天津濱海新區(qū)淺層地溫能熱紅外遙感信息特征

王永立

（1.中國地質大學（北京），北京 100083；2.天津市地質調查研究院，天津 300191）

0 引言

淺層地溫能是指在太陽能和地熱流綜合作用下，存在于地球表層恒溫帶至200m埋深中土壤、巖石和地下水的低溫地熱能（一般溫度低于25℃）。20世紀70年代，地熱能已是天津市的補充能源。淺層地溫能分布于地球表層，是可再生綠色低溫能源。

在基巖裸露地區(qū)，可通過地質調查推斷淺層地溫能的賦存情況；在第四紀地層覆蓋地區(qū)，通過物探、鉆探等方法進行解釋推斷。熱紅外遙感檢測可在短時間內獲取大面積地面溫度場信息[3]，受地面條件限制小，可以有效應用于淺層地溫能的調查。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北平原東部，北緯38°40′～39°00′，東經(jīng)117°20′～118°00′，陸域面積積約2270km2。熱分布面積800 km2，熱水總儲量200×108t。2010年濱海新區(qū)淺層地溫能利用面積為112.09×104m2。

本區(qū)共圈定了9個地熱異常區(qū)。在200m深度的溫度21～28°C，非地熱異常區(qū)為17～19°C。

第四系地下水淺層地溫能可劃分為4個含水組。第Ⅰ含水組為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)，埋深一般70m；第Ⅱ含水組為中更新統(tǒng)，底界埋深180～220m；第Ⅲ含水組為下更新統(tǒng)上部，底界埋深290～310m；第Ⅳ含水組為下更新統(tǒng)，底界埋深370～430m（圖1）。

圖1 天津濱海新區(qū)地表溫度與地熱異常分布圖

2 地表溫度反演

目前針對Landsat 熱紅外波段數(shù)據(jù)進行地表溫度反演的算法較多，覃志豪等人根據(jù)地表熱輻射傳導方程，推導出一個精度較高的演算方法，把大氣和地表的影響直接包括在演算公式中。由于該算法用于僅有一個熱紅外通道的遙感數(shù)據(jù)，故稱為單窗算法。該算法的優(yōu)點僅需要用地表輻射率、大氣透射率和大氣平均溫度3個參數(shù)進行地表溫度的演算[4][5]。

式中，Ts是地表實際溫度；Tb是行星亮度溫度；Ta是大氣等效溫度；a 和b 是參考系數(shù)，分別為-67.355351,0.458606；ε為地表輻射率；τ大氣透過率。

本次遙感圖像采用兩景美國陸地衛(wèi)星Landsat7 ETM+數(shù)據(jù)，條帶號122，行編號33。獲取時間為2001年5月12日和2002年2月8日，包括與兩期影像相應的大氣探空數(shù)據(jù)、地表氣溫、相對濕度等資料。

2.1 輻射校正

由于地表熱輻射在其傳導過程中受到大氣和輻射面的多重影響，Landsat傳感器所觀測到的熱輻射強度已經(jīng)轉化為相應的灰度值，使直接利用Landsat的原數(shù)據(jù)進行區(qū)域分析所得到的結論存在很大的偏差[5]。通常Landsat ETM+6數(shù)據(jù)是以灰度值(DN值)來表示，DN值越大，亮度越大，表示地表熱輻射強度越大，溫度越高。ETM+6數(shù)據(jù)中求算亮度溫度的過程包括把DN值轉化為相應的熱輻射強度值，然后推算所對應的地表輻射溫度。陸地衛(wèi)星傳感器在設計時就考慮到如何把所接收到的輻射強度轉化為DN值。對于ETM+數(shù)據(jù)，所接收到的輻射強度與其DN值存在如下關系：

式中Lλ為TM傳感器接收到的輻射亮度,單位為w?m-2?Sr-1?μm-1，Lmax和Lmin為TM遙感器所接收到的最大和最小輻射強度。當ETM+6低增益時，Lmax=17.04，Lmin=0.0；當高增益時，Lmax=12.65，Lmin=3.2。然后根據(jù)輻射亮度推算衛(wèi)星高度傳感器上所探測到的像元亮度溫度Tb，其公式為:

2.2 大氣等效溫度及大氣透射率

大氣透射率主要取決于大氣水分含量，而大氣等效溫度取決于大氣剖面的氣溫分布和大氣水分狀況。影響大氣透射率的因素較多，氣壓、氣溫、氣溶膠含量、大氣水分含量、CO2等對熱輻射傳導均有不同程度的作用。因此求算確定大氣透射率比較復雜，需要較詳細的大氣剖面數(shù)據(jù)。一般來說，準確氣透射率需要進行大氣模擬，目前較普遍使用的大氣模擬程序有LOWTRAN、MODTRAN和6S等。這種大氣模擬需要很詳細的大氣剖面數(shù)據(jù)；而大多數(shù)情況下不具備這樣的條件，從而使大氣模擬法難以實施。

