城市熱島效應與淺層地下水關系研究

摘"要：通過對研究區Landsat系列影像研究，發現許昌市熱島效應的影響面積隨城市化規模的不斷擴大而增加，熱島效應使城市近地表溫度升高。采用水文地質調查等技術手段對調查區2023年枯水期淺層地下水水位、水溫進行了統測，利用MapGIS軟件對淺層地下水溫度數據進行分析處理，發現在城區范圍內淺層地下水溫度高于郊區。結合垂向測溫，發現淺層地下水埋藏深度決定了其受熱島效應的影響程度，淺層地下水溫度變化和埋藏深度成反比關系，埋藏越淺時受近地表溫度影響程度越大；埋藏深度達到一定深度時，近地表溫度的變化對淺層地下水溫度的影響可以忽略。淺層地下水的運動可以帶走近地表地層中的部分熱量。因此，通過抬升淺層地下水水位在一定程度上可以減輕熱島效應強度。

關鍵詞：熱島效應；淺層地下水；許昌市；遙感圖像

Relationship between urban heat island effect and shallow groundwater： a case study of Xuchang City

SHEN Weili， ZHANG Xuefei， LI Fubin， DAI Jieyu， WANG Jiangwei， LU Zhichao

（Henan Second Geological Survey Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， Henan， China）

Abstract： Through the study of Landsat series images in the survey area， it is found that the impact area of the heat island effect in Xuchang City increases with the continuous expansion of urbanization scale， which in turn causes an increase in the near-surface temperature of the city. This work uses hydrogeological survey and other technical methods to measure the shallow groundwater level and temperature during the dry season in the survey area in 2023. MAPGIS software is applied to analyze and process the shallow groundwater temperature data. The results show， that the shallow groundwater temperature in the urban area is higher than that in the suburbs. Combined with vertical temperature measurement， the burial depth of shallow groundwater determines its degree of influence from the heat island effect. The temperature change of shallow groundwater is inversely proportional to the burial depth， i.e. the shallower the burial， the greater the degree of influence from near-surface temperature. When the burial depth reaches a certain extent， the effect of near-surface temperature changes on the shallow groundwater temperature is negligible. The movement of shallow groundwater carries away some of the heat from the near-surface strata. Therefore， raising the shallow groundwater level to some extent alleviates the intensity of the heat island effect.

Keywords： heat island effect; shallow groundwater; Xuchang City; remote sensing image

城市發展帶來了城市面貌的改變，大量混凝土建筑改變了原有城市地面的性質和結構，大量的汽車尾氣排放和空調使用加劇了人為熱排放，打破了原有城市熱量平衡從而形成新的熱量平衡局面，城區溫度像孤島一樣高于郊區溫度，形成了城市熱島效應。而熱島效應強度是一個用來量化描述一個地區氣溫高于其周圍地區程度的指標，通常用兩個代表性測點的氣溫差值來表示，這個差值即被稱為熱島效應強度。它反映了城市地區相對于其周邊郊區或鄉村地區的氣溫升高程度。隨著熱島效應強度和影響范圍的增大其負面效應逐漸顯現，最明顯的特征是城市空氣質量下降，嚴重影響城市人民生活和身體健康。國內外的有關專家學者對城市熱島形成原因、城市熱島效應范圍大小和強度變化特征、城市熱島效應產生的危害以及減緩城市熱島效應措施等方面進行了大量的研究（李京忠等，2021；張翠峰等，2022；劉施含等，2020；蘇偉忠等，2005；葉鈺等，2017；李春波等，2021）。淺層地下水埋藏于近地表地層的孔隙中，近地表地層受熱島效應影響，其溫度的改變勢必會對儲存其中的淺層地下水溫度產生影響。許昌作為河南省乃至中原地區第一家獲得國家生態園林城市稱號的城市，對熱島效應指標有明確的約束條件，因此研究許昌市熱島效應具有一定的現實意義和生態環境意義。

本文以許昌市建成區為研究重點，利用不同時期的Landsat系列影像，反演許昌市地表溫度變化過程，結合淺層地下水的溫度變化規律，研究許昌市熱島效應和淺層地下水關系，為解決城市熱島效應提出有效的方法。

