上海地区浅层地温变化规律特征分析

王万忠

（上海市地矿工程勘察院，上海 200072）

地热能是地球内部贮存的热能，它包括地球深层由地球本身放射性元素衰变产生的热能及地球浅层由接收太阳能而产生的热能[1]。深层地热以地下热水和水蒸气的形式出现[2]，温度较高，主要用于发电、供暖等生产生活目的，这种地热能品位较高，但受地理环境及开采技术与成本等影响。浅层地热由太阳能和地球内部转换而来[3]，蕴藏在地球表面浅层的土壤中，温度较低，但开采成本和技术相对也低，且不受地理环境的影响。

近年来，随着国家进一步加强可再生能源利用、节能减排等工作的支持，地源热泵系统的应用发展迅速。上海具有地热资源的赋存条件和开发潜力[4]，浅层地温能的开发利用也得到高度重视[5]。地源热泵大规模应用将会对地质环境产生一定影响[6,7]。本文根据监测数据，分析上海市浅层地温变化规律，从而为浅层地温能的开发利用提供借鉴。

1 工程概况

上海市目前已建成7个地温长期观测孔，本文主要选取其中的5个地温长期监测孔（宝山区大场镇真大路OT1号、崇明县长兴岛潘园公路OT2号、浦东新区北蔡镇OT3号、金山区张堰镇OT4号、浦东新区东海大桥OT5号孔，图1）。

地温监测如图2所示。OT1～OT4号孔采用自动化监测，在监测孔保护管内布置测温电缆，将测温电缆通过水平传输总线连接地温监测主机，地温监测主机对测温电缆供电，发射信号同时将反馈信号进行解码转换成温度数值，监测主机将采集数据通过GPRS模块传输到数据采集服务器，数据采集服务器安装组态采集软将数据存储。在未具备自动化监测的地温长期监测OT5号孔采用人工观测，将原始地温测温探头放在监测孔保护管内，逐点进行测量并记录。

图1 上海地温长期监测孔位置Fig.1 The location of long-term monitoring hole for ground temperature

图2 地温监测示意Fig.2 Schematic diagram of monitoring system for ground temperature

由于监测数据量较大，本文主要对5个孔的数据进行归纳总结，同时选择OT1号孔和OT5号孔2012年的地温监测数据进行具体分析。

OT1号孔位于上海市宝山区大场镇办公大院绿化带内，孔深153m，钻孔直径200mm，保护管为多根丝扣连接的直径42mm无缝钢管，孔内回填料为3：7的膨润土与黄砂，孔口保护管直径500mm深度0.4m，孔口上部覆土200mm，表层为绿化。监测系统采用我院自主研发的总线式地温监测系统，共布置24个数字式测温传感器，监测机房内布置采集器1台进行数据采集和传输，监测服务器安装组态软件进行终端数据采集。

OT5号孔位于上海市浦东新区东海大桥地面沉降观测站院内，孔深153m，钻孔结构同OT1号孔。该孔结合东海大桥地面沉降观测站建设，2012年尚未具备自动化监测，因此采用人工逐点测温，观测频率为每月1次，点距为1m/点。

2 数据分析

2.1 OT1号孔

根据该孔2012年1月～2012年12月不同深度的地温监测数据，绘制的变化曲线如图3。

图3 OT1号孔地温变化历时曲线Fig.3 The graph of ground temperature of OT1 hole

监测结果表明，埋深0.8m处的地温变动幅度最大，全年最低为2月10日的7.57℃，全年最高为8月30日的27.75℃，温差20.18℃。4.0m处的地温，全年最低为4月9日的15.47℃，全年最高为11月10日的21.26℃，温差5.79℃。根据图3所示，深度越深温差越小。

不同深度的地温随时间的变化有如下特点：0.8m处的地温在2月10日前呈下降趋势，2月10日至8月31日呈上升趋势，8月31日后呈下降趋势；4.0m处的地温在4月9日前呈下降趋势，4月9日至11月10日呈上升趋势，11月10日后呈下降趋势。从监测数据分析，浅部地温在一个自然年度内呈周期性变化，不同深度地温的极值出现时间不同，但相位形态基本相同，温度上升和下降时间段自上而下有所延迟。

不同深度地温随时间的恢复特点如下：25m以浅的地温经过一年基本恢复，埋深0.8m处的地温经过一个周期未完全恢复，初步分析可能与地表气温、上部覆土变化、井内清理等边界条件变化所致，有待下一个监测周期进行验证。

该孔随深度增加，地温的变化幅度逐渐变小。从监测数据分析，初步推断恒温层顶的埋深在20～25m之间（图4）。

图4 OT1号孔地温随深度变化曲线Fig.4 The graph of ground temperature with depth of OT1 hole

恒温带对应地层为灰色粘土和灰绿色细砂；80～90m区间地温增温率较大，地层岩性为灰白、灰黄色砾砂；90～110m区间地温增温率较小，岩性为灰色粘质粉土（图5）。地温在纵向上呈现一定规律性。

图5 OT1号孔地温与地层关系Fig.5 The graph of stratum and ground temperature of OT1 hole

2.2 OT5号孔

该孔地温变动幅度最大为埋深0.8m处，全年最低温度为2月15日的9.54℃，最高为8月15日的25.68℃，温差16.14℃。在8m以浅区间，温度变化明显；8～28m间温度基本稳定；28m以深温度小幅变化（图6）。

图6 OT5号孔地温随深度变化曲线Fig.6 The graph of ground temperature with depth of OT5 hole

恒温带对应地层为粘土，增温带岩性主要为细砂—砾质中粗砂（图7）。

图7 OT5号孔地温与地层关系Fig.7 The graph of stratum and ground temperature of OT5 hole

2.3 综合分析

根据5处地温长期监测孔实测数据，上海地区浅层地温具有垂向变化规律。其中，变温带约在地表至19m；恒温带约为19～36m区间范围，平均温度为18.3℃；36m以下为增温带，增温率为3.08℃/100m（表1）。

表1 上海地温变化特征Table 1 The change character of ground temperature of in Shanghai

3 结论

实测数据与初步的分析结果表明：上海浅层地温的年变化幅度，随深度加大而逐渐变小；不同深度地温的极值出现时间不同，由浅到深有所延迟；变温带总体位于19m以浅，其受地表气温等外界因素影响较为明显；恒温带基本位于19～36m之间，平均地温约18.3℃；36～150m为增温带，增温率为3.08℃/100m。

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