天津地区浅层地热能赋存条件浅析及前景展望

唐永香，李嫄嫄，俞礽安，刘九龙,阮传侠，靳宝珍

（1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170）

天津地区浅层地热能赋存条件浅析及前景展望

唐永香1，李嫄嫄1，俞礽安2，刘九龙1,阮传侠1，靳宝珍1

（1.天津地热勘查开发设计院，天津 300250；2.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170）

通过对地质、钻探资料和物探测井、岩土体热物性参数测试等资料的研究，结合综合勘查技术方法和对已有资料的二次开发，查明了天津地区浅层地热能赋存条件，尤其是岩土体的热物理参数变化规律,并借助Excel办公软件，采用数理统计方法对岩土体热物性参数的变化进行了分析。结果表明区内岩土体的热导率为1.23～1.62 W/ (m·℃)，比热容为1898.52～2201.70 J/（kg·K）；粘土和粉质粘土含水量在19%左右时热导率最佳，粉土和粉砂含水量在17%左右时热导率最佳。该区浅层地热能赋存丰富，具有很广阔的开发前景。

浅层地热能；天津地区；热导率；比热容；赋存条件。

在地球上的传统能源越来越枯竭，而且碳排放量过高的今天，世界各国都在积极寻找新的清洁的可替代能源。蕴藏在地表以下一定深度范围内(一般为200 m)的浅层地热能，不仅可以供暖，也可以制冷，而且环境效益很好，利用前景广阔[1-2]。为此，开发利用浅层地热能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标实现具有重要意义[3]。如何开发利用好这一环保能源,主要是根据该区的地质条件来决定。根据调查统计，到目前天津已有174个地源热泵工程，利用面积为294.79×104m2[4]，但多数工程在开发利用中存在一定的问题。究其原因多数都是由于工程前期未进行调查评价。这种对地质条件的忽视，造成了浅层地热能开发后一些地热泵项目不能很好开发利用，使节能工程并不能节能，从而造成水质的污染和浪费等一系列问题。因此，笔者主要从地质、水文地质、尤其是岩土体导热系数和比热容方面分析了天津地区浅层地热能赋存条件。这不仅为浅层地热能资源评价提供科学依据，同时也为其开发利用适宜性分区和开发利用方式以及场地的选择提供重要的地质依据。

1 研究区构造

研究区位于Ⅱ级构造华北断坳内，表现为一隆两坳的构造格局，东西两边分别为黄骅坳陷和冀中坳陷，中间为沧县隆起（图1）[5]。研究区的地质构造复杂，新构造运动控制了新生代地层的沉积，对地下水的贮存、补给和排泄以及地温场分布有一定的控制作用，也控制了该区内第四系地质结构、地层分布和水文地质特征，对区内浅层地热能资源的储集有重要影响。

图1 天津地区构造图Fig．1 Structural map of Tianjin area

2 第四系地质特征

浅层地热能资源分布与第四系关系非常密切，从钻探资料和勘探资料反映，区内第四系主要成因类型为冲—湖积海积，岩性主要为砂、砂性土和粘性土不规则互层。厚度变化较大，两凹陷区最厚处己超过400 m。虽无论从平面上还是从剖面上其岩性组合较单一（图2），但因受第四纪古地理沉积环境的影响，其地质结构在不同的地方依然存在差异。因此，这些结构上的差异在一定程度上对浅层地热能资源的开发利用产生重大影响。

图2 天津地区第四系三维地质结构图Fig．2 Geological structure of Quaternary in Tianjin area

3 水文地质特征

天津市浅层地热能储存特征与第四系地质结构和水文地质条件息息相关。根据地下水赋存条件、水动力特征、水质特征及地下水开发利用状况等因素，将区内第四系地下水划分为浅层地下水系

统和深层地下水系统，可进一步细分为四个含水组[6](表1)。

4 地温场特征

通过已有资料分析，证明区内地壳最表层的温度受地面温度周期性变化的影响是随着深度的增加而减弱的。不同钻孔在30～35 m处温度基本不受地表温度影响，说明此为研究区恒温带所在位置。恒温带以下随着深度的增加地温逐渐增高的地带，称为增温带。其值的大小用地温梯度(G)表示，即深度每向下增加l00 m所增高的温度值。研究区200 m以浅地层的平均地温梯度值一般1.0～4.0℃／1OO m（表2）。

表1 研究区第四系含水组特征Table 1 Guaternary aquifer characteristics in Tianjin area

表2 天津地区地温梯度分布特征值Table 2 Geothermal gradient distribution in Tianjin area

5 岩土体热物性特征

根据《地源热泵系统工程技术规范》[7]明确规定设计地源热泵系统方案前，应对工程场区内岩土体地质条件（包括岩土体热物性）进行勘察，岩土体的热物性参数将直接影响地源热泵空调系统的造价和换热效果[8-9]。如果热物性参数不准确，则设计的系统可能达不到负荷需要；也可能规模过大，从而加大初期投资。热导率、比热容是岩土体热物理性质重要参数，不仅决定地温场的展布形态，而且也是浅层地温能资源量计算和工程设计计算的关键因素。由于实验测试值是在岩土体失去部

