浅层地温场常温监测方法研究

贾子龙，刘爱华，郑 佳，郭艳春，李 富

（北京市地热研究院，北京 102218）

浅层地温场常温监测方法研究

贾子龙，刘爱华，郑 佳，郭艳春，李 富

（北京市地热研究院，北京 102218）

为了验证本次浅层地温场管内常温监测方法的可行性，在北京市某试验场地钻凿了一眼150m常温监测井，井内下入双U型垂直管，分别在U型管内管外相同深度布设了温度传感器。经过监测9个月地温场数据，得出该区域150m深度地温场随深度的增加呈现先递增后递减再递增的变化趋势；管内管外同一深度平均温度差介于0℃～0.4℃范围内，130m深度处温差最大，管内比管外温度高0.4℃，40m深度处管内管外温度一样；管内管外同一深度温度走势对比分析得出，同一深度温度变化一致，管内比管外温度变化滞后并未存在。

温度传感器；U型管；地温场

0 引言

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度范围内（一般为200m）的岩土体、地下水中具有开发利用价值的地热能，是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔。由于浅层地热能资源在地下200m左右，对其开发势必会对地质环境造成一定影响，因此在浅层地温能开发利用的过程中对其进行动态监测很有必要（张磊等，2012）。

目前浅层地温能地温场监测的常规方法是将温度传感器捆绑在U型或单根地埋管外壁，随地埋管一同下入孔内并回填。该方法的主要优点就是温度传感器和地温场无间隙的接触在一起，可以准确测量出监测点的地温场温度。但其缺陷是温度传感器长时间埋设在地下，容易受到地下物质的侵蚀，出现温度传感器损坏的现象。采用地埋管外安装温度传感器的方法，一旦发生温度传感器损坏，将无法进行修复或者更换，导致监测数据的缺失（田光辉等， 2011；郭艳春等，2014）。

经过浅层地温能开发利用的发展，出现了新的浅层地温能监测方法，即将U型垂直管内部充满水，将温度传感器下入管内，待管内水温和地层温度达到平衡以后，开始监测温度。该方法可以对损坏的温度探头进行更换，保证了地层温度监测的长期性和易更换性。但该方法取得监测数据能否准确反映地温场温度，前人并未进行过实际验证。因此，本文通过采用两种监测方法对同一地温场进行试验监测对比，论证管内监测地温场的可行性（图1）。

1 试验孔的钻凿和监测

本文在北京某试验场地钻凿了一眼150m的常温监测井，下入双U型垂直地埋管。在管内和管外分别下入14组不同深度的温度传感器探头。考虑到浅层的地温场受地表温度的影响较大，因此在10m以上布设传感器较多，在1m、2m、3m、5m、7m和10m处分别布设，10m以下分别布设在25m、40m、80m、100m、120m、130m和150m（表1）。

本文取得了2014年11月1日—2015年7月1日每天中午12点的系列数据，从各深度温度变化趋势，管内管外平均温差对比，平均温度变化趋势处理分析取得的数据开展对比研究。

表1 温度传感器布设深度表Tab.1 The laying depth table of temperature sensor

图1 温度传感器安装效果图Fig.1 The renderings chart of temperature sensor installation

2 管内管外平均温度变化趋势对比

图2反映的是管内管外平均温度变化趋势对比图。该区域地下深度0～7m之间随着深度增加地温场温度递增，7～40m之间随着深度增加地温场温度递减，40～150m之间随着深度增加地温场温度递增。管内管外温度趋势的变化情况一致，不存在管内温度比管外滞后的现象存在。

图2 管内管外平均温度变化趋势图Fig.2 The average temperature trend chart of outer and inner tube

3 管内、管外平均温度温差对比

图3反映了管内管外平均温度差对比柱状图。由图可见，管内管外温差均小于0.4℃。温差最大深度130m处，温差为0.39℃，温差最小处为40m，温差为0℃。

图3 管内管外平均温度对比图Fig.3 The comparison chart of outer and inner tube

经过对试验孔区域的水文地质条件进行调查，发现该区域地下水比较丰富（图4）。对比该区域地下水的分布和布设温度传感器的深度发现，管内管外温度产生误差的原因是管外受地下水流动影响较大，管内基本不受到地下水流动的影响（王慧玲等，2011）。

