拓佳勝

(1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054)

0 引言

地溫測(cè)量是工程技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，在地下采礦工程和地下建筑工程等領(lǐng)域均有應(yīng)用。如姚海飛等通過對(duì)礦井地溫參數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)與分析，更加有效地指導(dǎo)井下熱害的治理工作[1]。張虎元等通過實(shí)測(cè)地鐵隧道開挖前的地溫，建立地鐵初始地溫預(yù)測(cè)模型，分析了運(yùn)營(yíng)條件下地鐵隧道圍巖溫度的演化規(guī)律[2]。

為分析研究地表水體對(duì)地溫的影響效應(yīng)，本次依托西安市某跨河交通工程勘察，選取分別在河面中央1個(gè)地質(zhì)鉆孔和附近河濱陸地1個(gè)地質(zhì)鉆孔(對(duì)照組)進(jìn)行地溫測(cè)量，從而獲取地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 地理地質(zhì)背景

本研究區(qū)地理位置位于西安市灞橋區(qū)灞河下游。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，春、夏、秋、冬四季分明，冷、暖、干、濕變化明顯。年平均氣溫11.3℃～13.7℃之間，極端最高氣溫41.7℃，最低氣溫-20.6℃。區(qū)內(nèi)無霜期年平均203 d。區(qū)內(nèi)降雨量呈西北向東南遞增，年平均(1989-2003年)降水量584.9 mm。冬季少雨干旱，春季雨量適中，7-9月前后雨量集中。灞河在此處自南向北流，河床比降1.58%，因建橡皮壩而形成寬闊河面。

本研究區(qū)地形地貌方面屬于灞河下游的河床漫灘及一級(jí)階地地貌單元，地形較平坦，河漫灘和一級(jí)階地為上迭式階地。地質(zhì)構(gòu)造方面灞橋區(qū)位于渭河斷陷谷地關(guān)中盆地的中部地區(qū)，區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造不甚發(fā)育，而東西、北東、北西向斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，有東西、北東、北西三組基底斷裂和新生代活動(dòng)斷裂相互交叉。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，垂直差異運(yùn)動(dòng)明顯。

本研究區(qū)灞河河漫灘呈東南-西北向分布，寬0.15～1.2 km，河河漫灘與一級(jí)階地呈緩坡狀過渡，地層巖性多由第四系全新統(tǒng)(Q4al)砂質(zhì)粘土和砂卵石組成，表層為粉質(zhì)粘土、粉土類夾薄層砂。灞河一級(jí)階地呈北西向，寬0.3～2.5 km，一級(jí)階地階面平坦，一般高出水面3～10 m，地下水埋藏較淺，地層巖性由第四系全新統(tǒng)(Q4al)粉土、粉質(zhì)粘土、砂礫石層等沖積物組成。土體類型主要包括：(1)沖洪積礫卵石土，主要分布在河谷階地的漫灘與一級(jí)階地，由于顆粒粗大且有一定分選性，孔隙率低；(2)沖洪積細(xì)粒土，主要分布在一級(jí)階地二元結(jié)構(gòu)的上部，結(jié)構(gòu)較為松散，具有中等壓縮性。水文地質(zhì)條件方面研究區(qū)的地下水類型為孔隙潛水，主要分布于河漫灘和一級(jí)階地，含水層厚度大、分布廣、補(bǔ)給源充足、水量極為豐富。

2 測(cè)量原理與儀器

本次地溫測(cè)量采用水溫平衡原理，即利用鉆孔內(nèi)的水在長(zhǎng)時(shí)間靜置以后其溫度等于相同深度處地層巖土的溫度，通過溫度傳感器自上而下測(cè)量不同深度處的鉆孔內(nèi)水溫即可獲得相應(yīng)深度的地溫。

本次地溫測(cè)量使用的鉆孔測(cè)溫儀主要由溫度傳感器和數(shù)據(jù)記錄儀組成。溫度傳感器采用MTBW型號(hào)PT100溫度傳感器，測(cè)溫范圍0℃～50℃，精度±0.2%，數(shù)據(jù)記錄儀采用KT600P記錄儀，數(shù)據(jù)分辨率為0.1℃，每1 min分鐘采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視并可通過USB一次性輸出。測(cè)試儀器滿足精度和數(shù)據(jù)采集記錄頻率要求。

