光纖測溫技術在地溫場監測中的應用

宋帥良，王永剛,王華鋒,路小慧,馬哲民,王樂

(山東省魯南地質工程勘察院，山東 兗州 272100)

巖土體介質的不同不僅影響地溫場的形態，同時對淺層地溫能資源量評價和工程設計起著決定性的作用，掌握區域巖土體的熱物性參數及換熱性能，是保障熱泵能否在該區域高效穩定運行的關鍵[1-2]。筆者在菏澤市進行地溫資源勘查評價和動態監測與熱響應試驗相結合，取得了較好的效果，總結了規律，為下一步更好地利用淺層地溫能這種清潔能源提供一些參考[3-9]。

1 分布式光纖測溫技術原理

分布式光纖測溫系統[10]是一種時域分布式溫度監測系統，它以光纖中的拉曼散射原理為技術基礎，結合光時域反射技術(OTDR)，實現連續測量光纖沿線任一點所處的溫度。DTS(Distributed Temperature Sensing)是一種分布式光纖測溫系統，能測量光纖沿線上任一點的溫度信息并精確定位。DTS技術是基于拉曼散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光光強比的熱敏感性來確定光纜溫度，即光纖溫度是光強比值的函數。DTS解調儀通過確定這2種光光強的比值來計算溫度,而反斯托克斯光的光強與散射位置處的溫度呈現函數對應關系。溫度計算如式(1)所示：

(1)

式中:R(T)為溫度函數;IF為反斯托克斯光強;IS為斯托克斯光強;νS斯托克斯光中心頻率;νF為反斯托克斯光中心頻率;S為光波在真空中傳播速度;ν為拉曼漂移量;K為玻爾茲曼常數;h為普朗克常數;T為絕對溫度。

該次監測系統采用蘇州南智傳感科技有限公司開發的NZS-FBG-A03型便攜式光纖光柵解調儀。尤其適用于工程現場移動采集光纖光柵波長信息，該系統集成光纖光柵波長和光譜數據采集，存儲與顯示功能于一體，具有操作簡便、界面簡潔、響應快速等特點。具體參數見表1。

黃泛平原區第四系厚，各巖土層含水率較高，孔隙比較小，地下水滲透速度較快，含水層滲透性能較好，是良好的地源熱泵應用載體。以該次選用HD2孔為例，該孔含水層位分為淺層孔隙淡水含水巖組和中層孔隙咸水含水巖組。

淺層孔隙淡水含水巖組水位埋深3～6m，單位出水量一般在200～500m3/(d·m)(降深6m)。

表1 NZS-FBG-A03性能特點及技術參數

水化學類型多以HCO3-Na·Mg型或HCO3·CI-Na·Mg型為主，礦化度多小于1g/L。

中層孔隙咸水含水巖組頂板埋深約為57m，含水層頂、底板以粉質粘土、粘土為主要隔水層，與上層淡水含水層間基本無水力聯系。含水層巖性以粉細砂為主，富水性弱，一般單位涌水量小于500m3/d。該層水礦化度一般在2～5g/L之間，水化學類型主要為SO4-K·Na型或Cl·SO4-Na型。

2 地質環境條件與試驗背景

該次試驗位于菏澤市牡丹區境內，選取地源熱泵應用工程周邊HD2孔作為試驗孔，該孔主要巖性為淤泥粉土、淤泥粘土、粉土、粘土、細砂等。該次試驗將熱響應試驗[11]與光纖地溫監測相結合[12-15]，試驗安裝如圖1所示。

圖1 試驗裝置安裝示意圖

3 光纖監測測溫系統與熱響應試驗聯合試驗研究

在HD2試驗孔進行熱響應試驗的同時通過光纖測溫系統對地溫變化進行了監測(表2)，發現土體巖性的不同以及地下水流場變化的不同對地溫的傳導有直接的影響，其試驗期間溫度變化曲線如圖2、圖3所示。

表2 HD2孔各深度巖性對比

圖2 制冷工況深度-溫度曲線

圖3 制熱工況深度-溫度曲線

圖2、圖3是計算機對光纖監測測溫系統監測到的地下不同介質溫度差異的圖像處理結果。針對該種試驗過程中的明顯異樣反應現象進行研究分析，對比各深度巖性表，發現該層位為粉砂，含水率較高，此外水是熱的不良導體，但水在含水層中的流動性較強。最終得出，在熱響應試驗過程中，地下水滲流速度較快的粉砂等含水層對附加的熱負荷或冷負荷反映較為遲滯，為地下水的流動帶走了U型管向地下傳輸的熱能，使得該層升溫或降溫較為遲緩[16-18]。

