尹鳳玲， 張懷， 石耀霖

中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點(diǎn)實驗室， 北京 100049

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華北地區(qū)水位下降是否會減緩氣溫上升
——淺部地溫影響的數(shù)值模擬分析

尹鳳玲， 張懷， 石耀霖*

中國科學(xué)院計算地球動力學(xué)重點(diǎn)實驗室， 北京 100049

華北地區(qū)由于長期持續(xù)的地下水過量開采，導(dǎo)致了大面積地下水位大幅下降，引發(fā)地面塌陷、地下水質(zhì)污染等一系列地質(zhì)環(huán)境問題，這些現(xiàn)象早已為人們所熟知和關(guān)注.然而地下水位下降還會造成百米量級淺部地溫及其梯度的變化，因此即使來自地球深部的大地?zé)崃髅芏葲]有變化，年度平均的從表淺部位通過地表實際傳導(dǎo)進(jìn)入大氣的熱流密度會減小，這是中外文獻(xiàn)中尚未見討論過的問題.我們通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)假定大地?zé)崃髅芏炔蛔兊臈l件下，華北數(shù)萬平方公里地下水位下降會造成百米尺度內(nèi)的地溫降低，從而傳入大氣的熱流密度降低40%以上，且會持續(xù)數(shù)百年以上的時間.這種長時間大范圍的傳導(dǎo)入大氣的熱流密度變化對環(huán)境會造成什么影響是一個十分值得關(guān)注的問題.這一預(yù)測在一定程度上得到了氣象站地溫觀測數(shù)據(jù)的支持，但由于目前氣象觀測站只有3.2 m深度范圍內(nèi)的地溫資料，累計不超過5、60年，中間還有10余年的間斷，而且表淺深度地溫受地表多種因素的影響也較大，這些資料難以對我們關(guān)心的地下水位下降引起流入大氣的熱流密度變化這一問題提供直接確鑿的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，因此今后有必要開展對地下數(shù)十乃至數(shù)百米地溫進(jìn)行持續(xù)精確的監(jiān)測工作.

地下水； 淺層地溫; 熱流密度; 數(shù)值模擬

1 引言

20世紀(jì)70年代以來，華北地區(qū)由于地下水超采嚴(yán)重和降水等補(bǔ)給不足，地下水位持續(xù)下降，已形成面積達(dá)7×104km2的漏斗群并在繼續(xù)擴(kuò)大(何慶成等，2006)，尤其90年代以后，該區(qū)地下水位以平均1 m·a-1(何慶成等，2006)左右的速率下降. 這一日益嚴(yán)重的狀況引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注.劉中培等(2012)對石家莊平原區(qū)的地下水位年內(nèi)及年際動態(tài)變化進(jìn)行研究，認(rèn)為人工開采和降雨是影響地下水位的兩個主要因素.劉伯華等(2008)分析了廊坊市地下水下降漏斗的成因，概括出地下水位下降漏斗的緩變性、積累性和不可逆性等特點(diǎn).徐勝強(qiáng)和劉鳳嶺(2010)對邯鄲市的淺層漏斗區(qū)地下水現(xiàn)狀及存在的問題進(jìn)行了闡述，并提出了可行的補(bǔ)救措施.王娟等(2009)對邢臺地區(qū)的地下水位進(jìn)行動態(tài)變化趨勢分析，指出寧柏隆漏斗區(qū)和滏東平原漏斗區(qū)面積在進(jìn)一步擴(kuò)張, 中心埋深在進(jìn)一步增加.Liu等(2011)整體上論述了整個華北地區(qū)水資源狀況及存在的問題，并對其可持續(xù)利用與發(fā)展提出了可行的方法.Shimada等(2002)以日本關(guān)東平原地下水超采情況為參照，認(rèn)為目前華北地下水恢復(fù)工作更加困難并且需要更長的時間.

