天津市区地热开采与地面沉降关系研究

2012-11-05徐佳解大可王淼

山西建筑 2012年14期

徐佳解大可王淼

(天津市控制地面沉降工作办公室，天津 300061)

地热资源是集热、水、矿为一体的具有复合特性的矿产资源，作为一种清洁的新能源，与传统能源相比有其独特的优点。天津市地下蕴藏着丰富的中低温地热资源［1］。地热资源的开发利用作为开采地下流体的一种形式和开采地下水引起地面沉降的机理基本相同。天津市区地热水开采由来已久，从开采量和开采层位上已经形成了较大的规模，多年监测资料显示，天津市区地热水开采层水位也在逐年下降，实践证明天津市区地热开采是导致天津地面沉降的重要因素之一［2］。

1 天津中心市区地热开发利用现状

由于针对地热对地面沉降的影响进行研究，多年研究表明基岩地热水资源的开发利用对地面沉降的影响很小，因此本次报告中地热研究内容重点涉及新近系的明化镇组，由于地层原因馆陶组在市区开采井分布很少(市区只有4眼)，对于基岩储热层不做介绍。

经统计可以发现天津市区地热井主要集中在城市的东部和南部地区王兰庄地热田范围内，市区东北部有少数地热井属于山岭子地热田范围，总体以明化镇组热储层地热井及蓟县系雾迷山组地热井为主。

2010年市区及新四区共有新近系明化镇组地热井70眼，其中3眼为回灌井。市区及新四区开采量为342.9×104m3(2010年中心市区地下水开采量为249.4×104m3)，本年度该热储层的3眼地热井均无回灌量［4］。

从统计数据可看出:本年度该热储层以市区及新四区为集中开采区，虽然集中开采区开采量比2009年度有所减少，但仍占全市该层开采总量的72.9%(全市明化镇组开采量为470.1×104m3);本年度外围地区开采量增加了99.5×104m3。

2 地热开采引起地面沉降分析

通过前文数据可以看出，天津市中心市区随着地下水不断减采，市区及周边新近系地热水开采量(2010年342.9×104m3)已经大于市区地下水开采量(2010年249.4×104m3)。为了研究开采地热水对天津市区地面沉降造成的影响，本文选取小范围的研究示范区进行分析比较，示范区如图1所示。选择区域内有两组新近系明化镇组地热采灌井分别是NK-21，NK-21B和NK-22，NK-22B均属于南开海河楼所有的地热井，见图2，两组地热井均采取一采一灌运行模式，但由于新近系地层原因每年几乎没有回灌量，并且区域内无其他地下水开采井分布。

根据研究区最近的监测点:不268数据显示见表1，2001年～2002年间该监测点沉降量较小，随着海河楼区域建设开始(建设时间为2003年～2006年)，该监测点沉降量突然增大，到2007年工程建设完成，在2008年～2010年工程建设结束只有地热井持续开采期间，沉降量逐步回落并稳定在一个较高数值并始终高于施工之前的沉降值，沉降量并没有因施工停止而恢复到原先的程度，从监测点时间序列图3中可以分析得知，开采新进系地热的确会对地面沉降产生一定的影响。

由于天津市区分层标较浅，标组最深处只能反映市区350 m以下的沉降量，不能将开采地热引发的地面沉降数值完全分离，因此根据现有成果(塘沽分层标监测结果)，并且塘沽区新近系岩性与市区新近系岩性相似，进行地面沉降量与深层地热水开采量的方程拟合:拟合方程为:

其中，S为开采层沉降量，mm;Q为开采层开采量，×104m3/年。

表1 研究区不268监测点沉降量 mm

图1 沉降研究区内地下水开采井分布图

图2 沉降研究区内地热井分布图

当置信度为95%时，二者的相关系数为0.99，可用来计算地热开采量与沉降量关系。新近系明化镇开采井基本都集中在市区，由式(1)可得在市区由于地热因素造成的沉降量约4.5 mm。另外，市区附近西青区分层标深度可达566.2 m，本次研究认为566.2 m以下产生的沉降量均为地热水开采引起的，根据监测结果显示地热开采引起的沉降量约3.8 mm，因此可认为由开采新近系地热引起的地面沉降占中心市区总沉降量因素见表2。