上海第四纪地层温度场分布特征与影响因素分析

瞿成松，陈海洋，曹 袁，徐 丹

（1. 上海长凯岩土工程有限公司，上海 200070； 2. 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，上海 200032；3. 河北工程大学城市建设学院， 邯郸 056038）

合理开发利用浅层地热能资源，对于上海经济社会可持续发展具有积极意义[1]。由于地面沉降和对地下水保护的原因，地埋管地源热泵是上海地区提取浅层地热能的主要方式[2,3]。地源热泵系统因良好的环保和节能特性，在国内外逐步得到推广应用+。但地源热泵和常规空调系统并不相同，需要暖通专业人员了解原本并不熟悉的地质环境条件。

目前，用以推导岩土热物性参数的数学模型很多（如线热源、柱热源等）[5]，虽然仍没有得出一个普遍公认的模型，但这些模型计算中都需要预先测试获取同一个参数，即岩土初始平均温度。现有研究表明，岩土初始平均温度对岩土体热物性参数的计算结果影响很大[6,7]，浅层岩土温度受太阳辐射的周期变化、城市热岛效应、地表植被、地质构造、地下水的运动、大地热流等多种因素影响。系统设计前应在充分了解本地区地下温度分布一般规律的基础上，对具体地点的地下温度场进行测量，得到更为准确的岩土初始温度[8]。

本文通过对上海地区不同地点、不同埋深范围内第四纪地层地温实测数据，分析浅层岩土温度场分布，并与历史数据比较，从而为本地区地埋管地源热泵系统的勘察设计提供参考。

1 上海地区浅层岩土温度现状分析

为分析上海地区浅层岩土温度的特点与规律，在徐汇、杨浦、浦东和崇明等地进行浅层岩土温度测试[9]，部分试验成果如表1、图1。

从表1中可以看出：不同的测试地点与埋深范围所揭示的岩土平均温度不同，本地区80～130m地埋管所揭露的岩土平均温度一般在17.0～19.0℃之间；相同测试地点的不同埋深范围内，岩土平均温度不同，地埋管所揭示的岩土平均温度随埋深的增加而增大；不同测试地点，在相同的埋深范围所揭示的岩土平均温度一般不同。

表1 上海地区浅层岩土温度测试成果Table 1 The testing results of ground temperature at Shanghai

由图1可以看出，自然地表以下20～35m深度范围内的岩土温度一般在17.0～18.0℃之间，埋深35m以下的岩土温度随深度增加而增高，35～100m深度的岩土温度一般在18～19.5℃之间，而100m埋深处的岩土温度一般在19.0～20.0℃之间。

图1 不同埋深的岩土温度测试成果Fig.1 The testing results of ground temperature in different depth

2 上海地区浅层岩土温度变化对比

上海地区第一承压含水层顶板埋深25～45m，厚度0～20m，接近第一、二含水层沟通区厚度较大，约20m，岩性由黄色、青灰色粉细砂组成[10]。与上、下相邻含水层水力联系较密切，在杨浦区南部及闸北区北部与潜水相沟通；在黄浦江沿岸及南市、卢湾、徐汇区一带与第二含水层沟通[11]。单位涌水量1.5～2.0吨/时•米。水位动态规律与第二含水层相似，但幅度较小。

上海地区第二承压含水层除在基岩出露区缺失外，全区广泛分布。顶板埋深60～75m，其底板在市区东部埋深70～100m，市区西部埋深110～125m。含水层厚度变化与底板埋深关系密切，一般东部厚20m左右，西部厚30m左右，在底板缺失区，因二三含水层沟通，厚达60m以上。含水层岩性由青灰色含砾中粗砂或细中砂组成，自西南向北东岩性变粗，厚度增加。单位涌水量10～30吨/时•米。由于含水层颗粒较粗，厚度较大，富水性及水质良好，水温较低，故历史上开采量较大，曾为上海地区地下水的主要开采层次。

根据原上海市地质处科研报告中的1962～1976年期间第一二承压含水层的地层温度[12]，与目前实测数据进行了对比，结果见表2。

表2 不同时期含水层温度对比Table 2 The compare of aquifer temperature in different phase

从表2约40年的变化结果中可以看出：第一承压含水层的平均温度有小幅升高，较40余年升高0.50℃～0.90℃；第二承压含水层的平均温度有所下降，较40余年前下降0.70℃～1.40℃。