分重力水不饱和状态下测得，因此，岩土体的主要热物性参数热导率和比热容不能较准确的反映真实情况。鉴于此采用以下方法对热导率和比热容进行校正。

5．1 热导率

目前，国内外在岩土热导率模型方面还没有统一的模型。根据实际测试数据与国内外10余模型进行对比后，通过二元回归方法获得岩土热导率回归参数模型λ＝f(ρ,s)（回归系数R2大于0.9），得到岩土体热导率随干密度和饱和度的变化规律见表3。与实验结果相比，在适用干密度和饱和度范围内，二者相对偏差在±5%范围之内，可以较好地满足工程测试的精度要求。

表3 岩土体热导率回归方程Table 3 Soil thermal conductivity equation

5．2 比热容

利用辣椒果实中段，去种子后准确称取5 g样品，剪碎并存放于100 mL的锥形瓶中，静置30 min后，利用电子鼻进行检测。每种样品做3次生物学重复，分别计算每个传感器生物学重复的均值。检测条件：清洗时长70 s，检测时长60 s。数据分析采用电子鼻自带分析软件Winmuster进行分析，包括主成分分析(PCA)、线性判别分析(LDA)和负荷加载分析(Loadings)。

根据下列（1）和（2）式对实验测试值进行了修正。先利用式（1）求出C干后再代入式（2），计算出岩土体饱和状态下的比热容：

C湿：岩土实验测试比热容(J/(m3·℃))；χ1：岩土的干重(kg)；C水：水的比热容(J/(kg·℃))；χ2：岩土的含水重(kg)。

Φ：岩土的孔隙度。

研究区岩土体热导率和比热容校正前后见表4和表5。

从表4和表5看出，对于不同区域同一岩性，岩土体的热导率和比热容差距稍小，但同一区域不同岩性之间热导率和比热容差距较大，这可能与岩土体的岩性（其中SiO2的含量）、接触关系、粒度组合等微观结构有关。本次研究未对岩土体的岩性、粒度级配进行测试研究。重视数据的选择、岩性和粒度级配对天然条件下岩土体热物性参数的影响，研究热导率和比热容的变化规律，更具有现实的工程意义。

表4 天津地区岩土热导率校正前后数据一览表（单位：W/(m·℃)）Table 4 Thermal conductivity before and after correction in Tianjin area(W/(m·℃))

表5 天津地区岩土比热容校正前后数据一览表单位（J/（kg·K））Table 5 Specific heat before and after correction in Tianjin area(J/(kg·K))

5．3 实验成果及分析

5.3.1 不同地点岩性物理性质对比分析

研究区不同地点的各取样孔不同岩土体对应的物理性质见表6～9，为了直观表示出不同地点、同一岩性物理性质变化情况绘制了图3～6。

表6 天津地区粘土物理性质一览表Table 6 Clay physical property in Tianjin area

表7 研究区粉质粘土物理性质一览表Table 7 Silty clay physical property in Tianjin area

表8 研究区粉土物理性质一览表Table 8 Silty soil physical property in Tianjin area

表9 天津地区粉砂物理性质一览表Table 9 Fine sand physical property in Tianjin area

图3 研究区粘土物理性质对比图Fig．3 Physical properties of the clay contrast in study area

图4 研究区粉质粘土物理性质对比图Fig．4 Physical properties of the silty clay contrast in study area

图5 研究区粉土物理性质对比图Fig．5 Physical properties of the Silty soil contrast in study area

图6 研究区粉砂物理性质对比图Fig．6 Physical properties of the fine sand contrast in study area

通过对比分析同一岩性不同地点岩性物理性可得出：不同地点只有粘土的自然密度、含水率、比重、孔隙率、饱和度等参数变化不大；其他岩土体岩性物

理性都存在不同程度的变化，在宁河四种岩土体的热导率相对其他区较大，这与沉积环境有关。本区的岩土体粘土、粉质粘土、粉土、粉砂的热导率与自然密度及饱和度呈正向相关性，其比热容与孔隙率呈正向相关性。

5.3.2 同一地区岩性物理性质对比分析：以滨海新区为例

研究区同一地区不同类型岩土体对应的物理性质也不一样，以滨海新区为例（图7）。

图7 滨海新区不同岩性物理性质对比图Fig．7 Physical properties of different lithology contrast in Binhai New Area

同一地区不同岩性之间粘土、粉质粘土的孔隙

率、含水率和比重稍微高于粉土和粉砂，四种岩土含水率变化范围19%～28%，孔隙率变化范围32%～42%；粉质粘土和粉土的自然密度要稍微高于粘土和粉砂，四种岩土的自然密度变化范围1.90～2.08 g/cm3。

