上海地區(qū)松散地層溫度垂向分布特征分析

楊樹彪

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院水利系，上海 200092;2.上海市地礦工程勘察院，上海 200072)

0 引言

隨著我國(guó)節(jié)能減排工作的逐步推進(jìn)，國(guó)家不斷開發(fā)新能源市場(chǎng)，淺層地?zé)崮芤蚱浞植计毡?、清潔、可再生等特點(diǎn)逐漸引起人們的重視，特別是隨著地源熱泵技術(shù)的發(fā)展(呂燦仁，1981a，1981b)，為淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用提供了一條高效便捷的途徑。

近年來，地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于建筑節(jié)能越來越受到重視，在國(guó)家和地方相關(guān)政策的激勵(lì)下，其應(yīng)用呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)(曾艷，2014)。至2013年底，全國(guó)地源熱泵應(yīng)用建筑面積達(dá)3億m2(圖1)，年增長(zhǎng)率達(dá)25%～50%。地源熱泵設(shè)備銷售額自2008年以來一直保持較高的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，2011年最高達(dá)4.27億歐元，即使在全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)不樂觀的2014年也保持了2.89億歐元的銷售額(張旭，2015)(圖2)。

上海地區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源賦存條件優(yōu)越，近幾年，地源熱泵工程數(shù)量增加速度較快，呈現(xiàn)出應(yīng)用的建筑規(guī)模擴(kuò)大、建筑類型廣泛、以地埋管及其復(fù)合系統(tǒng)為主的特點(diǎn)。至2013年底，上海市開發(fā)利用項(xiàng)目超過600個(gè)，應(yīng)用面積約800萬m2。

圖1 中國(guó)地源熱泵應(yīng)用面積Fig.1 Application area of Ground Source Heat Pump in China

圖2 中國(guó)地源熱泵設(shè)備銷售額Fig.2 Sales amount of the GSHP equipment in China

地下巖土體原始溫度是地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，原始地層溫度又受到各種因素的影響，上海地區(qū)淺層地溫場(chǎng)分布規(guī)律的研究工作始于20世紀(jì)，七八十年代進(jìn)行地下含水層儲(chǔ)能研究時(shí)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地和部分回灌地進(jìn)行過地溫測(cè)試(劉鐵鑄，1987;上海市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987);地?zé)嵫芯抗ぷ髦幸矊?duì)部分地區(qū)進(jìn)行過地溫測(cè)試(孫永福等，1986;謝建磊等，2009)。近年來，隨著地源熱泵工程技術(shù)的興起，上海地區(qū)相繼開展了有針對(duì)性的相關(guān)研究工作，徐劍斌等(2009，2010)首次對(duì)上海市域內(nèi)的淺層地溫分布情況做了較全面的初步分析;高世軒(2012)、王小清等(2013)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)工程的運(yùn)行對(duì)地層溫度的影響進(jìn)行了較深入的分析;瞿成松等(2013a，2013b)有針對(duì)性地在上海地區(qū)布置了幾個(gè)鉆孔，取得了部分?jǐn)?shù)據(jù)，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了初步分析;王萬忠(2013)對(duì)上海地區(qū)有代表性的測(cè)溫孔進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，取得了相對(duì)完整的數(shù)據(jù)，并對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行了分析，在工程實(shí)施時(shí)部分地源熱泵工程場(chǎng)地進(jìn)行了地溫測(cè)試工作。但以上工作均未對(duì)上海地區(qū)的地溫開展系統(tǒng)、全面的測(cè)試和評(píng)價(jià)。

2011年，上海市完成了區(qū)域淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)工作，布置了84個(gè)調(diào)查孔及部分水位監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行地溫測(cè)試。2010年至今，初步建成了覆蓋上海全市的地源熱泵跟蹤監(jiān)測(cè)場(chǎng)和地溫長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)網(wǎng)，同時(shí)開展了新江灣城、國(guó)際旅游度假區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域的淺層地?zé)崮苜Y源詳查工作，取得了覆蓋全市的完整的地溫背景資料。

1 測(cè)試儀器及方法

1.1 測(cè)試儀器

(1)鉑熱電阻溫度計(jì)和0.05級(jí)數(shù)字溫度儀，系統(tǒng)測(cè)試精度≤±0.2℃。

(2)地溫測(cè)量：高精度XSE6(Pt1000)測(cè)溫儀。

1.2 測(cè)試方法

測(cè)溫探頭自上而下緩慢平穩(wěn)下放，每米1個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)停頓時(shí)間＞10 s，待數(shù)字溫度儀顯示溫度波動(dòng)值≤±0.1℃時(shí)，采用人工讀數(shù)記錄。

