上海地區淺層地溫變化規律特征分析

王萬忠

（上海市地礦工程勘察院，上海 200072）

地熱能是地球內部貯存的熱能，它包括地球深層由地球本身放射性元素衰變產生的熱能及地球淺層由接收太陽能而產生的熱能[1]。深層地熱以地下熱水和水蒸氣的形式出現[2]，溫度較高，主要用于發電、供暖等生產生活目的，這種地熱能品位較高，但受地理環境及開采技術與成本等影響。淺層地熱由太陽能和地球內部轉換而來[3]，蘊藏在地球表面淺層的土壤中，溫度較低，但開采成本和技術相對也低，且不受地理環境的影響。

近年來，隨著國家進一步加強可再生能源利用、節能減排等工作的支持，地源熱泵系統的應用發展迅速。上海具有地熱資源的賦存條件和開發潛力[4]，淺層地溫能的開發利用也得到高度重視[5]。地源熱泵大規模應用將會對地質環境產生一定影響[6,7]。本文根據監測數據，分析上海市淺層地溫變化規律，從而為淺層地溫能的開發利用提供借鑒。

1 工程概況

上海市目前已建成7個地溫長期觀測孔，本文主要選取其中的5個地溫長期監測孔（寶山區大場鎮真大路OT1號、崇明縣長興島潘園公路OT2號、浦東新區北蔡鎮OT3號、金山區張堰鎮OT4號、浦東新區東海大橋OT5號孔，圖1）。

地溫監測如圖2所示。OT1～OT4號孔采用自動化監測，在監測孔保護管內布置測溫電纜，將測溫電纜通過水平傳輸總線連接地溫監測主機，地溫監測主機對測溫電纜供電，發射信號同時將反饋信號進行解碼轉換成溫度數值，監測主機將采集數據通過GPRS模塊傳輸到數據采集服務器，數據采集服務器安裝組態采集軟將數據存儲。在未具備自動化監測的地溫長期監測OT5號孔采用人工觀測，將原始地溫測溫探頭放在監測孔保護管內，逐點進行測量并記錄。

圖1 上海地溫長期監測孔位置Fig.1 The location of long-term monitoring hole for ground temperature

圖2 地溫監測示意Fig.2 Schematic diagram of monitoring system for ground temperature

由于監測數據量較大，本文主要對5個孔的數據進行歸納總結，同時選擇OT1號孔和OT5號孔2012年的地溫監測數據進行具體分析。

OT1號孔位于上海市寶山區大場鎮辦公大院綠化帶內，孔深153m，鉆孔直徑200mm，保護管為多根絲扣連接的直徑42mm無縫鋼管，孔內回填料為3：7的膨潤土與黃砂，孔口保護管直徑500mm深度0.4m，孔口上部覆土200mm，表層為綠化。監測系統采用我院自主研發的總線式地溫監測系統，共布置24個數字式測溫傳感器，監測機房內布置采集器1臺進行數據采集和傳輸，監測服務器安裝組態軟件進行終端數據采集。

OT5號孔位于上海市浦東新區東海大橋地面沉降觀測站院內，孔深153m，鉆孔結構同OT1號孔。該孔結合東海大橋地面沉降觀測站建設，2012年尚未具備自動化監測，因此采用人工逐點測溫，觀測頻率為每月1次，點距為1m/點。

2 數據分析

2.1 OT1號孔

根據該孔2012年1月～2012年12月不同深度的地溫監測數據，繪制的變化曲線如圖3。

圖3 OT1號孔地溫變化歷時曲線Fig.3 The graph of ground temperature of OT1 hole

監測結果表明，埋深0.8m處的地溫變動幅度最大，全年最低為2月10日的7.57℃，全年最高為8月30日的27.75℃，溫差20.18℃。4.0m處的地溫，全年最低為4月9日的15.47℃，全年最高為11月10日的21.26℃，溫差5.79℃。根據圖3所示，深度越深溫差越小。

不同深度的地溫隨時間的變化有如下特點：0.8m處的地溫在2月10日前呈下降趨勢，2月10日至8月31日呈上升趨勢，8月31日后呈下降趨勢；4.0m處的地溫在4月9日前呈下降趨勢，4月9日至11月10日呈上升趨勢，11月10日后呈下降趨勢。從監測數據分析，淺部地溫在一個自然年度內呈周期性變化，不同深度地溫的極值出現時間不同，但相位形態基本相同，溫度上升和下降時間段自上而下有所延遲。

不同深度地溫隨時間的恢復特點如下：25m以淺的地溫經過一年基本恢復，埋深0.8m處的地溫經過一個周期未完全恢復，初步分析可能與地表氣溫、上部覆土變化、井內清理等邊界條件變化所致，有待下一個監測周期進行驗證。

該孔隨深度增加，地溫的變化幅度逐漸變小。從監測數據分析，初步推斷恒溫層頂的埋深在20～25m之間（圖4）。

圖4 OT1號孔地溫隨深度變化曲線Fig.4 The graph of ground temperature with depth of OT1 hole

恒溫帶對應地層為灰色粘土和灰綠色細砂；80～90m區間地溫增溫率較大，地層巖性為灰白、灰黃色礫砂；90～110m區間地溫增溫率較小，巖性為灰色粘質粉土（圖5）。地溫在縱向上呈現一定規律性。

圖5 OT1號孔地溫與地層關系Fig.5 The graph of stratum and ground temperature of OT1 hole

2.2 OT5號孔

該孔地溫變動幅度最大為埋深0.8m處，全年最低溫度為2月15日的9.54℃，最高為8月15日的25.68℃，溫差16.14℃。在8m以淺區間，溫度變化明顯；8～28m間溫度基本穩定；28m以深溫度小幅變化（圖6）。

圖6 OT5號孔地溫隨深度變化曲線Fig.6 The graph of ground temperature with depth of OT5 hole

恒溫帶對應地層為粘土，增溫帶巖性主要為細砂—礫質中粗砂（圖7）。

圖7 OT5號孔地溫與地層關系Fig.7 The graph of stratum and ground temperature of OT5 hole

2.3 綜合分析

根據5處地溫長期監測孔實測數據，上海地區淺層地溫具有垂向變化規律。其中，變溫帶約在地表至19m；恒溫帶約為19～36m區間范圍，平均溫度為18.3℃；36m以下為增溫帶，增溫率為3.08℃/100m（表1）。

表1 上海地溫變化特征Table 1 The change character of ground temperature of in Shanghai

3 結論

實測數據與初步的分析結果表明：上海淺層地溫的年變化幅度，隨深度加大而逐漸變小；不同深度地溫的極值出現時間不同，由淺到深有所延遲；變溫帶總體位于19m以淺，其受地表氣溫等外界因素影響較為明顯；恒溫帶基本位于19～36m之間，平均地溫約18.3℃；36～150m為增溫帶，增溫率為3.08℃/100m。

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