【摘 要】
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浅层地温能的开采会扰动地温的初始状态,扰动过程往往伴随着地下水的流动,这种水流场会形成热对流改变温度场的分布,改变后地温状态不仅会影响地温的开采效率,而且可能会带来生态环境以及地质环境的改变,研究形成的热对流影响地温状态显得尤为重要。本论文以“中国和德国城市地下热岛的过去、现在和将来-地温能开发的影响”中德合作项目为依托,利用水文地调钻孔进行了抽水试验,在钻孔侧壁布设（Distributed Te
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浅层地温能的开采会扰动地温的初始状态,扰动过程往往伴随着地下水的流动,这种水流场会形成热对流改变温度场的分布,改变后地温状态不仅会影响地温的开采效率,而且可能会带来生态环境以及地质环境的改变,研究形成的热对流影响地温状态显得尤为重要。本论文以“中国和德国城市地下热岛的过去、现在和将来-地温能开发的影响”中德合作项目为依托,利用水文地调钻孔进行了抽水试验,在钻孔侧壁布设（Distributed Temperature Sensing,DTS）监测不同地层的实时温度;为了佐证野外地温变化规律,在室内设计制作了研究土层温度场受水运移扰动而改变的实验系统,改变上部水层和下部水层的工况,利用DTS、FBG和PT100监测不同土层温度的变化规律;进行室内试验箱下部水层的抽水,仿真野外的抽水试验,研究等温层之间的补给规律;进而箱体内设置不同材料的覆盖层（保温板、透水石）,研究覆盖层的增加对热对流的影响;在数值模拟方面利用FEFLOW软件建立室内模型箱模型,将模型箱试验条件设置为数值模型的边界条件,验证室内模型试验的结果;结合对地温场评价的国内外研究现状,提出数值模型研究地温开采演化和预测地温场变化的重要性。通过以上工作,对地温场采后演化规律有更清楚的认识,主要观点总结如下:（1）在钻孔壁布设分布式光纤,可以较为灵敏的监测出水位扰动地温的变化,水位变化引起热对流驱动地温发生变化。在0-5m深度范围内地温主要受到地表温度的影响,地下水活动影响的程度较小,在深部影响较为明显;（2）在室内模型试验中发现缠绕式碳纤维内加热感温测棒、高强分布式感温测棒响应时间较短,精度达到0.5℃,灵敏的感测了模型箱实验的土层温度变化。对比了 DTS、FBG、PT100的测温效果,DTS是最好的连续测温工具,FBG的测温准确度与传统测温工具PT100基本一致,提供了一种很好的监测方案,利用PT100矫正DTS实现温度准确和连续监测;（3）改变室内试验不同的工况条件,发现温度场的改变主要由水流运移引起。除此之外,土层的渗透率和边界温度差会影响温度场改变的速率,不同的通水条件会影响热量运移范围;（4）在上下部恒温层的耦合作用下,抽水可引起土层温度发生越流补给,并且温度的改变具有成层性,通过抽水方式不同可控制高温（低温）区域有方向性的运移;（5）通过在模型试验箱体中设置不同材料的覆盖层,观察出不透水材料明显阻碍了土层温度场的补给,透水材料延缓土层温度场的补给,推断野外地温开采中,热岛效应会延缓甚至阻隔地温场的平衡恢复能力;（6）建立FEFLOW的数值模型,模拟室内试验过程,模拟结果与试验结果一致。数值模型可以较好的显示流场,可以很好的认识模型试验的流场情况,通过流场和温度场的动态改变规律,证明野外和模型试验的结论:水流驱动温度场的改变。
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