上海地區(qū)淺層地溫變化規(guī)律特征分析

王萬忠

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部貯存的熱能，它包括地球深層由地球本身放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能及地球淺層由接收太陽能而產(chǎn)生的熱能[1]。深層地?zé)嵋缘叵聼崴退魵獾男问匠霈F(xiàn)[2]，溫度較高，主要用于發(fā)電、供暖等生產(chǎn)生活目的，這種地?zé)崮芷肺惠^高，但受地理環(huán)境及開采技術(shù)與成本等影響。淺層地?zé)嵊商柲芎偷厍騼?nèi)部轉(zhuǎn)換而來[3]，蘊(yùn)藏在地球表面淺層的土壤中，溫度較低，但開采成本和技術(shù)相對也低，且不受地理環(huán)境的影響。

近年來，隨著國家進(jìn)一步加強(qiáng)可再生能源利用、節(jié)能減排等工作的支持，地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展迅速。上海具有地?zé)豳Y源的賦存條件和開發(fā)潛力[4]，淺層地溫能的開發(fā)利用也得到高度重視[5]。地源熱泵大規(guī)模應(yīng)用將會對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響[6,7]。本文根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析上海市淺層地溫變化規(guī)律，從而為淺層地溫能的開發(fā)利用提供借鑒。

1 工程概況

上海市目前已建成7個地溫長期觀測孔，本文主要選取其中的5個地溫長期監(jiān)測孔（寶山區(qū)大場鎮(zhèn)真大路OT1號、崇明縣長興島潘園公路OT2號、浦東新區(qū)北蔡鎮(zhèn)OT3號、金山區(qū)張堰鎮(zhèn)OT4號、浦東新區(qū)東海大橋OT5號孔，圖1）。

地溫監(jiān)測如圖2所示。OT1～OT4號孔采用自動化監(jiān)測，在監(jiān)測孔保護(hù)管內(nèi)布置測溫電纜，將測溫電纜通過水平傳輸總線連接地溫監(jiān)測主機(jī)，地溫監(jiān)測主機(jī)對測溫電纜供電，發(fā)射信號同時將反饋信號進(jìn)行解碼轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值，監(jiān)測主機(jī)將采集數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器安裝組態(tài)采集軟將數(shù)據(jù)存儲。在未具備自動化監(jiān)測的地溫長期監(jiān)測OT5號孔采用人工觀測，將原始地溫測溫探頭放在監(jiān)測孔保護(hù)管內(nèi)，逐點進(jìn)行測量并記錄。

圖1 上海地溫長期監(jiān)測孔位置Fig.1 The location of long-term monitoring hole for ground temperature

圖2 地溫監(jiān)測示意Fig.2 Schematic diagram of monitoring system for ground temperature

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)量較大，本文主要對5個孔的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，同時選擇OT1號孔和OT5號孔2012年的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。

OT1號孔位于上海市寶山區(qū)大場鎮(zhèn)辦公大院綠化帶內(nèi)，孔深153m，鉆孔直徑200mm，保護(hù)管為多根絲扣連接的直徑42mm無縫鋼管，孔內(nèi)回填料為3：7的膨潤土與黃砂，孔口保護(hù)管直徑500mm深度0.4m，孔口上部覆土200mm，表層為綠化。監(jiān)測系統(tǒng)采用我院自主研發(fā)的總線式地溫監(jiān)測系統(tǒng)，共布置24個數(shù)字式測溫傳感器，監(jiān)測機(jī)房內(nèi)布置采集器1臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸，監(jiān)測服務(wù)器安裝組態(tài)軟件進(jìn)行終端數(shù)據(jù)采集。

OT5號孔位于上海市浦東新區(qū)東海大橋地面沉降觀測站院內(nèi)，孔深153m，鉆孔結(jié)構(gòu)同OT1號孔。該孔結(jié)合東海大橋地面沉降觀測站建設(shè)，2012年尚未具備自動化監(jiān)測，因此采用人工逐點測溫，觀測頻率為每月1次，點距為1m/點。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 OT1號孔

根據(jù)該孔2012年1月～2012年12月不同深度的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制的變化曲線如圖3。

圖3 OT1號孔地溫變化歷時曲線Fig.3 The graph of ground temperature of OT1 hole

監(jiān)測結(jié)果表明，埋深0.8m處的地溫變動幅度最大，全年最低為2月10日的7.57℃，全年最高為8月30日的27.75℃，溫差20.18℃。4.0m處的地溫，全年最低為4月9日的15.47℃，全年最高為11月10日的21.26℃，溫差5.79℃。根據(jù)圖3所示，深度越深溫差越小。

不同深度的地溫隨時間的變化有如下特點：0.8m處的地溫在2月10日前呈下降趨勢，2月10日至8月31日呈上升趨勢，8月31日后呈下降趨勢；4.0m處的地溫在4月9日前呈下降趨勢，4月9日至11月10日呈上升趨勢，11月10日后呈下降趨勢。從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，淺部地溫在一個自然年度內(nèi)呈周期性變化，不同深度地溫的極值出現(xiàn)時間不同，但相位形態(tài)基本相同，溫度上升和下降時間段自上而下有所延遲。

