天津地區(qū)地溫變化特征研究

溫偉光 路 清 王 輝，2 劉曉磊，2

（1.天津市勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300191；2.天津泰勘工程技術(shù)咨詢有限公司，天津 300191）

0 引言

地溫是地表面和地面以下不同深度處地層溫度的統(tǒng)稱，包括地面溫度和地中溫度兩類[1]。其中，地中溫度按深度又可分為淺層地溫和深層地溫。地溫的相關(guān)研究開始較早，19世紀(jì)80年代，F(xiàn)orbes[2]、Everett[3]等就對土壤溫度進行了試驗測定和調(diào)查分析；20世紀(jì)90年代，地溫研究主要集中在對人類影響較大的農(nóng)林領(lǐng)域，如Cannon[4]、Reddick[5]等對土壤溫度影響植物生長發(fā)育的分析研究；進入21世紀(jì)，隨著城市大力開發(fā)建設(shè)及人們環(huán)境保護意識的增強，地溫除在農(nóng)林方面有進一步研究外，開始延伸到工程及能源領(lǐng)域，如張虎元、朱江鴻[6]等對蘭州地鐵地溫的研究、李浩哲[7]對影響礦井地溫異常的因素及危害分析、張 瑛[8]對甘肅省天水市淺層地溫能的應(yīng)用前景探討等。

天津作為北方重要港口城市，在京津冀協(xié)同發(fā)展中承擔(dān)著重要角色。近年來，隨著城市高速發(fā)展，地鐵、綜合管廊等地下空間的開發(fā)成為天津城市規(guī)劃的重要一環(huán)。在地鐵等大型地下工程建設(shè)中，地溫是設(shè)計結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力、暖通設(shè)計等所需的重要參數(shù)[9]，影響著施工的質(zhì)量及安全，對后期的運營維護也起著重要作用。截至目前，天津地區(qū)尚未開展過地溫專項研究，地溫資料除氣象部門統(tǒng)計的地面溫度外，僅在近年新近規(guī)劃地鐵線路的勘察過程中開展過地溫測試工作，系統(tǒng)性的地溫分析研究工作亟待開展。

1 地溫測試方法及數(shù)據(jù)

1.1 地溫測試方法

天津地區(qū)地溫測試主要采用鉆孔穩(wěn)態(tài)測溫法，其操作簡易，測溫更符合實際情況。該測試方法采用PT100型鉑熱電阻溫度傳感器，測試間隔在0～10 m深度為0.5 m，10 m以下為1 m。測試原理為：當(dāng)溫度為0 ℃時PT100的阻值為100 Ω，在100 ℃時它的阻值約為138.5 Ω，阻值隨溫度上升呈勻速增長，其關(guān)系表達式見式（1）、式（2）。

金屬熱電阻

半導(dǎo)體熱敏電阻

式中：Rt為溫度t時阻值；Rt0為t0（通過為t0=0 ℃）時對應(yīng)電阻值；α為溫度系數(shù)；A、B取決于半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)常數(shù)。

1.2 測試數(shù)據(jù)

本次研究地溫數(shù)據(jù)來源于天津地鐵4號線、7號線、11號線和B1線的巖土工程勘察資料，時間集中在3月?12月，共38組。地溫測試的最大深度為25 m，測試點主要分布在天津市中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)。地溫測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 地溫測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

2 地溫測試成果分析

2.1 環(huán)境氣溫分布規(guī)律

天津?qū)倥瘻貛Т箨懪c海洋過渡型半濕潤季風(fēng)氣候，春季多風(fēng)、夏季炎熱、秋季氣爽、冬季寒冷。近10年，天津地區(qū)的環(huán)境溫度平均在14.0～15.3 ℃，1月為全年最低，平均氣溫在?3.6～0.9 ℃，7月為全年最高，平均氣溫在27.7～29.1 ℃。2011年?2019年天津市環(huán)境氣溫月平均值如圖1所示。

圖1 2011年?2019年月平均溫度變化規(guī)律

2.2 不同季節(jié)地溫變化規(guī)律

通過對地溫的測試時間段進行劃分，分別對不同季節(jié)的地溫變化規(guī)律進行分析研究。結(jié)果表明：①地溫變化在地層淺部和深部存在明顯差異。一般來說，淺部地溫變化較為劇烈，隨深度增加，地溫變幅呈遞減趨勢；深部地溫相對穩(wěn)定，隨深度增加，地溫變幅較小或趨近于零。②根據(jù)地溫變化特征，當(dāng)?shù)販販y試中上下相鄰測點的溫度開始不發(fā)生變化時，定性認為地溫達到“穩(wěn)定”，該深度視為“穩(wěn)定深度”，此時溫度近似視為“穩(wěn)定溫度”?？傮w來看，地溫達到穩(wěn)定時的深度及溫度均與環(huán)境氣溫相關(guān)。其中，穩(wěn)定深度在春夏兩季較淺、秋冬兩季較深；穩(wěn)定溫度則在夏季最高、春秋兩季次之、冬季最低。不同季節(jié)地溫變化情況見圖2。

