崗巖、片麻巖和千枚巖影響，恒溫層深度數(shù)值整體偏高，達(dá)到14.7～18.6 m。

表1 陜西省恒穩(wěn)層深度分布表

4 結(jié)論

(1)基于陜西省的氣候氣象、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地形地貌特征資料，計(jì)算了全省不同地貌單元的恒溫層深度理論值，認(rèn)為全省恒溫層深度為10.5～23.8 m。

(2)在其他因素不變的前提下，探尋單一變量的改變對(duì)恒溫層深度的影響，研究認(rèn)為：導(dǎo)熱系數(shù)與恒溫層深度呈弱負(fù)相關(guān)； 地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與恒溫層深度呈弱正相關(guān)； 大氣溫度年振幅與恒溫層深度呈正相關(guān)，但受制于大氣溫度年振幅數(shù)值變幅有限，因此它對(duì)恒溫層數(shù)值影響范圍有限； 導(dǎo)溫系數(shù)與恒溫層深度呈明顯的正相關(guān)。

恒溫層深度的準(zhǔn)確分析直接關(guān)乎區(qū)域地?zé)崮堋⒂绕涫菧\層地?zé)崮苜Y源的評(píng)價(jià)，是開發(fā)利用淺層地?zé)崮艿南葲Q條件。對(duì)恒溫層深度規(guī)律的研究，有利于推動(dòng)地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。

致謝：本文在野外工作及后期寫作過程中得到了陜西省地質(zhì)調(diào)查院閆文中教授級(jí)高級(jí)工程師、李鋒教授級(jí)高級(jí)工程師的指導(dǎo)與幫助，同時(shí)參與野外工作的還有趙智強(qiáng)、桂忠強(qiáng)、宋巧蓮、朱紅玉等，在此表示衷心感謝！