河南省城市浅层地温场特征及影响因素分析

刘海风，王春晖，梅棚里，时平平，王 昕

（1．河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，郑州 450000；2．栾川县地质矿产局，栾川 471500）

河南省城市浅层地温场特征及影响因素分析

刘海风1，王春晖1，梅棚里1，时平平2，王 昕1

（1．河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，郑州 450000；2．栾川县地质矿产局，栾川 471500）

本文在大量钻孔测温资料的基础上，系统分析了河南省城市浅层地温场分布特征，分析了不同地貌类型城市恒温带特征。全区地下水恒温带深度平均深度24．8m，温度一般15．5℃～17．5℃；冲积平原区松散层恒温带深度最浅、温度最高，内陆河谷盆地区松散层恒温带深度最深、温度最低。近山前地带基岩浅埋区，地温梯度低；沿深大断裂带和构造隆（凸）起区，地温梯度高；济源—商丘断裂的新乡—延津段、内黄凸起和通许凸起地温梯度高。通过分析地温增温率特征和地温恢复能力，得出颗粒越粗地温恢复能力K值较大，富水性越强、水力坡度越大K值越大。对影响浅层地温场的多种因素的系统研究表明，该区浅层地温场受城市、人类活动、地下水流场、地下水埋深、构造、地下水补给、排泄等因素影响明显。

浅层地温场；恒温带；增温率；地温恢复能力；影响因素；河南；城市

0 前言

这里所指的浅层地温场为200m以上松散层地温的综合反映，以该深度混合水的温度来表征（浅层地热能勘察评价技术规程，2009）。浅层地温能是深层地热能与太阳辐射能共同作用的产物，影响浅层地温的因素主要包括地质构造、地层岩性和层序、地下水、地形地貌、太阳辐射以、气候等。前人对地温场开展了一些研究，并取得了丰富的成果，主要分析了浅层地温分布特征及其影响因素（刘彩波等，2013；谭静强等，2009；王贵玲等，2015；卫万顺等，2010；胡玉禄等，2003；刘晓燕等，2007）。气候变暖给人类的生存环境带来改变，不仅影响气温的升高，降水量区域性增加或减少，也影响到霜期和浅层地温的变化（隋景跃等，2012；陆晓波等，2006；周晋红等，2011），有专家学者对有关地温的变化进行了研究，在气候变暖环境下不同区域地温存在不同的响应（杜军等，2010；狄晓英等，2009；韩再生等，2007）。

1 概况

河南省处于暖温带和亚热带气候过渡地区，以秦岭至淮河一线为界，以南的信阳、南阳属亚热带湿润、半湿润季风气候区，以北的其它城市均属暖温带干旱、半干旱季风气候区。其气候特征一般是冬季寒冷，夏季炎热。夏季空调利用时间为6—9月份，冬季供暖时间一般为11月15日至次年的3月15日，供暖与制冷时间相当，冷暖负荷基本相同。浅层地热能的利用需要在冬季提取地下热能用于冬季供暖，而在夏季则需要向地下储存热能，这样可保持地下温度场平衡，使其对环境的影响最小。

河南省处于我国地势第二阶梯和第三阶梯的过渡地带，西部的太行山、崤山、熊耳山、嵩箕山、外方山、伏牛山等山地，属于我国第二级地貌台阶，东部平原则属第三级地貌台阶，而南部边境地带的桐柏—大别山构成第三级地貌台阶中的横向突起。18个省辖市加1个航空港综合试验区均坐落在平原、盆地和丘陵区，利于浅层地热能的开发利用。河南省位于黄淮海平原的中上部，第四系松散层厚度大，浅层地下水丰富。据本次研究成果结果，河南省地下水恒温带深度一般15～27m，平均深度24.8m，温度一般15.5℃～17.5℃，平均温度松散岩类孔隙水，含水层分布广，厚度大，水量较丰富，易开采，可恢复性强。近系上部的各类松散堆积物，其所含地下水为浅层地热能的开发利用非常有利。

2 恒温带分布特征

地球内热与太阳幅射热互相影响达到平衡的地带为恒温带。年恒温带的深度和温度受纬度、高度、岩性、地表水体的分布、植被及小气候条件等的影响。据以往区域测温资料和本次井中连续测温结果综合确定研究区恒温带深度与温度。冲积平原型城市恒温带深度一般15～27m，平均深度22.9m；温度一般15.5℃～17.5℃，平均温度16.5℃。山前冲洪积倾斜平原型城市恒温带深度一般20～27m，平均深度24m；温度一般15.5℃～17.5℃，平均温度16.2℃。内陆河谷盆地型城市恒温带深度一般27～29m，平均深度27.5m；温度一般15.5℃～17.21℃，平均温度16.1℃。综合以上统计分析可以看出，冲积平原区松散层恒温带深度最浅，温度最高，内陆河谷盆地区平原区松散层恒温带深度最深，温度最低。从各地区测温曲线图可看出（图1、图2），恒温带以上地下水温度与埋深关系不明显，主要随季节和地表环境温度变化；而在恒温带以下，地下水温度有随埋深增加而增加的趋势。综合考虑城市地貌类型、表层土体结构和纬度变化，结合实测数据确定19（含郑州航空港）个城市恒温带深度与温度。