由圖2可知，天津地區(qū)春季地溫達到穩(wěn)定時的深度在8 m附近，穩(wěn)定溫度在16.1 ℃左右；夏季時的穩(wěn)定深度在6 m附近，穩(wěn)定溫度在17.4 ℃左右；秋季時的穩(wěn)定深度在9 m附近，穩(wěn)定溫度在16.1 ℃左右；冬季時的穩(wěn)定深度在10 m附近，穩(wěn)定溫度在13.2 ℃左右。

圖2 不同季節(jié)地溫變化情況

2.2.1 地溫與環(huán)境氣溫的關(guān)系

由于地表土壤與外部大氣環(huán)境直接接觸，地表溫度的大小與環(huán)境氣溫基本保持一致，其在時間上的變化也同環(huán)境氣溫保持同步。通過對天津地區(qū)各組地溫與其對應(yīng)地表溫度進行對比分析可知：天津地區(qū)地表至地層埋深10 m范圍，地溫受環(huán)境氣溫影響明顯，隨環(huán)境氣溫變化，地溫變幅較大；地層埋深10～25 m范圍，地溫受環(huán)境氣溫影響較小，變幅最大不超過0.4 ℃。以地下埋深1 m處為例，天津地區(qū)地溫在夏季變幅最大，平均為7.2 ℃，春秋兩季次之，平均為1.5 ℃，冬季變幅最小，平均為0.5 ℃。

2.2.2 地溫平均值的分布規(guī)律

由天津地區(qū)不同季節(jié)的平均地溫與深度變化規(guī)律可知，地層埋深10 m范圍內(nèi)，隨深度增加，全年地溫呈減小趨勢，其中，春季地溫平均值呈先減后增趨勢，夏、秋兩季呈減小趨勢，冬季呈增大趨勢。地層埋深10～25 m時地溫隨深度變化小幅波動，全年和各季節(jié)的地溫變幅均較小，一般小于0.2 ℃。圖3顯示為天津地區(qū)不同季節(jié)地溫平均值與深度的關(guān)系。

圖3 不同季節(jié)地溫平均值隨深度變化規(guī)律

通常埋深10 m以上地層，地表熱量通過土內(nèi)較大的孔隙通道進行快速傳導(dǎo)，隨深度的增加，地溫在春、夏、秋三季呈減小趨勢，冬季則呈增大趨勢。埋深在10～25 m的地層，孔隙通道減少，熱量主要通過土體本身進行傳導(dǎo)，傳導(dǎo)效能和速率大大降低，隨著土層深度的增加，地溫保持相對穩(wěn)定。一般來說，天津地區(qū)10～25 m深度段地溫在春夏兩季變幅一般小于0.2 ℃，秋冬兩季則一般小于0.4 ℃。

3 地層中恒溫層深度的確定

3.1 恒溫層深度的確定

隨著地層深度增加，地層溫度在一定深度范圍內(nèi)會保持相對恒定，該范圍土層即為恒溫層，其深度一般采用上部變溫層的底面埋深來確定[10?12]。

為使本地區(qū)地下恒溫層深度的確定方法量化統(tǒng)一，此次依據(jù)地溫測試中的地溫–土層深度關(guān)系曲線，利用關(guān)系曲線上淺部與深部地層的溫度變化率存在較為明顯差異的特征，以溫度變化率指標(biāo)來確定恒溫層深度，該方法確實可行且符合實際。地溫–土層深度關(guān)系曲線上的溫度變化率可由單位深度（1 m）的溫度變幅絕對值表示。

根據(jù)表2對38組地溫數(shù)據(jù)達到穩(wěn)定時相應(yīng)的溫度變化率進行匯總統(tǒng)計，可知：天津地區(qū)地溫達到穩(wěn)定時的溫度變化率不超過0.2，其中在0.1及其以內(nèi)的占近60%。因此，天津地區(qū)恒溫層深度可由地溫–土層深度關(guān)系曲線上的溫度變化率遞減至0.2或其以下時對應(yīng)的最小深度確定。