2 地溫垂向分布特征

2.1 一般特征

淺層地溫場(chǎng)的垂向分布特征受當(dāng)?shù)貧夂颉⒌貙咏Y(jié)構(gòu)、地層巖性、水文地質(zhì)條件、第四紀(jì)覆蓋層厚度、地質(zhì)構(gòu)造等多方面因素影響，通?？煞譃樽儨貛?、恒溫帶、增溫帶，上海地區(qū)地溫垂向分帶明顯、規(guī)律性好。測(cè)溫曲線顯示，不同區(qū)域變溫帶深度由于受淺部土層巖性等因素的影響略有差異，其底界在9.0～17.0 m之間變化，平均值13.3 m。圖3為施工于不同月份的調(diào)查孔(W3、W23)測(cè)溫曲線的疊合圖，可見多條測(cè)溫曲線大致收斂于13.3 m處，因此認(rèn)為區(qū)域變溫帶深度為13.3 m。

圖3 實(shí)測(cè)溫度曲線Fig.3 Curves of the observed temperature

變溫帶以下地溫恒定，不受氣溫影響，為恒溫帶。據(jù)測(cè)溫資料，上海地區(qū)恒溫帶底界在17.0～27.0 m之間變化，平均值23.0 m(圖4)。

圖4 溫度特征曲線Fig.4 Curves of the temperature of every month

恒溫帶以下地溫隨深度增加而增加，為增溫帶。

2.2 變溫帶

2.2.1 一般特征 變溫帶受太陽(yáng)輻射的影響，溫度有晝夜、季節(jié)、年份等周期性變化，調(diào)查評(píng)價(jià)及地溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔取得的資料顯示，上海地區(qū)變溫帶溫度受季節(jié)變化影響明顯(表1、圖4)。

表1 2000—2012年上海平均氣溫Table 1 Average temperature of Shanghai during 2000—2012

2.2.2 變化規(guī)律 變溫帶的溫度隨氣溫的變化而有規(guī)律地變化，地溫的變化存在明顯的滯后，在變溫帶深度范圍內(nèi)隨深度的增加滯后時(shí)間變長(zhǎng)。

2 m以上地層溫度滯后于大氣溫度約1個(gè)月，大氣溫度最低出現(xiàn)在1月，而地層溫度最低只出現(xiàn)在2月;大氣溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在7月，而地層溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在8月。4 m深處溫度最低、最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在4月、10月，地層溫度滯后于大氣溫度約3個(gè)月。6～7 m處溫度最低、最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在6月、12月，地層溫度滯后于大氣溫度約5個(gè)月。9～12 m處溫度最低、最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在9月、3月，地層溫度滯后于大氣溫度約8個(gè)月。

從全年來看，5～10 m深度范圍內(nèi)，4—9月溫度一般低于10月至次年3月的溫度，與季節(jié)溫度變化完全相反，地層溫度滯后于大氣溫度約半年，與以上分析基本一致。從整體來看，0～23 m深度范圍內(nèi)，2月平均溫度偏低，最高值出現(xiàn)在8月，與大氣溫度變化較為一致。

13～23 m處溫度最低，最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在1月、9月，與大氣溫度變化基本相反，推測(cè)此處地層溫度滯后于大氣溫度約18個(gè)月，甚至更長(zhǎng)?？梢哉J(rèn)為，13 m以下溫度基本不受大氣溫度變化的影響，即上海地區(qū)變溫帶深度一般為13 m(圖5)。

圖5 不同深度地層溫度與大氣溫度對(duì)比圖Fig.5 Correlation of formation temperatures and air temperatures at different depths

2.2.3 土層熱敏感性分析 地下1 m處溫度最接近大氣溫度，4—9月大氣溫度較地層溫度高，6個(gè)月相差最大超過5℃;8月份大氣溫度與地溫基本持平;10月至次年3月大氣溫度較地層溫低，并且從10月份開始兩者差距逐漸拉大，至12月兩者溫度相差最大達(dá)7.8℃，1月開始溫度差距逐漸縮小，至4月大氣溫度超過地層溫度。兩者最大差值分別出現(xiàn)在6月和12月，比大氣溫度的變化規(guī)律提前了2個(gè)月，且12月大氣溫度較地溫低7.8℃，6月的大氣溫度較地層溫度高5℃。

1年中地層溫度最低值及最高值的隨深度和大氣溫度的增加而增加。3 m深度處溫度最低、最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在2月、10月，地層溫度滯后于大氣溫度分別為1、3個(gè)月。5 m深度處溫度最低、最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在4月、11月，地層溫度滯后于大氣溫度分別為3、4個(gè)月。同樣，8 m深度處溫度最低、最高點(diǎn)分別出現(xiàn)在9月、12月，地層溫度滯后于大氣溫度分別為8、5個(gè)月?？梢?，隨深度的增加，地層溫度隨大氣溫度降低的速率明顯低于隨大氣溫度增加的速率。

