天津地區(qū)淺層地?zé)崮苜x存條件淺析及前景展望

唐永香，李嫄嫄，俞礽安，劉九龍,阮傳俠，靳寶珍

（1.天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170）

天津地區(qū)淺層地?zé)崮苜x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?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170）

通過(guò)對(duì)地質(zhì)、鉆探資料和物探測(cè)井、巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試等資料的研究，結(jié)合綜合勘查技術(shù)方法和對(duì)已有資料的二次開(kāi)發(fā)，查明了天津地區(qū)淺層地?zé)崮苜x存條件，尤其是巖土體的熱物理參數(shù)變化規(guī)律,并借助Excel辦公軟件，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)巖土體熱物性參數(shù)的變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明區(qū)內(nèi)巖土體的熱導(dǎo)率為1.23～1.62 W/ (m·℃)，比熱容為1898.52～2201.70 J/（kg·K）；粘土和粉質(zhì)粘土含水量在19%左右時(shí)熱導(dǎo)率最佳，粉土和粉砂含水量在17%左右時(shí)熱導(dǎo)率最佳。該區(qū)淺層地?zé)崮苜x存豐富，具有很廣闊的開(kāi)發(fā)前景。

淺層地?zé)崮?；天津地區(qū)；熱導(dǎo)率；比熱容；賦存條件。

在地球上的傳統(tǒng)能源越來(lái)越枯竭，而且碳排放量過(guò)高的今天，世界各國(guó)都在積極尋找新的清潔的可替代能源。蘊(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)(一般為200 m)的淺層地?zé)崮?，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(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?duì)構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、保障國(guó)家能源安全、改善我國(guó)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義[3]。如何開(kāi)發(fā)利用好這一環(huán)保能源,主要是根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)條件來(lái)決定。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，到目前天津已有174個(gè)地源熱泵工程，利用面積為294.79×104m2[4]，但多數(shù)工程在開(kāi)發(fā)利用中存在一定的問(wèn)題。究其原因多數(shù)都是由于工程前期未進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)。這種對(duì)地質(zhì)條件的忽視，造成了淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)后一些地?zé)岜庙?xiàng)目不能很好開(kāi)發(fā)利用，使節(jié)能工程并不能節(jié)能，從而造成水質(zhì)的污染和浪費(fèi)等一系列問(wèn)題。因此，筆者主要從地質(zhì)、水文地質(zhì)、尤其是巖土體導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容方面分析了天津地區(qū)淺層地?zé)崮苜x存條件。這不僅為淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為其開(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)和開(kāi)發(fā)利用方式以及場(chǎng)地的選擇提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)構(gòu)造

研究區(qū)位于Ⅱ級(jí)構(gòu)造華北斷坳內(nèi)，表現(xiàn)為一隆兩坳的構(gòu)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(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了新生代地層的沉積，對(duì)地下水的貯存、補(bǔ)給和排泄以及地溫場(chǎng)分布有一定的控制作用，也控制了該區(qū)內(nèi)第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層分布和水文地質(zhì)特征，對(duì)區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜Y源的儲(chǔ)集有重要影響。

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

2 第四系地質(zhì)特征

淺層地?zé)崮苜Y源分布與第四系關(guān)系非常密切，從鉆探資料和勘探資料反映，區(qū)內(nèi)第四系主要成因類(lèi)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(guò)400 m。雖無(wú)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(jì)古地理沉積環(huán)境的影響，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同的地方依然存在差異。因此，這些結(jié)構(gòu)上的差異在一定程度上對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源的開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生重大影響。

圖2 天津地區(qū)第四系三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Geological structure of Quaternary in Tianjin area

3 水文地質(zhì)特征

天津市淺層地?zé)崮軆?chǔ)存特征與第四系地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件息息相關(guān)。根據(jù)地下水賦存條件、水動(dòng)力特征、水質(zhì)特征及地下水開(kāi)發(fā)利用狀況等因素，將區(qū)內(nèi)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(jìn)一步細(xì)分為四個(gè)含水組[6](表1)。

