陸　陽，王　威

（1.天津市控制地面沉降工作辦公室，天津　300061；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南　250014）

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天津某工程項目取用地熱水的合理性分析

陸陽1，王威2

（1.天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061；2.山東省第一地質礦產勘查院，山東 濟南250014）

摘 要：為保證地下水資源的可持續(xù)利用，建設項目取用地下水必須遵循合理開發(fā)利用原則。天津市地下熱水資源供暖利用廣泛，以某建設項目為例，計算分析項目取用地熱水的合理性，為相關水資源管理工作提供技術支持。

關鍵詞：地下水資源；合理開發(fā)利用；建設項目；地熱水；天津

為促進水資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)利用、保障建設項目的合理用水要求，根據(jù)《取水許可和水資源費征收管理條例》規(guī)定，直接從江河、湖泊或地下取水并需申請取水許可證的新建、改建、擴建的建設項目利用水資源，必須遵循合理開發(fā)、節(jié)約使用、有效保護的原則［1，2］。天津是全國開發(fā)利用地下熱水資源最早的城市，也是目前全國利用地熱水供暖規(guī)模最大的城市。在開采地熱水過程中，對地熱水大量無序的開采，加之地下水補給不足，造成局部地區(qū)地下水位顯著下降［3，4］。筆者以天津某建設工程項目為例，從項目開采地熱水合理性和項目合理取用地熱水水量2個方面著手分析項目取用地下熱水的合理性。

1　項目概況

天津某建設工程項目位于北辰區(qū)西堤頭鎮(zhèn)內，擬建地熱供熱系統(tǒng)，供熱面積為8萬m2，由于項目地點供熱配套設施不能滿足用戶供暖需求，擬在項目園區(qū)內開鑿采、灌井各1眼，開采地下熱水為建筑物冬季地板供暖。項目隸屬華北地區(qū)，該區(qū)域屬溫帶大陸性季風氣候，按日平均溫度≤5℃的采暖起止溫度計算，采暖期為120 d。根據(jù)天津市氣象統(tǒng)計資料和《采暖通風設計規(guī)范》的基本設計參數(shù)（見表1），該項目地熱設計建筑的熱指標為40 W/m2，散熱器系統(tǒng)退水水溫為34℃，取用地下熱水時同層等量回灌，達到采灌平衡。

表1　天津地區(qū)采暖熱負荷基本設計參數(shù)

2　地熱水開采利用的合理性分析

2.1區(qū)域地熱地質條件

項目位于天津山嶺子地熱田內，山嶺子地熱田屬天津市區(qū)及其近郊的四大地熱田之一，位于東麗區(qū)一帶。地熱田范圍內地勢平坦，地表坡降在2.5‰～4.8‰，平均海拔標高3.4～3.9 m，氣候屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候。

山嶺子地熱田位于滄縣隆起北端的大、小東莊凸起之上，東側、東南側和西北側分別與黃驊凹陷和冀中凹陷相鄰，北起潘莊凸起南緣，南至海河斷裂，西依天津斷裂，西南側與白塘口凹陷相接，滄東斷裂斜穿其間。區(qū)內發(fā)育有兩組最大的斷裂，一組為NNE向的滄東斷裂、天津斷裂，另一組為NWW向的海河斷裂、程林莊斷裂［5］。項目區(qū)域構造及地熱田分布，如圖1所示。

圖1　項目區(qū)域構造及地熱田分布

山嶺子地熱田地層自上而下有新生界第四系、新近系，中生界，古生界石炭一二疊系、奧陶系、寒武系，元古界青白口系、薊縣系。新近系陸相碎屑沉積層劃分為新近系熱水系統(tǒng)，分為3個熱流體富集段：新近系明化鎮(zhèn)組上段、新近系明化鎮(zhèn)組下段和新近系館陶組，地熱水溫度30～57℃。中、上元古界和下古生界海相碳酸鹽巖沉積層歸并為基巖熱水系統(tǒng)，分為3個熱流體儲集層：奧陶系熱流體儲集層、寒武系府君山組熱流體儲集層和中上元古界熱流體儲集層。奧陶系地層僅分布于海河斷裂與程林莊斷裂之間的局部地區(qū)；寒武系下統(tǒng)府君山組熱流體儲集層巖性為府君山組角礫狀灰?guī)r和泥晶灰?guī)r，總厚度7.0 m左右，巖溶裂隙發(fā)育，鉆進中上、下段均有漏水現(xiàn)象，井口溫度75～96℃；中、上元古界熱流體儲集層為霧迷山組厚層狀白云巖夾少量泥灰?guī)r和石英砂巖薄層，一般呈致密塊狀，區(qū)內霧迷山熱儲最大溫度目前監(jiān)測為102℃，單井出水量約80～110 m3/h。霧迷山組地層在3 000 m深度內均可揭露，地層內地熱水溫度高、壓力大、產水量大，是本區(qū)具有開發(fā)前景的熱儲層。在地熱水開采過程中，地熱水水位下降較為顯著。霧迷山組熱儲層集中開采區(qū)在天津市區(qū)、張貴莊地區(qū)分別形成水位降落漏斗，分析區(qū)內該熱儲層靜水位埋深在98～125 m，降幅在2～7 m/a。