表2 地溫達到穩(wěn)定時的溫度變化率統(tǒng)計表

根據(jù)上述方法，各組地溫數(shù)據(jù)確定的恒溫層深度可見表3。

表3 恒溫層深度統(tǒng)計表

3.2 恒溫層溫度計算

外部環(huán)境氣溫變化會影響淺部地層溫度的分布[13?15]，其影響隨土層深度的增加而遞減，天津地區(qū)一般超過25 m，所以天津恒溫層溫度可通過與外部環(huán)境氣溫的相關(guān)關(guān)系進行簡化計算。

通過對天津不同月份恒溫層溫度測量值與大氣年平均氣溫、大氣月平均氣溫進行分析，發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)恒溫層溫度和大氣年平均氣溫與大氣月平均氣溫的差值變化趨勢十分相近。為進一步分析恒溫層溫度和大氣年平均氣溫與大氣月平均氣溫之間的響應(yīng)關(guān)系，根據(jù)上述確定的恒溫層，采用其在9個月實測溫度的平均值進行擬合運算，既反映出了三者間的真實相關(guān)性，又避免了因采用全部地溫數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的運算量增加和擬合公式的復(fù)雜化，給出了本地區(qū)適用于不同時段的恒溫層溫度簡化計算公式。經(jīng)分析，該公式計算結(jié)果與實測值的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)可達0.91（見圖4）。擬合公式見式（3）。

圖4 恒溫層溫度和環(huán)境氣溫之間相關(guān)關(guān)系圖

式中：Th為恒溫層溫度，℃；Tn為大氣年平均氣溫，℃；Tm為大氣月平均氣溫，℃。

因此，對于天津無地溫實測資料地區(qū)，根據(jù)年平均氣溫、各月平均氣溫，可利用上述公式計算確定該地區(qū)的恒溫層溫度。

4 恒溫層深度及溫度變化規(guī)律

天津地區(qū)地勢西北高、東南低，海拔高度一般為3～5 m，受地形地貌、氣象水文、區(qū)域地層等影響，天津不同地區(qū)的恒溫層深度及溫度均存在一定差異。為此，本文對天津中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)及濱海新區(qū)的恒溫層深度、溫度分別進行統(tǒng)計（見表4）。

表4 天津地區(qū)恒溫層深度及溫度統(tǒng)計表

據(jù)表4可知，天津地區(qū)恒溫層深度平均在10 m左右；其中，中心城區(qū)恒溫層埋深最小，環(huán)城四區(qū)次之，濱海新區(qū)最大，平均深度分別為9.4 m、10.3 m和10.8 m。天津地區(qū)恒溫層溫度一般在16 ℃左右；中心城區(qū)和環(huán)城四區(qū)差別不大，平均溫度為16.4 ℃，濱海新區(qū)由于地溫測試集中在冬季，平均溫度僅13.7 ℃，不具該地區(qū)恒溫層溫度代表性。

5 結(jié)論

（1）天津地溫達到穩(wěn)定時的深度及溫度均與外部環(huán)境氣溫相關(guān)。隨季節(jié)變化，其地溫的穩(wěn)定深度平均在8～10 m，總體春夏兩季淺、秋冬兩季深；地溫的穩(wěn)定溫度一般介于13～17 ℃，總體夏季最高、春秋兩季次之、冬季最低。

（2）地層埋深在0～10 m范圍內(nèi)，天津地溫隨深度變化較為劇烈，春、夏、秋三季自上而下呈明顯減小趨勢，冬季則呈明顯增大趨勢；地層埋深在10～25 m范圍內(nèi)，其地溫隨深度變化較為穩(wěn)定，溫度變幅較小，春、夏兩季一般在0.2 ℃以內(nèi)，秋冬兩季則一般在0.4 ℃以內(nèi)。

（3）根據(jù)收集的地溫數(shù)據(jù)特點，天津地溫中的恒溫層深度可由地溫–土層深度關(guān)系曲線上的溫度變化率遞減至0.2或其以下時對應(yīng)的最小深度確定。

（4）基于實測確定的恒溫層溫度月平均值與大氣年平均氣溫、大氣月平均氣溫變化趨勢分析，得出天津恒溫層溫度的簡化計算公式，其相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)達到0.91。

（5）天津恒溫層平均埋深一般在10 m左右，中心城區(qū)最小、環(huán)城四區(qū)次之、濱海新區(qū)最大；恒溫層平均溫度一般在16 ℃左右，中心城區(qū)和環(huán)城四區(qū)差別不大，濱海新區(qū)由于地溫數(shù)據(jù)缺乏代表性，建議在后續(xù)研究中予以補充完善。