流动地表水体对地温的影响效应分析

拓佳胜

(1.西安交通大学人居环境与建筑工程学院，陕西 西安 710049；2.信息产业部电子综合勘察研究院，陕西 西安 710054)

0 引言

地温测量是工程技术领域的一项基础工作，在地下采矿工程和地下建筑工程等领域均有应用。如姚海飞等通过对矿井地温参数进行了观测与分析，更加有效地指导井下热害的治理工作[1]。张虎元等通过实测地铁隧道开挖前的地温，建立地铁初始地温预测模型，分析了运营条件下地铁隧道围岩温度的演化规律[2]。

为分析研究地表水体对地温的影响效应，本次依托西安市某跨河交通工程勘察，选取分别在河面中央1个地质钻孔和附近河滨陆地1个地质钻孔(对照组)进行地温测量，从而获取地温数据进行分析。

1 地理地质背景

本研究区地理位置位于西安市灞桥区灞河下游。气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，春、夏、秋、冬四季分明，冷、暖、干、湿变化明显。年平均气温11.3℃～13.7℃之间，极端最高气温41.7℃，最低气温-20.6℃。区内无霜期年平均203 d。区内降雨量呈西北向东南递增，年平均(1989-2003年)降水量584.9 mm。冬季少雨干旱，春季雨量适中，7-9月前后雨量集中。灞河在此处自南向北流，河床比降1.58%，因建橡皮坝而形成宽阔河面。

本研究区地形地貌方面属于灞河下游的河床漫滩及一级阶地地貌单元，地形较平坦，河漫滩和一级阶地为上迭式阶地。地质构造方面灞桥区位于渭河断陷谷地关中盆地的中部地区，区内褶皱构造不甚发育，而东西、北东、北西向断裂构造较为发育，有东西、北东、北西三组基底断裂和新生代活动断裂相互交叉。区内新构造运动活跃，垂直差异运动明显。

本研究区灞河河漫滩呈东南-西北向分布，宽0.15～1.2 km，河河漫滩与一级阶地呈缓坡状过渡，地层岩性多由第四系全新统(Q4al)砂质粘土和砂卵石组成，表层为粉质粘土、粉土类夹薄层砂。灞河一级阶地呈北西向，宽0.3～2.5 km，一级阶地阶面平坦，一般高出水面3～10 m，地下水埋藏较浅，地层岩性由第四系全新统(Q4al)粉土、粉质粘土、砂砾石层等冲积物组成。土体类型主要包括：(1)冲洪积砾卵石土，主要分布在河谷阶地的漫滩与一级阶地，由于颗粒粗大且有一定分选性，孔隙率低；(2)冲洪积细粒土，主要分布在一级阶地二元结构的上部，结构较为松散，具有中等压缩性。水文地质条件方面研究区的地下水类型为孔隙潜水，主要分布于河漫滩和一级阶地，含水层厚度大、分布广、补给源充足、水量极为丰富。

2 测量原理与仪器

本次地温测量采用水温平衡原理，即利用钻孔内的水在长时间静置以后其温度等于相同深度处地层岩土的温度，通过温度传感器自上而下测量不同深度处的钻孔内水温即可获得相应深度的地温。

本次地温测量使用的钻孔测温仪主要由温度传感器和数据记录仪组成。温度传感器采用MTBW型号PT100温度传感器，测温范围0℃～50℃，精度±0.2%，数据记录仪采用KT600P记录仪，数据分辨率为0.1℃，每1 min分钟采集一次数据，数据实时可视并可通过USB一次性输出。测试仪器满足精度和数据采集记录频率要求。

3 测量条件与方法

为进行地温测量，本次钻探1#钻孔位于河面中央，孔径150 mm，深度22.0 m，其中河水深度6.0 m，地下水位埋深7.3 m，金属套管护壁完孔；2#钻孔位于滨河陆地，孔径150 mm，深度20.0 m，地下水位埋深1.3 m，PVC套管护壁完孔。测量时间为11月份(初冬季节)。

1#钻孔和2#钻孔护壁套管内自然充满地下水，钻探成孔后静置时间约40 h，符合在钻孔中进行瞬态测温时，地下水位静止时间不宜小于24 h的条件。测量过程是从河面和每个钻孔的自然地下水面开始，每1 m深度测温一次，温度传感器深度位置由带长度刻度的测线控制。为了温度传感器与河水、钻孔内水充分热平衡，本次测量一个测点的测量时间持续5 min。

4 测量数据及分析

根据现场地温测量，将测量数据整理，见表1和图1。所有温度数据均为测量时间第5 min时的记录数据。

图1 地温数据散点图

在恒温带及其以上的地层，温伟光等人通过对不同季节的地温变化规律研究结果表明：当地温测量中上下相邻测点的温度开始不发生变化或差值在0.2℃以内时，定性认为地温达到“稳定”或“基本稳定”，该深度视为“稳定深度”，此时温度近似视为“稳定温度”[3]。

基于上述地温在恒温带及其以上地层的变化规律，对比两个钻孔的地温垂直变化情况进行分析发现，位于河面中央的1#钻孔地温在9m深度处到达基本稳定，地温达到基本稳定的深度较浅，垂直变化0.6℃，变化幅度较小，而位于滨河陆地的2#钻孔地温在14 m深度处才达到基本稳定，地温达到基本稳定的深度较深，垂直变化3.8℃，变化幅度较大。说明上覆水体具有使外界因素影响地温变化的深度变浅、地温垂直变化幅度变小的效应。定性分析认为，其原因是地表水体比热容大且流动，吸收和带走了太阳光照的热量和大气辐射能量，无法影响更深处的地温，使较浅处地温变化幅度受影响也减弱。

对比同等深度基本稳定后的地温数据，1#钻孔地温比2#钻孔地温低0.1℃～0.2℃左右，说明上覆流动水体具有降低地温的效应。定性分析认为，其原因是地表水体比热容大且流动，吸收了和带走了太阳光照的热量和大气辐射能量，致使地温增量的能量补给减弱而呈现低温。

表1 地温数据一览表

5 结语

(1)本次地温测量分别在位于河面中央和滨河陆地的地质钻孔中进行，使用钻孔测温仪采用钻孔水温平衡法，测量仪器精度和测量条件满足要求。

(2)流动地表水体具有使得外界因素影响地温变化的深度变浅、地温垂直变化幅度变小的效应和降低地温的效应。

(3)流动地表水体对地温的影响效应的原因是地表水体比热容大且流动，吸收和带走了太阳光照的热量和大气辐射能量，无法影响更深处的地温，使较浅处地温变化幅度受影响也减弱，同时致使地温增量的能量补给减弱而呈现低温。