周 陽， 張 卉， 江星辰， 許澤潤， 王 克， 穆根胥

(1.陜西省地質調查院，西安 710054； 2.陜西省水工環(huán)地質調查中心，西安 710068； 3.中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，西安 710000)

0 引言

恒溫層是指太陽輻射熱向地表下釋減與地球內熱向地表傳導釋熱在一定深度溫度達到平衡的界面，此處地溫年變化幅度接近于零，其埋藏深度稱為恒溫層深度。同一緯度地區(qū)日照強度基本相同，在恒溫層以上太陽能影響大于地球內熱傳導影響，地溫受地表空氣溫度影響強烈； 在恒溫層以下地溫受地球內熱控制，隨深度增加而逐漸增高，其熱量主要來自地球內部熱能。

恒溫層深度是地層溫度場的重要指標。淺層地熱能開發(fā)利用[1-4]、農業(yè)地質及農業(yè)溫室、地下空間建設等都需要對地層巖土體溫度做出預測和評價。學者對于大陸恒溫層溫度和深度的發(fā)育規(guī)律已有一定的認識[5-9]，也進行了局部海域恒溫層的研究[10-11]，城市工程地層地溫分布規(guī)律的觀測研究[12-14]取得了一定的成果，但關于區(qū)域恒溫層的研究較少。陜西省位于中緯度地區(qū)，四季分明，供暖制冷需求量大，地熱能開發(fā)利用前景廣闊； 關中盆地古稱天府之國，農業(yè)發(fā)達； 隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展，地下空間的開發(fā)建設已然是大勢所趨。恒溫層深度對地熱能、農業(yè)地質、地下空間開發(fā)利用都至關重要，查明陜西省恒溫層深度的分布特征已迫在眉睫。

本文依托前人的研究成果，通過野外調查、實驗分析、地溫監(jiān)測、數(shù)理統(tǒng)計等方法，分析了恒溫層深度的影響因素，計算了陜西省不同地貌單元恒溫層的深度范圍，結合實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)，認為計算結果符合實際情況。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣象水文

陜西省位于我國大陸腹地，屬典型的大陸性季風氣候。冬季寒冷干燥，降水稀少； 夏季溫暖潮濕，降水量大。全省由南至北隨緯度增加分為3個氣候帶：陜南亞熱帶，濕潤、半濕潤； 關中暖溫帶，濕潤、半濕潤; 陜北溫帶、暖溫帶，半干旱、半濕潤。年平均氣溫為5.9～15.7 ℃，年平均降水量為676.4 mm，氣溫和降水分布均由南向北遞減。

陜西省內以秦嶺為界，南北分屬長江、黃河兩大流域。前者面積占全省面積的35.1%，后者為64.8%。長江流域主要河流有漢江、丹江等； 黃河流域有無定河、延河、渭河等。全省水資源總體貧乏，地域分配不均。

1.2 水文地質

根據(jù)自然地理、地質條件所形成的南北差異、水文地質的分帶性特點，將全省劃分為陜北黃土高原、關中盆地和陜南秦巴山地3個水文地質區(qū)。

陜北黃土高原區(qū)普遍為上覆黃土及沙層孔隙潛水與下伏碎屑巖孔隙、裂隙承壓水的雙層疊置，僅在北山一帶有碳酸鹽巖類裂隙溶洞水的分布。全區(qū)富水性弱，僅在構造條件優(yōu)越的西部白堊系厚層較疏松砂巖區(qū)富水性較好。

關中盆地具有第四系松散巖類典型盆地的水文地質特征，砂礫卵石及粉質黏土層厚度大，構成穩(wěn)定的含水空間，潛水與承壓水豐富。

陜南秦巴山地區(qū)不同含水巖類的巖層相互交接，地下水的特征受地貌、巖性與構造的嚴格控制，富水性分布極為不均，秦嶺南、北坡富水性較弱，山間盆地富水性較好。

1.3 地形地貌

陜西省總體地勢南北高、中間低、西部高、東部低，自北向南可分為5個地貌單元：風沙高原區(qū)、黃土高原區(qū)、關中盆地區(qū)、秦巴山地區(qū)(秦嶺山地區(qū)和大巴山地區(qū))及漢中—安康山間盆地區(qū)(圖1)。

