張?zhí)焐瑒?春,2*，李濟(jì)琛，施 斌,2

1.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210023；2.南京大學(xué)（蘇州）高新技術(shù)研究院, 蘇州 215123

地?zé)豳Y源作為可再生能源，中國從20世紀(jì)70年代已經(jīng)開始對其進(jìn)行勘察與開發(fā)利用工作。尤其從20世紀(jì)90年代開始，地?zé)豳Y源的開發(fā)利用得到了飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸廣泛（程萬慶，等，2006）。隨著石油、煤炭等常規(guī)能源日益缺乏和環(huán)境問題不斷突出，地?zé)豳Y源等可再生能源的開發(fā)利用成為重點(diǎn)問題。

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度內(nèi)的巖土體、地表水和地下水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能（中華人民共和國國土資源部，2009）。國外對于淺層地溫能開發(fā)利用較早的國家，大多已對其淺層地溫能的潛力分布做了詳細(xì)的調(diào)查并積極發(fā)展地源熱泵（藺文靜，2012）。中國在地源熱泵方面雖起步較晚，應(yīng)用時(shí)間較短，但推廣速度很快，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年，國內(nèi)年利用淺層地溫能可折合1900萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，應(yīng)用建筑物面積超過5億平方米（自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局，2018）。

一般認(rèn)為淺層地溫能賦存于地下0～200 m內(nèi)的巖土體或水體中，其能量來源于地表吸收的太陽輻射和深部地?zé)醿刹糠帧^(qū)域淺層地溫能主要受太陽輻射、水文地質(zhì)條件、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造情況、巖土體結(jié)構(gòu)等方面影響（楊榮，2013）。前人的研究多關(guān)注于淺層地溫能的資源量及其開發(fā)潛力，在開發(fā)利用效果、開發(fā)過程中對地質(zhì)環(huán)境的影響等方面的研究還不夠全面。淺層地溫能的開發(fā)利用效果與其在該地區(qū)的分布情況密切相關(guān)，若對其的勘查評價(jià)工作不到位，盲目地進(jìn)行開發(fā)利用會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。此外，淺層地溫能的開發(fā)利用必然導(dǎo)致原始地溫場發(fā)生變化，不合理的開發(fā)利用很可能會(huì)帶來一系列新的水文地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境問題。

故在淺層地溫能開發(fā)利用的過程中，對其進(jìn)行準(zhǔn)確的勘查評價(jià)和實(shí)時(shí)的現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測十分重要。建立起長期有效的淺層地溫場監(jiān)測系統(tǒng)，是開展淺層地溫勘查評價(jià)與后期監(jiān)測工作的一大要點(diǎn)，可以及時(shí)獲取區(qū)域地溫場的動(dòng)態(tài)變化趨勢，為合理設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)提供依據(jù)并保證其正常運(yùn)行（亓軍強(qiáng)等，2015; 劉立才等，2007；黃堅(jiān)等,2018）。在德國，多個(gè)城市已經(jīng)開展了較為全面的地溫監(jiān)測工作（Benz et al., 2015; Menberg et al.,2013）；在國內(nèi)多個(gè)城市，如北京、天津、南京等已開展了監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)（朱世保等, 2018）。以本文研究區(qū)域南京地區(qū)為例，淺層地溫能的開發(fā)利用已經(jīng)取得一定成效，開發(fā)利用工程的應(yīng)用面積超過600萬平方米，但仍存在調(diào)查評價(jià)相對落后、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測不到位等問題（鄂建等，2015）。

目前，淺層地溫場監(jiān)測的常規(guī)方法是將溫度傳感器綁于U型或單根地埋管外壁，與地埋管一同回填入孔（郭艷春等，2014）。此方法雖然能準(zhǔn)確測量出監(jiān)測點(diǎn)的地溫場溫度，但由于長期埋設(shè)于地下，溫度傳感器易被腐蝕出現(xiàn)損壞。另一種新的監(jiān)測方法是將U型地埋管內(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)到平衡后開始進(jìn)行監(jiān)測（Bayer et al., 2016）。賈子龍等（2017）驗(yàn)證了該檢測方法完全可以取代溫度傳感器管外埋設(shè)的方法，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)溫度場的長期監(jiān)測。