4 地溫場(chǎng)特征

通過(guò)已有資料分析，證明區(qū)內(nèi)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(shuō)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(chēng)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(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》[7]明確規(guī)定設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)方案前，應(yīng)對(duì)工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖土體地質(zhì)條件（包括巖土體熱物性）進(jìn)行勘察，巖土體的熱物性參數(shù)將直接影響地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的造價(jià)和換熱效果[8-9]。如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要；也可能規(guī)模過(guò)大，從而加大初期投資。熱導(dǎo)率、比熱容是巖土體熱物理性質(zhì)重要參數(shù)，不僅決定地溫場(chǎng)的展布形態(tài)，而且也是淺層地溫能資源量計(jì)算和工程設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵因素。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試值是在巖土體失去部

分重力水不飽和狀態(tài)下測(cè)得，因此，巖土體的主要熱物性參數(shù)熱導(dǎo)率和比熱容不能較準(zhǔn)確的反映真實(shí)情況。鑒于此采用以下方法對(duì)熱導(dǎo)率和比熱容進(jìn)行校正。

5．1 熱導(dǎo)率

目前，國(guó)內(nèi)外在巖土熱導(dǎo)率模型方面還沒(méi)有統(tǒng)一的模型。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)外10余模型進(jìn)行對(duì)比后，通過(guò)二元回歸方法獲得巖土熱導(dǎo)率回歸參數(shù)模型λ＝f(ρ,s)（回歸系數(shù)R2大于0.9），得到巖土體熱導(dǎo)率隨干密度和飽和度的變化規(guī)律見(jiàn)表3。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，在適用干密度和飽和度范圍內(nèi)，二者相對(duì)偏差在±5%范圍之內(nèi)，可以較好地滿(mǎn)足工程測(cè)試的精度要求。

表3 巖土體熱導(dǎo)率回歸方程Table 3 Soil thermal conductivity equation

5．2 比熱容

利用辣椒果實(shí)中段，去種子后準(zhǔn)確稱(chēng)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(jìn)行檢測(cè)。每種樣品做3次生物學(xué)重復(fù)，分別計(jì)算每個(gè)傳感器生物學(xué)重復(fù)的均值。檢測(cè)條件：清洗時(shí)長(zhǎng)70 s，檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)60 s。數(shù)據(jù)分析采用電子鼻自帶分析軟件Winmuster進(jìn)行分析，包括主成分分析(PCA)、線(xiàn)性判別分析(LDA)和負(fù)荷加載分析(Loadings)。

根據(jù)下列（1）和（2）式對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行了修正。先利用式（1）求出C干后再代入式（2），計(jì)算出巖土體飽和狀態(tài)下的比熱容：

C濕：巖土實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dǎo)率和比熱容校正前后見(jiàn)表4和表5。

從表4和表5看出，對(duì)于不同區(qū)域同一巖性，巖土體的熱導(dǎo)率和比熱容差距稍小，但同一區(qū)域不同巖性之間熱導(dǎo)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(guān)系、粒度組合等微觀(guān)結(jié)構(gòu)有關(guān)。本次研究未對(duì)巖土體的巖性、粒度級(jí)配進(jìn)行測(cè)試研究。重視數(shù)據(jù)的選擇、巖性和粒度級(jí)配對(duì)天然條件下巖土體熱物性參數(shù)的影響，研究熱導(dǎo)率和比熱容的變化規(guī)律，更具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。

表4 天津地區(qū)巖土熱導(dǎo)率校正前后數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)成果及分析

5.3.1 不同地點(diǎn)巖性物理性質(zhì)對(duì)比分析

研究區(qū)不同地點(diǎn)的各取樣孔不同巖土體對(duì)應(yīng)的物理性質(zhì)見(jiàn)表6～9，為了直觀(guān)表示出不同地點(diǎn)、同一巖性物理性質(zhì)變化情況繪制了圖3～6。

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

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

表8 研究區(qū)粉土物理性質(zhì)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(zhì)一覽表Table 9 Fine sand physical property in Tianjin area

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

圖4 研究區(qū)粉質(zhì)粘土物理性質(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)比圖Fig．6 Physical properties of the fine sand contrast in study area

