淺層地溫場常溫監(jiān)測方法研究

賈子龍，劉愛華，鄭 佳，郭艷春，李 富

（北京市地?zé)嵫芯吭?，北?102218）

淺層地溫場常溫監(jiān)測方法研究

賈子龍，劉愛華，鄭 佳，郭艷春，李 富

（北京市地?zé)嵫芯吭海本?102218）

為了驗證本次淺層地溫場管內(nèi)常溫監(jiān)測方法的可行性，在北京市某試驗場地鉆鑿了一眼150m常溫監(jiān)測井，井內(nèi)下入雙U型垂直管，分別在U型管內(nèi)管外相同深度布設(shè)了溫度傳感器。經(jīng)過監(jiān)測9個月地溫場數(shù)據(jù)，得出該區(qū)域150m深度地溫場隨深度的增加呈現(xiàn)先遞增后遞減再遞增的變化趨勢；管內(nèi)管外同一深度平均溫度差介于0℃～0.4℃范圍內(nèi)，130m深度處溫差最大，管內(nèi)比管外溫度高0.4℃，40m深度處管內(nèi)管外溫度一樣；管內(nèi)管外同一深度溫度走勢對比分析得出，同一深度溫度變化一致，管內(nèi)比管外溫度變化滯后并未存在。

溫度傳感器；U型管；地溫場

0 引言

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般為200m）的巖土體、地下水中具有開發(fā)利用價值的地?zé)崮?，是一種可再生的新型環(huán)保能源，利用前景廣闊。由于淺層地?zé)崮苜Y源在地下200m左右，對其開發(fā)勢必會對地質(zhì)環(huán)境造成一定影響，因此在淺層地溫能開發(fā)利用的過程中對其進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測很有必要（張磊等，2012）。

目前淺層地溫能地溫場監(jiān)測的常規(guī)方法是將溫度傳感器捆綁在U型或單根地埋管外壁，隨地埋管一同下入孔內(nèi)并回填。該方法的主要優(yōu)點就是溫度傳感器和地溫場無間隙的接觸在一起，可以準(zhǔn)確測量出監(jiān)測點的地溫場溫度。但其缺陷是溫度傳感器長時間埋設(shè)在地下，容易受到地下物質(zhì)的侵蝕，出現(xiàn)溫度傳感器損壞的現(xiàn)象。采用地埋管外安裝溫度傳感器的方法，一旦發(fā)生溫度傳感器損壞，將無法進(jìn)行修復(fù)或者更換，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失（田光輝等， 2011；郭艷春等，2014）。

經(jīng)過淺層地溫能開發(fā)利用的發(fā)展，出現(xiàn)了新的淺層地溫能監(jiān)測方法，即將U型垂直管內(nèi)部充滿水，將溫度傳感器下入管內(nèi)，待管內(nèi)水溫和地層溫度達(dá)到平衡以后，開始監(jiān)測溫度。該方法可以對損壞的溫度探頭進(jìn)行更換，保證了地層溫度監(jiān)測的長期性和易更換性。但該方法取得監(jiān)測數(shù)據(jù)能否準(zhǔn)確反映地溫場溫度，前人并未進(jìn)行過實際驗證。因此，本文通過采用兩種監(jiān)測方法對同一地溫場進(jìn)行試驗監(jiān)測對比，論證管內(nèi)監(jiān)測地溫場的可行性（圖1）。

1 試驗孔的鉆鑿和監(jiān)測

本文在北京某試驗場地鉆鑿了一眼150m的常溫監(jiān)測井，下入雙U型垂直地埋管。在管內(nèi)和管外分別下入14組不同深度的溫度傳感器探頭?？紤]到淺層的地溫場受地表溫度的影響較大，因此在10m以上布設(shè)傳感器較多，在1m、2m、3m、5m、7m和10m處分別布設(shè)，10m以下分別布設(shè)在25m、40m、80m、100m、120m、130m和150m（表1）。

本文取得了2014年11月1日—2015年7月1日每天中午12點的系列數(shù)據(jù)，從各深度溫度變化趨勢，管內(nèi)管外平均溫差對比，平均溫度變化趨勢處理分析取得的數(shù)據(jù)開展對比研究。

表1 溫度傳感器布設(shè)深度表Tab.1 The laying depth table of temperature sensor

圖1 溫度傳感器安裝效果圖Fig.1 The renderings chart of temperature sensor installation

2 管內(nèi)管外平均溫度變化趨勢對比

圖2反映的是管內(nèi)管外平均溫度變化趨勢對比圖。該區(qū)域地下深度0～7m之間隨著深度增加地溫場溫度遞增，7～40m之間隨著深度增加地溫場溫度遞減，40～150m之間隨著深度增加地溫場溫度遞增。管內(nèi)管外溫度趨勢的變化情況一致，不存在管內(nèi)溫度比管外滯后的現(xiàn)象存在。

圖2 管內(nèi)管外平均溫度變化趨勢圖Fig.2 The average temperature trend chart of outer and inner tube

3 管內(nèi)、管外平均溫度溫差對比

圖3反映了管內(nèi)管外平均溫度差對比柱狀圖。由圖可見，管內(nèi)管外溫差均小于0.4℃。溫差最大深度130m處，溫差為0.39℃，溫差最小處為40m，溫差為0℃。