3 地温增温率特征

恒温带以下随着深度的增加而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100m所增高的温度值。地温梯度的计算可采用水井深度与混合水温的关系确定（图3和图4）。

图1 航空港地下水温度与深度对应关系图Fig.1 The correspondence between the temperature and the depth of the groundwater in the Zhengzhou Airport Economy Zone

图2 郑州市地下水温度与深度对应关系图Fig.2 The correspondence between the temperature and the depth of the groundwater in ZhengZhou

在对地温梯度分布特征分析的基础上，确定18个主要城市在200m以浅增温带的地温梯度（表1）。不同地区地温梯度不同，这主要和控热的地质构造、热储层结构、岩浆和断裂活动及水文地质环境有密切关系。如河南省地温梯度分布（图5）明显受热储层结构和断裂构造的控制。近山前地带基岩埋深较浅，上覆地层颗粒粗，地下水径流较强烈，地温梯度低，一般1.5℃～2.5℃/100m；沿深大断裂带和构造隆（凸）起区，地温梯度高，济源—商丘断裂的新乡—延津段地温梯度达3.5℃～4.8℃/100m，内黄凸起、通许凸起地温梯度高达3.5℃/100m以上。

图3 新乡市G01井地温增温曲线Fig.3 The growth curve of earth temperature in well G01 in ZhouKou

图4 周口市地温增温曲线图Fig.4 The growth curve of earth temperature in XinXiang

4 地温恢复能力特征

岩土体的吸热与排热场所，即温度场直接影响着地下岩土的传热，进而影响热泵机组功耗的系统性能指标，随着热泵连续运行，岩土在热湿传递作用下，地下换热埋管周围的土壤温度场随时间而改变，传热驱动势在衰减，传热速率降低。因此地温恢复能力直接影响着土壤源热泵系统运行热经济性。

通过观察热响应试验回水时间段地温的变化，来绘制出了地温恢复段平均地温与时间对数线性关系斜率的绝对值（k），该值是反应了地层温度恢复能力的强弱，进而决定了地埋管换热方式适宜性与否的直接因素之一（图6和图7）。得出：（绝对值）K与含水层岩性、富水性、水力坡度、钻孔回填材料及回填材料的沉淀密实速度等有一定关系，颗粒越粗即卵砾石（绝对值）K较大，富水性越强、水力坡度越大K值（绝对值）越大。

表1 地温梯度分布特征值Tab.1 The eigenvalue of geothermal gradient distribution

图5 河南省松散层地温梯度等值线Fig.5 The contour of geothermal gradient of loose stratum in Henan Province

图6 ZD1恢复地温与时间对数线性关系斜率的绝对值（k）图Fig.6 The absolute values of the slope of the linear relationship between geothermal recovery and the logarithm of time (k) in well ZD1

图7 ZD2恢复地温与时间对数线性关系斜率的绝对值（k）图Fig.9 The absolute values of the slope of the linear relationship between geothermal recovery and the logarithm of time (k) in well ZD2

5 浅层地温场影响因素分析

这里所称浅层地温场指浅层地温能资源可开发利用深度范围内的温度场，与浅层地热能边界相一致。根据不同城市地貌单元城市类型，根据主要城市开展的地温测量，通过对潜水位以下2m深处水温观测结果分析，其浅层地温场具有如下分布特征：

（1）地下水流动是影响浅层地温分布的重要因素，在地下水侧向流动强烈、地下水的补给、径流和排泄条件均十分良好的地区，从补给区进入温度较低的地下水，在流动过程中不断地把岩体的热量带走，从而降低了地温，由于地下水交替强烈，岩温和水温之间尚未达到平衡，地下水起着冷却的作用。因此山前地带水温略低，以三门峡和洛阳盆地型城市为例，地下水由盆地边缘向盆地中心汇集，地下水或多或少经历了与围岩的温度的交换冷却过程，所以边缘地带水温略低。

（2）浅部地下水水温明显受气候和埋藏深度的影响。以郑州市为例，市区一带地下水埋深较大温度稍高，一般18℃～20℃，局部大于20℃；向外围逐渐降低至16℃～18℃。郑州市西郊地下水埋藏较深，含水层颗粒较细，局部呈胶结状，导水性较差，地下水水温较高，200m深水井的地下水温可达20℃左右；郑州市东北郊，浅层含水层为黄河冲积物，埋藏较浅，颗粒较粗且松散，导水性能好，黄河侧渗补给强烈，浅层地温场温度较低，另外，在郑州市地下水降落漏斗区，因地下水位埋深较大，水温会略偏高。