地下水位下降并非單一存在的現(xiàn)象，它可能引發(fā)其他一系列連鎖性的問題，如地面沉降、海水入侵、水質(zhì)污染、生態(tài)環(huán)境的改變和氣候效應(yīng)等(Zektser et al.，2005；Liu et al.，2001；李志敏等，2010).地下水位埋深與土壤含水量呈顯著的負(fù)相關(guān)( 魏彬等, 2013)，土壤的含水量不同其熱學(xué)性質(zhì)亦有所不同(Nobel and Geller，1987；高青等，2005)，因為表淺土壤溫度關(guān)系到農(nóng)作物和植被的生長，地下水位下降對近地表土壤溫度會造成什么樣的影響值得探討，近年來也有學(xué)者對此做了研究討論.孫緒金等(2003)認(rèn)為地表由于降雨滲入地下形成徑流對長期受日照、太陽輻射而形成的高溫的近地表地層起冷卻降溫作用，當(dāng)?shù)叵滤陆禃r近地表的這一冷卻作用則消失，所以導(dǎo)致近地表土壤溫度會上升，但他沒有給出理論上的證明或?qū)嶋H觀測資料的支持.鮑艷等(2007)對西北干旱半干旱這一嚴(yán)重缺水地區(qū)進(jìn)行氣候分析，認(rèn)為當(dāng)?shù)叵滤陆禃r，當(dāng)?shù)氐牡乇矸凑章试黾?，地表接受的輻射能增加，致使地表溫度升?傅志敏等 (2006，2010a，2010b)根據(jù)近20年來漏斗地區(qū)表淺地溫有所升高的觀測事實，對地溫升高量與蒸發(fā)量、入滲補(bǔ)給量、降水量、日照、相對濕度和地下水埋深等多個物理量進(jìn)行了相關(guān)性分析，也認(rèn)為地下水下降造成表淺土壤溫度升高.兩個變量變化趨勢存在相關(guān)，并不能證明二者一定存在物理因果聯(lián)系.他忽略了地下水位不下降的地區(qū)同樣存在表淺地溫上升的現(xiàn)象，并且升溫幅度比水位下降區(qū)更大；忽略了所有地區(qū)均存在氣候變暖、因而地溫也相應(yīng)增高的基本事實，把表淺地溫升高認(rèn)為是地下水開采造成的，這一結(jié)論是值得商榷的.地溫變化與地下水開采兩者之間的物理關(guān)系需待進(jìn)一步研究.

關(guān)于華北地區(qū)因采補(bǔ)失衡造成大面積地下水漏斗群及其可能引發(fā)的連鎖性問題的研究有很多，但是利用數(shù)值模擬的方法定量分析地下水位下降對近地表溫度和熱流影響的研究國內(nèi)外尚未見到.本文從數(shù)值模擬的角度出發(fā)，利用有限元數(shù)值方法，求解非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，在來自深部大地?zé)崃髅芏炔蛔兊臈l件下，分析華北地區(qū)地下水位持續(xù)下降對淺部地溫和經(jīng)地表流入大氣的熱流的影響，為探討地下水位下降對氣候和環(huán)境的長期影響提供新的思考和研究課題.

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 地?zé)崃骰咎卣?/p>

我們觀測到的地下溫度分布主要由以下幾個因素控制.

第一，來自地球深部的熱量，即大地?zé)崃髅芏?它在人類歷史的時間尺度內(nèi)一般可以視為恒定的，在地殼表層放射性元素含量很低的情況下，熱導(dǎo)率為常數(shù)時，它控制的地溫曲線為隨深度增加的直線(如果放射性元素產(chǎn)熱率不容忽視則地溫—深度曲線為拋物線)，如圖1a所示.如果存在兩種水平分層的均勻介質(zhì)，則在各層中地溫曲線為斜率不同的直線，但兩層中的地?zé)崃髅芏?地溫梯度與熱導(dǎo)率之乘積)相同，來自地殼深部的大地?zé)崃髅芏纫话阍?5～90 mW·m-2(Vitorello and Pollack，1980).

第二，地表溫度變化的影響.如果地表溫度按余弦函數(shù)變化T=ΔTcos(ωt)，則在地層熱導(dǎo)率、比熱等熱物理性質(zhì)不變時，地下深度y，時刻t的溫度變化T為

(1)

與地表溫度周期變化相聯(lián)系的熱流密度隨深度變化為

(2)

其中，λ為土壤熱導(dǎo)率.可以看出在接近地表處，地表溫度達(dá)到極大值之后，熱量從地表流向地下；在地表溫度達(dá)到極小值后，熱量從地下流向地表.對于日變化，熱流幅度最大可達(dá)近60 W·m-2；對于年變化，熱流幅度最大可達(dá)約3 W·m-2.但隨著深度增加這一熱流量也迅速呈指數(shù)減小.

以上討論中的定量表達(dá)式一般均假定熱導(dǎo)率、比熱和密度等為均勻常數(shù)，如果它們時空分布有變化，特別淺地表由于降水的滲透、含水量的變化和冰凍等，則會出現(xiàn)更加復(fù)雜的情況.

