劉建強(qiáng)，黃金廷

(1.陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710016;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710054)

溫度可以通過(guò)介質(zhì)傳遞，在地層中的變化是連續(xù)的，這為我們除直接測(cè)定地下水流速之外提供了另一種了解滲流場(chǎng)的物理量。在許多工程和科學(xué)問(wèn)題中需要研究地下水運(yùn)動(dòng)和溫度場(chǎng)分布之間的關(guān)系。Stallman(1963)最早提出了模擬水熱在多孔介質(zhì)中遷移運(yùn)動(dòng)的基本方程［1］。Bredehoeft基于Stallman方程提出了利用地下水溫度確定一維地下水流量的典型曲線方法［2］。后續(xù)在溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用模型、數(shù)值模擬技術(shù)和滲流參數(shù)反演方法等方面眾多學(xué)者開展了廣泛的研究［3-6］。利用溫度分布狀況判斷研究地下水運(yùn)動(dòng)及其分布已得到廣泛應(yīng)用。以溫度作為示蹤方法研究地下水運(yùn)動(dòng)，首要需確定研究問(wèn)題的載體—溫度的特征及影響因素?；谶@一考慮，本文在野外試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析飽和-非飽和帶的溫度變化特征，以期為相關(guān)研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)點(diǎn)概況及數(shù)據(jù)獲取

野外試驗(yàn)點(diǎn)地處毛烏素沙地，多年平均降水量340 mm，降水主要集中在7-9三個(gè)月，占全年降水量的80%以上，具有量少、集中的特點(diǎn);多年平均蒸發(fā)量1 800 mm(200 mm蒸發(fā)皿)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，屬半干旱區(qū)。包氣帶為風(fēng)積沙，含水介質(zhì)上層為薩拉烏蘇組下層為白堊系砂巖。地下水水位埋深1.5 m左右。試驗(yàn)點(diǎn)稀疏分布沙柳，為多年生灌木。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地所在地的氣象要素由波文比系統(tǒng)監(jiān)測(cè)(美國(guó)Campbell科學(xué)儀器公司生產(chǎn))。風(fēng)速和風(fēng)向由05130-5 RM Yong風(fēng)速監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)，凈輻射由 NR-LⅠTE凈輻射探頭監(jiān)測(cè)，空氣溫濕度由HMP45C溫濕度一體探頭監(jiān)測(cè)，包括兩個(gè)，一個(gè)位于凈輻射探頭上方，一個(gè)位于凈輻射探頭下方。土壤熱通量位于地表以下80 mm處，由相距1m的兩個(gè)HFP01溫度通量板組成。土壤溫度儲(chǔ)存由兩個(gè)不同位置的溫度探頭組成。降雨由自動(dòng)雨量桶測(cè)量。所有的波文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的儀器每分鐘計(jì)算一次平均值、每個(gè)小時(shí)由CR3000數(shù)據(jù)采集器記錄一次數(shù)據(jù)。地面以下5處不同深度的土壤溫度變化由美國(guó)Oneset公司生產(chǎn)的土壤水溫度監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)，所有探頭水平埋入土壤中，埋設(shè)深度為 5、20、40、70、100 cm。地下水溫度由 MiniDiver監(jiān)測(cè)。數(shù)據(jù)采集由儀器內(nèi)置的采集器完成，監(jiān)測(cè)頻率為10 s每次，1 hr記錄一次平均值，數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)。

2 飽和-非飽和帶溫度變化特征

試驗(yàn)期間，觀測(cè)土壤溫度值由地表向下遞減(表1)。5 cm深度最高溫度 31.8℃，最低溫度 7.8℃，平均溫度20.3℃;20 cm 深度最高溫度 24.3℃，最低溫度 11.4℃，平均溫度 18.5℃;40 cm 深 度 最高溫度 21.3℃，最 低 溫 度11.7℃，平均溫度 14.9℃;70 cm 最高溫度 18.7℃，最低溫度10.6℃，平均溫度 14.9℃;100 cm 深度最高溫度 16.6℃，最低溫度 9.2℃，平均溫度 13.1℃;145 cm深度最高溫度14.7℃，最低溫度8.6℃，平均溫度 11.7℃。試驗(yàn)期間內(nèi)，觀測(cè)溫度隨時(shí)間都呈增加趨勢(shì)(圖1)，但是5、20、40 cm三個(gè)深度土壤溫度觀測(cè)值呈現(xiàn)晝夜動(dòng)態(tài)變化，70、100、145 cm三個(gè)深度土壤溫度無(wú)晝夜變化，呈現(xiàn)趨勢(shì)性特征。

表1 試驗(yàn)期間土壤溫度變化特征表

圖1 試驗(yàn)期間飽和-非飽和帶溫度變化

3 飽和-非飽和帶溫度與氣象因子的關(guān)系

3.1 日動(dòng)態(tài)對(duì)降水的響應(yīng)

