上海第四紀地層溫度場分布特征與影響因素分析

瞿成松，陳海洋，曹 袁，徐 丹

（1. 上海長凱巖土工程有限公司，上海 200070； 2. 上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海 200032；3. 河北工程大學城市建設學院， 邯鄲 056038）

合理開發利用淺層地熱能資源，對于上海經濟社會可持續發展具有積極意義[1]。由于地面沉降和對地下水保護的原因，地埋管地源熱泵是上海地區提取淺層地熱能的主要方式[2,3]。地源熱泵系統因良好的環保和節能特性，在國內外逐步得到推廣應用+。但地源熱泵和常規空調系統并不相同，需要暖通專業人員了解原本并不熟悉的地質環境條件。

目前，用以推導巖土熱物性參數的數學模型很多（如線熱源、柱熱源等）[5]，雖然仍沒有得出一個普遍公認的模型，但這些模型計算中都需要預先測試獲取同一個參數，即巖土初始平均溫度。現有研究表明，巖土初始平均溫度對巖土體熱物性參數的計算結果影響很大[6,7]，淺層巖土溫度受太陽輻射的周期變化、城市熱島效應、地表植被、地質構造、地下水的運動、大地熱流等多種因素影響。系統設計前應在充分了解本地區地下溫度分布一般規律的基礎上，對具體地點的地下溫度場進行測量，得到更為準確的巖土初始溫度[8]。

本文通過對上海地區不同地點、不同埋深范圍內第四紀地層地溫實測數據，分析淺層巖土溫度場分布，并與歷史數據比較，從而為本地區地埋管地源熱泵系統的勘察設計提供參考。

1 上海地區淺層巖土溫度現狀分析

為分析上海地區淺層巖土溫度的特點與規律，在徐匯、楊浦、浦東和崇明等地進行淺層巖土溫度測試[9]，部分試驗成果如表1、圖1。

從表1中可以看出：不同的測試地點與埋深范圍所揭示的巖土平均溫度不同，本地區80～130m地埋管所揭露的巖土平均溫度一般在17.0～19.0℃之間；相同測試地點的不同埋深范圍內，巖土平均溫度不同，地埋管所揭示的巖土平均溫度隨埋深的增加而增大；不同測試地點，在相同的埋深范圍所揭示的巖土平均溫度一般不同。

表1 上海地區淺層巖土溫度測試成果Table 1 The testing results of ground temperature at Shanghai

由圖1可以看出，自然地表以下20～35m深度范圍內的巖土溫度一般在17.0～18.0℃之間，埋深35m以下的巖土溫度隨深度增加而增高，35～100m深度的巖土溫度一般在18～19.5℃之間，而100m埋深處的巖土溫度一般在19.0～20.0℃之間。

圖1 不同埋深的巖土溫度測試成果Fig.1 The testing results of ground temperature in different depth

2 上海地區淺層巖土溫度變化對比

上海地區第一承壓含水層頂板埋深25～45m，厚度0～20m，接近第一、二含水層溝通區厚度較大，約20m，巖性由黃色、青灰色粉細砂組成[10]。與上、下相鄰含水層水力聯系較密切，在楊浦區南部及閘北區北部與潛水相溝通；在黃浦江沿岸及南市、盧灣、徐匯區一帶與第二含水層溝通[11]。單位涌水量1.5～2.0噸/時?米。水位動態規律與第二含水層相似，但幅度較小。

上海地區第二承壓含水層除在基巖出露區缺失外，全區廣泛分布。頂板埋深60～75m，其底板在市區東部埋深70～100m，市區西部埋深110～125m。含水層厚度變化與底板埋深關系密切，一般東部厚20m左右，西部厚30m左右，在底板缺失區，因二三含水層溝通，厚達60m以上。含水層巖性由青灰色含礫中粗砂或細中砂組成，自西南向北東巖性變粗，厚度增加。單位涌水量10～30噸/時?米。由于含水層顆粒較粗，厚度較大，富水性及水質良好，水溫較低，故歷史上開采量較大，曾為上海地區地下水的主要開采層次。

根據原上海市地質處科研報告中的1962～1976年期間第一二承壓含水層的地層溫度[12]，與目前實測數據進行了對比，結果見表2。

表2 不同時期含水層溫度對比Table 2 The compare of aquifer temperature in different phase

從表2約40年的變化結果中可以看出：第一承壓含水層的平均溫度有小幅升高，較40余年升高0.50℃～0.90℃；第二承壓含水層的平均溫度有所下降，較40余年前下降0.70℃～1.40℃。

3 上海地區巖土淺層溫度變化影響因素

影響淺層地溫場分布有多種因素，包括：太陽輻射的周期變化、城市熱島效應、地表植被、地質構造、地下水徑流、大地熱流、基坑降水及地下水回灌等。太陽輻射、城市熱島效應、地形、植被等對淺層地溫場的影響隨深度的增加而減小。