圖1 大地?zé)崃骱湍甓葰鉁刈兓C合作用下地溫的基本特征(a)來自地球深部的熱量形成的地溫梯度恒定的溫度分布； (b) 地表溫度年周期變化傳播到地下引起的在春夏秋冬四個相位的地溫分布； (c) 真實的地下溫度分布，它等于來自地球內(nèi)部的熱量和地表周期性變化傳播到地下形成的溫度的疊加.Fig.1 General characteristics of ground temperature under the combined action of geothermal heat flux and periodical variation of ground surface temperature(a) Temperature distribution produced by heat from the deep Earth with a constant geo-temperature gradient; (b) Temperature-depth curves at four different phases (corresponding to spring, summer, autumn, winter) due to the annual variation of ground surface temperature; (c) Real geo-temperature profile, which can be expressed as the sum of that produced by heat from the deep Earth and that produced by the effects of periodical temperature changes on the ground.

第三，地下水活動的影響.地下水的活動包括水平運(yùn)動和垂直運(yùn)動，它們對淺表地層的地溫變化有著很大的影響，但具體情況復(fù)雜，需要個別分析.本文將討論地下水位持續(xù)降低的影響.

2.2 數(shù)值模型

本文采用有限元方法，建立數(shù)值模型，計算地下水位下降時，由于由水飽和的“濕土”變?yōu)椴煌潭鹊摹案赏痢?，熱?dǎo)率和熱容量等熱學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而在地表淺層產(chǎn)生的溫度暫態(tài)變化.盡管土壤“干”“濕”的變化在實際情況下是一個漸變的過程，但為突出過程的物理特征，本模型把其簡化為突變過渡.簡化后的土壤模型便于說明地下水位下降對土壤溫度和地?zé)崃髅芏鹊挠绊戇@一物理問題的機(jī)理，且對數(shù)值模擬的結(jié)果的數(shù)量級也不會造成大的影響.待以后有了優(yōu)質(zhì)的不同深度地溫觀測的時間序列和地下熱學(xué)性質(zhì)的資料，可以用比較精確的模型進(jìn)行更加精確的計算.

數(shù)值模型取計算深度為500 m的一個柱體，初始地下水埋深為5 m，以深部熱流為0.06 mW·m-2(臧紹先等，2002)的穩(wěn)態(tài)溫度剖面作為初始溫度值，在左右兩側(cè)絕熱以及深部熱流和地表溫度不變的邊界條件下，求解瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程，計算華北地區(qū)水位以平均1 m·a-1左右的速率下降時“濕土”變?yōu)椤案赏痢边^程中地下的溫度和地?zé)崃鞯膭討B(tài)變化；然后假定在地下水位埋深降低到55 m后人們采取措施，地下水位保持在55 m埋深不再下降，繼續(xù)計算這種條件下后續(xù)溫度變化.網(wǎng)格尺寸為0.01 m，時間步長為0.01 a.各向同性的二維齊次非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程表達(dá)式為

(3)

通過有限元方法數(shù)值求解上述方程，得到地下各點(diǎn)溫度場和熱流場的分布.

數(shù)值模擬中用到土壤的熱導(dǎo)率和體積熱容量兩個熱性質(zhì)參數(shù).土壤的熱導(dǎo)率與其含水量、礦物質(zhì)組成及溫度等因素有關(guān)，其中含水量對土壤熱導(dǎo)率的影響最大(Becker et al.，1992).水位平均下降速率為1 m·a-1，相對瞬間抽水來說十分緩慢.這種情況下，水位長期持續(xù)下降后，土壤釋放出大部分水，土壤的含水量在10%以下(王大純，1980).雖然不同土壤類型其熱導(dǎo)率具體值不同，但土壤熱導(dǎo)率隨含水量的變化趨勢相似.平均來講，飽和土壤的熱導(dǎo)率一般略大于1.00 W/m℃-1，含水量在10%以下的土壤熱導(dǎo)率為0.5 W/m℃-1左右(Nobel and Geller，1987；Becker et al.，1992；Sepaskhah and Boersma，1979；Bristow et al.，1998；Parikh，1979；Al Nakshabandi and Kohnke，1965；楊淑貞等，1986).土壤的體積熱容量與含水量呈線性相關(guān)，隨含水量線性增加，飽和土壤的體積熱容量為3.50×106J/m3℃-1左右，10%以下的體積熱容量為1.50×106J/m3℃-1左右(Bristow et al.，1998；Abu-Hamdeh，2003).因此本文取干土的體積熱容量為1.64×106J/m3℃-1，熱導(dǎo)率為0.45 W/m℃-1；濕土的體積熱容量3.50×106J/m3℃-1，熱導(dǎo)率為1.00 W/m℃-1.

