上海地区松散地层温度垂向分布特征分析

时间：2024-09-03

杨树彪

(1.同济大学土木工程学院水利系，上海 200092;2.上海市地矿工程勘察院，上海 200072)

0 引言

随着我国节能减排工作的逐步推进，国家不断开发新能源市场，浅层地热能因其分布普遍、清洁、可再生等特点逐渐引起人们的重视，特别是随着地源热泵技术的发展(吕灿仁，1981a，1981b)，为浅层地热能的开发利用提供了一条高效便捷的途径。

近年来，地源热泵系统应用于建筑节能越来越受到重视，在国家和地方相关政策的激励下，其应用呈现快速增长趋势(曾艳，2014)。至2013年底，全国地源热泵应用建筑面积达3亿m2(图1)，年增长率达25%～50%。地源热泵设备销售额自2008年以来一直保持较高的增长态势，2011年最高达4.27亿欧元，即使在全球经济形势不乐观的2014年也保持了2.89亿欧元的销售额(张旭，2015)(图2)。

上海地区浅层地热能资源赋存条件优越，近几年，地源热泵工程数量增加速度较快，呈现出应用的建筑规模扩大、建筑类型广泛、以地埋管及其复合系统为主的特点。至2013年底，上海市开发利用项目超过600个，应用面积约800万m2。

图1 中国地源热泵应用面积Fig.1 Application area of Ground Source Heat Pump in China

图2 中国地源热泵设备销售额Fig.2 Sales amount of the GSHP equipment in China

地下岩土体原始温度是地埋管地源热泵系统设计的关键参数，原始地层温度又受到各种因素的影响，上海地区浅层地温场分布规律的研究工作始于20世纪，七八十年代进行地下含水层储能研究时对试验场地和部分回灌地进行过地温测试(刘铁铸，1987;上海市地质矿产局，1987);地热研究工作中也对部分地区进行过地温测试(孙永福等，1986;谢建磊等，2009)。近年来，随着地源热泵工程技术的兴起，上海地区相继开展了有针对性的相关研究工作，徐剑斌等(2009，2010)首次对上海市域内的浅层地温分布情况做了较全面的初步分析;高世轩(2012)、王小清等(2013)对地源热泵系统工程的运行对地层温度的影响进行了较深入的分析;瞿成松等(2013a，2013b)有针对性地在上海地区布置了几个钻孔，取得了部分数据，并对其影响因素进行了初步分析;王万忠(2013)对上海地区有代表性的测温孔进行了长期监测，取得了相对完整的数据，并对其变化规律进行了分析，在工程实施时部分地源热泵工程场地进行了地温测试工作。但以上工作均未对上海地区的地温开展系统、全面的测试和评价。

2011年，上海市完成了区域浅层地热能调查评价工作，布置了84个调查孔及部分水位监测孔进行地温测试。2010年至今，初步建成了覆盖上海全市的地源热泵跟踪监测场和地温长期监测网，同时开展了新江湾城、国际旅游度假区等重点区域的浅层地热能资源详查工作，取得了覆盖全市的完整的地温背景资料。

1 测试仪器及方法

1.1 测试仪器

(1)铂热电阻温度计和0.05级数字温度仪，系统测试精度≤±0.2℃。

(2)地温测量：高精度XSE6(Pt1000)测温仪。

1.2 测试方法

测温探头自上而下缓慢平稳下放，每米1个测点，测温点停顿时间＞10 s，待数字温度仪显示温度波动值≤±0.1℃时，采用人工读数记录。

2 地温垂向分布特征

2.1 一般特征

浅层地温场的垂向分布特征受当地气候、地层结构、地层岩性、水文地质条件、第四纪覆盖层厚度、地质构造等多方面因素影响，通常可分为变温带、恒温带、增温带，上海地区地温垂向分带明显、规律性好。测温曲线显示，不同区域变温带深度由于受浅部土层岩性等因素的影响略有差异，其底界在9.0～17.0 m之间变化，平均值13.3 m。图3为施工于不同月份的调查孔(W3、W23)测温曲线的叠合图，可见多条测温曲线大致收敛于13.3 m处，因此认为区域变温带深度为13.3 m。