（1）太陽輻射

太陽輻射是地表溫度年周期變化的主要控制因素。上海地區地表溫度峰值出現的時間，相對于太陽輻射時間而言滯后20天左右；另外，由于近地層大氣的主要熱源是地表的長波輻射和湍流交換，地表溫度與氣溫的年內變化規律之間存在極顯著的相關性，氣溫變化相對于地表溫度有5天左右的滯后，地表溫度的年波動幅度略高于氣溫的年波動幅度，但是相差不大。

（2）熱島效應

上海的高溫區面積在近10年來呈現出逐漸較少的趨勢，但在空間分布上具有明顯的多中心特征。中心城區、浦東新區、閔行區和寶山區是上海城市熱島的4個主中心，而嘉定、松江等近郊地區也正在形成新的城市熱中心。隨著近10年來上海建成區的迅速拓展，上海的城市熱島已呈現出明顯的多中心化趨勢，即多個熱中心共同決定了上海的熱場分布，快速城市化使整個上海熱力場主體部分的相對地溫有升高的態勢。

（3）地表植被

上海市中心城區地表溫度與綠地覆蓋率存在相關性，在綠地覆蓋率較高的區域，城市熱島效應被有效緩解，地表溫度亦有所降低；喬木類型（包括喬灌木類型）和灌木類型的綠地對地表溫度的降低作用比草地類型要好。

（4）地質構造

本地區地溫梯度總體呈現出西高東低的趨勢，該變化主要受深部結構和構造、基巖埋深和巖性特征、斷裂構造等控制[13]。上海地區地下25℃的地溫界面埋深在200～250m之間，界面起伏受基巖影響；基巖的導熱系數一般比砂土、粘土高，基巖淺埋區地球內部的熱量容易傳導到上部，使25℃的地溫界面上拱；在西部西岑基巖隆起區一帶，25℃的地溫界面埋深在200m左右，而在高橋一帶基巖相對凹陷區，25℃的地溫界面埋深則在250m左右。

（5）地下水徑流

淺層地下水不僅會對地溫場的垂向溫度梯度產生影響，而且在水平方向上的影響也非常明顯：由于地下水的水平徑流使得地熱異常區迎水一側溫度下降，背水側外圍局部溫度升高，即造成異常區的下移，其程度取決于異常區內熱傳導的情況、地下水的流動速度及人工開采情況；在等溫線圖上同一異常區內各等溫線形態并不相似，靠近地下水上游的地方等值線較密，而下游地區等值線稀疏，其主要原因就是受淺層地下水的循環條件影響[14]。

（6）大地熱流

大地熱流，簡稱熱流，是指地球內部的熱量以傳導方式向上傳輸，其量值為大地熱流量，即在單位時間內通過單位面積地球表面散發至太空的熱量。影響大地熱流的因素很多，如局部熱源、熱流的折射和再分配作用所產生的附加熱流值、地表地形的起伏、氣溫變化等[15]。上海地區大地熱流平均值約為65mW/m2[16]。

上海地區每年由地球深部傳輸至地表的熱量可按下式計算：

式中，a為能量傳輸系數，取值1；q為大地熱流，取65mW/m2；M為計算面積，取6340.5×106m2；t為計算周期，取365天，即31536000s。據此推算，上海地區每年由地球深部傳輸至地表的熱量約為1.3×1013kJ，折合為44.4萬噸標準煤（1kJ=0.0341204g標準煤）。

（7）地下水人工回灌

上海地區第一承壓含水層很少回灌，而第二承壓含水層的平均回灌量百分比逐年增大（20世紀70年代39%、80年代44%、90年代55%），近50年來的地下水人工回灌是造成本地區第二含水層平均溫度降低的主要原因之一[17]。

（8）基坑降水

本地區第一承壓含水層水量小、水質差，過去僅少量開采供工業用水。近年來，隨著地下空間的開發利用，為確保施工安全和周邊環境保護，第一含水層的疏干與降壓較為普遍[18,19]。深基坑降水是第一承壓含水層溫度升高的影響因素[20]。

4 結論

上海地區巖土平均溫度隨埋深增加而升高。20～35m深度范圍一般在17.0～18.0℃之間，35～100m為18～19.5℃，100m埋深處在19.0～20.0℃之間。與40余年前相比，第一承壓含水層平均地溫小幅升高0.50℃～0.90℃；第二承壓含水層則小幅降低0.70℃～1.40℃。影響淺層地溫場分布的主要因素有太陽輻射的周期變化、城市熱島效應、地表植被、地下水徑流、人工回灌等。

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