唐永香，李嫄嫄，俞礽安，劉九龍,阮傳俠，靳寶珍

（1.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250；2.中國地質調查局天津地質調查中心，天津300170）

天津地區(qū)淺層地熱能賦存條件淺析及前景展望

唐永香1，李嫄嫄1，俞礽安2，劉九龍1,阮傳俠1，靳寶珍1

（1.天津地熱勘查開發(fā)設計院，天津 300250；2.中國地質調查局天津地質調查中心，天津300170）

通過對地質、鉆探資料和物探測井、巖土體熱物性參數測試等資料的研究，結合綜合勘查技術方法和對已有資料的二次開發(fā)，查明了天津地區(qū)淺層地熱能賦存條件，尤其是巖土體的熱物理參數變化規(guī)律,并借助Excel辦公軟件，采用數理統(tǒng)計方法對巖土體熱物性參數的變化進行了分析。結果表明區(qū)內巖土體的熱導率為1.23～1.62 W/ (m·℃)，比熱容為1898.52～2201.70 J/（kg·K）；粘土和粉質粘土含水量在19%左右時熱導率最佳，粉土和粉砂含水量在17%左右時熱導率最佳。該區(qū)淺層地熱能賦存豐富，具有很廣闊的開發(fā)前景。

淺層地熱能；天津地區(qū)；熱導率；比熱容；賦存條件。

在地球上的傳統(tǒng)能源越來越枯竭，而且碳排放量過高的今天，世界各國都在積極尋找新的清潔的可替代能源。蘊藏在地表以下一定深度范圍內(一般為200 m)的淺層地熱能，不僅可以供暖，也可以制冷，而且環(huán)境效益很好，利用前景廣闊[1-2]。為此，開發(fā)利用淺層地熱能對構建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現(xiàn)有能源結構、促進國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標實現(xiàn)具有重要意義[3]。如何開發(fā)利用好這一環(huán)保能源,主要是根據該區(qū)的地質條件來決定。根據調查統(tǒng)計，到目前天津已有174個地源熱泵工程，利用面積為294.79×104m2[4]，但多數工程在開發(fā)利用中存在一定的問題。究其原因多數都是由于工程前期未進行調查評價。這種對地質條件的忽視，造成了淺層地熱能開發(fā)后一些地熱泵項目不能很好開發(fā)利用，使節(jié)能工程并不能節(jié)能，從而造成水質的污染和浪費等一系列問題。因此，筆者主要從地質、水文地質、尤其是巖土體導熱系數和比熱容方面分析了天津地區(qū)淺層地熱能賦存條件。這不僅為淺層地熱能資源評價提供科學依據，同時也為其開發(fā)利用適宜性分區(qū)和開發(fā)利用方式以及場地的選擇提供重要的地質依據。

1 研究區(qū)構造

研究區(qū)位于Ⅱ級構造華北斷坳內，表現(xiàn)為一隆兩坳的構造格局，東西兩邊分別為黃驊坳陷和冀中坳陷，中間為滄縣隆起（圖1）[5]。研究區(qū)的地質構造復雜，新構造運動控制了新生代地層的沉積，對地下水的貯存、補給和排泄以及地溫場分布有一定的控制作用，也控制了該區(qū)內第四系地質結構、地層分布和水文地質特征，對區(qū)內淺層地熱能資源的儲集有重要影響。

圖1 天津地區(qū)構造圖Fig．1 Structural map of Tianjin area

2 第四系地質特征

淺層地熱能資源分布與第四系關系非常密切，從鉆探資料和勘探資料反映，區(qū)內第四系主要成因類型為沖—湖積海積，巖性主要為砂、砂性土和粘性土不規(guī)則互層。厚度變化較大，兩凹陷區(qū)最厚處己超過400 m。雖無論從平面上還是從剖面上其巖性組合較單一（圖2），但因受第四紀古地理沉積環(huán)境的影響，其地質結構在不同的地方依然存在差異。因此，這些結構上的差異在一定程度上對淺層地熱能資源的開發(fā)利用產生重大影響。