图3 实测温度曲线Fig.3 Curves of the observed temperature

变温带以下地温恒定，不受气温影响，为恒温带。据测温资料，上海地区恒温带底界在17.0～27.0 m之间变化，平均值23.0 m(图4)。

图4 温度特征曲线Fig.4 Curves of the temperature of every month

恒温带以下地温随深度增加而增加，为增温带。

2.2 变温带

2.2.1 一般特征变温带受太阳辐射的影响，温度有昼夜、季节、年份等周期性变化，调查评价及地温动态监测孔取得的资料显示，上海地区变温带温度受季节变化影响明显(表1、图4)。

表1 2000—2012年上海平均气温Table 1 Average temperature of Shanghai during 2000—2012

2.2.2 变化规律变温带的温度随气温的变化而有规律地变化，地温的变化存在明显的滞后，在变温带深度范围内随深度的增加滞后时间变长。

2 m以上地层温度滞后于大气温度约1个月，大气温度最低出现在1月，而地层温度最低只出现在2月;大气温度最高点出现在7月，而地层温度最高点出现在8月。4 m深处温度最低、最高点分别出现在4月、10月，地层温度滞后于大气温度约3个月。6～7 m处温度最低、最高点分别出现在6月、12月，地层温度滞后于大气温度约5个月。9～12 m处温度最低、最高点分别出现在9月、3月，地层温度滞后于大气温度约8个月。

从全年来看，5～10 m深度范围内，4—9月温度一般低于10月至次年3月的温度，与季节温度变化完全相反，地层温度滞后于大气温度约半年，与以上分析基本一致。从整体来看，0～23 m深度范围内，2月平均温度偏低，最高值出现在8月，与大气温度变化较为一致。

13～23 m处温度最低，最高点分别出现在1月、9月，与大气温度变化基本相反，推测此处地层温度滞后于大气温度约18个月，甚至更长。可以认为，13 m以下温度基本不受大气温度变化的影响，即上海地区变温带深度一般为13 m(图5)。

图5 不同深度地层温度与大气温度对比图Fig.5 Correlation of formation temperatures and air temperatures at different depths

2.2.3 土层热敏感性分析地下1 m处温度最接近大气温度，4—9月大气温度较地层温度高，6个月相差最大超过5℃;8月份大气温度与地温基本持平;10月至次年3月大气温度较地层温低，并且从10月份开始两者差距逐渐拉大，至12月两者温度相差最大达7.8℃，1月开始温度差距逐渐缩小，至4月大气温度超过地层温度。两者最大差值分别出现在6月和12月，比大气温度的变化规律提前了2个月，且12月大气温度较地温低7.8℃，6月的大气温度较地层温度高5℃。

1年中地层温度最低值及最高值的随深度和大气温度的增加而增加。3 m深度处温度最低、最高点分别出现在2月、10月，地层温度滞后于大气温度分别为1、3个月。5 m深度处温度最低、最高点分别出现在4月、11月，地层温度滞后于大气温度分别为3、4个月。同样，8 m深度处温度最低、最高点分别出现在9月、12月，地层温度滞后于大气温度分别为8、5个月。可见，随深度的增加，地层温度随大气温度降低的速率明显低于随大气温度增加的速率。

综上所述，可以认为土层对“热”的反应比“冷”更敏感，即地层吸热能力比散热能力更强。

2.3 恒温带

恒温带是指温度变化幅度几乎等于0的地带。从以上分析可知，上海地区14 m以下地层的温度受大气温度影响很小，由表2可知温度变化范围很小(一般＜0.1℃)，图4中14 m处温度曲线亦基本为直线，因此可以确定上海地区恒温带深度范围一般为14～23 m，平均温度为17.9℃，接近上海市近10年来的平均温度17.7℃。

表2 不同深度地层温度年度变化Table 2 Annual variations of formation temperatures at different depths