圖3 管內(nèi)管外平均溫度對比圖Fig.3 The comparison chart of outer and inner tube

經(jīng)過對試驗孔區(qū)域的水文地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地下水比較豐富（圖4）。對比該區(qū)域地下水的分布和布設(shè)溫度傳感器的深度發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)管外溫度產(chǎn)生誤差的原因是管外受地下水流動影響較大，管內(nèi)基本不受到地下水流動的影響（王慧玲等，2011）。

圖4 試驗區(qū)水文地質(zhì)剖面圖Fig.4 Hydrogeologic prof i le of test area

4 管內(nèi)管外各深度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

圖5反映的是1m、2m、3m、5m和7m深度處，監(jiān)測管內(nèi)管外地層溫度的變化情況。由圖可以看出，同一深度的管內(nèi)管外溫度變化趨勢基本保持一致。

圖5 1～7m深度溫度對比趨勢圖Fig.5 The trends chart of comparison of temperature in 1～7m depth

圖6 10～80m深度溫度變化趨勢圖Fig.6 The trends chart of comparison of temperature in 10～80m depth

圖7 100～150m深度溫度變化趨勢圖Fig.7 The trends chart of comparison of temperature in 100～150m depth

由于本數(shù)據(jù)取得的時間是從11月份到翌年7月份，依據(jù)北京地區(qū)的氣候該時間段剛好處于冬—春—夏，因此氣候溫度剛好處于先降溫、后升溫的一個變化過程。圖中1m、2m和3m處地溫剛好反映了該時間段氣候溫度變化的一個過程。5m、7m處溫度變化趨勢雖然很小，但是依然能夠看到還是受到了氣溫變化的影響。受氣溫影響變化幅度大小依次為1m、2m、3m、5m和7m，離地表越近，溫度變化受氣候溫度影響也越大。

圖6反映的是10m、25m、40m和80m深度處，監(jiān)測管內(nèi)管外地溫場的溫度變化情況。由圖可以看出10m處，地溫仍然受地表溫度的影響，隨著季節(jié)變化溫度呈上升趨勢，不過上升幅度很小，溫度變化范圍為14.5℃～15.5℃。25m、40m和80m處的溫度基本不受地表溫度的影響，溫度波動范圍均處于0.5℃內(nèi)。

圖7反映的是100m、120m、130m和150m深度處，監(jiān)測管內(nèi)管外地溫場的溫度變化情況。由圖可以看出隨著地層深度的增加，地層的溫度呈現(xiàn)上升趨勢，但同一深度，管內(nèi)管外溫度變化趨勢保持一致，溫度波動在0.5℃范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）通過分析試驗區(qū)150m的地溫場監(jiān)測數(shù)據(jù)，基本掌握了該地區(qū)150m范圍內(nèi)溫度的變化趨勢。深度1～7m下，溫度隨著深度的增加而遞增。7～40m深度，溫度隨著深度的增加而遞減。40～150m深度，溫度隨著深度的增加而遞增。

（2）本文對150m深度內(nèi)地溫進(jìn)行了監(jiān)測，對管內(nèi)和管外兩種監(jiān)測方式取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。在誤差允許范圍內(nèi)，無論是同一深度的平均溫度，還是同一深度的溫度差異性均驗證了管內(nèi)安裝溫度傳感器的方法完全可以取代管外安裝溫度監(jiān)測探頭的方法。從而為更換損壞的溫度監(jiān)測探頭提供了可能，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)溫度的長期監(jiān)測。

郭艷春，鄭佳，于媛，等，2014. 地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實施介紹[J]. 城市地質(zhì)，9(S1)：85-88.

田光輝，林黎，程萬慶，等，2011. 天津市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)[J]. 中國地質(zhì)，38(6)：1660-1666.

王慧玲，王文峰，王峰，等，2011. 地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對地溫場的影響[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，38(3)：134-138.

張磊，錢華，鄭曉紅，等，2012. 地源熱泵系統(tǒng)長期運行模式對地溫場影響[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，31(5)：1-4+21.

The Study on Monitoring Method of Shallow Geothermal Field at Normal Temperature

JIA Zilong, LIU Aihua, ZHENG Jia, GUO Yanchun, LI Fu
(Beijing Geotherm Research Institute, Beijing 102218)

In order to verify the feasibility of the temperature monitoring method with tube in shallow geothermal fi eld, we drilled a normal temperature monitoring well in the depth of 150 m at one test site in Beijing, and put a double U-shaped vertical tube down into the well, temperature sensors were installed inside and outside the U-shaped tube in same depth respectively. After acquiring 9-month monitoring data of the geothermal fi eld, it can conclude the change trend deep down to 150 meters of the geothermal field in study area increases after decreasing and then increases again with the increasing of depth. Average temperature difference is in the range of 0℃-0.4℃ in the same depth of inside and outside the tube. The maximum temperature difference is in the depth of 130 meters where temperature of inside the tube is 0.4℃ higher than outside temperature. In the depth of 40 m, temperature is identical inside and outside tube; through the contrastive analysis of the temperature trend, no temperature difference and no hysteresis phenomenon occurred in the same depth of internal and external tube.

The temperature sensor; U-shaped tube; Geothermal fi eld

P314

A

1007-1903（2017）01-0030-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.005

賈子龍（1988- ）男，碩士，工程師，主要從事淺層地溫能開發(fā)利用及資源評價研究。E-mail：jiazl30@126.com