圖2 天津地區(qū)第四系三維地質結構圖Fig．2 Geological structure of Quaternary in Tianjin area

3 水文地質特征

天津市淺層地熱能儲存特征與第四系地質結構和水文地質條件息息相關。根據地下水賦存條件、水動力特征、水質特征及地下水開發(fā)利用狀況等因素，將區(qū)內第四系地下水劃分為淺層地下水系

統(tǒng)和深層地下水系統(tǒng)，可進一步細分為四個含水組[6](表1)。

4 地溫場特征

通過已有資料分析，證明區(qū)內地殼最表層的溫度受地面溫度周期性變化的影響是隨著深度的增加而減弱的。不同鉆孔在30～35 m處溫度基本不受地表溫度影響，說明此為研究區(qū)恒溫帶所在位置。恒溫帶以下隨著深度的增加地溫逐漸增高的地帶，稱為增溫帶。其值的大小用地溫梯度(G)表示，即深度每向下增加l00 m所增高的溫度值。研究區(qū)200 m以淺地層的平均地溫梯度值一般1.0～4.0℃／1OO m（表2）。

表1 研究區(qū)第四系含水組特征Table 1 Guaternary aquifer characteristics in Tianjin area

表2 天津地區(qū)地溫梯度分布特征值Table 2 Geothermal gradient distribution in Tianjin area

5 巖土體熱物性特征

根據《地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范》[7]明確規(guī)定設計地源熱泵系統(tǒng)方案前，應對工程場區(qū)內巖土體地質條件（包括巖土體熱物性）進行勘察，巖土體的熱物性參數將直接影響地源熱泵空調系統(tǒng)的造價和換熱效果[8-9]。如果熱物性參數不準確，則設計的系統(tǒng)可能達不到負荷需要；也可能規(guī)模過大，從而加大初期投資。熱導率、比熱容是巖土體熱物理性質重要參數，不僅決定地溫場的展布形態(tài)，而且也是淺層地溫能資源量計算和工程設計計算的關鍵因素。由于實驗測試值是在巖土體失去部

分重力水不飽和狀態(tài)下測得，因此，巖土體的主要熱物性參數熱導率和比熱容不能較準確的反映真實情況。鑒于此采用以下方法對熱導率和比熱容進行校正。

5．1 熱導率

目前，國內外在巖土熱導率模型方面還沒有統(tǒng)一的模型。根據實際測試數據與國內外10余模型進行對比后，通過二元回歸方法獲得巖土熱導率回歸參數模型λ＝f(ρ,s)（回歸系數R2大于0.9），得到巖土體熱導率隨干密度和飽和度的變化規(guī)律見表3。與實驗結果相比，在適用干密度和飽和度范圍內，二者相對偏差在±5%范圍之內，可以較好地滿足工程測試的精度要求。

表3 巖土體熱導率回歸方程Table 3 Soil thermal conductivity equation

5．2 比熱容

利用辣椒果實中段，去種子后準確稱取5 g樣品，剪碎并存放于100 mL的錐形瓶中，靜置30 min后，利用電子鼻進行檢測。每種樣品做3次生物學重復，分別計算每個傳感器生物學重復的均值。檢測條件：清洗時長70 s，檢測時長60 s。數據分析采用電子鼻自帶分析軟件Winmuster進行分析，包括主成分分析(PCA)、線性判別分析(LDA)和負荷加載分析(Loadings)。

根據下列（1）和（2）式對實驗測試值進行了修正。先利用式（1）求出C干后再代入式（2），計算出巖土體飽和狀態(tài)下的比熱容：

C濕：巖土實驗測試比熱容(J/(m3·℃))；χ1：巖土的干重(kg)；C水：水的比熱容(J/(kg·℃))；χ2：巖土的含水重(kg)。

Φ：巖土的孔隙度。

研究區(qū)巖土體熱導率和比熱容校正前后見表4和表5。

從表4和表5看出，對于不同區(qū)域同一巖性，巖土體的熱導率和比熱容差距稍小，但同一區(qū)域不同巖性之間熱導率和比熱容差距較大，這可能與巖土體的巖性（其中SiO2的含量）、接觸關系、粒度組合等微觀結構有關。本次研究未對巖土體的巖性、粒度級配進行測試研究。重視數據的選擇、巖性和粒度級配對天然條件下巖土體熱物性參數的影響，研究熱導率和比熱容的變化規(guī)律，更具有現(xiàn)實的工程意義。