在監(jiān)測設(shè)備方面，溫度傳感器作為淺層地溫場監(jiān)測中最基礎(chǔ)也是最重要的設(shè)備，合理地選擇傳感器十分重要，既要考慮到監(jiān)測結(jié)果的可靠性又要考慮到實(shí)際施工情況（賈子龍，2017）。

本文對目前項(xiàng)目上使用的4種地溫監(jiān)測傳感器進(jìn)行介紹，包括分布式測溫光纖、FBG、Pt100和iButton，并通過野外監(jiān)測和室內(nèi)試驗(yàn)，對其在地溫監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)行對比分析，制定出一套較為完善的綜合多種監(jiān)測手段的野外監(jiān)測方案，為建立地溫場監(jiān)測系統(tǒng)提供參考，以期通過綜合多種方法，以較低成本高效地完成地溫場監(jiān)測工作。并利用已獲得數(shù)據(jù)，總結(jié)出南京地區(qū)淺層地溫在垂向和空間上的大體分布規(guī)律。

圖1 南京市淺層地溫能鉆孔分布示意圖Fig.1 Distribution map of shallow geothermal energy holes in Nanjing

1 研究區(qū)域和監(jiān)測技術(shù)

1.1 研究區(qū)域

本次研究的野外監(jiān)測在南京市行政區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。借助江蘇省地調(diào)局在2012年建成的53口地溫監(jiān)測鉆孔（井），進(jìn)行淺層地溫場的野外監(jiān)測。53口地溫監(jiān)測鉆孔基本覆蓋南京市行政區(qū)域，且在城市化進(jìn)程相對較快的長江沿岸區(qū)域內(nèi)，鉆孔分布相比其他區(qū)域更密集，對研究淺層地溫能開發(fā)利用較為方便。鉆孔具體分布情況見圖1，其中對已開展現(xiàn)場監(jiān)測鉆孔做了標(biāo)記，其余鉆孔為尚未進(jìn)行監(jiān)測，或因施工、植被覆蓋等原因暫無法進(jìn)行監(jiān)測的鉆孔。

1.2 監(jiān)測手段

本次研究將采用4種地溫監(jiān)測傳感器，分別為分布式測溫光纖、FBG、Pt100和iButton。

1.2.1 分布式光纖測溫技術(shù)

分布式光纖測溫技術(shù)（Distributed Temperature Sensing-DTS）是一種利用光纖內(nèi)的散射光信號來獲取空間內(nèi)溫度分布情況的測溫技術(shù)。根據(jù)散射光的類型，目前已有三種分布式光纖測溫技術(shù)(于海鷹，等，2013)。受限于制造成本、測溫精度等問題，目前基于拉曼散射的測溫技術(shù)應(yīng)用廣泛（易多，2012; Zou et al., 2009），故僅簡要闡述拉曼散射測溫的技術(shù)原理。

光在傳輸過程中，光子與光纖介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞，將產(chǎn)生兩個(gè)頻移分量：反斯托克斯光和斯托克斯光，根據(jù)兩者的光強(qiáng)比與局部溫度的關(guān)系，可得到某處光纖的溫度（隋海波等，2008），并結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR），可獲取光纖沿導(dǎo)線各處的溫度，實(shí)現(xiàn)分布式溫度傳感（宋占璞等,2014）。本文選用型號為FS-DTS-800的分布式光纖測溫儀進(jìn)行相關(guān)測試。

1.2.2 光纖布拉格光柵

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating-FBG）是目前最重要的光纖傳感核心元器件之一。圖2為型號NZS-FBG-TM的FBG溫度傳感器。

