寧文峰 劉凱麗 丁永政

中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 濟南 250013

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度（一般為200m）范圍內(nèi)的巖土體、地下水和地表水中溫度低于25℃并且具備開發(fā)利用價值的地?zé)崮躘1]。淺層地溫能是一種可再生的新型綠色能源，分布廣泛，取用便利，儲量巨大，經(jīng)濟節(jié)能，清潔環(huán)保，開發(fā)利用前景廣闊。加大對其開發(fā)利用對建設(shè)生態(tài)文明和美麗中國具有非常重要的意義，是堅持綠色低碳循環(huán)發(fā)展、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障能源安全、改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的重要措施。翁麗芬、朱巍等人對淺層地溫能資源開展了相關(guān)的研究，并取得了豐富的成果[2-11]。

1 研究方法

研究區(qū)范圍為惠民縣城市建設(shè)區(qū)、新區(qū)、規(guī)劃區(qū)，東至東環(huán)路、北至孫子文化園-孫武一路、西至西環(huán)路、南至大濟路-孫武八路-孫武九路。工作區(qū)面積60km2。

在收集分析已有資料的基礎(chǔ)上，進行惠民縣城市建成區(qū)、新區(qū)、規(guī)劃區(qū)淺層地溫能調(diào)查和淺層地溫能開發(fā)利用工程調(diào)查。開展地質(zhì)勘查孔鉆探和水文孔鉆探，施工地質(zhì)孔8眼，其中80m鉆孔1個，100m鉆孔2個，120m鉆孔4個，200m鉆孔1個，地質(zhì)勘查孔鉆探過程中采取巖土樣品190件，所采取的樣品進行物理性質(zhì)、熱物理性質(zhì)的測試，了解巖土體物性、熱物性特征。鉆探完成后下入雙U高密度PE管，待地溫恢復(fù)正常后開展現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，進行現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗8組，測試設(shè)備采用天津市浩鴻科技發(fā)展有限公司開發(fā)研制的FTPT-12型淺層地?zé)崮芾洹犴憫?yīng)測試儀。先進行無功循環(huán)，測量地下巖土體初始地溫。后采用加熱功率6kw測試鉆孔地層綜合熱導(dǎo)率、熱擴散率等試驗參數(shù)。在地埋管之內(nèi)利用移動式測溫設(shè)備進行地溫動態(tài)監(jiān)測，了解地溫場特征。施工水文孔4眼并開展抽水試驗，其中60m水文孔2眼，了解淺層孔隙水特征及相關(guān)水文參數(shù)，120m水文孔2眼，了解中深層孔隙水特征及相關(guān)水文參數(shù)。

綜合運用鉆探、現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗、抽水試驗、實驗室測試分析、動態(tài)觀測等研究手段對巖土體的淺層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、物性和熱物性參數(shù)、地溫等數(shù)據(jù)進行了科學(xué)分析，探討了淺層地溫能的賦存條件及特征，以及各參數(shù)之間的相關(guān)性。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

根據(jù)山東省區(qū)域地層分區(qū)界限，惠民縣位于聊考斷裂東，齊廣斷裂以北區(qū)域，屬于華北平原地層分區(qū)，區(qū)內(nèi)新生界古近系、新近系和第四系廣泛發(fā)育且規(guī)模較大。根據(jù)山東省地質(zhì)構(gòu)造單元劃分方案，研究區(qū)在大地構(gòu)造單元上屬華北板塊，其二級構(gòu)造單元為華北坳陷區(qū)（Ⅰ），三級構(gòu)造單元為濟陽坳陷（Ⅰa），四級構(gòu)造單元為惠民潛斷陷（Ⅰa4），五級構(gòu)造單元為惠民潛凹陷（Ⅰa42）。

整個華北平原地層分區(qū)內(nèi)，構(gòu)造相對簡單，地層發(fā)育相似，研究區(qū)內(nèi)淺層地溫能賦存條件以及特征對于整個華北平原地層分區(qū)具有一定的參考性。

3 淺層地溫能賦存條件

3.1 淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

惠民縣隸屬山東省濱州市，研究區(qū)內(nèi)250m以淺為第四紀(jì)平原，屬松散巖，地層厚200～250m。下部為灰褐、灰綠、棕黃色砂質(zhì)黏土夾黃色細(xì)砂，富含鈣質(zhì)結(jié)核，底部有礫石；中部為土黃、棕黃色砂質(zhì)黏土、粘質(zhì)砂土與粉砂、細(xì)砂、中細(xì)砂互層，含鈣質(zhì)結(jié)核及鐵錳質(zhì)結(jié)核；上部為土黃色粉土、粘質(zhì)砂土夾灰色淤泥質(zhì)砂質(zhì)黏土。200m以淺全為土體結(jié)構(gòu)，淺層地溫能賴以賦存的沉積地層巖性組合相對簡單，利于淺層地溫能的開發(fā)利用。