大氣等效溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態(tài)。由于衛(wèi)星飛空的時間很短，一般直接利用覃志豪總結出的大氣等效溫度Ta的估計方程[6]:

中緯度夏季平均大氣作用溫度:

中緯度冬季平均大氣作用溫度:

其中，To為近地面(一般為2m處)的氣溫，To和Ta的單位均為K。這些，在標準大氣狀態(tài)下(天空晴朗、沒有渦旋作用)，大氣平均溫度是地面線性函數(shù)。

大氣透射率的變化主要取決于大氣水分含量的動態(tài)變化，其動態(tài)變化不大對大氣透射率的變化沒有顯著影響[6]。因此，大氣水分含量就成為透射率估計的主要因素。在高溫和低溫不同的溫度季節(jié)，其大氣透射率估計方程不同（表1）。

根據(jù)楊景梅[7]等研究，大氣水汽含量可以通過與地面水汽壓之間的關系確定。

其中，e是絕對水汽壓，可以表示為：

表1 大氣透射率估計方程

式中，RH是相對濕度，T0是氣溫，a、b是常數(shù)分別為17.67K、29.65K。

2.3 地表比輻射率確定

地表比輻射率是單窗算法的一個重要參數(shù)[8]。通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)獲得地表比輻射率是在沒有實時的參考數(shù)據(jù)下一種有效方法。

Enric-Valor等[9]提出了一種使用NDVI計算植被覆蓋率，然后推導計算地表比輻射率的方法：

式中，P v表示植被覆蓋度，取N DV Iv=0.70，NDVIs=0.05。當某個像元的NDVI值大于0.70時，Pv取值為1；當NDVI小于0.05時，Pv取值為0。ρNIR、ρR分別表示傳感器的近紅外波段與紅波段的地面反射率值。

3 結果分析

通過上述計算得出地表亮度值、大氣等效溫度、大氣透射率和比輻射率，進而求得地表實際溫度。將研究區(qū)的斷裂構造、地熱異常在GIS軟件中進行疊加得到地表溫度與地熱異常分布圖（圖1）。

通過對比分析可以看出，這些已探明的橋沽、山嶺子、萬家碼頭和沙井子等地熱異常區(qū)在熱紅外遙感影像上都顯示出較高的溫度值，而且大都沿著活動斷裂的控制方向，特別是在活動斷裂的交叉點，溫度異常尤為明顯。而斷裂為地下熱能向上傳輸提供了便利通道，說明地表溫度異常可能是由地下熱流通道斷裂上升到淺部所引起的。

分布在北部的看才莊地熱異常區(qū)，屬于于黃驊凹陷的寧河凸起構造單元，地溫梯度變化區(qū)間3.5～6.5℃/100m，NE向的楊家泊斷裂構成北部控熱邊界，內部為近SN向的楊家泊東斷裂縱穿，而到南部則被晚更新世活動的漢沽斷裂所橫切。在2002年冬季遙感圖像上，異常區(qū)北部呈現(xiàn)地表溫度高值，普遍高于背景值。

西北部的橋沽異常區(qū)，位于黃驊坳陷的寧河凸起和北塘坳陷的接觸部位，被近EW向漢沽斷裂和NE向的楊家泊斷裂、大田莊斷裂控制。在兩期遙感圖像上，除了薊運河地表溫度呈現(xiàn)低值外，其它區(qū)域都高于背景值。

在西部的山嶺子地熱異常區(qū)，位于滄縣隆起的潘莊凸起構造單元，地溫梯度變化區(qū)間3.5～7.0°C/100m，由滄東斷裂、大寺斷裂、海河斷裂和張貴莊斷裂幾組斷裂所控制。在兩期圖像上地表溫度都呈現(xiàn)高值。

西南部的萬家碼頭地熱異常區(qū)，位于滄縣隆起的小韓莊凸起構造單元，地溫梯度變化區(qū)間3.5～7.0℃/100m，在區(qū)內受到滄東斷裂、小韓莊斷裂和上古林斷裂的控制。在兩期遙感圖像上，都不同程度的出現(xiàn)高值區(qū)，在板橋農場、中塘鎮(zhèn)和大臺子出現(xiàn)極值；受獨流減河和北大港水庫的影響，地表溫度在異常區(qū)東部呈現(xiàn)低值。

南部的沙井子地熱異常區(qū)，處于黃驊坳陷的港西凸起構造單元，受港東斷裂帶的控制。在遙感圖像上，地表溫度普遍不高，僅在太平村呈現(xiàn)高值，推測受到北大港水庫及周邊河流水系的影響。

4 結語

地表溫度與地下地熱異常具有一定的相關性。建議在地表溫度高值區(qū)采用物探和鉆探等方法開展地熱調查。

天津濱海新區(qū)道路網(wǎng)密集，地表土層主要由近代海侵海退過程中之海水浸漬而成，具有較高的鹽分，在遙感圖像上顯示較高的反射率，反演出地表溫度較高。因此，必須選用其它手段剔除非淺層地溫能引發(fā)地表溫度升高等干擾因素，有效發(fā)揮遙感信息的作用。

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