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1 地下水位下降對地下淺部溫度的影響

初始時刻地下水埋深為5 m，由于干濕土壤的熱導(dǎo)率不同，地溫的空間分布在地下5 m處分為斜率不同的兩條直線.假設(shè)地下水位持續(xù)下降50年(即下降50 m)后水位不再變化，數(shù)值計算得到的不同時間的地溫深度曲線如圖2所示.圖3給出三種不同深度類型的溫度隨時間的變化：一種是始終位于地下水位之上的“干土”，以3 m深度處的溫度變化為例(圖3a)，地下水位持續(xù)下降會引起它的溫度逐漸降低，地下水停止下降后溫度會緩緩回升；另一種是原來位于地下水面之下的“濕土”，然后地下水位下降后變?yōu)椤案赏痢?，?0 m深度處的點(diǎn)為例(圖3b)，開始它的溫度上升，但是地下水持續(xù)下降該點(diǎn)變?yōu)樘幱谒幻嬷系摹案赏痢焙螅瑒t溫度類似3a也要下降，在地下水位停止下降后，才會逐漸緩緩上升；最后一種是始終處于地下水位以下的“濕土”，以70 m深度的點(diǎn)為例(圖3c)，由于它遠(yuǎn)離原來的地下水面，所以當(dāng)水位開始下降時還沒有影響到它，溫度幾乎沒有變化，但在數(shù)百年的長時間尺度內(nèi)會緩緩上升.這些層位的溫度降低幅度一般不超過0.3 ℃.這樣微小的降溫在3 m內(nèi)地表氣象地溫記錄中會被區(qū)域氣候變暖的大背景所掩蓋，在分析時需格外注意.

地溫下降的物理原因是，原來穩(wěn)態(tài)溫度場的情況下，各層接收到的從下面?zhèn)鬟f上來的熱量與向上傳遞出去的熱量處于動態(tài)平衡狀態(tài)，各個地層保持它們一定的穩(wěn)態(tài)溫度場.由于干土層熱導(dǎo)率低，因此穩(wěn)態(tài)時溫度梯度較高，濕土層熱導(dǎo)率高，穩(wěn)態(tài)時溫度梯度較低.但是當(dāng)?shù)叵滤唤档秃?，原來的濕土變?yōu)楦赏梁?，這一轉(zhuǎn)變層的熱導(dǎo)率降低，阻滯了下面熱量傳入的速率，造成濕土層得到的熱量減少，溫度降低.而新的水位面以下的濕土，由于通過界面?zhèn)鬟f上去熱量減少，積聚的熱量使溫度有微弱升高.這種轉(zhuǎn)變層熱導(dǎo)率降低，接收到的熱量速率減小，無力繼續(xù)為其上面的層位按原有速率提供熱量，是造成地下水位面上層位的溫度降低的物理原因.

圖2 地溫動態(tài)變化(a) 水位開始下降0～100 a的40 m深度內(nèi)的地溫動態(tài)變化過程；(b) 0～10 a在16 m深度內(nèi)的地溫狀態(tài)變化更細(xì)致的描述.Fig.2 Dynamic subsurface temperatures Dynamic ground temperature as the groundwater level drops(a) over the course of 100 years within a depth of 40 m, and (b) from 0 to 10 years within a depth of 16 m.

圖3 不同層位的溫度動態(tài)變化(a) 始終在水位面以上的點(diǎn)(depth=3 m)的溫度動態(tài)變化； (b) 開始水位面以上，后來在水位面以下的點(diǎn)(depth=30 m)的溫度動態(tài)變化； (c) 始終在水位面以下的點(diǎn)(depth=70 m)的溫度動態(tài)變化.Fig.3 Dynamic temperatures at different depths(a) Temperature of the point (depth=3m) always above the water level varies with time; (b) Temperature of the point (depth=30 m) at the beginning above the water level and then below the water level varies with time; (c) Temperature of the point (depth=70 m) always below the water level varies with time.

如果采取措施使水位不再降低，則來自地下深部的熱量逐漸將轉(zhuǎn)變層以上的干土加熱，它們的溫度將緩緩上升，直到達(dá)到新的平衡態(tài)為止.也就是說，始終位于干土層的層位溫度將隨著地下水位下降而下降，直到水位下降停止后一段時間才會逐漸緩緩上升.始終位于濕土層的層位溫度將持續(xù)上升.而轉(zhuǎn)變層位的土層，在轉(zhuǎn)變前位于地下水面下的濕土層內(nèi)，溫度上升；轉(zhuǎn)變?yōu)楦赏梁鬁囟认陆?，水位下降停止后?jīng)過少許時間，再次轉(zhuǎn)為上升，直到上升到新的穩(wěn)態(tài)為止.這種升高重新達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)需要上千年的時間，是一個持續(xù)很長時間的緩慢過程.