研究區(qū)第四系松散層為河海沖積形成，黏土、粉質(zhì)黏土、粉土與粉砂、細(xì)砂形成砂泥互層。含水砂層由西向東逐漸增厚（圖1、圖2），鉆孔揭露含水砂層厚度最大為54.70m，位于研究區(qū)東部（ZK2），最小為11.26m，位于研究區(qū)西北部（ZK1）。含水砂層的分布影響地下水富水性強弱，進而影響巖土體換熱能力。研究區(qū)東部含水砂層較厚，地下水富水性較強，地下水徑流條件較好，有利于熱量交換。而研究區(qū)西部與之相反，熱量交換效率相對較低。

圖1 研究區(qū)地層剖面圖Fig.1 Stratigraphic section of the study area

圖2 研究區(qū)含水砂層厚度等值線及淺層孔隙水礦化度等值線圖Fig.2 Contour of the thickness of water - bearing sandstone and the salinity of shallow pore water in the study area

3.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)地下水類型依據(jù)賦存條件和含水巖組特征劃分為松散巖類孔隙水。自上而下可以分為淺層潛水-微承壓水、中深層孔隙水與深層孔隙水。

（1）淺層潛水-微承壓水

主要指賦存于60m深度范圍內(nèi)的第四系松散巖類孔隙水，水力性質(zhì)為潛水-微承壓水。研究區(qū)位于小清河以北黃河沖積平原，淺層含水層是由黃河多次泛濫沉積而成，巖性以細(xì)砂與粉砂為主。在垂向上呈多層透鏡體狀，含水層間有多層粉土、粉質(zhì)黏土或黏土；在水平方向上砂層分布受黃河河道控制，多呈帶狀分布，造成淺層含水層水平方向富水性強弱、水質(zhì)優(yōu)劣的變化。

研究區(qū)淺層含水層砂層2～3層，厚度15～30m，控制最厚處位于研究區(qū)東部西寨子村（ZK3），厚度約32m。大致呈北東向條帶狀分布，展布方向與黃河流向一致，具有明顯的河流相沉積特征。在古河道主流帶上，主要含水砂層可達3～5層，其中有一層分布較為穩(wěn)定，當(dāng)該砂層厚度大于10m時劃為古河道帶，在古河道主流帶上，含水層厚度大，顆粒較粗，分選性較好，水質(zhì)較好；單層厚度小于10m的劃分為古河帶間帶。研究區(qū)東部大部分地區(qū)為古河道帶，而西部小部分區(qū)域為古河道間帶。

淺層孔隙水水質(zhì)受黃河河道多次改道泛濫、古氣候、古沉積環(huán)境及歷史上發(fā)生多次海侵等因素影響，水質(zhì)變化較復(fù)雜，研究區(qū)內(nèi)淺層地下水礦化度一般為1～3g/L的微咸水，礦化度3～5g/L的半咸水分布在研究區(qū)東北部一帶（圖2）。

(2)中深層孔隙水

中深層孔隙水含水層組頂板埋深在50～60m，底板埋深150～200m，含水層主要由中更新世沖湖積相的粉砂組成，它與上覆淺層孔隙水含水層間多發(fā)育一層分布較穩(wěn)定、厚度10～20m的粘性土隔水層。該層組地下水與當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓偷乇硭疅o明顯的水力聯(lián)系，主要接受上游地下水的側(cè)向徑流補給。受古沉積環(huán)境的影響，中深層孔隙水主要為咸水，本次研究所取中深層水水樣礦化度為12.74g/L，施工水文孔單井涌水量約900m3/d。

(3)深層孔隙水

研究區(qū)內(nèi)深層孔隙水底板埋深200～300m，它與上覆含水層組之間一般發(fā)育有一層厚度大于20m的粘性土相對隔水層。該層含水砂層3～6層，含水層巖性中細(xì)砂、粉細(xì)砂夾姜石。含水砂層埋深200～300m，研究區(qū)內(nèi)深層孔隙水單井涌水量500～1000m3/d，研究區(qū)內(nèi)深層孔隙水礦化度小于2g/L。

