南京市浅层地温场监测方案和地温分布特点研究

张天生，刘 春,2*，李济琛，施 斌,2

1.南京大学 地球科学与工程学院, 南京 210023；2.南京大学（苏州）高新技术研究院, 苏州 215123

地热资源作为可再生能源，中国从20世纪70年代已经开始对其进行勘察与开发利用工作。尤其从20世纪90年代开始，地热资源的开发利用得到了飞速发展，其应用领域逐渐广泛（程万庆，等，2006）。随着石油、煤炭等常规能源日益缺乏和环境问题不断突出，地热资源等可再生能源的开发利用成为重点问题。

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度内的岩土体、地表水和地下水中具有开发利用价值的热能（中华人民共和国国土资源部，2009）。国外对于浅层地温能开发利用较早的国家，大多已对其浅层地温能的潜力分布做了详细的调查并积极发展地源热泵（蔺文静，2012）。中国在地源热泵方面虽起步较晚，应用时间较短，但推广速度很快，据统计，截至2017年，国内年利用浅层地温能可折合1900万吨标准煤，应用建筑物面积超过5亿平方米（自然资源部中国地质调查局，2018）。

一般认为浅层地温能赋存于地下0～200 m内的岩土体或水体中，其能量来源于地表吸收的太阳辐射和深部地热两部分。区域浅层地温能主要受太阳辐射、水文地质条件、区域地质构造情况、岩土体结构等方面影响（杨荣，2013）。前人的研究多关注于浅层地温能的资源量及其开发潜力，在开发利用效果、开发过程中对地质环境的影响等方面的研究还不够全面。浅层地温能的开发利用效果与其在该地区的分布情况密切相关，若对其的勘查评价工作不到位，盲目地进行开发利用会造成大量的资源浪费。此外，浅层地温能的开发利用必然导致原始地温场发生变化，不合理的开发利用很可能会带来一系列新的水文地质与生态环境问题。

故在浅层地温能开发利用的过程中，对其进行准确的勘查评价和实时的现场环境监测十分重要。建立起长期有效的浅层地温场监测系统，是开展浅层地温勘查评价与后期监测工作的一大要点，可以及时获取区域地温场的动态变化趋势，为合理设计地源热泵系统提供依据并保证其正常运行（亓军强等，2015; 刘立才等，2007；黄坚等,2018）。在德国，多个城市已经开展了较为全面的地温监测工作（Benz et al., 2015; Menberg et al.,2013）；在国内多个城市，如北京、天津、南京等已开展了监测系统的建设（朱世保等, 2018）。以本文研究区域南京地区为例，浅层地温能的开发利用已经取得一定成效，开发利用工程的应用面积超过600万平方米，但仍存在调查评价相对落后、实时动态监测不到位等问题（鄂建等，2015）。

目前，浅层地温场监测的常规方法是将温度传感器绑于U型或单根地埋管外壁，与地埋管一同回填入孔（郭艳春等，2014）。此方法虽然能准确测量出监测点的地温场温度，但由于长期埋设于地下，温度传感器易被腐蚀出现损坏。另一种新的监测方法是将U型地埋管内部充满水，将温度传感器下入管内，待管内水温和地层温度达到平衡后开始进行监测（Bayer et al., 2016）。贾子龙等（2017）验证了该检测方法完全可以取代温度传感器管外埋设的方法，在节约成本的基础上实现温度场的长期监测。

在监测设备方面，温度传感器作为浅层地温场监测中最基础也是最重要的设备，合理地选择传感器十分重要，既要考虑到监测结果的可靠性又要考虑到实际施工情况（贾子龙，2017）。

本文对目前项目上使用的4种地温监测传感器进行介绍，包括分布式测温光纤、FBG、Pt100和iButton，并通过野外监测和室内试验，对其在地温监测方面的应用进行对比分析，制定出一套较为完善的综合多种监测手段的野外监测方案，为建立地温场监测系统提供参考，以期通过综合多种方法，以较低成本高效地完成地温场监测工作。并利用已获得数据，总结出南京地区浅层地温在垂向和空间上的大体分布规律。

图1 南京市浅层地温能钻孔分布示意图Fig.1 Distribution map of shallow geothermal energy holes in Nanjing