3 測(cè)量條件與方法

為進(jìn)行地溫測(cè)量，本次鉆探1#鉆孔位于河面中央，孔徑150 mm，深度22.0 m，其中河水深度6.0 m，地下水位埋深7.3 m，金屬套管護(hù)壁完孔；2#鉆孔位于濱河陸地，孔徑150 mm，深度20.0 m，地下水位埋深1.3 m，PVC套管護(hù)壁完孔。測(cè)量時(shí)間為11月份(初冬季節(jié))。

1#鉆孔和2#鉆孔護(hù)壁套管內(nèi)自然充滿地下水，鉆探成孔后靜置時(shí)間約40 h，符合在鉆孔中進(jìn)行瞬態(tài)測(cè)溫時(shí)，地下水位靜止時(shí)間不宜小于24 h的條件。測(cè)量過程是從河面和每個(gè)鉆孔的自然地下水面開始，每1 m深度測(cè)溫一次，溫度傳感器深度位置由帶長(zhǎng)度刻度的測(cè)線控制。為了溫度傳感器與河水、鉆孔內(nèi)水充分熱平衡，本次測(cè)量一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間持續(xù)5 min。

4 測(cè)量數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地溫測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)整理，見表1和圖1。所有溫度數(shù)據(jù)均為測(cè)量時(shí)間第5 min時(shí)的記錄數(shù)據(jù)。

圖1 地溫?cái)?shù)據(jù)散點(diǎn)圖

在恒溫帶及其以上的地層，溫偉光等人通過對(duì)不同季節(jié)的地溫變化規(guī)律研究結(jié)果表明：當(dāng)?shù)販販y(cè)量中上下相鄰測(cè)點(diǎn)的溫度開始不發(fā)生變化或差值在0.2℃以內(nèi)時(shí)，定性認(rèn)為地溫達(dá)到“穩(wěn)定”或“基本穩(wěn)定”，該深度視為“穩(wěn)定深度”，此時(shí)溫度近似視為“穩(wěn)定溫度”[3]。

基于上述地溫在恒溫帶及其以上地層的變化規(guī)律，對(duì)比兩個(gè)鉆孔的地溫垂直變化情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，位于河面中央的1#鉆孔地溫在9m深度處到達(dá)基本穩(wěn)定，地溫達(dá)到基本穩(wěn)定的深度較淺，垂直變化0.6℃，變化幅度較小，而位于濱河陸地的2#鉆孔地溫在14 m深度處才達(dá)到基本穩(wěn)定，地溫達(dá)到基本穩(wěn)定的深度較深，垂直變化3.8℃，變化幅度較大。說明上覆水體具有使外界因素影響地溫變化的深度變淺、地溫垂直變化幅度變小的效應(yīng)。定性分析認(rèn)為，其原因是地表水體比熱容大且流動(dòng)，吸收和帶走了太陽光照的熱量和大氣輻射能量，無法影響更深處的地溫，使較淺處地溫變化幅度受影響也減弱。

對(duì)比同等深度基本穩(wěn)定后的地溫?cái)?shù)據(jù)，1#鉆孔地溫比2#鉆孔地溫低0.1℃～0.2℃左右，說明上覆流動(dòng)水體具有降低地溫的效應(yīng)。定性分析認(rèn)為，其原因是地表水體比熱容大且流動(dòng)，吸收了和帶走了太陽光照的熱量和大氣輻射能量，致使地溫增量的能量補(bǔ)給減弱而呈現(xiàn)低溫。

表1 地溫?cái)?shù)據(jù)一覽表

5 結(jié)語

(1)本次地溫測(cè)量分別在位于河面中央和濱河陸地的地質(zhì)鉆孔中進(jìn)行，使用鉆孔測(cè)溫儀采用鉆孔水溫平衡法，測(cè)量?jī)x器精度和測(cè)量條件滿足要求。

(2)流動(dòng)地表水體具有使得外界因素影響地溫變化的深度變淺、地溫垂直變化幅度變小的效應(yīng)和降低地溫的效應(yīng)。

(3)流動(dòng)地表水體對(duì)地溫的影響效應(yīng)的原因是地表水體比熱容大且流動(dòng)，吸收和帶走了太陽光照的熱量和大氣輻射能量，無法影響更深處的地溫，使較淺處地溫變化幅度受影響也減弱，同時(shí)致使地溫增量的能量補(bǔ)給減弱而呈現(xiàn)低溫。