2.4 增温带

2.4.1 一般特征增温带在常温带以下，温度随深度增加而升高，其热量的主要来源是地球内部的热能。调查区50、100、150、200 m 深度温度统计结果见表3。由表3可见，随着深度的增加，地温逐渐升高，平均地温：50 m深度为18.7℃，100 m为20.2℃，150 m为21.7℃，200 m为23.3℃。

表3 不同深度地层温度统计Table 3 Statistics of formation temperatures at different depths

调查区200 m深度范围地层增温率在每100 m 2.55～3.50℃之间变化，平均值3.03℃，基岩浅埋区的地层增温率略高于其他地区。

2.4.2 分布规律地层增温率随深度的增加而不同，调查深度范围内一般随深度的增加而减小(表4)。由表4可知，在计算下界终点深度一定的情况下，地层增温率一般随上界深度的加深而增大;在计算上界起点一定的情况下，地层增温率一般随下界深度的加深而减小。同时，随着深度的增加，最大值越来越小，最小值越来越大，两者随深度的增加而靠近。40～100 m深度范围内的增温率最大值与最小值的差值为每100 m 1.53℃，150～200 m深度范围内两者的差值缩小为每100 m 0.06℃，地层增温率随深度的增加而趋于某一稳定值。

2.4.3 主要影响因素 (1)地层岩性。砂层(含水层)中，地层温度分布较平稳，温度随深度增长缓慢，地层增温率一般为每100 m 1.36～1.67℃，明显低于地区正常地层增温率;黏性土(隔水层)中，地层温度随深度增加平稳增长，接近或大于地区平均地层增温率;但在由砂层(含水层)向黏性土(隔水层)过渡时，温度一般会出现明显波动。以74号孔为例，该孔共钻遇3个承压含水层，富水性均较差，单井出水量均小于100 m3/d(魏子新等，2010)。

30～44 m深度温度平稳，在18.4～18.6℃之间，地层增温率为每100 m 1.43℃，该深度地层主要岩性为粉土和砂土，即第一承压含水层(⑦－1、⑦－2)。

45～80 m深度温度平稳增长，从19.2℃升至20.5℃，增温率为每100 m 3.71℃，稍大于地区平均增温率，该层为粉质黏土隔水层(⑧)。

81～93 m温度平稳在20.4～20.6℃之间，地层增温率为每100 m 1.67℃，93～94 m温度出现跳跃，从20.5℃升至21.0℃，该层主要为含砾中粗砂(⑨)，即第二承压含水层。

95～116 m深度温度平稳增长，从21.1℃升至21.6℃，增温率为每100 m 2.38℃，接近地区正常增温率，该深度对应地层为黏土隔水层(⑩)。

116～117 m深度温度自21.6℃跌落至21.0℃，118～119 m深度温度又陡然上升至22.2℃。该深度段温度变化可能与地层的复杂性变化有关。第三承压含水层中存在黏性土夹层(○11－2)。

121～143 m深度温度平稳，在21.2～21.5℃之间，地层增温率为每100 m 1.36℃，该层主要岩性为粉细砂(○11－3)，即第三承压含水层。

表4 不同深度地层增温率对比Table 4 Correlation of formation temperature degrees at different depths

表5 74号孔地层参数Table 5 List of formation parameters of drill hole No.74

(2)基岩埋深。区域地温的分布受基岩起伏的控制，基岩浅埋区的地温略高于其他地区，但同一深度上不同地区的地温差异较小。如100 m深度地温高值区和低值区仅相差1.9℃，大部分地区地温在19.5～20.5℃之间;150 m深度地温高值区和低值区的差值为2.7℃，大部分地区地温在21.0～22.05℃之间。

