徐佳 解大可 王淼

(天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061)

地熱資源是集熱、水、礦為一體的具有復(fù)合特性的礦產(chǎn)資源，作為一種清潔的新能源，與傳統(tǒng)能源相比有其獨特的優(yōu)點。天津市地下蘊藏著豐富的中低溫地熱資源［1］。地熱資源的開發(fā)利用作為開采地下流體的一種形式和開采地下水引起地面沉降的機理基本相同。天津市區(qū)地熱水開采由來已久，從開采量和開采層位上已經(jīng)形成了較大的規(guī)模，多年監(jiān)測資料顯示，天津市區(qū)地熱水開采層水位也在逐年下降，實踐證明天津市區(qū)地熱開采是導(dǎo)致天津地面沉降的重要因素之一［2］。

1 天津中心市區(qū)地熱開發(fā)利用現(xiàn)狀

由于針對地熱對地面沉降的影響進行研究，多年研究表明基巖地熱水資源的開發(fā)利用對地面沉降的影響很小，因此本次報告中地熱研究內(nèi)容重點涉及新近系的明化鎮(zhèn)組，由于地層原因館陶組在市區(qū)開采井分布很少(市區(qū)只有4眼)，對于基巖儲熱層不做介紹。

經(jīng)統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)天津市區(qū)地熱井主要集中在城市的東部和南部地區(qū)王蘭莊地熱田范圍內(nèi)，市區(qū)東北部有少數(shù)地熱井屬于山嶺子地熱田范圍，總體以明化鎮(zhèn)組熱儲層地熱井及薊縣系霧迷山組地熱井為主。

2010年市區(qū)及新四區(qū)共有新近系明化鎮(zhèn)組地熱井70眼，其中3眼為回灌井。市區(qū)及新四區(qū)開采量為342.9×104m3(2010年中心市區(qū)地下水開采量為249.4×104m3)，本年度該熱儲層的3眼地熱井均無回灌量［4］。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可看出:本年度該熱儲層以市區(qū)及新四區(qū)為集中開采區(qū)，雖然集中開采區(qū)開采量比2009年度有所減少，但仍占全市該層開采總量的72.9%(全市明化鎮(zhèn)組開采量為470.1×104m3);本年度外圍地區(qū)開采量增加了99.5×104m3。

2 地熱開采引起地面沉降分析

通過前文數(shù)據(jù)可以看出，天津市中心市區(qū)隨著地下水不斷減采，市區(qū)及周邊新近系地熱水開采量(2010年342.9×104m3)已經(jīng)大于市區(qū)地下水開采量(2010年249.4×104m3)。為了研究開采地熱水對天津市區(qū)地面沉降造成的影響，本文選取小范圍的研究示范區(qū)進行分析比較，示范區(qū)如圖1所示。選擇區(qū)域內(nèi)有兩組新近系明化鎮(zhèn)組地熱采灌井分別是NK-21，NK-21B和NK-22，NK-22B均屬于南開海河樓所有的地熱井，見圖2，兩組地熱井均采取一采一灌運行模式，但由于新近系地層原因每年幾乎沒有回灌量，并且區(qū)域內(nèi)無其他地下水開采井分布。

根據(jù)研究區(qū)最近的監(jiān)測點:不268數(shù)據(jù)顯示見表1，2001年～2002年間該監(jiān)測點沉降量較小，隨著海河樓區(qū)域建設(shè)開始(建設(shè)時間為2003年～2006年)，該監(jiān)測點沉降量突然增大，到2007年工程建設(shè)完成，在2008年～2010年工程建設(shè)結(jié)束只有地熱井持續(xù)開采期間，沉降量逐步回落并穩(wěn)定在一個較高數(shù)值并始終高于施工之前的沉降值，沉降量并沒有因施工停止而恢復(fù)到原先的程度，從監(jiān)測點時間序列圖3中可以分析得知，開采新進系地熱的確會對地面沉降產(chǎn)生一定的影響。

由于天津市區(qū)分層標較淺，標組最深處只能反映市區(qū)350 m以下的沉降量，不能將開采地熱引發(fā)的地面沉降數(shù)值完全分離，因此根據(jù)現(xiàn)有成果(塘沽分層標監(jiān)測結(jié)果)，并且塘沽區(qū)新近系巖性與市區(qū)新近系巖性相似，進行地面沉降量與深層地熱水開采量的方程擬合:擬合方程為:

其中，S為開采層沉降量，mm;Q為開采層開采量，×104m3/年。

表1 研究區(qū)不268監(jiān)測點沉降量 mm

圖1 沉降研究區(qū)內(nèi)地下水開采井分布圖

圖2 沉降研究區(qū)內(nèi)地熱井分布圖

當置信度為95%時，二者的相關(guān)系數(shù)為0.99，可用來計算地熱開采量與沉降量關(guān)系。新近系明化鎮(zhèn)開采井基本都集中在市區(qū)，由式(1)可得在市區(qū)由于地熱因素造成的沉降量約4.5 mm。另外，市區(qū)附近西青區(qū)分層標深度可達566.2 m，本次研究認為566.2 m以下產(chǎn)生的沉降量均為地熱水開采引起的，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示地熱開采引起的沉降量約3.8 mm，因此可認為由開采新近系地熱引起的地面沉降占中心市區(qū)總沉降量因素見表2。

圖3 沉降監(jiān)測點曲線

表2 地熱沉降因素百分比

由表2可見，地熱的開采對中心市區(qū)地面沉降產(chǎn)生了3.8 mm～4.5 mm左右的沉降量，已經(jīng)占天津市區(qū)沉降量的19%～27%，由此可見地熱水的開采已經(jīng)對天津市區(qū)的地面沉降產(chǎn)生了一定的影響。

3 結(jié)論與建議

天津市的地熱開采已經(jīng)對市區(qū)的地面沉降造成了影響，在地下水不斷減采的前提下，控制地熱水開采引起的地面沉降是現(xiàn)今的主要任務(wù)之一［5］。

在地下熱水資源開采中應(yīng)通過嚴格控制新近系開發(fā)利用規(guī)模，提高地熱資源利用率，嚴格禁止非地熱異常區(qū)的地熱開發(fā)，提高地熱回灌率等手段，預(yù)防地熱資源開發(fā)利用加劇地面沉降災(zāi)害。

［1］林 黎，趙蘇民，王心義.天津地熱水開發(fā)利用狀況及保護對策研究［J］.河南理工大學學報，2006(2):105-110.

［2］馬鳳如，林 黎，王穎萍，等.天津地熱資源現(xiàn)狀與可持續(xù)性開發(fā)利用問題［J］.地震調(diào)查與研究，2006，29(3):222-228.

［3］張阿根，魏子新.中國地面沉降［M］.上海:上海科學技術(shù)出版社，2005:55-72.

［4］2008～2010年天津地熱資源動態(tài)監(jiān)測年報［R］.天津:天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院，2008-2010.

［5］姜衍祥，于 強，王 威.天津市地面沉降控制與城市新發(fā)展［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010(S37):277-281.