綜上所述，可以認(rèn)為土層對(duì)“熱”的反應(yīng)比“冷”更敏感，即地層吸熱能力比散熱能力更強(qiáng)。

2.3 恒溫帶

恒溫帶是指溫度變化幅度幾乎等于0的地帶。從以上分析可知，上海地區(qū)14 m以下地層的溫度受大氣溫度影響很小，由表2可知溫度變化范圍很小(一般＜0.1℃)，圖4中14 m處溫度曲線亦基本為直線，因此可以確定上海地區(qū)恒溫帶深度范圍一般為14～23 m，平均溫度為17.9℃，接近上海市近10年來的平均溫度17.7℃。

表2 不同深度地層溫度年度變化Table 2 Annual variations of formation temperatures at different depths

2.4 增溫帶

2.4.1 一般特征 增溫帶在常溫帶以下，溫度隨深度增加而升高，其熱量的主要來源是地球內(nèi)部的熱能。調(diào)查區(qū)50、100、150、200 m 深度溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。由表3可見，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，平均地溫：50 m深度為18.7℃，100 m為20.2℃，150 m為21.7℃，200 m為23.3℃。

表3 不同深度地層溫度統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of formation temperatures at different depths

調(diào)查區(qū)200 m深度范圍地層增溫率在每100 m 2.55～3.50℃之間變化，平均值3.03℃，基巖淺埋區(qū)的地層增溫率略高于其他地區(qū)。

2.4.2 分布規(guī)律 地層增溫率隨深度的增加而不同，調(diào)查深度范圍內(nèi)一般隨深度的增加而減小(表4)。由表4可知，在計(jì)算下界終點(diǎn)深度一定的情況下，地層增溫率一般隨上界深度的加深而增大;在計(jì)算上界起點(diǎn)一定的情況下，地層增溫率一般隨下界深度的加深而減小。同時(shí)，隨著深度的增加，最大值越來越小，最小值越來越大，兩者隨深度的增加而靠近。40～100 m深度范圍內(nèi)的增溫率最大值與最小值的差值為每100 m 1.53℃，150～200 m深度范圍內(nèi)兩者的差值縮小為每100 m 0.06℃，地層增溫率隨深度的增加而趨于某一穩(wěn)定值。

2.4.3 主要影響因素 (1)地層巖性。砂層(含水層)中，地層溫度分布較平穩(wěn)，溫度隨深度增長(zhǎng)緩慢，地層增溫率一般為每100 m 1.36～1.67℃，明顯低于地區(qū)正常地層增溫率;黏性土(隔水層)中，地層溫度隨深度增加平穩(wěn)增長(zhǎng)，接近或大于地區(qū)平均地層增溫率;但在由砂層(含水層)向黏性土(隔水層)過渡時(shí)，溫度一般會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)。以74號(hào)孔為例，該孔共鉆遇3個(gè)承壓含水層，富水性均較差，單井出水量均小于100 m3/d(魏子新等，2010)。

30～44 m深度溫度平穩(wěn)，在18.4～18.6℃之間，地層增溫率為每100 m 1.43℃，該深度地層主要巖性為粉土和砂土，即第一承壓含水層(⑦－1、⑦－2)。

45～80 m深度溫度平穩(wěn)增長(zhǎng)，從19.2℃升至20.5℃，增溫率為每100 m 3.71℃，稍大于地區(qū)平均增溫率，該層為粉質(zhì)黏土隔水層(⑧)。

81～93 m溫度平穩(wěn)在20.4～20.6℃之間，地層增溫率為每100 m 1.67℃，93～94 m溫度出現(xiàn)跳躍，從20.5℃升至21.0℃，該層主要為含礫中粗砂(⑨)，即第二承壓含水層。

95～116 m深度溫度平穩(wěn)增長(zhǎng)，從21.1℃升至21.6℃，增溫率為每100 m 2.38℃，接近地區(qū)正常增溫率，該深度對(duì)應(yīng)地層為黏土隔水層(⑩)。

116～117 m深度溫度自21.6℃跌落至21.0℃，118～119 m深度溫度又陡然上升至22.2℃。該深度段溫度變化可能與地層的復(fù)雜性變化有關(guān)。第三承壓含水層中存在黏性土夾層(○11－2)。

121～143 m深度溫度平穩(wěn)，在21.2～21.5℃之間，地層增溫率為每100 m 1.36℃，該層主要巖性為粉細(xì)砂(○11－3)，即第三承壓含水層。

表4 不同深度地層增溫率對(duì)比Table 4 Correlation of formation temperature degrees at different depths