2.2地熱水開采層位選擇

針對項目熱負荷需求，結合項目所在地的地下熱儲層情況，進行開采層位選擇。

項目所在地新近系明化鎮(zhèn)組出水溫度為30～50℃，地熱水直接利用溫度不高于16℃，故明化鎮(zhèn)組熱儲層不能滿足熱負荷要求。

項目所在地新近系館陶組有效厚度11～47 m，為低產水層，西北部天津斷裂下降盤已有館陶組地熱井（大參二井）出水水溫僅52.5℃。此外，依據(jù)天津市地熱水回灌試驗研究成果以及當前館陶組的回灌現(xiàn)狀［3，4］，發(fā)現(xiàn)館陶組熱儲地層不易回灌，難以實現(xiàn)同層等量回灌的目標，由此可見，館陶組熱儲層不宜作開采目的層。

奧陶系熱儲層在項目5 km半徑范圍內缺失。

項目所在的山嶺子地熱田寒武系地下熱水資源儲量僅11.78萬m3/a，而項目開采總量為8.1～22.8 萬m3/a，所以不宜選用寒武系熱儲層作為目的開采層。

項目選定薊縣系霧迷山組熱儲層作為開采目的層，原因如下：①項目所在地區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲層地層巖性為厚層狀白云巖夾少量泥灰?guī)r和石英砂巖薄層，2 460 m埋深以下可揭露該熱儲層，且山嶺子地熱田內霧迷山組熱儲層地下熱水溫度70～102℃，單井出水量80～110 m3/h；②山嶺子地熱田霧迷山組地熱儲量達824.6萬m3/a，項目所在地屬于霧迷山組富水性中等地區(qū)；③薊縣系霧迷山組熱儲層巖溶發(fā)育，單井涌水量大，易于回灌。經綜合分析，認為薊縣系霧迷山組熱儲層可作為本項目的主要開采目的層。

2.3地熱水直接利用溫度區(qū)間確定

建設項目所在地相應的供熱配套不能滿足新建項目的供熱要求，而項目所在地處于山嶺子地熱田內的潘莊凸起邊緣，依據(jù)地熱普查資料，該層平均地溫梯度達到3.5℃/100 m［6］。綜合考慮項目的經濟效益和社會效益，可以認定選用地下熱水作為熱源是合理的。在熱負荷設計方面，工業(yè)用途建筑的熱指標為40 W，符合天津市相關節(jié)能標準；鑒于地板采暖對水溫要求，本項目退水水溫為34℃，符合天津市散熱器系統(tǒng)供/回水溫度32～42℃的要求。同時，本項目取用地下熱水資源，在地下水利用方面采用的是采灌平衡技術，不會造成地下水資源的浪費；在運行過程中采用的全封閉技術僅僅提取水中的熱能源，不會造成地下水水質的污染。經綜合分析，認為本項目開采地熱水是合理的。

參照《天津市地源熱泵系統(tǒng)管理暫行規(guī)定》中關于“采用的地源熱泵系統(tǒng)提取溫差低于10℃情況下不予批準”的規(guī)定，本項目地下熱水直接利用溫度不得低于10℃。

本項目所在地區(qū)地表以下分布有新近系熱水系統(tǒng)和基巖熱水系統(tǒng)，地下熱水水溫為40～102℃。本項目地下熱水取水用途為直接地板供暖，地板供暖要求供熱溫度為32～42℃，考慮到供熱回路中2次測量的溫度波動，本項目地下熱水的尾水溫度為34℃。由此可見，本項目地下熱水直接利用溫度不超過70℃。通過上述分析，認定本項目地下熱水直接利用溫度10～70℃。