1.4 地層巖性

1.4.1 風沙高原區(qū)

本區(qū)地貌單元可分為沙漠灘地、河谷階地和沙蓋黃土梁崗3類[15]。上部地層為粉細砂、粉土，下部為粉土，部分河谷階地下部地層為砂巖或砂質泥巖。

1.4.2 黃土高原區(qū)

黃土高原在新近紀末起伏和緩的準平原基礎上，經歷第四紀以來多次黃土堆積和侵蝕作用，地形破碎，溝壑發(fā)育。根據(jù)形態(tài)特征可分為5種地貌類型：沙蓋黃土梁峁、黃土梁峁及黃土塬、黃土梁塬澗地、河谷階地和土石中低山。地層以粉細砂、黃土和粉質黏土為主，土石中低山地層為砂巖。

圖1 陜西省地貌分區(qū)圖

1.4.3 關中盆地區(qū)

關中盆地為西狹東闊的新生代斷陷盆地，盆地由沖積平原、洪積平原和黃土臺塬組成，呈階梯狀地貌景觀。沖積平原上部地層為粉質黏土及粉土，下部為砂層，部分高級階地地表覆蓋黃土。南部秦嶺山前洪積平原地層以粗粒物質為主，北部北山山前洪積平原以細粒物質為主。黃土臺塬區(qū)地層為黃土，一級黃土臺塬黃土厚100余m，二級黃土臺塬黃土厚度一般小于100 m。

1.4.4 山間盆地區(qū)

本區(qū)包括漢中盆地、西鄉(xiāng)盆地和安康盆地，發(fā)育一到四級階地。一級階地地層為黏土、粉砂及卵石； 高級階地地層為粉土、粉砂及礫砂。

1.4.5 秦巴山地區(qū)

秦巴山地區(qū)以中山地貌為主體，山間斷陷盆地較多，漢江谷地貫穿于秦嶺和巴山之間。中、高山區(qū)地層以花崗巖及片麻巖為主； 低山、丘陵區(qū)地層以千枚巖、花崗巖和石灰?guī)r為主。

2 恒溫層深度影響因素及計算方法

2.1 恒溫層深度影響因素

土壤恒溫層深度的主要影響因素包括導熱系數(shù)、導溫系數(shù)、地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和大氣溫度年振幅4項[6]。

導熱系數(shù)與恒溫層深度呈弱負相關，隨著導熱系數(shù)的增加，恒溫層深度緩慢下降。地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與恒溫層深度呈弱正相關，隨著地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加，恒溫層深度緩慢上升。大氣溫度年振幅與恒溫層深度呈正相關，隨著大氣溫度年振幅的增加，恒溫層深度上升較快。陜西省乃至中緯度地區(qū)，大氣溫度年振幅理論值多介于15～25 ℃之間，因此對恒溫層實際深度影響較小。導溫系數(shù)對恒溫層深度影響較大，導溫系數(shù)越大，溫度的傳遞越迅速。

2.2 恒溫層深度計算方法

2.2.1 土壤自然溫度場

土壤自然溫度場呈年周期性變化，其計算公式為[6]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:T(x,t)為t時刻x深度處的土壤溫度,℃；Tmax為一年內最高日均氣溫，℃；Tam為年均氣溫，℃；t為距離最熱大氣溫度時間，s；t0為年周期時間，s；a為土壤導溫系數(shù)，m2/s；λt為土壤導熱系數(shù)，W/(m·K)；a2為地表和大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；v為年均風速，m/s。

2.2.2 恒溫層計算方法

由余弦公式特征可知，深度x處的土壤溫度振幅(A)為

(5)

(6)