1 "研究區概況

許昌，又稱“蓮城”，位于河南省中部，總面積4"996 km²，主城區面積1 627 km²，2021年底總人口438.2萬人，城鎮常住人口為239.2萬人，是中原城市群、中原經濟區核心城市之一。許昌地處“中原之中”，鄭州新鄭國際機場許昌候機樓建成投用，“四站一港”零距離換乘中心基本建成，集高速公路、高速鐵路、航空為一體的快捷交通體系初步形成。隨著建成區不斷擴大，城市化水平快速提升，伴隨著城市下墊面性質也在發生快速轉變，城市生態環境受到極大考驗（涂良權等，2020；張翠峰等，2022）。該區域人口密度大，交通發達，建筑物密集，呈現較大的城市規模，局部氣候特征明顯。

許昌市地處豫西山區向豫東平原的過渡地帶（圖1），總體地勢西北高、東南低，呈緩傾斜狀。大部分地區為華北平原的邊緣地帶，為潁河、清潩河、雙洎河沖積平原，最低海拔62.7 m，接受堆積，地形平坦，坡降小，坡降不足1‰。

許昌市淺層地下水主要指埋深60 m以淺的地下水，地下水類型為潛水或微承壓水。從山前向東部平原，含水層由單層變為多層，含水層底板埋深逐漸增大，含水層厚度也逐漸增大。

2 "研究思路和數據來源

2.1 "研究思路

本研究利用3個不同時間段的遙感影像對許昌市地表溫度進行反演，并結合2023年枯水期實測淺層地下水溫度數據分析匯總進行相關性分析，分析近些年許昌市熱島效應現狀與發展趨勢，找出淺層地下水溫度與熱島效應相互作用的物理機制，為城市規劃決策提供理論依據。

2.2 "遙感影像數據來源與處理方法

1）遙感影像的獲取

本文使用的影像數據下載自空間地理數據云網站，Landsat系列影像條帶號為124/36，圖幅號為LT51240361990124BJC00、LC81240362013100LGN02、LC81240362020079LGN00。成像時間分別為1990年5月4日、2013年7月30日和2020年3月19日2：00～3：00。拍攝影像時基本無云，不會對本文的研究造成嚴重影響。

2）遙感影像的處理

ENVI（The Environment for Visualizing Images）是一款遙感圖像處理平臺，是美國Exelis Visual Information Solutions公司的旗艦產品。它是由遙感領域的科學家采用交互式數據語言IDL（IntEractive Data Language）開發的一套功能強大的遙感圖像處理軟件，能快速、便捷、準確地從影像中提取信息，廣泛應用于科研、環境保護、氣象、石油礦產勘探、農業、林業、醫學、國防與安全、地球科學、公用設施管理、遙感工程、水利、海洋、測繪勘察和城市與區域規劃等領域。

地表溫度是地球環境分析的重要指標，遙感是現代重要的對地觀測技術，關于遙感圖像的地表溫度反演的研究成果越來越多（劉宇鵬等．2011；壽亦萱等，2012；黃婉彬等，2020；王永立，2012）。地表溫度反演方法有大氣校正法、單窗算法、單通道法等。通過輻射傳輸方程法對其影像熱紅外波段數據進行操作反演，實現許昌市地區的地表溫度的反演研究。本文利用ENVI遙感解譯軟件對下載的Landsat 系列影像進行地表溫度反演，得到許昌市主城區地表溫度亮度圖（圖2）。

2.3 "淺層地下水調查數據與處理方法

1）淺層地下水水位、溫度的獲取

淺層地下水水位、水溫數據為近年許昌市區及周邊水文地質調查的枯水期統測數據，統測時間為2023年5"月22—25日，共調查水井688眼（包括新建監測井和已有水井），水位讀數精確到1 cm，水溫讀數精確到0.1℃。本次統測時間跨度短，數據量大，能真實反映枯水期淺層地下水水位和水溫情況。