表4 天津地區(qū)巖土熱導率校正前后數據一覽表（單位：W/(m·℃)）Table 4 Thermal conductivity before and after correction in Tianjin area(W/(m·℃))

表5 天津地區(qū)巖土比熱容校正前后數據一覽表單位（J/（kg·K））Table 5 Specific heat before and after correction in Tianjin area(J/(kg·K))

5．3 實驗成果及分析

5.3.1 不同地點巖性物理性質對比分析

研究區(qū)不同地點的各取樣孔不同巖土體對應的物理性質見表6～9，為了直觀表示出不同地點、同一巖性物理性質變化情況繪制了圖3～6。

表6 天津地區(qū)粘土物理性質一覽表Table 6 Clay physical property in Tianjin area

表7 研究區(qū)粉質粘土物理性質一覽表Table 7 Silty clay physical property in Tianjin area

表8 研究區(qū)粉土物理性質一覽表Table 8 Silty soil physical property in Tianjin area

表9 天津地區(qū)粉砂物理性質一覽表Table 9 Fine sand physical property in Tianjin area

圖3 研究區(qū)粘土物理性質對比圖Fig．3 Physical properties of the clay contrast in study area

圖4 研究區(qū)粉質粘土物理性質對比圖Fig．4 Physical properties of the silty clay contrast in study area

圖5 研究區(qū)粉土物理性質對比圖Fig．5 Physical properties of the Silty soil contrast in study area

圖6 研究區(qū)粉砂物理性質對比圖Fig．6 Physical properties of the fine sand contrast in study area

通過對比分析同一巖性不同地點巖性物理性可得出：不同地點只有粘土的自然密度、含水率、比重、孔隙率、飽和度等參數變化不大；其他巖土體巖性物

理性都存在不同程度的變化，在寧河四種巖土體的熱導率相對其他區(qū)較大，這與沉積環(huán)境有關。本區(qū)的巖土體粘土、粉質粘土、粉土、粉砂的熱導率與自然密度及飽和度呈正向相關性，其比熱容與孔隙率呈正向相關性。

5.3.2 同一地區(qū)巖性物理性質對比分析：以濱海新區(qū)為例

研究區(qū)同一地區(qū)不同類型巖土體對應的物理性質也不一樣，以濱海新區(qū)為例（圖7）。

圖7 濱海新區(qū)不同巖性物理性質對比圖Fig．7 Physical properties of different lithology contrast in Binhai New Area

同一地區(qū)不同巖性之間粘土、粉質粘土的孔隙

率、含水率和比重稍微高于粉土和粉砂，四種巖土含水率變化范圍19%～28%，孔隙率變化范圍32%～42%；粉質粘土和粉土的自然密度要稍微高于粘土和粉砂，四種巖土的自然密度變化范圍1.90～2.08 g/cm3。

5．4 巖土體熱物性平面特征

研究區(qū)內巖土體綜合熱導率總體分布特征：東西方向上兩邊高中間低，而比熱容與熱導率呈現(xiàn)大致相反的趨勢，比熱容的高值區(qū)主要分布在武清、靜海和濱海新區(qū)大部分，低值區(qū)位于寧河、市區(qū)西部和

津南等地如（圖8，圖9）。

圖8 研究區(qū)巖土體熱導率平面分布圖Fig 8 Soil thermal conductivity distribution map in study area

圖9 研究區(qū)巖土體比熱容平面分布圖Fig．9 SoilSpecific heat capacity distribution map in study area

通過分析可知熱導率高值區(qū)位于寧河一帶、武清、靜海、濱海新區(qū)的北部，這正好反映熱導率與巖相古地理環(huán)境之間的聯(lián)系，熱導率高的地區(qū)一般都是距離扇頂較近區(qū)域。