FBG利用光纖材料的光敏特性，在光纖內(nèi)形成空間相位光柵。由于光柵對波長具有選擇性，滿足特定波長的入射光在光柵處被反射，而其余波長的光不受影響，從而反射光譜出現(xiàn)峰值λB，稱為FBG的特征波長。

當(dāng)受到外界信號的調(diào)制，如溫度、應(yīng)力場等環(huán)境因素變化，F(xiàn)BG的特征波長會(huì)發(fā)生波長偏移，通過解調(diào)波長的變化便可測得外界信號(張記龍和曾光宇，2001)。特征波長的變化滿足式（1）：

式中Δλ為FBG特征波長變化量；Pe為光纖光彈系數(shù)；ε為光纖軸向應(yīng)變；α為光纖熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖熱光系數(shù)；ΔT為溫度變化。理論上，F(xiàn)BG測溫精度可達(dá)0.05℃。

圖2 光纖光柵溫度計(jì)Fig.2 Fiber Bragg Grating thermometer

本文選用蘇州南智傳感科技有限公司生產(chǎn)的NZS-FBG-TM光纖光柵測溫串進(jìn)行相關(guān)測試，波長解調(diào)儀選用NZS-FBG-A03光纖光柵解調(diào)儀，波長分辨率為1 pm。

1.2.3 Pt100

Pt100是正溫度系數(shù)的鉑熱電阻，電阻阻值隨溫度的升高而升高，工作范圍可在-200℃至650℃之間。其在0℃時(shí)的電阻為100 Ω，故稱為Pt100。其在0℃至100℃之間阻值與溫度的關(guān)系可表示為式（2）（張志勇等，2007）：

式中R為t ℃下的電阻阻值，R0=100 Ω，A=3.90802×10-3℃-1,B=5.801 95×10-7℃-2。

在溫度測量方面，Pt100已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，其測溫精度高，信號分辨率為0.1℃，亦常被制作成各類標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。由于其測量精度受測量導(dǎo)線自身電阻影響，故Pt100常用于較短距離的對點(diǎn)測量。

本文選用1100系列的單回路數(shù)字顯示控制儀進(jìn)行相關(guān)測試，測量精度為3%，信號分辨率為0.1℃。

1.2.4 iButton

iButton即信息紐扣（Information Button），將高性能的集成線路封裝于紐扣形的不銹鋼外殼內(nèi)，直徑為16 mm，厚度為3～6 mm不等，見圖3。iButton高度集成了測溫系統(tǒng)所需的一切組件，包括溫度傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、微處理器和電池等，可自動(dòng)完成溫度測量和記錄（劉武光，2009）。iButton的集成電路被保護(hù)在不銹鋼外殼內(nèi)，可保證其電氣及機(jī)械壽命超過10 年，可抵抗3 ATM的壓力，且其讀寫次數(shù)幾乎不受機(jī)械特性限制。此外，iButton還具有抗水、抗磁、抗腐蝕等特性，是一種新型的測溫傳感器，但對于其具體測溫精度和實(shí)際可抗壓力還未有相關(guān)研究。不同型號的iButton具有不同的測溫范圍和測溫精度，本文選用型號為DS1922L的iButton進(jìn)行相關(guān)測試，測溫范圍為-40～85℃，測溫精度優(yōu)于0.5℃。

圖3 iButton及信息讀取器Fig.3 iButton and its information reader

2 傳感器的野外和室內(nèi)測試

為了對4種測溫傳感器在地溫監(jiān)測方面的特性進(jìn)行對比分析，根據(jù)各測溫傳感器自身特點(diǎn)，分別在室內(nèi)和野外對4種傳感器進(jìn)行了測溫試驗(yàn)。

2.1 室內(nèi)測試內(nèi)容

室內(nèi)測試主要對DTS、Pt100、FBG和iButton等4種測溫傳感器進(jìn)行恒溫測定，并以等溫度梯度設(shè)置不同溫度，觀察同一溫度環(huán)境下4種傳感器的測溫精度。