表5 74號(hào)孔地層參數(shù)Table 5 List of formation parameters of drill hole No.74

(2)基巖埋深。區(qū)域地溫的分布受基巖起伏的控制，基巖淺埋區(qū)的地溫略高于其他地區(qū)，但同一深度上不同地區(qū)的地溫差異較小。如100 m深度地溫高值區(qū)和低值區(qū)僅相差1.9℃，大部分地區(qū)地溫在19.5～20.5℃之間;150 m深度地溫高值區(qū)和低值區(qū)的差值為2.7℃，大部分地區(qū)地溫在21.0～22.05℃之間。

上海地區(qū)松散層地溫等值線見(圖6)。

圖6 研究區(qū)松散層地溫等值線圖Fig.6 Contours of temperatures of unconsolidated formation in the study area(a)average temperature contour at depth of 150 m;(b)average temperature contour at depths ranging from 10 to 150 m

(3)構(gòu)造熱儲(chǔ)。深部熱儲(chǔ)對(duì)淺部地溫場(chǎng)具有控制作用，而控制區(qū)域構(gòu)造格架的斷裂對(duì)區(qū)內(nèi)地?zé)釄?chǎng)分布的控制作用十分明顯，主要受NE，NW—NNW向斷裂或兩者的聯(lián)合控制作用(謝建磊等，2009)。區(qū)域熱儲(chǔ)總體上主要分布在安甪斷陷盆地、松江—北橋斷陷盆地邊緣早期逆沖斷裂基礎(chǔ)上形成的張性斷裂帶上，NNE向斷裂與EW、NE向斷裂的交匯帶。已發(fā)現(xiàn)的熱儲(chǔ)有北新涇鎮(zhèn)—寶山區(qū)大場(chǎng)鎮(zhèn)、寶山區(qū)羅店鎮(zhèn)、浦東新區(qū)坦直鎮(zhèn)、青浦區(qū)重固鎮(zhèn)—鳳溪鎮(zhèn)等區(qū)域，分布在這些區(qū)域的淺層測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)均高于其他地區(qū)。其中長(zhǎng)寧區(qū)北新涇鎮(zhèn)—寶山區(qū)大場(chǎng)鎮(zhèn)沒有測(cè)溫孔分布，但與其構(gòu)造相近，且同為寒武系—奧陶系碳酸鹽類巖系的65號(hào)孔區(qū)域溫度表現(xiàn)異常，明顯高于附近區(qū)域(表6)。因此可以推測(cè)該地區(qū)為地?zé)岙惓^(qū)，可能分布有與北新涇鎮(zhèn)—寶山區(qū)大場(chǎng)鎮(zhèn)碳酸鹽巖層狀熱儲(chǔ)相近的熱儲(chǔ)。

表6 熱儲(chǔ)構(gòu)造區(qū)測(cè)溫孔溫度與區(qū)域均值對(duì)比Table 6 Temperature correlation of thermometric drill hole and regional average degree in thermal reservoirs

3 結(jié)論

基于大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上海地區(qū)松散地層溫度在垂向上的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，可得出以下主要結(jié)論。

(1)上海地區(qū)地溫垂向分布分帶明顯、規(guī)律性好，通?？煞譃樽儨貛?、恒溫帶、增溫帶。

(2)變溫帶底面在9.0～17.0 m之間，均值為13.3 m。其溫度隨氣溫的變化而有規(guī)律地變化，并有明顯的滯后性，且隨深度的增加滯后時(shí)間延長(zhǎng)。

(3)恒溫帶深度范圍一般為14～23 m，平均溫度17.9℃。增溫帶在200 m以淺深度范圍內(nèi)的地層溫增溫率在每100 m 2.55～3.50℃之間變化，平均值3.03℃。

(4)通過地溫變化規(guī)律的分析可知，地層吸熱能力比散熱能力更強(qiáng)，基巖淺埋區(qū)的地層增溫率略高于其他地區(qū)。

(5)砂層(含水層)中地層增溫率一般低于地區(qū)正常地層增溫率，在黏性土(隔水層)中接近地區(qū)平均地層增溫率，在由砂層(含水層)向黏性土(隔水層)過渡時(shí)溫度會(huì)出現(xiàn)明顯波動(dòng)。區(qū)域地溫的分布受基巖起伏的控制，基巖淺埋區(qū)的地溫略高于其他地區(qū)。受斷裂控制的深部熱儲(chǔ)對(duì)區(qū)內(nèi)淺部溫?zé)釄?chǎng)分布具有控制性作用。

本次研究對(duì)上海地區(qū)松散層的地溫垂向分布規(guī)律進(jìn)行了較深入的分析，同時(shí)對(duì)其反映的地層的導(dǎo)熱性能和主要影響因素進(jìn)行了初步探討。地源熱泵技術(shù)作為淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的主要方式，其高效利用受各種因素的影響，特別是地下建筑施工對(duì)地下環(huán)境的改變等因素，都是工程設(shè)計(jì)過程中必須考慮的問題。因此下一步可以進(jìn)一步研究淺層地溫的影響因素及其影響程度。

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