图4 试验区水文地质剖面图Fig.4 Hydrogeologic prof i le of test area

4 管内管外各深度监测数据对比

图5反映的是1m、2m、3m、5m和7m深度处，监测管内管外地层温度的变化情况。由图可以看出，同一深度的管内管外温度变化趋势基本保持一致。

图5 1～7m深度温度对比趋势图Fig.5 The trends chart of comparison of temperature in 1～7m depth

图6 10～80m深度温度变化趋势图Fig.6 The trends chart of comparison of temperature in 10～80m depth

图7 100～150m深度温度变化趋势图Fig.7 The trends chart of comparison of temperature in 100～150m depth

由于本数据取得的时间是从11月份到翌年7月份，依据北京地区的气候该时间段刚好处于冬—春—夏，因此气候温度刚好处于先降温、后升温的一个变化过程。图中1m、2m和3m处地温刚好反映了该时间段气候温度变化的一个过程。5m、7m处温度变化趋势虽然很小，但是依然能够看到还是受到了气温变化的影响。受气温影响变化幅度大小依次为1m、2m、3m、5m和7m，离地表越近，温度变化受气候温度影响也越大。

图6反映的是10m、25m、40m和80m深度处，监测管内管外地温场的温度变化情况。由图可以看出10m处，地温仍然受地表温度的影响，随着季节变化温度呈上升趋势，不过上升幅度很小，温度变化范围为14.5℃～15.5℃。25m、40m和80m处的温度基本不受地表温度的影响，温度波动范围均处于0.5℃内。

图7反映的是100m、120m、130m和150m深度处，监测管内管外地温场的温度变化情况。由图可以看出随着地层深度的增加，地层的温度呈现上升趋势，但同一深度，管内管外温度变化趋势保持一致，温度波动在0.5℃范围内。

5 结论

（1）通过分析试验区150m的地温场监测数据，基本掌握了该地区150m范围内温度的变化趋势。深度1～7m下，温度随着深度的增加而递增。7～40m深度，温度随着深度的增加而递减。40～150m深度，温度随着深度的增加而递增。

（2）本文对150m深度内地温进行了监测，对管内和管外两种监测方式取得的数据进行了对比分析。在误差允许范围内，无论是同一深度的平均温度，还是同一深度的温度差异性均验证了管内安装温度传感器的方法完全可以取代管外安装温度监测探头的方法。从而为更换损坏的温度监测探头提供了可能，在节约成本的基础上实现温度的长期监测。

郭艳春，郑佳，于媛，等，2014. 地埋管地源热泵监测系统设计与实施介绍[J]. 城市地质，9(S1)：85-88.

田光辉，林黎，程万庆，等，2011. 天津市浅层地热能开发利用动态监测网建设[J]. 中国地质，38(6)：1660-1666.

王慧玲，王文峰，王峰，等，2011. 地下水地源热泵系统应用对地温场的影响[J]. 水文地质工程地质，38(3)：134-138.

张磊，钱华，郑晓红，等，2012. 地源热泵系统长期运行模式对地温场影响[J]. 建筑热能通风空调，31(5)：1-4+21.

The Study on Monitoring Method of Shallow Geothermal Field at Normal Temperature

JIA Zilong, LIU Aihua, ZHENG Jia, GUO Yanchun, LI Fu
(Beijing Geotherm Research Institute, Beijing 102218)

In order to verify the feasibility of the temperature monitoring method with tube in shallow geothermal fi eld, we drilled a normal temperature monitoring well in the depth of 150 m at one test site in Beijing, and put a double U-shaped vertical tube down into the well, temperature sensors were installed inside and outside the U-shaped tube in same depth respectively. After acquiring 9-month monitoring data of the geothermal fi eld, it can conclude the change trend deep down to 150 meters of the geothermal field in study area increases after decreasing and then increases again with the increasing of depth. Average temperature difference is in the range of 0℃-0.4℃ in the same depth of inside and outside the tube. The maximum temperature difference is in the depth of 130 meters where temperature of inside the tube is 0.4℃ higher than outside temperature. In the depth of 40 m, temperature is identical inside and outside tube; through the contrastive analysis of the temperature trend, no temperature difference and no hysteresis phenomenon occurred in the same depth of internal and external tube.

The temperature sensor; U-shaped tube; Geothermal fi eld

P314

A

1007-1903（2017）01-0030-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.005

贾子龙（1988- ）男，硕士，工程师，主要从事浅层地温能开发利用及资源评价研究。E-mail：jiazl30@126.com