2）數據處理

采用MapGIS軟件中的高斯克里格網格法處理地下水水位數據，通過DTM分析生成GRD模型，繪制地下水位埋深等值線平面圖。

對實測淺層地下水溫度數據進行合理性分析。首先對溫度數據中的單點高低極值進行現場核查，找出原因，并進行復測，確保數據的真實性和代表性。利用MapGIS軟件數字地面模型子系統對實測淺層地下水溫度數據進行DRG模型處理，采用均值加1.65倍離差值17℃作為溫度異常的下限值，高于其溫度的為異常區。生成調查區淺層地下水溫度等值線圖和淺層地下水埋深等值線圖（圖3、圖4）。

3 "淺層地下水埋藏條件和溫度影響因素

3.1 "淺層地下水埋藏條件

許昌市地處平原，淺層地下水賦存在新生界全新統孔隙含水層中，由于近年來市政府采取節約用水和關停自備井等措施，許昌市淺層地下水水位有了明顯回升。淺層地下水水位埋深可以劃分為lt;4 m、4～8 m、8～12 m、12～16 m、16～20 m、gt;20 m等6個區域（圖4）。Ⅰ區：水位埋深lt;4 m，主要分布于許昌市的湛澗鄉—長村張—將官池一帶，面積約180 km²；Ⅱ區：水位埋深4～8 m，分布面積最廣，主要分布于許昌東部、南部地區，面積約920 km²；Ⅲ區：水位埋深8～12 m，主要分布于許昌市北部和東部的長葛市和小召鄉—陳曹鄉一帶，面積約375 km²；Ⅳ區：水位埋深12～16 m，主要分布于許昌市西部崗地和平原的接觸帶，面積約80 km²；Ⅴ區：水位埋深16～20 m，主要分布于靈井—桂村—艾莊一帶，呈環狀分布，面積約55 km²；Ⅵ區：水位埋深gt;20 m，主要分布于許昌市西部的靈井—小牛莊的崗地一帶，面積約60 km²。

淺層地下水的補給，主要以大氣降水入滲補給為主，其次為灌溉回滲補給、河渠側滲補給和側向徑流補給，水位變化幅度受季節影響較大（章至潔等，1995；石玉章等，2006）。

研究區淺層地下水徑流方向和地形地貌基本一致，總的徑流方向是自西北流向東南。平原地區地形平坦，淺層含水層巖性顆粒細，導水性較差，徑流條件較差，淺層地下水徑流緩慢，水力坡度為1‰～2‰（薛禹群，1986；曹劍峰，2006；張富有，2017）。

3.2 "熱島效應影響淺層地下水溫度的臨界深度

淺層地下水儲存近地表巖層的孔隙內，影響其溫度變化的因素主要有太陽輻射和地下水運動速度。太陽輻射強度的變化，改變著近地表巖層溫度，儲存的地下水溫度也跟著改變。地下水在流動過程中不停地進行熱量交換，其溫度處于一個相對的平衡狀態。

淺層地下水溫度變化與其存儲介質埋藏深度有一定關系。淺層地下水溫度變化和埋藏深度成反比關系，埋藏越淺時受近地表溫度影響程度越大，埋藏深度達到一定深度時，近地表溫度的變化對淺層地下水溫度的影響可以忽略。研究區5眼水井的垂向測溫數據顯示（圖5），在0～20 m深度范圍內，地面以下4 m內水井溫度受大氣溫度影響較大，地下4～8 m范圍內水井溫度受大氣溫度影響程度逐漸變小，地面以下超過8 m水井溫度基本不變，趨于一條直線。可以認為許昌地區熱島效應影響淺層地下水溫度的臨界深度為8 m。

由于城市化進程的加快，熱島效應的程度和規模不斷增大，因此，由熱島效應引起的近地表溫度變化導致淺層地下水溫度變化也是一個不容忽略的因素。

4 "城市熱島效應分析

4.1 "城市熱島效應發展進程

根據遙感地表溫度反演圖，本研究將許昌市城市陸面溫度值分成5個等級圖，分級原則是按等溫度間隔分類，分為低溫區、次低溫區、中溫區、次高溫區和高溫區。結合圖2 a、圖2 b、圖2 c可以判定低溫區多為農田，次低溫區為農村居民點和道路，中溫區、次高溫區面積最大主要分布在城區，高溫區呈點狀或片狀分布。