2.4地熱水開采水量區(qū)間分析

在一定熱負荷條件下，地下熱水井開采量與直接利用溫度相關。參照天津市采暖季不同室外溫度條件下的延續(xù)時間、采暖負荷比和項目的總熱負荷情況，單純采用地熱供熱一級供熱情形下，由式（1）計算直接利用溫度相應的地下熱水開采量，結果見表2。

表2　最大注采量及全年注采總量計算

式中：Q為地熱流體注采量（m3/h）；Qp為地熱流體可開采熱量（kW）；Cw為地熱流體比熱［4.186 8 kJ/ （kg·℃）］；ρw為地熱流體的密度（kg/m3）；ΔT為直接利用溫度（℃）。

由表2可知，在滿足熱負荷的條件下，地下熱水開采量表現(xiàn)出“大溫差、小流量”的特點，當?shù)叵聼崴苯永脺囟?0℃時最大熱負荷對應注采量達到275.15 m3/h。區(qū)域不同熱儲層的單井出水量統(tǒng)計結果表明，最大單井出水量不超過110 m3/h，即從出水量方面考慮，單井難以滿足該注采量。經類似分析，發(fā)現(xiàn)本項目地下熱水直接利用溫度25℃及以下時單井出水量均難以滿足要求。

由于采灌方式為“一采一灌”即1口開采井和1口回灌井，所以從保證出水量角度出發(fā)，在未明確取水熱儲層情況下，進一步明確地熱直接利用溫度為25～70℃，經計算得出地下熱水井單井開采量為39～110 m3/h，年開采總量為81 360～227 808 m3。

2.5地熱水井開采量分析

（1）設計對井水溫度預測。參照項目地區(qū)的霧迷山組熱儲埋深情況，初步設計開采井的取水段為霧迷山組埋深2 460～2 600 m地層，依據(jù)本區(qū)地溫場特征，熱儲溫度依據(jù)式（2）進行推算。

式中：T為熱儲層溫度（℃）；D1為蓋層底板埋深，取1 380 m；D2為常溫層埋深，取30 m；D3為熱儲層中點埋深，取2 530 m；Gi為蓋層平均地溫梯度，取3.5℃/ 100 m；Gj為基巖地層平均地溫梯度，根據(jù)區(qū)域資料取1.9℃/100 m；T0為常溫層溫度，取13.5℃。

根據(jù)式（2）計算，取水段熱儲層溫度為82.6℃?？紤]井口溫度損失，估算地下熱水井井口溫度為80℃，井口損失2～3℃。

（2）設計對井取水量計算。選定霧迷山組熱儲層作為目的開采層，預測地下熱水井井口溫度約80℃，結合項目熱負荷和取水量關系，計算地下熱水井井口溫度80℃、尾水34℃時的地下熱水取水量，見表3。結果顯示，地熱井最大取水量為59.8 m3/h，全年累計取水量為12.4萬m3。

表3　項目地熱水注采量及采暖熱量

3　結論與建議

天津某建設工程供熱面積為8萬m2，熱負荷指標為40 W/m2。項目處于山嶺子地熱田內，可開采地熱水作為取暖熱源，供暖系統(tǒng)運行過程中采用的全封閉技術僅僅提取地熱水中的熱量。開采地熱水過程中，結合項目所在地的地下熱儲層情況、項目熱負荷對地下熱水開采量和地下水回灌的技術要求，選定薊縣系霧迷山組熱儲層作為開采目的層，取水段埋深2 460～2 600 m，估算地下熱水井井口溫度為80℃，當尾水34℃時地熱井最大取水量為59.8 m3/h，全年累計取水量為12.4萬m3。

建議在開采回灌井成井后進行抽水試驗和回灌試驗，以了解目的層的熱儲層的滲流場特征和回灌能力，分析該井與周邊地區(qū)各地下熱水井之間的水力聯(lián)系狀況；回灌過程中總結出合理的操作方法后，要嚴格執(zhí)行，保證等量回灌。

參考文獻

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［5］天津地熱勘查開發(fā)設計院.山嶺子地熱資源詳查報告［R］.天津：天津地熱勘查開發(fā)設計院，1993.

［6］天津地熱勘查開發(fā)設計院.天津市潘莊—蘆臺地熱資源普查報告［R］.天津：天津地熱勘查開發(fā)設計院，2006.

中圖分類號：TV213.9；P641.8

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）01-0006-04

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.002

收稿日期：2015—10—12

作者簡介：陸陽（1983—），女，工程師，主要從事地面沉降規(guī)律、機理及與其相關的水文、環(huán)境地質研究工作。