4 淺層地溫能賦存特征

4.1 巖土體物性和熱物性特征

巖土體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和物質(zhì)組成特點決定了它的物理性質(zhì)，而巖土體物理性質(zhì)又是其熱物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。本次工作共測試土樣190件，分析測試了物理性質(zhì)和熱物理性質(zhì)。通過分析實驗室測試數(shù)據(jù)的主要熱物性參數(shù)（表1），不同巖性的巖土體物理、熱物理性質(zhì)存在較大差異（圖3）,各參數(shù)大致規(guī)律是：

密度：天然密度值1.83～2.03g/cm3，由高到低順次為粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

含水率：由高到低依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂。

孔隙率：由高到低依次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土。

導(dǎo)熱系數(shù)：由高到低順次為粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。其中粉砂平均值1.85w/m·℃，粉土平均值1.84w/m·℃，粉質(zhì)黏土平均值1.76w/m·℃，黏土平均值1.51w/m·℃，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土平均值1.46w/m·℃。

比熱容：由高到低順次為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、黏土、粉砂。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的比熱容最高，為1.35kJ/kg·℃，粉砂的最低，為0.75kJ/kg·℃。

熱擴散系數(shù)：由高到低順次為粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。粉砂的熱擴散系數(shù)最高，為1.55mm2/s，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的熱擴散系數(shù)最低，為0.57mm2/s。

室內(nèi)測試結(jié)果顯示導(dǎo)熱系數(shù)從大到小依次為粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。因為水的比熱容大于其他物質(zhì)，所以比熱容與體積含水率呈正相關(guān)關(guān)系，作為表征在環(huán)境溫度變化時巖土本身溫度變化速度的熱擴散系數(shù)與含水率呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性，與比熱容所呈現(xiàn)的負(fù)相關(guān)性規(guī)律明顯，與導(dǎo)熱系數(shù)呈一定的正相關(guān)性。

表1 主要巖性物理、熱物理參數(shù)特征Table 1 Characteristics of main petrophysical and thermophysical parameters

圖3 室內(nèi)測試巖土體物性熱物性參數(shù)對比曲線圖Fig.3 Comparison curve of physical property and thermo physical properties of rock and soil in indoor testing

4.2 巖土體熱響應(yīng)特征

研究區(qū)內(nèi)共做了8組現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗。地埋管換熱器的熱響應(yīng)特性實驗在理論上可以歸結(jié)為在一定熱流邊界條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱問題。本次測試采用了線熱源理論數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)線熱源理論，流入與流出地埋管的水溫平均值的計算式為：

（1)可寫為線性形式，即：

式中：Tf-埋管內(nèi)流體平均溫度(取入口與出口的平均值)，℃；

Qheat-加熱功率，w；

λ-地層的平均熱導(dǎo)率，w/(m·℃)；

a-熱擴散系數(shù)，m2/s；

t-測試時間，s；

r-鉆孔半徑，m；

γ-歐拉常數(shù)，取0.5772；

Rb-鉆孔熱阻，m·℃/w；

T0-巖土遠(yuǎn)處未受擾動的溫度，℃；

H-鉆孔深度，m；

k-線性公式斜率；

m-線性公式截距；

C-土壤體積比熱容，MJ/(m3·℃)

現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗采用6kw恒定熱量加熱，實時監(jiān)測進出口溫度，繪制Tf隨lnt的變化曲線，求取其斜率，8個熱響應(yīng)試驗孔對應(yīng)圖4中a-h，可以計算得到土壤的平均熱導(dǎo)率(表2)。再根據(jù)土壤的體積比熱容C，計算得到熱擴散率a。再根據(jù)Tf隨lnt的變化曲線的截距，可計算處單位深度鉆孔總熱阻Rb。

從8組熱響應(yīng)測試數(shù)據(jù)看（表2），鉆孔綜合熱導(dǎo)率變化不大，第四系松散巖類熱導(dǎo)率一般為1.52～2.04w/m·℃，平均1.80w/m·℃。平均孔深換熱量為38.45～72.44w/m。

圖4 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)處理Fig.4 On-site thermal response test data processing

表2 現(xiàn)場熱響應(yīng)測試結(jié)果Table 2 On-site thermal response test results

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)的實驗室鉆孔的和現(xiàn)場熱響應(yīng)實驗對比來看（表3，圖5）。這兩項數(shù)據(jù)擬合程度較高，但一般情況下實驗室熱導(dǎo)率比現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗的略低，原因主要在于巖土體的熱物性參數(shù)不但與巖土體的巖性、結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)（密度、含水率、孔隙度）等因素相關(guān)，還與巖土體所處環(huán)境的溫度、壓力、地下水徑流條件有關(guān)，不同的外界環(huán)境導(dǎo)致了不同的熱物性參數(shù)。只有ZK4實驗室測試的熱導(dǎo)率值大于現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗得出的熱導(dǎo)率，分析其原因可能在于做試驗時進水管或者回水管保溫條件沒有做好，溫度受到周圍環(huán)境的影響，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏差。