5．4 岩土体热物性平面特征

研究区内岩土体综合热导率总体分布特征：东西方向上两边高中间低，而比热容与热导率呈现大致相反的趋势，比热容的高值区主要分布在武清、静海和滨海新区大部分，低值区位于宁河、市区西部和

津南等地如（图8，图9）。

图8 研究区岩土体热导率平面分布图Fig 8 Soil thermal conductivity distribution map in study area

图9 研究区岩土体比热容平面分布图Fig．9 SoilSpecific heat capacity distribution map in study area

通过分析可知热导率高值区位于宁河一带、武清、静海、滨海新区的北部，这正好反映热导率与岩相古地理环境之间的联系，热导率高的地区一般都是距离扇顶较近区域。

6 前景展望

研究区具有优越的自然地理条件和气候背景，有利于保持温度场的平衡，为浅层地热能的利用提供了有利的保证。根据浅层地热能的利用特点，研究区潜水位过浅（一般1～2 m），考虑到地源热泵系统施工利用特点，储存在包气带中的浅层地热能没有开发价值，因此通过建立区内第四系浅层地热能概念模型和数学模型，对浅层含水层中的浅层地热容量采用体积法计算评价。计算结果：研究区深度为200 m的浅层地热热容量为5590×1012kJ/℃。可供暖面积1349.41×106m2，可制冷面积1267.58× 106m2。通过采用与常规能源(燃煤)类比方法进行折算，研究区内每年可节约标准煤5974.34万吨，扣除因开采浅层地热能造成的能源消耗，可节约标准煤4480.75万吨。减少向大气中排放煤灰、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳为11842.18万吨，减少环境治理费1306 0117万元[10]。故此研究可为天津市实

现节能减排、建设生态型城市和社会经济发展提供科学的数据。

研究区具有丰富的浅层地热能、巨大的能源需求及较高的环保要求，在丰富的理论指导和政府相应政策支持下，该区浅层地热能的开发利用具有广阔的前景。

7 结论

根据研究区地质、水文地质和岩土热物特性分析，得出如下结论：

（1）研究区第四系主要岩性是由粘土、粉质粘土、粉土、粉砂组成。从统计结果来看，区内岩土体热导率：1.23～1.62 W/(m·℃)，比热容1898.52～2201.70 J/(kg·K)。

（2）在天然含水率条件下，岩土的热导率和比热容主要受孔隙率、自然密度、饱和度以及含水率等物理性质的影响。热导率随含水率、天然密度、孔隙比的变化趋势明显：其随着含水量的增大而逐渐减小，随密度的增加而增大，随着孔隙度的增加而逐渐降低，然而比热容的变化正与热导率相反。粘土和粉质粘土含水量在19%左右时热导率最佳，粉土和粉砂含水量在17%左右时热导率最佳。

（3）研究区受自然地理条件和气候条件影响具有巨大的制冷和供暖需求，具备利用地源热泵技术的优越水文地质条件，目前在相对成熟的理论成果指导下和政府部门的政策支持下，该区开发利用浅层地热能有了更广阔的前景。

[1]韩再生.对浅层地热能勘察评价的认识[J].工程设计与建设,2008,(1)：14-16.

[2]韩再生.浅层地热能勘查评价[J].中国地质,2007,34 (6）：1115-1121.

[3]中华人民共和国建设部．地源热泵系统工程技术规范（GB50366-2005）[s]．北京：中国建筑工业出版社，2005.

[4]田光辉,王曦，,林黎,等.天津市浅层地热能开发利用试点工作成果浅析[J].地下水，2012,34（1）：64-65.

[5]陈墨香.华北地热[M].北京：科学出版社，1988：89-106.

[6]田光辉,曾梅香,程万庆,等.天津滨海新区应用地源热泵系统可行性分析及建议[J].水文地质工程地质，2010,37（4）：135-136.

[7]中国建筑科学研究院.地源热泵系统工程技术规范（GB 50366-2005）[S].北京：中国建筑工业出版社，2005．

[8]汪集，马伟斌，龚宇列，等.地热利用技术[M].北京：化学工业出版社，2004：73-77.

[9]胡平放,雷飞,孙启明,等.岩土热物性测试影响因素的研究[J].暖通空调HV&AC，2009，39（3）：123-127.

[10]林黎，赵苏民，程万庆，等.天津市浅层地热能资源调查报告[R].天津地热勘查开发设计院，2011.

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

中国地质调查项目：天津市浅层地热能资源调查（1212011013001）

唐永香（1982-），工程师，2005年毕业于石家庄经济学院地质系，主要从事地热勘查、水工环地质研究，E-mail：dry_tt@126.com，联系电话：13920329360。