通過(guò)對(duì)比分析同一巖性不同地點(diǎn)巖性物理性可得出：不同地點(diǎn)只有粘土的自然密度、含水率、比重、孔隙率、飽和度等參數(shù)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(dǎo)率相對(duì)其他區(qū)較大，這與沉積環(huán)境有關(guān)。本區(qū)的巖土體粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂的熱導(dǎo)率與自然密度及飽和度呈正向相關(guān)性，其比熱容與孔隙率呈正向相關(guān)性。

5.3.2 同一地區(qū)巖性物理性質(zhì)對(duì)比分析：以濱海新區(qū)為例

研究區(qū)同一地區(qū)不同類(lèi)型巖土體對(duì)應(yīng)的物理性質(zhì)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(zhì)對(duì)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(zhì)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(zhì)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(nèi)巖土體綜合熱導(dǎo)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(dǎo)率呈現(xiàn)大致相反的趨勢(shì)，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(dǎo)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(guò)分析可知熱導(dǎo)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(dǎo)率與巖相古地理環(huán)境之間的聯(lián)系，熱導(dǎo)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?xiàng)l件和氣候背景，有利于保持溫度場(chǎng)的平衡，為淺層地?zé)崮艿睦锰峁┝擞欣谋ＷC。根據(jù)淺層地?zé)崮艿睦锰攸c(diǎn)，研究區(qū)潛水位過(guò)淺（一般1～2 m），考慮到地源熱泵系統(tǒng)施工利用特點(diǎn)，儲(chǔ)存在包氣帶中的淺層地?zé)崮軟](méi)有開(kāi)發(fā)價(jià)值，因此通過(guò)建立區(qū)內(nèi)第四系淺層地?zé)崮芨拍钅Ｐ秃蛿?shù)學(xué)模型，對(duì)淺層含水層中的淺層地?zé)崛萘坎捎皿w積法計(jì)算評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果：研究區(qū)深度為200 m的淺層地?zé)釤崛萘繛?590×1012kJ/℃?？晒┡娣e1349.41×106m2，可制冷面積1267.58× 106m2。通過(guò)采用與常規(guī)能源(燃煤)類(lèi)比方法進(jìn)行折算，研究區(qū)內(nèi)每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5974.34萬(wàn)噸，扣除因開(kāi)采淺層地?zé)崮茉斐傻哪茉聪模晒?jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4480.75萬(wàn)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(wàn)噸，減少環(huán)境治理費(fèi)1306 0117萬(wàn)元[10]。故此研究可為天津市實(shí)

現(xiàn)節(jié)能減排、建設(shè)生態(tài)型城市和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

研究區(qū)具有豐富的淺層地?zé)崮?、巨大的能源需求及較高的環(huán)保要求，在豐富的理論指導(dǎo)和政府相應(yīng)政策支持下，該區(qū)淺層地?zé)崮艿拈_(kāi)發(fā)利用具有廣闊的前景。

7 結(jié)論

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)和巖土熱物特性分析，得出如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)第四系主要巖性是由粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂組成。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，區(qū)內(nèi)巖土體熱導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)的影響。熱導(dǎo)率隨含水率、天然密度、孔隙比的變化趨勢(shì)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(dǎo)率相反。粘土和粉質(zhì)粘土含水量在19%左右時(shí)熱導(dǎo)率最佳，粉土和粉砂含水量在17%左右時(shí)熱導(dǎo)率最佳。

（3）研究區(qū)受自然地理?xiàng)l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(shù)的優(yōu)越水文地質(zhì)條件，目前在相對(duì)成熟的理論成果指導(dǎo)下和政府部門(mén)的政策支持下，該區(qū)開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮苡辛烁鼜V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(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目：天津市淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查（1212011013001）

唐永香（1982-），工程師，2005年畢業(yè)于石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院地質(zhì)系，主要從事地?zé)峥辈?、水工環(huán)地質(zhì)研究，E-mail：dry_tt@126.com，聯(lián)系電話(huà)：13920329360。