不同深度地溫隨時間的恢復(fù)特點如下：25m以淺的地溫經(jīng)過一年基本恢復(fù)，埋深0.8m處的地溫經(jīng)過一個周期未完全恢復(fù)，初步分析可能與地表氣溫、上部覆土變化、井內(nèi)清理等邊界條件變化所致，有待下一個監(jiān)測周期進(jìn)行驗證。

該孔隨深度增加，地溫的變化幅度逐漸變小。從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，初步推斷恒溫層頂?shù)穆裆钤?0～25m之間（圖4）。

圖4 OT1號孔地溫隨深度變化曲線Fig.4 The graph of ground temperature with depth of OT1 hole

恒溫帶對應(yīng)地層為灰色粘土和灰綠色細(xì)砂；80～90m區(qū)間地溫增溫率較大，地層巖性為灰白、灰黃色礫砂；90～110m區(qū)間地溫增溫率較小，巖性為灰色粘質(zhì)粉土（圖5）。地溫在縱向上呈現(xiàn)一定規(guī)律性。

圖5 OT1號孔地溫與地層關(guān)系Fig.5 The graph of stratum and ground temperature of OT1 hole

2.2 OT5號孔

該孔地溫變動幅度最大為埋深0.8m處，全年最低溫度為2月15日的9.54℃，最高為8月15日的25.68℃，溫差16.14℃。在8m以淺區(qū)間，溫度變化明顯；8～28m間溫度基本穩(wěn)定；28m以深溫度小幅變化（圖6）。

圖6 OT5號孔地溫隨深度變化曲線Fig.6 The graph of ground temperature with depth of OT5 hole

恒溫帶對應(yīng)地層為粘土，增溫帶巖性主要為細(xì)砂—礫質(zhì)中粗砂（圖7）。

圖7 OT5號孔地溫與地層關(guān)系Fig.7 The graph of stratum and ground temperature of OT5 hole

2.3 綜合分析

根據(jù)5處地溫長期監(jiān)測孔實測數(shù)據(jù)，上海地區(qū)淺層地溫具有垂向變化規(guī)律。其中，變溫帶約在地表至19m；恒溫帶約為19～36m區(qū)間范圍，平均溫度為18.3℃；36m以下為增溫帶，增溫率為3.08℃/100m（表1）。

表1 上海地溫變化特征Table 1 The change character of ground temperature of in Shanghai

3 結(jié)論

實測數(shù)據(jù)與初步的分析結(jié)果表明：上海淺層地溫的年變化幅度，隨深度加大而逐漸變??；不同深度地溫的極值出現(xiàn)時間不同，由淺到深有所延遲；變溫帶總體位于19m以淺，其受地表氣溫等外界因素影響較為明顯；恒溫帶基本位于19～36m之間，平均地溫約18.3℃；36～150m為增溫帶，增溫率為3.08℃/100m。

References)

[1]彭第,孫有宏,潘殿琦. 地?zé)岚l(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用前景[J]. 可再生能源,2008,26(6):106-110.

Peng D, Sun Y H, Pan D Q. Geothermal power technology and its application prospect[J]. Renewable Energy Resources,2008,26(6):106-110.

[2]龔士良. 臺灣地?zé)釡厝拈_發(fā)利用與保護(hù)[J]. 水資源保護(hù),2004,(5):58-61.

Gong S L. Exploitation utilization and protection of geothermal springs in Taiwan[J]. Water Resources Protection,2004,(5):58-61.

[3]韓再生,冉偉彥,佟紅兵,等. 淺層地?zé)崮芸辈樵u價[J]. 中國地質(zhì),2007,34(6):1115-1121.

Han Z S, Ran W Y, Tong H B, et al. Exploration and evaluation of shallow geothermal energy[J]. Geology in China, 2007,34(6):1115-1121.

[4]謝建磊,方正,李金柱,等. 上海市地?zé)豳Y源地質(zhì)條件及開發(fā)利用潛力分析[J]. 上海地質(zhì),2009,30(2):4-10.

Xie J L, Fang Z, Li J Z, et al. Analysis of geological conditions and development potential of geothermal resource in Shanghai[J].Shanghai Geology,2009,30(2):4-10.

[5]莊少勤. 大力推廣淺層地?zé)衢_發(fā)利用,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展[J]. 上海國土資源,2011,32(2):16-17,39.

Zhuang S Q. Pushing the development and utility of shallow geothermal energy, achieving balanced development of ecological environment and economic construction[J]. Shanghai Land &Resources,2011,32(2):16-17,39.

[6]王小清,王萬忠. 地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行期地溫監(jiān)測與分析[J].上海國土資源,2013,34(2):76-79.

Wang X Q, Wang W Z. Soil-temperature monitoring and analysis of a ground source heat pump system during the operating period[J].Shanghai Land & Resources,2013,34(2):76-79.

[7]高世軒. 上海地源熱泵系統(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境熱影響研究[J]. 上海國土資源,2012,33(1):67-70.

Gao S X. Analyzing the influence of heat on the geological environment surrounding ground source heat pump system in Shanghai[J]. Shanghai Land & Resources,2012,33(1):67-70.