圖2為試驗(yàn)期間土壤溫度對(duì)降雨響應(yīng)的折線圖。由圖2可以看出，降水發(fā)生的時(shí)間及降水量大小對(duì)土壤溫度的影響表現(xiàn)出不同的特征?？傮w規(guī)律為夜間降水加速了土壤溫度的下降，白天降水量較大時(shí)對(duì)土壤溫度影響較大。夜間降雨對(duì)溫度的影響為:5月3日、5月19日、5月29日及6月13日降水發(fā)生在夜間，在此期間，土壤溫度受降水影響，下降更快，尤其在降雨量較大的5月20日更為明顯。白天降雨對(duì)溫度的影響為:5月8-9日降水從上午開始，降雨開始后，2～40 cm范圍內(nèi)的土壤溫度較未降雨前明顯降低，且各深度溫度值基本接近，尤其是5月9日的降雨，使得土壤溫度介于14℃～15℃之間。6月22日降水發(fā)生在下午，降水量并未導(dǎo)致明顯的土壤溫度降低。6月26日降雨發(fā)生在中午，降雨后，土壤溫度并未發(fā)生明顯的降低。

圖2 降水對(duì)土壤溫度的影響

3.2 飽和-非飽和帶溫度與其他氣象因子的關(guān)系

3.2.1 相關(guān)分析

試驗(yàn)期間土壤溫度與氣象因子(降水除外)相關(guān)關(guān)系載于表2中。由表可以看出，不同深度間的土壤溫度之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相臨兩個(gè)探頭獲取的溫度數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)較與其他探頭的相關(guān)系數(shù)高。土壤溫度與氣溫(air_T)、凈輻射(Rn)呈正相關(guān)關(guān)系，與氣壓(P)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤溫度與相對(duì)濕度(RH)關(guān)系較為復(fù)雜，與表層兩個(gè)探頭測(cè)定的溫度(2 cm、5 cm)呈正相關(guān)關(guān)系，與其他深度的溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣象因子對(duì)土壤溫度的影響，氣溫的相關(guān)系數(shù)最大。

3.2.2 回歸分析

多元線性回歸分析用于分析不同深度土壤溫度與氣象因子的相關(guān)關(guān)系。多元線性回歸方程如式1所示:

式中:Ts為土壤溫度，Rn為凈輻射、Ta為空氣溫度、RH為相對(duì)濕度、U 為風(fēng)速，P 為空氣壓力，b0、b1、b2、b3、b4、b5分別為系數(shù)。回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)列于表3中。多元線性回歸分析表明氣象因子基本解釋了土壤溫度的變化(圖3)。氣溫、凈輻射、相對(duì)濕度、風(fēng)速和氣壓分別解釋了2、5、8、15、40、70、100 cm 及地下水的 86%、84%、67%、59%、59%、58%和57%的溫度變化。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)野外試驗(yàn)，可以得到如下的結(jié)論:

(1)試驗(yàn)地點(diǎn)土壤中70 cm以上溫度呈現(xiàn)晝夜波動(dòng)特征，70 cm以下溫度為趨勢(shì)變化，無(wú)晝夜波動(dòng)特征。

(2)夜間降水加速了土壤溫度的下降，白天降水量較大時(shí)對(duì)土壤溫度影響較大。

(3)土壤溫度與氣溫(air_T)、凈輻射(Rn)呈正相關(guān)關(guān)系，與氣壓(P)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(4)多元線性回歸分析表明，氣溫、凈輻射、相對(duì)濕度、風(fēng)速和氣壓分別解釋了 2、5、8、15、40、70、100 cm 及地下水溫度的86%、84%、67%、59%、59%、58%和57%的變化。

圖3 不同深度土壤溫度的觀測(cè)值與線性回歸分析預(yù)測(cè)值散點(diǎn)圖

表2 試驗(yàn)期間土壤溫度與氣象因子相關(guān)系數(shù)表

表3 式1中的各參數(shù)的系數(shù)及相關(guān)系數(shù)表

［1］Stallman RW.Computation of groundwater velocity from temperature data［J］.US Geol.Surv.Water Supply Pap.，1544(H):36-46，1963.

［2］Bredehoeft JD，ⅠS Papadopulos.Rates of vertical groundwater movement estimated from the Earth’s thermal profile［J］.Water Resour.Res.1:325-328，1965.

［3］韋立德，楊春和.考慮飽和-非飽和滲流、溫度和應(yīng)力耦合的三維有限元程序研制［J］.巖土力學(xué).2005，26(6):100-104.

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［5］Yefang J.A Bayesian approach to the groundwater inverse problem for steady state flow and heat transport［D］.Canada:University of Manitoba，2002.

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