室內(nèi)測試中，將100 m長的測溫光纖、Pt100、FBG、iButton與水銀溫度計(jì)放置于同一恒溫槽中，設(shè)定恒溫槽溫度，使得溫度范圍為20℃至50℃，并以等溫度梯度為10℃進(jìn)行升溫—降溫試驗(yàn)。考慮到恒溫箱系統(tǒng)穩(wěn)定可能存在滯后，每次待恒溫槽內(nèi)溫度顯示穩(wěn)定后30 min再記錄讀數(shù)。

2.2 野外測試內(nèi)容

野外測試采用分布式光纖測溫（DTS）、FBG測溫和Pt100電阻式測溫3種方式。測試內(nèi)容主要對南京地區(qū)部分地溫鉆孔進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，鉆孔深度約為100 m。

于地溫鉆孔孔口至孔底布設(shè)分布式測溫光纖，并使用DTS監(jiān)測溫度。采集數(shù)據(jù)前通過參考光的衰減情況判斷光纖鋪設(shè)質(zhì)量，確定所下放光纖滿足測試要求后開始采集數(shù)據(jù)，待其示數(shù)穩(wěn)定后記錄讀數(shù)；下放FBG測溫串于鉆孔中，在距孔口2 m、5 m、10 m、20 m、40 m、60 m、80 m處固定，如圖4所示，待示數(shù)穩(wěn)定后記錄讀數(shù)；下放Pt100測溫探頭于鉆孔中，距孔口20 m處固定，待示數(shù)穩(wěn)定后記錄讀數(shù)，并上移1 m，重復(fù)上述操作直到測溫探頭到達(dá)孔口。為更準(zhǔn)確反映近地表溫度變化情況，在距孔口1 m時(shí)，每隔0.2 m進(jìn)行一次讀數(shù)操作。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 室內(nèi)測試數(shù)據(jù)分析

3.1.1 Pt100

在開展測試前，使用水銀溫度計(jì)對Pt100進(jìn)行測試，確定Pt100所測得溫度適合作為野外條件下的參考溫度。設(shè)定恒溫槽溫度20℃、30℃和40℃，并用水銀溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)?？紤]到恒溫箱系統(tǒng)穩(wěn)定可能存在滯后，每次待恒溫槽內(nèi)溫度顯示穩(wěn)定后30 min再記錄讀數(shù)。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 DTS、FBG鉆孔溫度監(jiān)測示意圖Fig.4 Sketch map of temperature monitoring using DTS and FBG

據(jù)表1數(shù)據(jù)，可以看出Pt100的測量精度高，在0.1℃以內(nèi)，且Pt100測溫靈敏性高，其所測得溫度作為參考溫度。故在后續(xù)的室外數(shù)據(jù)分析中，以Pt100作為標(biāo)準(zhǔn)，其所測得溫度作為參考溫度，并用于較準(zhǔn)其他的野外數(shù)據(jù)。

表1 Pt100與水銀溫度計(jì)測溫結(jié)果（℃）Table 1 The temperature measurement results using Pt100 and mercury thermometer

3.1.2 DTS、FBG、iButton對比分析

本次研究中，考慮到恒溫箱顯示溫度為電子測溫傳感器測得，存在一定誤差，根據(jù)前述中對Pt100的測定試驗(yàn)，可認(rèn)為Pt100所測溫度為參考溫度，故以水銀溫度計(jì)和精度較高的Pt100所測得溫度的平均值作為參考溫度。取升溫與降溫兩組數(shù)據(jù)的平均值作為各測溫傳感器的測定溫度。

表2為DTS、FBG和iButton的室內(nèi)測溫結(jié)果。相對于其他溫度傳感器，DTS測溫精度較低，約為0.4℃，且易出現(xiàn)較大波動(dòng)，最大誤差為0.65℃。DTS在室內(nèi)條件下的測溫精度相對較低。