2.3.2 地下水位下降對淺部和流入大氣的熱流密度的影響

初始大地?zé)崃髅芏?0 mW·m-2, 當(dāng)?shù)叵滤怀掷m(xù)下降50年即下降50 m后，從圖4a顯示從地表流入大氣的熱流密度減小了約25 mW·m-2，減小到了原來的60%左右，而且持續(xù)時間很長，即使現(xiàn)在保持平均55 m的水位不再降低，恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的地溫梯度也需要上千年的時間，如圖4b所示.這種長期持續(xù)的經(jīng)地表流入大氣的熱流密度降低對氣候和環(huán)境會有什么影響呢？

地下水位下降50 m時，地表流入大氣的熱流密度減小了25 mW·m-2，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣比熱為1.0×103J/kg℃-1，密度為1.29 kg·m-3，地表向大氣傳遞的熱流密度減少量可以使與周圍絕熱的底面積為1 m2、高度為7752 m的等密度的大氣柱體(它在地面產(chǎn)生1個大氣壓力)溫度值一年降低0.08 ℃.而研究區(qū)域目前在全球變暖條件下的氣溫增長速率每年也不過為0.03 ℃·a-1，因此持續(xù)數(shù)百年的經(jīng)地表流入大氣的熱流密度減小對氣候產(chǎn)生的影響恐怕不可輕易忽略.當(dāng)然實際大氣運(yùn)動情況非常復(fù)雜，我們不可能單獨(dú)隔離一個大氣柱體觀測這種效應(yīng)，但這一計算結(jié)果分析表明，華北地區(qū)長期持續(xù)的經(jīng)地表流入大氣的熱流密度降低提出了一個全新的需要研究的課題.

圖4 經(jīng)地表流入大氣的熱流密度的動態(tài)變化Fig.4 Dynamic heat flux from ground surface to the atmosphere

3 實測氣象地溫資料分析

我們的理論計算是否能得到實際觀測的佐證呢？答案是比較困難的.我國缺少數(shù)十米、數(shù)百米地溫的長期觀測資料，僅部分地震前兆臺站近十年開始有這方面的資料.華北一些縣的氣象觀測站有不深于3.2 m的地溫記錄，雖然記錄從1950或60年代開始，但在1966年到1979年(文化大革命及其后)有14年的中斷.而且這種表淺深度的地溫受地表溫度年變化影響十分顯著，一年以上周期的地表溫度變化可以波及到這一深度.除了氣候變化的影響外，數(shù)十年來中國城市化過程中，許多氣象臺的環(huán)境也發(fā)生了很大變化.理論計算的來自深部大地?zé)崃鞯挠绊懕谎谏w在地表溫度變化的影響之下，因此要精確提取來自深部的信號是非常困難的.然而，一些氣象地溫數(shù)據(jù)仍然可以看出一些有意思的現(xiàn)象.

根據(jù)國家氣象信息中心提供的河北省一些氣象觀測站的1956—2011年共56年的逐年平均氣溫和自建站以來至2011年地下1.6 m、3.2 m深度的年平均地溫數(shù)據(jù)，其測量精度均為0.1 ℃，我們對河北省主要漏斗區(qū)1956—2011年的年平均氣溫和相應(yīng)臺站自建站以來的地溫數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，如圖5所示，石家莊(a,b)、保定(c,d)、邢臺(e,f)、滄州(g,h)4個主要地下水漏斗區(qū)的氣溫分別以0.035 ℃·a-1，0.032 ℃·a-1，0.027 ℃·a-1，0.043 ℃·a-1的年平均速率變暖，4個觀測站氣溫年平均增長速率為0.034 ℃·a-1.4個地區(qū)的1.6 m地溫的平均年變化速率分別為-0.022 ℃·a-1，0.0029 ℃·a-1，0.0075 ℃·a-1，-0.0006 ℃·a-1，4個觀測站平均為-0.0032 ℃·a-1.3.2 m地溫的平均年變化速率分別為-0.0048 ℃·a-1，0.0121 ℃·a-1，0.0163 ℃·a-1，0.0054 ℃·a-1，4個觀測站平均為0.0073 ℃·a-1.可見，1.6 m地溫和3.2 m地溫的年增溫速率遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)氐臍鉁卦鰷厮俾剩踔潦仪f地區(qū)地下1.6 m和3.2 m以及邢臺1.6 m深度出現(xiàn)年平均地溫降低的趨勢.