1 研究区域和监测技术

1.1 研究区域

本次研究的野外监测在南京市行政区域内进行。借助江苏省地调局在2012年建成的53口地温监测钻孔（井），进行浅层地温场的野外监测。53口地温监测钻孔基本覆盖南京市行政区域，且在城市化进程相对较快的长江沿岸区域内，钻孔分布相比其他区域更密集，对研究浅层地温能开发利用较为方便。钻孔具体分布情况见图1，其中对已开展现场监测钻孔做了标记，其余钻孔为尚未进行监测，或因施工、植被覆盖等原因暂无法进行监测的钻孔。

1.2 监测手段

本次研究将采用4种地温监测传感器，分别为分布式测温光纤、FBG、Pt100和iButton。

1.2.1 分布式光纤测温技术

分布式光纤测温技术（Distributed Temperature Sensing-DTS）是一种利用光纤内的散射光信号来获取空间内温度分布情况的测温技术。根据散射光的类型，目前已有三种分布式光纤测温技术(于海鹰，等，2013)。受限于制造成本、测温精度等问题，目前基于拉曼散射的测温技术应用广泛（易多，2012; Zou et al., 2009），故仅简要阐述拉曼散射测温的技术原理。

光在传输过程中，光子与光纤介质发生非弹性碰撞，将产生两个频移分量：反斯托克斯光和斯托克斯光，根据两者的光强比与局部温度的关系，可得到某处光纤的温度（隋海波等，2008），并结合光时域反射技术（OTDR），可获取光纤沿导线各处的温度，实现分布式温度传感（宋占璞等,2014）。本文选用型号为FS-DTS-800的分布式光纤测温仪进行相关测试。

1.2.2 光纤布拉格光栅

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating-FBG）是目前最重要的光纤传感核心元器件之一。图2为型号NZS-FBG-TM的FBG温度传感器。

FBG利用光纤材料的光敏特性，在光纤内形成空间相位光栅。由于光栅对波长具有选择性，满足特定波长的入射光在光栅处被反射，而其余波长的光不受影响，从而反射光谱出现峰值λB，称为FBG的特征波长。

当受到外界信号的调制，如温度、应力场等环境因素变化，FBG的特征波长会发生波长偏移，通过解调波长的变化便可测得外界信号(张记龙和曾光宇，2001)。特征波长的变化满足式（1）：

式中Δλ为FBG特征波长变化量；Pe为光纤光弹系数；ε为光纤轴向应变；α为光纤热膨胀系数；ξ为光纤热光系数；ΔT为温度变化。理论上，FBG测温精度可达0.05℃。

图2 光纤光栅温度计Fig.2 Fiber Bragg Grating thermometer

本文选用苏州南智传感科技有限公司生产的NZS-FBG-TM光纤光栅测温串进行相关测试，波长解调仪选用NZS-FBG-A03光纤光栅解调仪，波长分辨率为1 pm。

1.2.3 Pt100

Pt100是正温度系数的铂热电阻，电阻阻值随温度的升高而升高，工作范围可在-200℃至650℃之间。其在0℃时的电阻为100 Ω，故称为Pt100。其在0℃至100℃之间阻值与温度的关系可表示为式（2）（张志勇等，2007）：

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

在温度测量方面，Pt100已经得到广泛应用，其测温精度高，信号分辨率为0.1℃，亦常被制作成各类标准温度计。由于其测量精度受测量导线自身电阻影响，故Pt100常用于较短距离的对点测量。

本文选用1100系列的单回路数字显示控制仪进行相关测试，测量精度为3%，信号分辨率为0.1℃。

1.2.4 iButton

iButton即信息纽扣（Information Button），将高性能的集成线路封装于纽扣形的不锈钢外壳内，直径为16 mm，厚度为3～6 mm不等，见图3。iButton高度集成了测温系统所需的一切组件，包括温度传感器、实时时钟、数据存储器、微处理器和电池等，可自动完成温度测量和记录（刘武光，2009）。iButton的集成电路被保护在不锈钢外壳内，可保证其电气及机械寿命超过10 年，可抵抗3 ATM的压力，且其读写次数几乎不受机械特性限制。此外，iButton还具有抗水、抗磁、抗腐蚀等特性，是一种新型的测温传感器，但对于其具体测温精度和实际可抗压力还未有相关研究。不同型号的iButton具有不同的测温范围和测温精度，本文选用型号为DS1922L的iButton进行相关测试，测温范围为-40～85℃，测温精度优于0.5℃。