表3 實驗室和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗導(dǎo)熱系數(shù)對比表Table3 Comparison table of thermal conductivity in thermal response testing between laboratory and on-site

圖5 實驗室和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗熱導(dǎo)率對比Fig.5 Comparison of thermal conductivity in thermal response testing between laboratory and on-site

4.3 淺層地溫場特征

4.3.1 水平地溫場特征

研究區(qū)不同深度水平地溫分布特征相似，總體看呈西南高東北低的規(guī)律，溫度相差不大。本文以80m深度為例分析平面地溫特征（圖6）。

80m深度地溫最高處位于研究區(qū)西南部，監(jiān)測最高溫度16.28℃，地溫最低處位于研究區(qū)東北部，監(jiān)測最低溫度15.76℃。平面上地溫的高低主要與所在地測量深度內(nèi)的地層巖性、第四系厚度、地下水水位埋深、含水層發(fā)育程度等因素密切相關(guān)。從地層分布情況來看，研究區(qū)東北部含水砂層發(fā)育，地下水徑流較強，地溫相對較低。而研究區(qū)西南部，含水層不發(fā)育，地下水徑流條件相對較弱，地溫也相對較高。

圖6 研究區(qū)80m深度溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution map of the study area at 80m depth

4.3.2 垂向地溫場特征

從所獲得的地溫動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中我們可以看出，研究區(qū)所處地區(qū)地溫恒溫層在10～12m之間（表4），恒溫帶溫度一般在14.40～15.66℃之間。

表4 不同巖性測溫孔地溫梯度統(tǒng)計表Table4 Statistical table of geothermal gradients of different lithological temperature measuring holes

影響地溫場參數(shù)的主要因素是地層巖性、構(gòu)造和地下水運動條件。通過對測溫資料的分析認(rèn)為：在同一構(gòu)造單元內(nèi)，巖性基本相同的地層的地溫梯度相差不大，地溫梯度在2.34～2.99℃/100m,主要受地層巖性和地下水活動的控制（圖7），一般而言含水砂層厚的位置地溫梯度較小，反之則高。

圖7 研究區(qū)地溫梯度分區(qū)圖Fig.7 Zoning map of geothermal gradient in the study area

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)屬于華北板塊的五級構(gòu)造單元惠民潛凹陷（Ⅰa42）。整個華北平原地層分區(qū)之內(nèi)，構(gòu)造相對簡單，地層發(fā)育類似，研究區(qū)內(nèi)淺層地溫能的賦存條件及特征對于整個華北平原地層分區(qū)具有一定的參考性。

（2）研究區(qū)內(nèi)200m以淺全部為第四系松散巖類，基本為土體結(jié)構(gòu)，淺層地溫能所賴以賦存的沉積地層巖性組合相對簡單，有利于淺層地溫能的開發(fā)利用。

（3）含水砂層的分布特征影響地下水富水性的強弱，進而影響巖土體的換熱能力，含水砂層較厚，地下水富水性也較強，地下水徑流條件較好，有利于熱量的交換。含水砂層較薄，地下水富水性較弱，熱量的交換效率相對較低。

（4）研究區(qū)內(nèi)巖土體的熱擴散系數(shù)與含水率呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性，與比熱容所呈現(xiàn)的負(fù)相關(guān)性規(guī)律明顯，與導(dǎo)熱系數(shù)呈一定的正相關(guān)性。

（5）通過對比分析，實驗室測得的導(dǎo)熱系數(shù)比原位熱響應(yīng)試驗的結(jié)果低，主要是由于巖土體的熱物性參數(shù)與其所處的外部環(huán)境有關(guān)，不同的外部環(huán)境導(dǎo)致了熱物性參數(shù)的差異。

（6）研究區(qū)的地溫恒溫層在10～12m之間，恒溫帶以下的地溫隨深度增加而增加。研究區(qū)不同深度的水平地溫分布特征相似，巖性基本相同的地層的地溫梯度基本保持不變，主要受地層巖性和地下水活動的控制。一般而言含水砂層厚的位置地溫梯度較小，含水砂層薄的位置地溫梯度較大。