非主要漏斗區(qū)張家口氣象觀測站則以0.048 ℃·a-1的年平均速率變暖，1.6 m地溫的平均年變化速率為0.034 ℃·a-1，3.2地溫的平均年變化速率為0.039 ℃·a-1.可見，非主要漏斗區(qū)近地表溫度上升速率較高，且與氣溫增溫速率比較接近(圖6).

在華北非主要地下水漏斗區(qū)近地表溫度上升速率接近氣溫增溫速率，而華北地下水主要漏斗區(qū)近地表溫度上升速率一般低于氣溫增溫速率，甚至在有的臺站反而出現(xiàn)地溫下降的現(xiàn)象，這是否與近半個世紀(jì)以來地下水位持續(xù)降低的現(xiàn)象有關(guān)，值得注意.

氣象1.6 m和3.2 m地溫的變化受地表溫度變化的影響較大，如果能有數(shù)十米乃至數(shù)百米深度地溫長期變化監(jiān)測的資料將更加有利于理論計算的驗證和分析，但是缺乏這類資料.現(xiàn)在一些地震前兆觀測臺站開始注意觀測井孔內(nèi)的溫度的記錄，我們期待在經(jīng)過數(shù)十年資料積累后，它們能在這類問題分析中發(fā)揮重要作用.

圖5 1956—2011年石家莊(a,b)、保定(c,d)、邢臺(e,f)和滄州(g,h)氣象觀測站氣溫和1.6 m、3.2 m的地溫數(shù)據(jù)OAT表示實測氣溫值，LFAT表示氣溫線性擬合曲線，OGT表示實測地溫值，LFGT表示地溫線性擬合曲線.Fig.5 Air temperature and the ground temperature at depths of 1.6 and 3.2 m at Shijiazhuang (a,b), Baoding (c,d), Xingtai (e,f) and Cangzhou (g,h) Stations from 1956 to 2011OAT stands for observed air temperature, LFAT stands for linear fitting of air temperature, OGT stands for observed geo-temperature, and LFGT stands for linear fitting of geo-temperature.

圖6 1956—2011年張家口氣象觀測站氣溫和(a) 1.6 m、(b) 3.2 m的地溫數(shù)據(jù)OAT表示實測氣溫值，LFAT表示氣溫線性擬合曲線，OGT表示實測地溫值，LFGT表示地溫線性擬合曲線.Fig.6 Air temperature and the ground temperature at depths of (a) 1.6 and (b) 3.2 m at Zhangjiakou Station from 1956 to 2011OAT stands for observed air temperature, LFAT stands for linear fitting of air temperature, OGT stands for observed geo-temperature, and LFGT stands for linear fitting of geo-temperature.

4 討論

以上計算中沒有考慮地下水在向上抽取的過程中，深部溫度較地表平均氣溫高的水?dāng)y帶的一部分熱量.一個問題是帶上來的這部分熱量是否可以使地表增溫以抵消地?zé)崃髅芏冉档偷睦鋮s效應(yīng)呢？抽水一年攜帶出的熱量為q=cρΔTu≈1.09 W·m-2，其中，水的比熱c=4.2×103J/(kg·℃)，水的密度ρ=103kg·m-3，地表與地下水的平均溫差ΔT=0.825 ℃，抽水速度u=1 m·a-1=3.1536×10-7m·s-1.抽出的水溫度夏季低于氣溫，冬季高于氣溫，如果以均勻速度抽水，年平均來說可能會向上帶出一些熱量補(bǔ)償因地下水位下降造成的地?zé)崃髅芏葴p少的影響.但由于地下水人工開采量特別是農(nóng)業(yè)灌溉用水各個季節(jié)不同(冬小麥春灌，以及夏季的玉米、蔬菜等)(Zhang and Pei，2003；Xu et al.，2005)，主要集中于春、夏季的4—7月(毛任釗等，2002)，這段時間地下水溫低于地表平均溫度，加劇了地表熱流密度的減少，對空氣起到了冷卻作用，而且抽出的部分水會流走，因此并不會抵消地?zé)崃髅芏葴p少的效應(yīng).

