楊樹彪

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

0 引言

隨著我國節(jié)能減排工作的逐步推進，國家不斷開發(fā)新能源市場，淺層地熱能因其分布普遍、清潔、可再生等特點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)，為淺層地熱能的開發(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)應用于建筑節(jié)能越來越受到重視，在國家和地方相關政策的激勵下，其應用呈現(xiàn)快速增長趨勢(曾艷，2014)。至2013年底，全國地源熱泵應用建筑面積達3億m2(圖1)，年增長率達25%～50%。地源熱泵設備銷售額自2008年以來一直保持較高的增長態(tài)勢，2011年最高達4.27億歐元，即使在全球經(jīng)濟形勢不樂觀的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)淺層地熱能資源賦存條件優(yōu)越，近幾年，地源熱泵工程數(shù)量增加速度較快，呈現(xiàn)出應用的建筑規(guī)模擴大、建筑類型廣泛、以地埋管及其復合系統(tǒng)為主的特點。至2013年底，上海市開發(fā)利用項目超過600個，應用面積約800萬m2。

圖1 中國地源熱泵應用面積Fig.1 Application area of Ground Source Heat Pump in China

圖2 中國地源熱泵設備銷售額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)設計的關鍵參數(shù)，原始地層溫度又受到各種因素的影響，上海地區(qū)淺層地溫場分布規(guī)律的研究工作始于20世紀，七八十年代進行地下含水層儲能研究時對試驗場地和部分回灌地進行過地溫測試(劉鐵鑄，1987;上海市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1987);地熱研究工作中也對部分地區(qū)進行過地溫測試(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)相繼開展了有針對性的相關研究工作，徐劍斌等(2009，2010)首次對上海市域內(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)對地源熱泵系統(tǒng)工程的運行對地層溫度的影響進行了較深入的分析;瞿成松等(2013a，2013b)有針對性地在上海地區(qū)布置了幾個鉆孔，取得了部分數(shù)據(jù)，并對其影響因素進行了初步分析;王萬忠(2013)對上海地區(qū)有代表性的測溫孔進行了長期監(jiān)測，取得了相對完整的數(shù)據(jù)，并對其變化規(guī)律進行了分析，在工程實施時部分地源熱泵工程場地進行了地溫測試工作。但以上工作均未對上海地區(qū)的地溫開展系統(tǒng)、全面的測試和評價。

2011年，上海市完成了區(qū)域淺層地熱能調(diào)查評價工作，布置了84個調(diào)查孔及部分水位監(jiān)測孔進行地溫測試。2010年至今，初步建成了覆蓋上海全市的地源熱泵跟蹤監(jiān)測場和地溫長期監(jiān)測網(wǎng)，同時開展了新江灣城、國際旅游度假區(qū)等重點區(qū)域的淺層地熱能資源詳查工作，取得了覆蓋全市的完整的地溫背景資料。

1 測試儀器及方法

1.1 測試儀器

(1)鉑熱電阻溫度計和0.05級數(shù)字溫度儀，系統(tǒng)測試精度≤±0.2℃。

(2)地溫測量：高精度XSE6(Pt1000)測溫儀。

1.2 測試方法

測溫探頭自上而下緩慢平穩(wěn)下放，每米1個測點，測溫點停頓時間＞10 s，待數(shù)字溫度儀顯示溫度波動值≤±0.1℃時，采用人工讀數(shù)記錄。

2 地溫垂向分布特征

2.1 一般特征

淺層地溫場的垂向分布特征受當?shù)貧夂?、地層結(jié)構(gòu)、地層巖性、水文地質(zhì)條件、第四紀覆蓋層厚度、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)測溫曲線的疊合圖，可見多條測溫曲線大致收斂于13.3 m處，因此認為區(qū)域變溫帶深度為13.3 m。

圖3 實測溫度曲線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)查評價及地溫動態(tài)監(jiān)測孔取得的資料顯示，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間變長。

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

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，最高點分別出現(xiàn)在1月、9月，與大氣溫度變化基本相反，推測此處地層溫度滯后于大氣溫度約18個月，甚至更長。可以認為，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個月。5 m深度處溫度最低、最高點分別出現(xiàn)在4月、11月，地層溫度滯后于大氣溫度分別為3、4個月。同樣，8 m深度處溫度最低、最高點分別出現(xiàn)在9月、12月，地層溫度滯后于大氣溫度分別為8、5個月。可見，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，可以認為土層對“熱”的反應比“冷”更敏感，即地層吸熱能力比散熱能力更強。

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，在計算下界終點深度一定的情況下，地層增溫率一般隨上界深度的加深而增大;在計算上界起點一定的情況下，地層增溫率一般隨下界深度的加深而減小。同時，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，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，溫度一般會出現(xiàn)明顯波動。以74號孔為例，該孔共鉆遇3個承壓含水層，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，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，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，該深度對應地層為黏土隔水層(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雜性變化有關。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砂(○11－3)，即第三承壓含水層。

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

表5 74號孔地層參數(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。深部熱儲對淺部地溫場具有控制作用，而控制區(qū)域構(gòu)造格架的斷裂對區(qū)內(nèi)地熱場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)的熱儲有北新涇鎮(zhèn)—寶山區(qū)大場鎮(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)域的淺層測溫數(shù)據(jù)均高于其他地區(qū)。其中長寧區(qū)北新涇鎮(zhèn)—寶山區(qū)大場鎮(zhèn)沒有測溫孔分布，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)。因此可以推測該地區(qū)為地熱異常區(qū)，可能分布有與北新涇鎮(zhèn)—寶山區(qū)大場鎮(zhèn)碳酸鹽巖層狀熱儲相近的熱儲。

表6 熱儲構(gòu)造區(qū)測溫孔溫度與區(qū)域均值對比Table 6 Temperature correlation of thermometric drill hole and regional average degree in thermal reservoirs

3 結(jié)論

基于大量的實測數(shù)據(jù)對上海地區(qū)松散地層溫度在垂向上的分布特點進行分析，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，通常可分為變溫帶、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間延長。

(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，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)過渡時溫度會出現(xiàn)明顯波動。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對區(qū)內(nèi)淺部溫熱場分布具有控制性作用。

本次研究對上海地區(qū)松散層的地溫垂向分布規(guī)律進行了較深入的分析，同時對其反映的地層的導熱性能和主要影響因素進行了初步探討。地源熱泵技術(shù)作為淺層地熱能開發(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地下環(huán)境的改變等因素，都是工程設計過程中必須考慮的問題。因此下一步可以進一步研究淺層地溫的影響因素及其影響程度。

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