6 前景展望

研究區(qū)具有優(yōu)越的自然地理條件和氣候背景，有利于保持溫度場的平衡，為淺層地熱能的利用提供了有利的保證。根據淺層地熱能的利用特點，研究區(qū)潛水位過淺（一般1～2 m），考慮到地源熱泵系統(tǒng)施工利用特點，儲存在包氣帶中的淺層地熱能沒有開發(fā)價值，因此通過建立區(qū)內第四系淺層地熱能概念模型和數學模型，對淺層含水層中的淺層地熱容量采用體積法計算評價。計算結果：研究區(qū)深度為200 m的淺層地熱熱容量為5590×1012kJ/℃?？晒┡娣e1349.41×106m2，可制冷面積1267.58× 106m2。通過采用與常規(guī)能源(燃煤)類比方法進行折算，研究區(qū)內每年可節(jié)約標準煤5974.34萬噸，扣除因開采淺層地熱能造成的能源消耗，可節(jié)約標準煤4480.75萬噸。減少向大氣中排放煤灰、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳為11842.18萬噸，減少環(huán)境治理費1306 0117萬元[10]。故此研究可為天津市實

現(xiàn)節(jié)能減排、建設生態(tài)型城市和社會經濟發(fā)展提供科學的數據。

研究區(qū)具有豐富的淺層地熱能、巨大的能源需求及較高的環(huán)保要求，在豐富的理論指導和政府相應政策支持下，該區(qū)淺層地熱能的開發(fā)利用具有廣闊的前景。

7 結論

根據研究區(qū)地質、水文地質和巖土熱物特性分析，得出如下結論：

（1）研究區(qū)第四系主要巖性是由粘土、粉質粘土、粉土、粉砂組成。從統(tǒng)計結果來看，區(qū)內巖土體熱導率：1.23～1.62 W/(m·℃)，比熱容1898.52～2201.70 J/(kg·K)。

（2）在天然含水率條件下，巖土的熱導率和比熱容主要受孔隙率、自然密度、飽和度以及含水率等物理性質的影響。熱導率隨含水率、天然密度、孔隙比的變化趨勢明顯：其隨著含水量的增大而逐漸減小，隨密度的增加而增大，隨著孔隙度的增加而逐漸降低，然而比熱容的變化正與熱導率相反。粘土和粉質粘土含水量在19%左右時熱導率最佳，粉土和粉砂含水量在17%左右時熱導率最佳。

（3）研究區(qū)受自然地理條件和氣候條件影響具有巨大的制冷和供暖需求，具備利用地源熱泵技術的優(yōu)越水文地質條件，目前在相對成熟的理論成果指導下和政府部門的政策支持下，該區(qū)開發(fā)利用淺層地熱能有了更廣闊的前景。

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Analysis on the Occurrence Conditions and Prospect of the Shallow Geothermal Energy in Tianjin area

TANG Yong-xiang1,LI Yuan-yuan1,YU Reng-An2,LIU Jiu-long1, RUAN Chuan-xia1,JIN Bao-zhen1
(1.Tianjin geothermal exploration institute,Tianjin,300250,China；
2.Tianjin Center of China geological survey,Tianjin,300170,China)

Based on the information of the integrated drilling,exploration wells,thermal properties of soil and rock testing data and comprehensive exploration methods with the second development of the present data,we identifyed the occurrence of the shallow geothermal conditions,particularly the rock and soil variation of thermal physical parameters.And we analysed the thermal properties of soil and rock by the mathematical statistics method.The results show that the thermal conductivity of the soil is 1.23～1.62 W/(m·℃),the specific heat capacity is 1898.52～2201.70 J/(kg·K).When the clay and silty clay has a moisture content of about 19%,the thermal conductivity is best,and silt and silty sand has a moisture content of about 17%,the thermal conductivity is best.Tianjin is rich in shallow geothermal energy with wide development perspective.

shallow geothermal energy;Tianjin;thermal conductivity;specific heat;occurrence condition

P314.1

A

1672-4135（2013）03-0213-08

2013-05-15

中國地質調查項目：天津市淺層地熱能資源調查（1212011013001）

唐永香（1982-），工程師，2005年畢業(yè)于石家莊經濟學院地質系，主要從事地熱勘查、水工環(huán)地質研究，E-mail：dry_tt@126.com，聯(lián)系電話：13920329360。