目前的計算表明，地表溫度的日變化會在1 m深度內(nèi)產(chǎn)生很大的熱擾動，白天地表高溫出現(xiàn)后熱量會從地表向地下傳導(dǎo)，夜間地表低溫出現(xiàn)后熱量會從地下向地表傳達(dá)，雖然其熱流密度峰值很大，可達(dá)60 W·m-2，但影響深度不超過1 m；對于年變化，夏季高溫峰值后熱量會從地表向下傳導(dǎo)，冬季低溫峰值后熱量會從地下向地表傳導(dǎo)，熱流密度峰值熱流幅度也不小，最大可達(dá)約3 W·m-2，但影響深度不超過數(shù)米；這些周期性的熱流變化雖然很大，但長時間平均起來，傳下去的和傳上來的熱量恰恰抵消.相反大地地?zé)崃髁棵芏群苄?，僅有60 mW·m-2，抽水造成地下水位下降造成的經(jīng)地表傳入大氣的熱流密度的減小量僅有25 mW·m-2，但是它是長年累月大面積持續(xù)作用的.

地?zé)崃髅芏鹊淖兓欠駮绊憵夂蜃兓?，這是一個困難的問題，因為大地?zé)崃髅芏攘考壧?，在地表完全被淹沒在地表溫度周期變化造成的表淺熱流的振蕩之中，雖然在數(shù)學(xué)分析中我們可以區(qū)分出地?zé)崃鞯姆至浚窃趯嶋H現(xiàn)象的觀測中很難區(qū)分出各個組分的作用.然而我們前面提到過，地下水位下降造成經(jīng)地表傳入大氣的熱流密度減小25 mW·m-2，在與周圍絕熱條件下，足以使單位面積上造成1個大氣壓力的空氣柱體一年溫度降低0.08 ℃，而漏斗地區(qū)在全球變暖條件下觀測到的氣溫增長速率每年也不過為0.03 ℃·a-1，這種作用應(yīng)該是不能忽略的.

值得注意的是，湯懋蒼等(湯懋蒼等，1981；吳士杰等，1982；胡澤勇等，1989；周亞軍等，1989；陳文海等，2001；賈效祿等，2011)從20世紀(jì)70年代以來致力于地溫、地?zé)岙惓夂虻挠绊懙难芯?，?jīng)過多年的思考和實踐，他們根據(jù)地?zé)岙惓５淖兓?guī)律，用地下如3.2 m深度的地溫距平場分布來進(jìn)行汛期旱澇預(yù)報，多年來汛期降水預(yù)報結(jié)果和實際旱澇分布吻合得較好(鄧國衛(wèi)等，2011；湯懋蒼等，1986，1988，1994).得到了他人的很高評價，趙紅巖等(2003)提到“在短期氣候預(yù)報中，湯懋蒼等利用前冬(12—2月)地溫距平場，預(yù)測我國汛期(6—8月)降水，已有近30年的歷史，預(yù)測水平在各種方法中名列前茅”.盡管其預(yù)報的機(jī)理仍然缺乏定量的理論，但地溫和氣候變化之間可能存在物理聯(lián)系，應(yīng)該是客觀事實.還有一些學(xué)者探索過大地?zé)崃髟趨^(qū)域生態(tài)環(huán)境和氣候的演化過程中扮演著重要角色.匡耀求等(2002a)通過對比世界各地主要地理單元的大地?zé)崃魈卣髋c生態(tài)環(huán)境特征，詳細(xì)論述了大地?zé)崃髟诘乇憝h(huán)境和生態(tài)演變的重要影響，認(rèn)為大地?zé)崃鞯母叩蛯ι鷳B(tài)環(huán)境的優(yōu)劣有密切的關(guān)系，在一定程度上影響了區(qū)域氣候的演變.對我國西部地區(qū)(匡耀求等，2002b，2003)、鄂爾多斯盆地(匡耀求等，2004)以及滇池地區(qū)(匡耀求，2002)進(jìn)行區(qū)域性分析，進(jìn)一步論證了區(qū)域大地?zé)崃髋c生態(tài)環(huán)境之間的密切關(guān)系，大地?zé)崃魇怯绊憛^(qū)域生態(tài)環(huán)境和氣候的重要因素.

因此，華北地區(qū)由地下水位下降引起的地溫及地溫梯度和經(jīng)地表傳入大氣的熱流密度變化對區(qū)域性氣候和環(huán)境會造成什么樣的潛在影響，是一個值得注意的新的研究課題.這類研究需要對地溫、土壤含水情況、不同條件下土壤的熱物理性質(zhì)等有長期的觀測和積累，這些都是長期艱巨的任務(wù).

5 結(jié)論

1) 利用有限元數(shù)值模擬方法定量分析地下水下降對淺地表溫度的影響表明，雖然來自地球深部的大地?zé)崃髅芏葲]有變化，但是地下水位下降，會引起淺部地下溫度的降低以及接近地表熱流密度的減少.其物理原因是，大地?zé)崃鳜F(xiàn)在有相當(dāng)部分用于加熱淺部被擾動的(低于穩(wěn)態(tài)應(yīng)該有的溫度的)土層，因此真正能夠經(jīng)過地表流入大氣的熱量小于深部大地?zé)崃髅芏?