3 上海地区岩土浅层温度变化影响因素

影响浅层地温场分布有多种因素，包括：太阳辐射的周期变化、城市热岛效应、地表植被、地质构造、地下水径流、大地热流、基坑降水及地下水回灌等。太阳辐射、城市热岛效应、地形、植被等对浅层地温场的影响随深度的增加而减小。

（1）太阳辐射

太阳辐射是地表温度年周期变化的主要控制因素。上海地区地表温度峰值出现的时间，相对于太阳辐射时间而言滞后20天左右；另外，由于近地层大气的主要热源是地表的长波辐射和湍流交换，地表温度与气温的年内变化规律之间存在极显著的相关性，气温变化相对于地表温度有5天左右的滞后，地表温度的年波动幅度略高于气温的年波动幅度，但是相差不大。

（2）热岛效应

上海的高温区面积在近10年来呈现出逐渐较少的趋势，但在空间分布上具有明显的多中心特征。中心城区、浦东新区、闵行区和宝山区是上海城市热岛的4个主中心，而嘉定、松江等近郊地区也正在形成新的城市热中心。随着近10年来上海建成区的迅速拓展，上海的城市热岛已呈现出明显的多中心化趋势，即多个热中心共同决定了上海的热场分布，快速城市化使整个上海热力场主体部分的相对地温有升高的态势。

（3）地表植被

上海市中心城区地表温度与绿地覆盖率存在相关性，在绿地覆盖率较高的区域，城市热岛效应被有效缓解，地表温度亦有所降低；乔木类型（包括乔灌木类型）和灌木类型的绿地对地表温度的降低作用比草地类型要好。

（4）地质构造

本地区地温梯度总体呈现出西高东低的趋势，该变化主要受深部结构和构造、基岩埋深和岩性特征、断裂构造等控制[13]。上海地区地下25℃的地温界面埋深在200～250m之间，界面起伏受基岩影响；基岩的导热系数一般比砂土、粘土高，基岩浅埋区地球内部的热量容易传导到上部，使25℃的地温界面上拱；在西部西岑基岩隆起区一带，25℃的地温界面埋深在200m左右，而在高桥一带基岩相对凹陷区，25℃的地温界面埋深则在250m左右。

（5）地下水径流

浅层地下水不仅会对地温场的垂向温度梯度产生影响，而且在水平方向上的影响也非常明显：由于地下水的水平径流使得地热异常区迎水一侧温度下降，背水侧外围局部温度升高，即造成异常区的下移，其程度取决于异常区内热传导的情况、地下水的流动速度及人工开采情况；在等温线图上同一异常区内各等温线形态并不相似，靠近地下水上游的地方等值线较密，而下游地区等值线稀疏，其主要原因就是受浅层地下水的循环条件影响[14]。

（6）大地热流

大地热流，简称热流，是指地球内部的热量以传导方式向上传输，其量值为大地热流量，即在单位时间内通过单位面积地球表面散发至太空的热量。影响大地热流的因素很多，如局部热源、热流的折射和再分配作用所产生的附加热流值、地表地形的起伏、气温变化等[15]。上海地区大地热流平均值约为65mW/m2[16]。

上海地区每年由地球深部传输至地表的热量可按下式计算：

式中，a为能量传输系数，取值1；q为大地热流，取65mW/m2；M为计算面积，取6340.5×106m2；t为计算周期，取365天，即31536000s。据此推算，上海地区每年由地球深部传输至地表的热量约为1.3×1013kJ，折合为44.4万吨标准煤（1kJ=0.0341204g标准煤）。

（7）地下水人工回灌

上海地区第一承压含水层很少回灌，而第二承压含水层的平均回灌量百分比逐年增大（20世纪70年代39%、80年代44%、90年代55%），近50年来的地下水人工回灌是造成本地区第二含水层平均温度降低的主要原因之一[17]。

（8）基坑降水

本地区第一承压含水层水量小、水质差，过去仅少量开采供工业用水。近年来，随着地下空间的开发利用，为确保施工安全和周边环境保护，第一含水层的疏干与降压较为普遍[18,19]。深基坑降水是第一承压含水层温度升高的影响因素[20]。

4 结论

上海地区岩土平均温度随埋深增加而升高。20～35m深度范围一般在17.0～18.0℃之间，35～100m为18～19.5℃，100m埋深处在19.0～20.0℃之间。与40余年前相比，第一承压含水层平均地温小幅升高0.50℃～0.90℃；第二承压含水层则小幅降低0.70℃～1.40℃。影响浅层地温场分布的主要因素有太阳辐射的周期变化、城市热岛效应、地表植被、地下水径流、人工回灌等。

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