表2 DTS、FBG和iButton室內(nèi)測溫結(jié)果（℃）Table 2 The indoor temperature measurement results using DTS、FBG and iButton

FBG測溫精度較高，可控制在0.1～0.2℃，但最大誤差為0.56℃，表明其在實(shí)際測量中可能出現(xiàn)較大誤差。此外，由于FBG所得溫度是由標(biāo)定方程對波長進(jìn)行換算，在長期使用過程中，應(yīng)定期對FBG進(jìn)行重新標(biāo)定，以避免因儀器損耗、環(huán)境變化等影響測溫精度。

相比DTS和FBG，iButton測溫精度較高，可控制在0.1℃以內(nèi)，最大誤差為0.15℃。此外，iButton可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定測溫周期，在長期溫度測量中占據(jù)較大優(yōu)勢，但其在野外條件下的應(yīng)用情況還需要進(jìn)一步研究。

3.2 野外測試數(shù)據(jù)分析

本次研究中選取了6組較具有代表性的地溫鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)對DTS在野外條件下的監(jiān)測特性進(jìn)行分析，4組較具有代表性的地溫鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)對FBG在野外條件下的監(jiān)測特性進(jìn)行分析。

3.2.1 DTS

受Pt100測量導(dǎo)線長度的限制，僅取鉆孔深度20 m以內(nèi)的DTS測得的地溫?cái)?shù)據(jù)與Pt100作對比。不同鉆孔所得數(shù)據(jù)情況如圖5所示。圖中DTS與Pt100測得鉆孔溫度變化趨勢一致，說明DTS對鉆孔空間范圍內(nèi)溫度變化趨勢的測量結(jié)果可靠。

由于近地表受大氣及太陽輻射影響較顯著，溫度變化較快，DTS與Pt100的測溫靈敏性存在差異等，DTS在近地表（地下0～5 m）測得溫度與參考溫度有一定差值。地下0.8 m處的平均絕對誤差為0.53℃。

在地下5 m以下，誤差的波動(dòng)幅度逐漸減小，整體趨于穩(wěn)定，平均絕對誤差在地下6 m處為0.21℃，14 m處為0.19℃，18 m處為0.17℃。整體來看，DTS測溫準(zhǔn)確度提高，隨深度增加而趨于穩(wěn)定，DTS測溫精度可控制在0.2℃以內(nèi)。

圖5 不同鉆孔DTS與Pt100測溫結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison of the temperature measurement results of different holes using DTS and Pt100

此外，可見sg27測得溫度的誤差始終較大，但整體溫度變化趨勢一致，表明DTS在本次測溫中測得溫度均偏高。根據(jù)DTS測溫原理，除溫度因素外，環(huán)境應(yīng)力、光纖制作差異及使用磨損等均會(huì)影響光在光纖中傳播的衰減情況并改變光強(qiáng)，從而影響測溫精度。sg27測得溫度均偏高的主要原因是DTS光損參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際不符，表明DTS在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)配以其他監(jiān)測手段與其進(jìn)行校準(zhǔn)，保證其測溫的精確性。利用Pt100進(jìn)行校準(zhǔn)，可使測溫誤差在0.1℃以內(nèi)。

3.2.2 FBG

由于FBG為長距離定點(diǎn)測量，在Pt100可測量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)較少，不具有明顯代表性，故所選取的4組地溫鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)將采用DTS和Pt100測得數(shù)據(jù)與FBG進(jìn)行對比。`