2) 在華北漏斗區(qū)，經(jīng)地表傳入大氣的熱流密度減少雖然絕對量級不大，僅僅25 mW·m-2，但是其相對變化量卻不小，達(dá)到原來地?zé)崃髅芏鹊?0%.而且即使現(xiàn)在保持平均55 m的水位不再降低，其影響也將持續(xù)數(shù)百年乃至上千年的時間，只有在千年尺度才有可能緩緩恢復(fù)到原來的穩(wěn)態(tài)地溫梯度狀態(tài).數(shù)萬平方公里大面積，數(shù)百年長以上時間的流入大氣的熱流密度降低，會對氣候變化產(chǎn)生什么影響是一個重要的問題.

3) 影響氣候變化的因素很多，氣溫變化反之又影響氣象地溫觀測結(jié)果，因此這個研究是一個困難的問題.加強(qiáng)對數(shù)十米到數(shù)百米的深度的地溫長期監(jiān)測，對于了解地溫變化特征具有重要意義，今后應(yīng)該在地震前兆臺站觀測中注意積累這方面資料.并對地下巖石、土層的熱學(xué)性值做進(jìn)一步研究，以便進(jìn)一步完善數(shù)值模型研究.

致謝 感謝國家自然基金(NSFC41474067)和中國科學(xué)院、國家外國專家局創(chuàng)新團(tuán)隊國際合作伙伴計劃(KZZD-EW-TZ-19)資助，感謝國家氣象信息中心提供的數(shù)據(jù)，感謝外審專家提出的寶貴意見.

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(本文編輯 汪海英)

Persistent drawdown of groundwater table in North China may reduce local climate warming rate：Numerical simulation and analysis of the impacts on shallow ground temperature

YIN Feng-Ling, ZHANG Huai, SHI Yao-Lin*

UniversityofChineseAcademyofSciences,KeyLaboratoryofComputationalGeodynamicsofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Due to long-term and persistent groundwater over-exploitation, the water table has been found significantly declined across an area of approximately 70000 km2in North China. Consequently, a series of geo-environmental problems have emerged and drawn a large amount of public attention. These include land subsidence, groundwater contamination, etc. We found that decline of groundwater level can result in significant variation of temperature and its gradient within depths of hundreds of meters. Therefore, the annual average heat flux conducted from shallow ground to atmosphere can be reduced, even though there is no change in heat flux from the deep Earth. This effect has yet discussed neither in domestic nor in foreign studies. Our numerical simulation shows that assuming the heat flux from deep Earth is constant, the depression of the water table leads to reduction of ground temperature within depths of hundreds of meters, and therefore the reduction of heat flux transferred to atmosphere as much as 40% in groundwater drawdown zone in North China after 50 years over-exploitation. It is small the amount of reduction of heat flux transferred from surface to atmosphere. However, it can last for a long period of hundreds of years, and cover a large area of 70000 km2. Its effect on climate may not be negligible. Meteorological temperature (up to 3.2 m depth) records show similar trend. Although air temperatures are influenced by many factors, the decline of heat flux transferred to atmosphere from shallow ground should be one of the factors to be studied. We suggest that more attention be paid to this effect, and systematic monitoring of geotherm at depths of several dozen to several hundred meters should be carried out.

Groundwater; Shallow ground temperature; Heat flow density; Numerical simulation

10.6038/cjg20151018.

Yin F L, Zhang H, Shi Y L. 2015. Persistent drawdown of groundwater table in North China may reduce local climate warming rate: Numerical simulation and analysis of the impacts on shallow ground temperature.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(10):3649-3659,doi:10.6038/cjg20151018.

國家自然科學(xué)基金(NSFC41474067)和中國科學(xué)院，國家外國專家局創(chuàng)新團(tuán)隊國際合作伙伴計劃(KZZD-EW-TZ-19)資助.

尹鳳玲，女，1984年生，博士研究生，主要從事地球動力學(xué)研究.E-mail:yin_fengling@126.com

*通訊作者 石耀霖，E-mail：shiyl@ucas.ac.cn

10.6038/cjg20151018

P314

2014-02-17，2015-09-17收修定稿

尹鳳玲， 張懷， 石耀霖. 2015. 華北地區(qū)水位下降是否會減緩氣溫上升——淺部地溫影響的數(shù)值模擬分析.地球物理學(xué)報，58(10):3649-3659,