图3 iButton及信息读取器Fig.3 iButton and its information reader

2 传感器的野外和室内测试

为了对4种测温传感器在地温监测方面的特性进行对比分析，根据各测温传感器自身特点，分别在室内和野外对4种传感器进行了测温试验。

2.1 室内测试内容

室内测试主要对DTS、Pt100、FBG和iButton等4种测温传感器进行恒温测定，并以等温度梯度设置不同温度，观察同一温度环境下4种传感器的测温精度。

室内测试中，将100 m长的测温光纤、Pt100、FBG、iButton与水银温度计放置于同一恒温槽中，设定恒温槽温度，使得温度范围为20℃至50℃，并以等温度梯度为10℃进行升温—降温试验。考虑到恒温箱系统稳定可能存在滞后，每次待恒温槽内温度显示稳定后30 min再记录读数。

2.2 野外测试内容

野外测试采用分布式光纤测温（DTS）、FBG测温和Pt100电阻式测温3种方式。测试内容主要对南京地区部分地温钻孔进行温度数据采集，钻孔深度约为100 m。

于地温钻孔孔口至孔底布设分布式测温光纤，并使用DTS监测温度。采集数据前通过参考光的衰减情况判断光纤铺设质量，确定所下放光纤满足测试要求后开始采集数据，待其示数稳定后记录读数；下放FBG测温串于钻孔中，在距孔口2 m、5 m、10 m、20 m、40 m、60 m、80 m处固定，如图4所示，待示数稳定后记录读数；下放Pt100测温探头于钻孔中，距孔口20 m处固定，待示数稳定后记录读数，并上移1 m，重复上述操作直到测温探头到达孔口。为更准确反映近地表温度变化情况，在距孔口1 m时，每隔0.2 m进行一次读数操作。

3 数据分析

3.1 室内测试数据分析

3.1.1 Pt100

在开展测试前，使用水银温度计对Pt100进行测试，确定Pt100所测得温度适合作为野外条件下的参考温度。设定恒温槽温度20℃、30℃和40℃，并用水银温度计进行校准。考虑到恒温箱系统稳定可能存在滞后，每次待恒温槽内温度显示稳定后30 min再记录读数。试验所得数据如表1所示。

图4 DTS、FBG钻孔温度监测示意图Fig.4 Sketch map of temperature monitoring using DTS and FBG

据表1数据，可以看出Pt100的测量精度高，在0.1℃以内，且Pt100测温灵敏性高，其所测得温度作为参考温度。故在后续的室外数据分析中，以Pt100作为标准，其所测得温度作为参考温度，并用于较准其他的野外数据。

表1 Pt100与水银温度计测温结果（℃）Table 1 The temperature measurement results using Pt100 and mercury thermometer

3.1.2 DTS、FBG、iButton对比分析

本次研究中，考虑到恒温箱显示温度为电子测温传感器测得，存在一定误差，根据前述中对Pt100的测定试验，可认为Pt100所测温度为参考温度，故以水银温度计和精度较高的Pt100所测得温度的平均值作为参考温度。取升温与降温两组数据的平均值作为各测温传感器的测定温度。

表2为DTS、FBG和iButton的室内测温结果。相对于其他温度传感器，DTS测温精度较低，约为0.4℃，且易出现较大波动，最大误差为0.65℃。DTS在室内条件下的测温精度相对较低。

表2 DTS、FBG和iButton室内测温结果（℃）Table 2 The indoor temperature measurement results using DTS、FBG and iButton

FBG测温精度较高，可控制在0.1～0.2℃，但最大误差为0.56℃，表明其在实际测量中可能出现较大误差。此外，由于FBG所得温度是由标定方程对波长进行换算，在长期使用过程中，应定期对FBG进行重新标定，以避免因仪器损耗、环境变化等影响测温精度。

相比DTS和FBG，iButton测温精度较高，可控制在0.1℃以内，最大误差为0.15℃。此外，iButton可根据实际需要设定测温周期，在长期温度测量中占据较大优势，但其在野外条件下的应用情况还需要进一步研究。