4組鉆孔數(shù)據(jù)情況如圖6所示。對圖6進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：FBG測得鉆孔溫度情況與DTS測得溫度的變化趨勢基本一致，但由于FBG在鉆孔內(nèi)為定點(diǎn)測量，F(xiàn)BG測得數(shù)據(jù)不能完整地體現(xiàn)出鉆孔空間范圍內(nèi)溫度變化情況。在0～20 m深度范圍內(nèi)，F(xiàn)BG與Pt100的測溫?cái)?shù)據(jù)總體基本一致，平均絕對誤差在0.2℃以內(nèi)，但在個(gè)別數(shù)據(jù)上相差較大，最大誤差為0.8℃，此次監(jiān)測中，F(xiàn)BG未達(dá)到理論上0.05～0.1℃的測溫精度，其野外監(jiān)測的可靠性還需提高。在地下20 m以下，F(xiàn)BG與DTS的測溫?cái)?shù)據(jù)總體上相差較小，平均絕對誤差在0.2℃以內(nèi)。

在圖6c中可見60 m深度上FBG測得溫度與DTS相差約1.0℃，后續(xù)對該深度的FBG進(jìn)行檢測，結(jié)果表明該FBG已經(jīng)損壞。在式（3）中可知，波長變化與溫度和應(yīng)變情況有關(guān)，在使用過程中FBG受到的拉扯、碰撞等都可能影響測溫結(jié)果甚至造成傳感器的損壞。因此，在使用FBG進(jìn)行野外地溫監(jiān)測時(shí)，需要特別注意對傳感器的保護(hù)，避免過度拉扯。

4 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)和監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的野外和室內(nèi)測試結(jié)果，在項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，以研究區(qū)域南京市為例，制定了一套較為完善的野外監(jiān)測方案：（1）在所有鉆孔中埋設(shè)分布式測溫光纖，以獲得鉆孔內(nèi)地下深度的連續(xù)地溫；（2）根據(jù)地溫鉆孔的土層分布和所獲取的地溫分布數(shù)據(jù)，選取兩個(gè)較為典型的地溫鉆孔，在鉆孔內(nèi)布設(shè)FBG測溫串，用于與DTS測溫作對比；（3）在所有鉆孔點(diǎn)距地表5 cm處布設(shè)iButton，以獲得地表的時(shí)間連續(xù)溫度，用于校驗(yàn)衛(wèi)星地表數(shù)據(jù)和提供邊界條件，同時(shí)可利用iButton建立起長期的連續(xù)監(jiān)測站；（4）使用Pt100監(jiān)測地表以下25 m內(nèi)的精確地溫。

圖6 不同鉆孔FBG測溫結(jié)果對比圖Fig.6 Comparison of the temperature measurement results of different holes using FBG

在該監(jiān)測方案中，利用 DTS獲得深度連續(xù)地溫，利用iButton獲得地表的時(shí)間連續(xù)溫度，利用Pt100和FBG對所獲取的地溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。通過綜合多種監(jiān)測設(shè)備，有效利用了各溫度監(jiān)測傳感器的優(yōu)勢，為淺層地溫場的長期監(jiān)測提供參考。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

通過采用上述監(jiān)測方案，已對南京市多個(gè)地溫鉆孔進(jìn)行監(jiān)測，并獲取了鉆孔監(jiān)測數(shù)據(jù)，部分結(jié)果如圖7所示。通過對比和分析不同鉆孔及不同時(shí)間對同一鉆孔的監(jiān)測結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)特征。

（1）由于近地表（約為地下0～5 m）受大氣及太陽輻射影響顯著，各鉆孔在該范圍內(nèi)溫度變化大，在5～10 m深度范圍內(nèi)溫度變化逐漸減小，可知地下0～10 m為變溫層。地下10～20 m范圍內(nèi)各鉆孔溫度保持相對穩(wěn)定，且可見監(jiān)測數(shù)據(jù)隨監(jiān)測時(shí)間無明顯變化，該深度范圍為恒溫層，溫度保持在18～19℃。地下20 m以下，各鉆孔內(nèi)的溫度以一定的增長速率線性升高，表明其為增溫層。