上海地区松散层地温等值线见(图6)。

图6 研究区松散层地温等值线图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)构造热储。深部热储对浅部地温场具有控制作用，而控制区域构造格架的断裂对区内地热场分布的控制作用十分明显，主要受NE，NW—NNW向断裂或两者的联合控制作用(谢建磊等，2009)。区域热储总体上主要分布在安甪断陷盆地、松江—北桥断陷盆地边缘早期逆冲断裂基础上形成的张性断裂带上，NNE向断裂与EW、NE向断裂的交汇带。已发现的热储有北新泾镇—宝山区大场镇、宝山区罗店镇、浦东新区坦直镇、青浦区重固镇—凤溪镇等区域，分布在这些区域的浅层测温数据均高于其他地区。其中长宁区北新泾镇—宝山区大场镇没有测温孔分布，但与其构造相近，且同为寒武系—奥陶系碳酸盐类岩系的65号孔区域温度表现异常，明显高于附近区域(表6)。因此可以推测该地区为地热异常区，可能分布有与北新泾镇—宝山区大场镇碳酸盐岩层状热储相近的热储。

表6 热储构造区测温孔温度与区域均值对比Table 6 Temperature correlation of thermometric drill hole and regional average degree in thermal reservoirs

3 结论

基于大量的实测数据对上海地区松散地层温度在垂向上的分布特点进行分析，可得出以下主要结论。

(1)上海地区地温垂向分布分带明显、规律性好，通常可分为变温带、恒温带、增温带。

(2)变温带底面在9.0～17.0 m之间，均值为13.3 m。其温度随气温的变化而有规律地变化，并有明显的滞后性，且随深度的增加滞后时间延长。

(3)恒温带深度范围一般为14～23 m，平均温度17.9℃。增温带在200 m以浅深度范围内的地层温增温率在每100 m 2.55～3.50℃之间变化，平均值3.03℃。

(4)通过地温变化规律的分析可知，地层吸热能力比散热能力更强，基岩浅埋区的地层增温率略高于其他地区。

(5)砂层(含水层)中地层增温率一般低于地区正常地层增温率，在黏性土(隔水层)中接近地区平均地层增温率，在由砂层(含水层)向黏性土(隔水层)过渡时温度会出现明显波动。区域地温的分布受基岩起伏的控制，基岩浅埋区的地温略高于其他地区。受断裂控制的深部热储对区内浅部温热场分布具有控制性作用。

本次研究对上海地区松散层的地温垂向分布规律进行了较深入的分析，同时对其反映的地层的导热性能和主要影响因素进行了初步探讨。地源热泵技术作为浅层地热能开发利用的主要方式，其高效利用受各种因素的影响，特别是地下建筑施工对地下环境的改变等因素，都是工程设计过程中必须考虑的问题。因此下一步可以进一步研究浅层地温的影响因素及其影响程度。

DGJ 08－37—2012，上海市工程建设规范：岩土工程勘察规范［S］.

DG/TJ 08－2119—2013，上海市工程建设规范：地源热泵系统工程技术规程［S］.

高世轩.2012.上海地源热泵系统对地质环境的热影响分析［J］.上海国土资源，33(1)：67－70.

吕灿仁.1981a.论运用热泵提高能源利用率［J］.天津大学学报：自然科学与工程技术版，(1)：84－95.

吕灿仁.1981b.热泵与节能［J］.自然杂志，4(6)：426－429.

刘铁铸.1987.地下含水层储能技术与节能效益分析［J］.上海地质，8(2)：1－12.

瞿成松，曹袁，徐丹.2013a.上海新江湾地区浅层地温场初步分析［J］.工程建设与设计，(5)：90－91.

瞿成松，陈海洋，曹袁，等.2013b.上海第四纪地层温度场分布特征与影响因素分析［J］.上海地质，34(3)：73－76.

孙永福，李香玲.1986.上海大地热流及其地质意义［J］.上海地质，7(2)：16－22.

上海市地质矿产局.1987.上海地下含水层储能技术与应用研究报告［R］.上海：上海市地质矿产局.

魏子新，翟刚毅，严学新，等.2010.上海城市地质图集［M］.北京：地质出版社.

王小清，王万忠.2013.地埋管地源热泵系统运行期地温监测与分析［J］.上海国土资源，34(2)：76－79.