3.2 野外测试数据分析

本次研究中选取了6组较具有代表性的地温钻孔监测数据对DTS在野外条件下的监测特性进行分析，4组较具有代表性的地温钻孔监测数据对FBG在野外条件下的监测特性进行分析。

3.2.1 DTS

受Pt100测量导线长度的限制，仅取钻孔深度20 m以内的DTS测得的地温数据与Pt100作对比。不同钻孔所得数据情况如图5所示。图中DTS与Pt100测得钻孔温度变化趋势一致，说明DTS对钻孔空间范围内温度变化趋势的测量结果可靠。

由于近地表受大气及太阳辐射影响较显著，温度变化较快，DTS与Pt100的测温灵敏性存在差异等，DTS在近地表（地下0～5 m）测得温度与参考温度有一定差值。地下0.8 m处的平均绝对误差为0.53℃。

在地下5 m以下，误差的波动幅度逐渐减小，整体趋于稳定，平均绝对误差在地下6 m处为0.21℃，14 m处为0.19℃，18 m处为0.17℃。整体来看，DTS测温准确度提高，随深度增加而趋于稳定，DTS测温精度可控制在0.2℃以内。

图5 不同钻孔DTS与Pt100测温结果对比图Fig.5 Comparison of the temperature measurement results of different holes using DTS and Pt100

此外，可见sg27测得温度的误差始终较大，但整体温度变化趋势一致，表明DTS在本次测温中测得温度均偏高。根据DTS测温原理，除温度因素外，环境应力、光纤制作差异及使用磨损等均会影响光在光纤中传播的衰减情况并改变光强，从而影响测温精度。sg27测得温度均偏高的主要原因是DTS光损参数的设置与实际不符，表明DTS在实际应用中应配以其他监测手段与其进行校准，保证其测温的精确性。利用Pt100进行校准，可使测温误差在0.1℃以内。

3.2.2 FBG

由于FBG为长距离定点测量，在Pt100可测量范围内的数据较少，不具有明显代表性，故所选取的4组地温钻孔监测数据将采用DTS和Pt100测得数据与FBG进行对比。`

4组钻孔数据情况如图6所示。对图6进行分析，可以发现：FBG测得钻孔温度情况与DTS测得温度的变化趋势基本一致，但由于FBG在钻孔内为定点测量，FBG测得数据不能完整地体现出钻孔空间范围内温度变化情况。在0～20 m深度范围内，FBG与Pt100的测温数据总体基本一致，平均绝对误差在0.2℃以内，但在个别数据上相差较大，最大误差为0.8℃，此次监测中，FBG未达到理论上0.05～0.1℃的测温精度，其野外监测的可靠性还需提高。在地下20 m以下，FBG与DTS的测温数据总体上相差较小，平均绝对误差在0.2℃以内。

在图6c中可见60 m深度上FBG测得温度与DTS相差约1.0℃，后续对该深度的FBG进行检测，结果表明该FBG已经损坏。在式（3）中可知，波长变化与温度和应变情况有关，在使用过程中FBG受到的拉扯、碰撞等都可能影响测温结果甚至造成传感器的损坏。因此，在使用FBG进行野外地温监测时，需要特别注意对传感器的保护，避免过度拉扯。

4 监测方案设计和监测结果分析

4.1 监测方案设计

根据以上的野外和室内测试结果，在项目研究的基础上，以研究区域南京市为例，制定了一套较为完善的野外监测方案：（1）在所有钻孔中埋设分布式测温光纤，以获得钻孔内地下深度的连续地温；（2）根据地温钻孔的土层分布和所获取的地温分布数据，选取两个较为典型的地温钻孔，在钻孔内布设FBG测温串，用于与DTS测温作对比；（3）在所有钻孔点距地表5 cm处布设iButton，以获得地表的时间连续温度，用于校验卫星地表数据和提供边界条件，同时可利用iButton建立起长期的连续监测站；（4）使用Pt100监测地表以下25 m内的精确地温。

图6 不同钻孔FBG测温结果对比图Fig.6 Comparison of the temperature measurement results of different holes using FBG