（2）不同鉆孔的溫度變化情況存在差異，表現(xiàn)為兩方面：一方面在變溫層即地下0～10 m，可見各鉆孔溫度變化情況差異大，如sg02、sg43等鉆孔內(nèi)溫度隨深度增加而先升高后降低，而sg33、sg26等鉆孔內(nèi)溫度隨深度增加而緩慢升高，無明顯溫度降低的過程。另一方面，在增溫層即地下20 m以下，不同鉆孔內(nèi)的地溫梯度存在差異。如sg27位于湯山地區(qū)，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有斷層和溫泉，鉆孔范圍內(nèi)多為泥巖，可見地下20 m以下的溫度變化明顯大于其他鉆孔，地溫梯度大于其他鉆孔。上述兩方面表明，淺層地溫分布在水平向和垂向上具有一定的差異性。

圖7 不同鉆孔的溫度變化曲線Fig.7 Variation curves of temperature of different

（3）近地表地溫受地表覆蓋層、大氣及太陽輻射影響較大，不同季節(jié)、不同區(qū)域變化差異大，而隨著深度加深，地溫逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭艿刭|(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件等因素影響。從鉆孔sg27不同時(shí)間的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，地溫在10 m深度范圍內(nèi)受大氣及太陽輻射影響明顯，隨地表溫度的變化而變化，并且可發(fā)現(xiàn)由于土體比熱容較大，存在季節(jié)滯后性，表現(xiàn)為地溫先升高，在4 m以深處降低并趨于恒溫層溫度；隨著深度加深，地溫受大氣及太陽輻射影響逐漸減小并逐漸受地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件影響，在恒溫層內(nèi)保持相對穩(wěn)定，在20 m深度以下線性升高。

5 結(jié)論

本文對目前項(xiàng)目上使用的4種溫度監(jiān)測傳感器進(jìn)行了原理上的介紹，并分別在室內(nèi)和野外對其進(jìn)行了測試。通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出了DTS、FBG、Pt100和iButton的優(yōu)缺點(diǎn)及特性。

（1） DTS可獲取到整個(gè)鉆孔深度內(nèi)溫度分布情況，且可靠度較高。此外，DTS可供長期使用，但在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)配以其他監(jiān)測手段與其校準(zhǔn)以保證其長期測溫的精度。

（2） Pt100的測溫精度在0.1℃以內(nèi)，具有很好的穩(wěn)定性，可用其作為參考對其他測溫設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。但Pt100僅可監(jiān)測鉆孔深度25 m以內(nèi)的溫度，不適用于在整個(gè)鉆孔深度內(nèi)（0～100 m）進(jìn)行溫度監(jiān)測，且易受腐蝕，不適宜長期埋于鉆孔內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測。

（3） FBG理論測溫精度在0.1℃以內(nèi)，但實(shí)際測溫精度難以達(dá)到理論值，一般為0.1～0.2℃，在使用時(shí)應(yīng)定期進(jìn)行標(biāo)定。此外，相比其他3種測溫傳感器，F(xiàn)BG較易損壞，監(jiān)測成本較高，目前還不適用于長期的大規(guī)模地溫監(jiān)測，并避免過度拉扯測溫串。

（4） iButton的測溫精度在0.1℃以內(nèi)，且讀數(shù)穩(wěn)定，測溫周期可自行設(shè)定，適用于對鉆孔某一深度進(jìn)行長期監(jiān)測，但其在野外條件下的耐久性還有待研究。其理論抗壓能力為3ATM，僅適用于較淺區(qū)域的定點(diǎn)監(jiān)測，對較深區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測需增設(shè)保護(hù)套。

根據(jù)4種溫度監(jiān)測傳感器的特性，綜合利用多種溫度監(jiān)測傳感器，制定出一套較為完善的野外監(jiān)測方案，對不同深度下的地溫進(jìn)行了更為精確的監(jiān)測。通過分析已獲取的南京市鉆孔地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)出南京地區(qū)淺層地溫在垂向上的大體分布規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)其分布在空間上具有差異性，淺地表地溫與地表覆蓋層、大氣及太陽輻射有關(guān)，深部地溫受地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件等因素控制。