4 不同介質加熱升溫能力—停止加熱恢復溫度分析

試驗針對不同巖性土層在熱響應試驗期間的溫度變化利用光纖進行了監測，在120m深的鉆孔中，選取了具有代表性的6種土，即3m處的粉土、16m處的粉質粘土、18m處的細砂、40m處的粘土、42m處的粉砂和80m處的粉砂，各層升溫速度如圖4所示。

圖4 各巖性開啟制熱后地溫升溫能力曲線

可以看到，不同類型土的升溫時程曲線光滑，升溫速率逐漸減小，并逐漸趨于穩定，其規律完全符合線性熱源在恒功率加熱條件下的升溫變化。時程曲線斜率變化能夠較好地反映各土層導熱系數的高低。其中42m處的粉砂具有滲流，根據上文分析，滲流導致了熱能傳導擴散，在加熱工況時，溫度影響范圍更廣，而溫度差變化較小。

圖5 各巖性關閉制熱后地溫恢復能力曲線

從圖5中同樣可以看到，與升溫過程類似，降溫時程曲線也非常光滑，不同導熱系數土層時程曲線特征明顯。42m處的粉砂具有滲流，在制冷工況時，降溫比其他地層慢。

通過研究發現有滲流的粉砂區溫度恢復最快，其次是無明顯滲流的粉砂、細砂區，而比較致密的粘土、粉質粘土恢復能力較慢，這同顧湘[19]在地埋管熱響應試驗孔地溫恢復特性研究中提到的觀點是相吻合的。

5 結論

熱響應試驗是檢驗淺層地溫能開發應用模擬地層熱傳導性能的可靠性較強的試驗方式，能夠較精確地測定地源熱泵運行期間對地溫場造成的影響。

光時域光纖測溫系統能夠較好地將監測數據反應至計算機終端，可直接了解地溫的變化情況，精確到不同深度每一點，是地溫場溫度變化監測的好方式。

將熱響應試驗與光時域光纖測溫相結合，能夠更直觀地反映出不同時間段不同地層導熱性能的差異，更精確地計算出不同地層的換熱能力，取得的數據對淺層地溫能的開發具有指導意義。

[1] 淺層地熱能勘查評價規范DZ/T0225-2009[S]. 北京：中國標準出版社，2009.

[2] 於仲義,胡平放,袁旭東.土壤源熱泵地埋管換熱實驗研究[J].華中科技大學學報(城市科學版),2008,25(3):157-161.

[3] 王秉忱.我國淺層地溫能開發現狀與發展趨勢[J].供熱制冷，2011(12)：50.

[4] 閆巖,汪旭,楊銳,等.我國淺層地溫能開發利用應注意的一些問題及對策建議[J].西部資源,2014(6):201-204.

[5] 劉剛,楊亞賓,馬淑杰.山東省魯北地區淺層地熱能資源評價[J].山東國土資源，2014，30(1):47-57.

[6] 孫文廣,冷旭勇,王飛，等．鄆城縣淺層地熱能勘查評價[J].山東國土資源，2015,33(1):36-39 .

[7] 周亞醒.魯西地區淺層地溫能地熱地質條件與開發利用適宜性評價[J].山東國土資源,2015,31(8):45-49.

[8] 胡波,黎逢良,譚秀全.泗河沖洪積扇松散巖土體地溫場自恢復能力研究[J].山東國土資源,2017,33(7):55-59.

[9] 李志恒,盧建榮,杜風林,等.德州市淺層地溫能資源潛力評價[J].山東國土資源,2017,33(5)：42-46.

[10] 分布式光纖溫度測量裝置[S] CN. U. 204575216. 2015.08.19

[11] Mogensen P. Fluid to duct wall heat transfer in duct system heat storages[A]//Proceeding of the international conference on subsurface heat storage in theory and practice[C]. Stockholm Sweden,1983:652-657.

[12] 張曉力,廉小親.地源熱泵遠程監測系統及數據處理與分析[J].可再生能源,2010,28(3)：126-129.

[13] 劉杰.淺層地熱能開發利用地質環境影響與監測系統建設研究[J].山東國土資源,2018,34(1):49-55.

[14] 耿毅男.淺層地溫能監測系統設計[J].中國煤炭工業,2016 (9):50-51.

[15] 何瀟楠.淺層地溫能開發利用動態監測網建設[J].科技創新 與應用,2015(15):257.

[16] Ingersoll L R, Plass H J Theory of the ground pipe heat source for the heat puillp[J]. Heating Piping﹠Air Conditioning 1948(6)：119-122.

[17] 朱常春,劉佩貴,周蜜.水文地質參數對淺層地溫能的影響分析[J].地下水,2014,36(5)：26-28.

[18] 趙新卓.流體流量對豎直地埋管深度的影響[J].山東國土資源,2017,33(10):62-68.

[19] 顧湘，段新勝，李少華.地埋管熱響應試驗孔地溫恢復特性研究[J].太陽能學報，2014(9):63-69.