根據1990年、2013年和2020年地表溫度遙感反演圖結合城市發展歷史，1990年許昌城市建設處于初期階段，城區建筑面積小而且基本沒有高層建筑，城市建設速度較慢，但城市熱島效應已經初步形成，熱島面積約35 km²。隨著全國城市化發展加速，許昌城市建設進入快速通道，市區溫度比郊區的溫度高而且呈面狀分布，在城區規劃建成范圍內形成了較為明顯的熱島效應。2013年城市化的高速發展帶來了城區范圍和高層建筑的進一步發展，高大混凝土建筑密度更大，城區受到熱島效應表現更為突出，熱島面積約120"km²。進入21世紀隨著城市規模的進一步擴大和鄭許一體化進程的推進，至2020年許昌市熱島面積約196 km²。

4.2 "淺層地下水水溫特征

由研究區2023年枯水期淺層地下水溫度等值線圖可以看出，許昌市淺層地下水溫度一般為14.1～24.9℃，把溫度高于17℃的圈定為溫度異常區。從圖3可以看出，面積較大的溫度異常區有兩個，一個位于許昌市西部，東起靈井鎮，西至小牛莊，北起桂村鄉，南至建安區玉皇閣的崗地一帶，面積約75 km²，根據圖4地下水埋深等值線圖，該區地下水埋深基本大于12 m，超過了熱島效應影響地下水溫度變化的深度，該處淺層地下水溫度高是因為地下水埋深大，由正常地溫引起；另一個溫度異常區是許昌市中部的主城區，西起河街鄉東至鄧莊鄉，北起長村張村，面積約150 km²，長軸近南北向，溫度異常區與許昌市主城區基本套合。該區淺層地下水埋深小于8 m，淺地表溫度的變化能影響到地下水溫度，經分析處于許昌市主城區的淺層地下水的溫度升高是由城市熱島效應引起的。

4.3 "城市熱島效與淺層地下水關系分析

城市發展帶來了城市面貌的改變，大量混凝土建筑改變了原有城市墊面性質和結構，大量的汽車尾氣排放和空調使用加劇了人為熱排放，打破了原有城市熱量平衡從而形成新的熱量平衡局面，形成了城市熱島效應。

由于空間地理云網站沒有2023年Landsat影像，并且近年城市建設基本穩定，2023年地面熱島效應分析研究采用2020年的Landsat影像代替。由圖2c分析，2020年許昌市熱島面積約196 km²；通過淺層地下水溫度調查分析，2023年由熱島效應引起的淺層地下水水溫異常面積約150 km²。從以上分析可以看出，通過淺層地下水溫度異常面積來圈定的熱島面積小于Landsat影像分析的熱島面積，因此，城區淺層地下水溫度的升高是地表熱島效應引起的。

研究區淺層地下水溫度受熱島影響，其水井溫度變化與水位埋藏深度有一定關系。由圖5分析，區內0～20 m深度范圍內，地面以下4 m內水井溫度受外界溫度影響較大，地下4～8 m深度水井溫度受外界溫度影響程度逐漸變小，地面以下超過8 m深度，水井溫度基本不變，趨于一條直線。可知淺層地下水溫度變化程度和水位埋藏深度成反比關系。

城市熱島效應強度的增大，造成城區近地表巖層溫度的升高，使儲存其中的淺層地下水溫度隨之升高。地下水的運動可以帶走部分熱量，因此，埋深較淺的淺層地下水在一定程度上可以調節熱島效應強度。

5 "結論

1）儲存在近地表巖層內的淺層地下水，在沒有其他外在因素影響的情況下處于一個相對平衡狀態，其溫度的改變預示著這個平衡被打破了，城市熱島效應是造成這個現象的主要原因之一。利用淺層地下水溫度和近地表溫度的相關性，通過淺層地下水溫度進行城市熱島效應研究具有較大的實際意義。

2）淺層地下水受城市熱島效應影響程度與其埋藏深度成反比。埋藏淺受熱島效應影響程度大；埋藏越深受熱島效應影響程度小；超過熱島效應影響的臨界深度，淺層地下水對熱島效應的調節作用就會消失。在地下水淺埋區，減少淺層地下水開采，保持淺層地下水水位對改善城市熱島效應有一定的幫助。

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