根據(jù)以上推導公式可以求取不同地區(qū)的恒溫層理論深度。公式中的年均溫、最高日均溫、年均風速等數(shù)據(jù)由中國氣象網或區(qū)縣志查詢所得，年周期時間指一個自然年時間。導熱系數(shù)和導溫系數(shù)選取地表下20 m以淺巖層的綜合導熱系數(shù)和導溫系數(shù)。通過采集全省巖土樣品測試數(shù)據(jù)，以格羅布斯判據(jù)剔除異常值，得到不同地貌單元、不同巖性的導熱系數(shù)和導溫系數(shù)。由于恒溫層是指地層溫度的變化幅度等于零的地帶，筆者認為當?shù)販刈兓圈巍?.1 ℃，即進入恒溫層。

將咸陽市和延安市的氣象、地質參數(shù)代入公式，通過對比理論結果(咸陽市14.5 m，延安市10.5 m)和實際地溫監(jiān)測曲線圖，認為理論計算結果基本符合實際規(guī)律(圖2、圖3)。

圖2 咸陽地溫變化圖

圖3 延安地溫變化圖

3 陜西省恒溫層分布

利用土壤恒溫層深度計算方法，結合氣象、地質資料，得出陜西省不同地貌單元恒溫層的深度范圍。

陜西省恒溫層深度為10.5～23.8 m。其中，陜北風沙高原區(qū)為11.6～19.7 m，黃土高原區(qū)為10.5～23.8 m； 關中沖洪積平原區(qū)為11.1～17.4 m，黃土臺塬區(qū)為11.0～16.0 m； 陜南山間盆地區(qū)為11.7～18.2 m，秦巴山地區(qū)為14.7～18.6 m(表1)。

通過對比恒穩(wěn)層深度的理論值和實測值，發(fā)現(xiàn)26組實測數(shù)據(jù)中的24組落入理論數(shù)據(jù)的區(qū)間內，僅陜北風沙高原區(qū)內存在2處實測數(shù)據(jù)稍大于理論值，即沙漠灘地區(qū)的榆林市榆陽區(qū)蓋排梁村(實測17.0 m，理論16.9 m)、河谷階地區(qū)的榆林市榆陽區(qū)橋頭村(實測20.0 m，理論19.7 m)。認為本文所用理論公式基本符合實際，可靠性較高。

如前說述，導溫系數(shù)對恒溫層深度影響較大。風沙高原區(qū)內的沙漠灘地區(qū)和沙蓋黃土梁崗地層以導溫系數(shù)較低的粉細砂、粉土為主，最大恒溫層深度為17.8 m，而河谷階地區(qū)的砂巖地層由于導溫系數(shù)較大，最大恒溫層深度可達19.7 m。在黃土高原區(qū)南部中低山區(qū)，受砂巖導溫系數(shù)較大的影響，深度可達23.8 m。陜南地區(qū)恒溫層深度為11.7～18.6 m，其中秦巴山地區(qū)受導溫系數(shù)較大的花崗巖、片麻巖和千枚巖影響，恒溫層深度數(shù)值整體偏高，達到14.7～18.6 m。

表1 陜西省恒穩(wěn)層深度分布表

4 結論

(1)基于陜西省的氣候氣象、工程地質、水文地質、地形地貌特征資料，計算了全省不同地貌單元的恒溫層深度理論值，認為全省恒溫層深度為10.5～23.8 m。

(2)在其他因素不變的前提下，探尋單一變量的改變對恒溫層深度的影響，研究認為：導熱系數(shù)與恒溫層深度呈弱負相關； 地表與大氣間表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與恒溫層深度呈弱正相關； 大氣溫度年振幅與恒溫層深度呈正相關，但受制于大氣溫度年振幅數(shù)值變幅有限，因此它對恒溫層數(shù)值影響范圍有限； 導溫系數(shù)與恒溫層深度呈明顯的正相關。

恒溫層深度的準確分析直接關乎區(qū)域地熱能、尤其是淺層地熱能資源的評價，是開發(fā)利用淺層地熱能的先決條件。對恒溫層深度規(guī)律的研究，有利于推動地熱能的開發(fā)利用。

致謝：本文在野外工作及后期寫作過程中得到了陜西省地質調查院閆文中教授級高級工程師、李鋒教授級高級工程師的指導與幫助，同時參與野外工作的還有趙智強、桂忠強、宋巧蓮、朱紅玉等，在此表示衷心感謝！