（3）受井深度的影响，由于水对温度的传递速度较快，深度越大的井，相应的浅部水温也高。

（4）地下水与地表水的影响，水易于流动且热容量大，广布于地壳浅部的地下水，在流动过程中冷水不断地把热量带走，对围岩起着冷却作用，从而降低地温。温度较高的地下水则相应地会将热量传导到围岩中，从而使地温升高沿着河流两侧受地表水影响较大的地区，如河谷盆地型城市和傍河型城市受地下水径流交替影响较大地区，地下水有一定的降温作用，浅层温度最低。

（5）受地区凹凸相间的地质构造格局的控制，地温呈现高低温相间的带状展布，在基岩隆起的区域表现为相对高温区，而在基岩凹陷区表现为相对低温区；盖层的地温梯度大小与基岩顶面埋常深度密切相关，通常表现为随着基岩埋深变浅地温梯度增大。

综合分析认为，区域浅层地温受城市、人类活动、地下水流场、地下水埋深、构造、地下水补给、排泄等因素影响。

鉴于上述因素，浅层地温场特征应采用浅层地热能利用深度内综合温度来描述。本次根据恒温带深度与温度、增温带地温梯度与浅层地热能底界深度，采用公式：

计算浅层地温场温度（T）。计算结果见表2。

式中：G为地温梯度（℃/100m）；S为浅层地温场底界深度（m）；S0为恒温带深度（m）；T0为恒温带温度（℃）。

表2 浅层地温场特征温度一览表Tab.2 List of the characteristic temperature of shallow geothermalfield

6 结论

全区下水恒温带深度一般15～27m，平均深度24.8m，温度一般15.5℃～17.5℃；冲积平原区松散层恒温带深度最浅，温度最高，内陆河谷盆地区平原区松散层恒温带深度最深，温度最低。

近山前地带基岩埋深较浅，温梯度低；沿深大断裂带和构造隆（凸）起区，地温梯度高；济源—商丘断裂的新乡—延津段、内黄凸起、通许凸起地温梯度高。

地温恢复能力，得出颗粒越粗即卵砾石地温恢复能力K值较大，富水性越强、水力坡度越大K值越大。对影响浅层地温场的多种因素进行了系统研究。

山前地带、盆地补给区水温略低；地下水位埋深越大，水温会略偏高；受井深度的影响，由于水对温度的传递速度较快，深度越大的井，相应的浅部水温也高；河谷盆地型城市和傍河型城市受地下水径流交替影响较大地区，地下水有一定的降温作用，浅层温度最低；地温梯度大小与基岩顶面埋常深度密切相关，通常表现为随着基岩埋深变浅地温梯度增大。

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Characteristics and In fluencing Factors of the Shallow Geothermal Field in Cities of Henan Province

LIU Haifeng, WANG Chunhui, MEI Pengli, Shi Pingping, WANG Xin
(1. No.5 Institute of Geo-Exploration of Henan,Zhengzhou 450000; 2. The Luchuan Bureau of Geology Resources, Luanchuan 471500)

Based on a large number of borehole temperature data, the authors systematically studied the distribution characteristics of the shallow geothermal field in cities of Henan Province, and analyzed the characteristics of different types of urban constant temperature zone. The average constant temperature zone of this area （0～300 m） is 24.8m and the temperature range is 15.5°C～17.5°C; the depth of the temperature zone is the most shallow in the loose bed of alluvial plain area and highest temperature; the depth of the temperature zone is the deepest in the loose bed inland valley basin and lowest temperature, the shallow buried area of bedrock in the piedmont zone with low geothermal gradient, along the deep fault zone and tectonic uplift (convex) zone with high geothermal gradient, Xinxiang-Yanjin section of Jiyuan-Shangqiu fault, Neihuang uplift and Tongxu uplift with high geothermal gradient. Based on the analysis of the characteristics of temperature increasing rate and recovery ability,it found the more coarse particles, the greater the recovery ability (K); the richer the water and the greater the slope of water conservancy, the greater the recovery ability(K). The various factors that affect the shallow geothermal field are systematically studied. The shallow geothermal field in this area is affected by the city, human activities,groundwater flow field, groundwater depth, structure, groundwater recharge, excretion and other factors.

Shallow geothermal field; Zone of constant temperature; Temperature increasing rate; Ground temperature recovery; Influencing factors; Henan Province; City

中国地质科学院全国地下水资源及其环境问题调查评价项目（12120114086501－21）

刘海风（1983- ），女，本科，工程师，主要从事水工环地质工作。E-mail：305515802@qq.com

A

1007-1903（2017）04-0061-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.012