在该监测方案中，利用 DTS获得深度连续地温，利用iButton获得地表的时间连续温度，利用Pt100和FBG对所获取的地温数据进行校验。通过综合多种监测设备，有效利用了各温度监测传感器的优势，为浅层地温场的长期监测提供参考。

4.2 监测结果分析

通过采用上述监测方案，已对南京市多个地温钻孔进行监测，并获取了钻孔监测数据，部分结果如图7所示。通过对比和分析不同钻孔及不同时间对同一钻孔的监测结果，可发现以下几点特征。

（1）由于近地表（约为地下0～5 m）受大气及太阳辐射影响显著，各钻孔在该范围内温度变化大，在5～10 m深度范围内温度变化逐渐减小，可知地下0～10 m为变温层。地下10～20 m范围内各钻孔温度保持相对稳定，且可见监测数据随监测时间无明显变化，该深度范围为恒温层，温度保持在18～19℃。地下20 m以下，各钻孔内的温度以一定的增长速率线性升高，表明其为增温层。

（2）不同钻孔的温度变化情况存在差异，表现为两方面：一方面在变温层即地下0～10 m，可见各钻孔温度变化情况差异大，如sg02、sg43等钻孔内温度随深度增加而先升高后降低，而sg33、sg26等钻孔内温度随深度增加而缓慢升高，无明显温度降低的过程。另一方面，在增温层即地下20 m以下，不同钻孔内的地温梯度存在差异。如sg27位于汤山地区，区域内发育有断层和温泉，钻孔范围内多为泥岩，可见地下20 m以下的温度变化明显大于其他钻孔，地温梯度大于其他钻孔。上述两方面表明，浅层地温分布在水平向和垂向上具有一定的差异性。

图7 不同钻孔的温度变化曲线Fig.7 Variation curves of temperature of different

（3）近地表地温受地表覆盖层、大气及太阳辐射影响较大，不同季节、不同区域变化差异大，而随着深度加深，地温逐渐转变为受地质构造和水文地质条件等因素影响。从钻孔sg27不同时间的监测数据来看，地温在10 m深度范围内受大气及太阳辐射影响明显，随地表温度的变化而变化，并且可发现由于土体比热容较大，存在季节滞后性，表现为地温先升高，在4 m以深处降低并趋于恒温层温度；随着深度加深，地温受大气及太阳辐射影响逐渐减小并逐渐受地质构造及水文地质条件影响，在恒温层内保持相对稳定，在20 m深度以下线性升高。

5 结论

本文对目前项目上使用的4种温度监测传感器进行了原理上的介绍，并分别在室内和野外对其进行了测试。通过对试验结果进行分析，得出了DTS、FBG、Pt100和iButton的优缺点及特性。

（1） DTS可获取到整个钻孔深度内温度分布情况，且可靠度较高。此外，DTS可供长期使用，但在实际应用中应配以其他监测手段与其校准以保证其长期测温的精度。

（2） Pt100的测温精度在0.1℃以内，具有很好的稳定性，可用其作为参考对其他测温设备进行校准。但Pt100仅可监测钻孔深度25 m以内的温度，不适用于在整个钻孔深度内（0～100 m）进行温度监测，且易受腐蚀，不适宜长期埋于钻孔内进行监测。

（3） FBG理论测温精度在0.1℃以内，但实际测温精度难以达到理论值，一般为0.1～0.2℃，在使用时应定期进行标定。此外，相比其他3种测温传感器，FBG较易损坏，监测成本较高，目前还不适用于长期的大规模地温监测，并避免过度拉扯测温串。

（4） iButton的测温精度在0.1℃以内，且读数稳定，测温周期可自行设定，适用于对钻孔某一深度进行长期监测，但其在野外条件下的耐久性还有待研究。其理论抗压能力为3ATM，仅适用于较浅区域的定点监测，对较深区域进行监测需增设保护套。

根据4种温度监测传感器的特性，综合利用多种温度监测传感器，制定出一套较为完善的野外监测方案，对不同深度下的地温进行了更为精确的监测。通过分析已获取的南京市钻孔地温监测数据，总结出南京地区浅层地温在垂向上的大体分布规律，并发现其分布在空间上具有差异性，浅地表地温与地表覆盖层、大气及太阳辐射有关，深部地温受地质构造和水文地质条件等因素控制。