天津某工程项目取用地热水的合理性分析

陆　阳，王　威

（1.天津市控制地面沉降工作办公室，天津　300061；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南　250014）



天津某工程项目取用地热水的合理性分析

陆阳1，王威2

（1.天津市控制地面沉降工作办公室，天津300061；2.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南250014）

摘 要：为保证地下水资源的可持续利用，建设项目取用地下水必须遵循合理开发利用原则。天津市地下热水资源供暖利用广泛，以某建设项目为例，计算分析项目取用地热水的合理性，为相关水资源管理工作提供技术支持。

关键词：地下水资源；合理开发利用；建设项目；地热水；天津

为促进水资源的优化配置和可持续利用、保障建设项目的合理用水要求，根据《取水许可和水资源费征收管理条例》规定，直接从江河、湖泊或地下取水并需申请取水许可证的新建、改建、扩建的建设项目利用水资源，必须遵循合理开发、节约使用、有效保护的原则［1，2］。天津是全国开发利用地下热水资源最早的城市，也是目前全国利用地热水供暖规模最大的城市。在开采地热水过程中，对地热水大量无序的开采，加之地下水补给不足，造成局部地区地下水位显著下降［3，4］。笔者以天津某建设工程项目为例，从项目开采地热水合理性和项目合理取用地热水水量2个方面着手分析项目取用地下热水的合理性。

1　项目概况

天津某建设工程项目位于北辰区西堤头镇内，拟建地热供热系统，供热面积为8万m2，由于项目地点供热配套设施不能满足用户供暖需求，拟在项目园区内开凿采、灌井各1眼，开采地下热水为建筑物冬季地板供暖。项目隶属华北地区，该区域属温带大陆性季风气候，按日平均温度≤5℃的采暖起止温度计算，采暖期为120 d。根据天津市气象统计资料和《采暖通风设计规范》的基本设计参数（见表1），该项目地热设计建筑的热指标为40 W/m2，散热器系统退水水温为34℃，取用地下热水时同层等量回灌，达到采灌平衡。

表1　天津地区采暖热负荷基本设计参数

2　地热水开采利用的合理性分析

2.1区域地热地质条件

项目位于天津山岭子地热田内，山岭子地热田属天津市区及其近郊的四大地热田之一，位于东丽区一带。地热田范围内地势平坦，地表坡降在2.5‰～4.8‰，平均海拔标高3.4～3.9 m，气候属温带半湿润大陆性季风气候。

山岭子地热田位于沧县隆起北端的大、小东庄凸起之上，东侧、东南侧和西北侧分别与黄骅凹陷和冀中凹陷相邻，北起潘庄凸起南缘，南至海河断裂，西依天津断裂，西南侧与白塘口凹陷相接，沧东断裂斜穿其间。区内发育有两组最大的断裂，一组为NNE向的沧东断裂、天津断裂，另一组为NWW向的海河断裂、程林庄断裂［5］。项目区域构造及地热田分布，如图1所示。

图1　项目区域构造及地热田分布

山岭子地热田地层自上而下有新生界第四系、新近系，中生界，古生界石炭一二叠系、奥陶系、寒武系，元古界青白口系、蓟县系。新近系陆相碎屑沉积层划分为新近系热水系统，分为3个热流体富集段：新近系明化镇组上段、新近系明化镇组下段和新近系馆陶组，地热水温度30～57℃。中、上元古界和下古生界海相碳酸盐岩沉积层归并为基岩热水系统，分为3个热流体储集层：奥陶系热流体储集层、寒武系府君山组热流体储集层和中上元古界热流体储集层。奥陶系地层仅分布于海河断裂与程林庄断裂之间的局部地区；寒武系下统府君山组热流体储集层岩性为府君山组角砾状灰岩和泥晶灰岩，总厚度7.0 m左右，岩溶裂隙发育，钻进中上、下段均有漏水现象，井口温度75～96℃；中、上元古界热流体储集层为雾迷山组厚层状白云岩夹少量泥灰岩和石英砂岩薄层，一般呈致密块状，区内雾迷山热储最大温度目前监测为102℃，单井出水量约80～110 m3/h。雾迷山组地层在3 000 m深度内均可揭露，地层内地热水温度高、压力大、产水量大，是本区具有开发前景的热储层。在地热水开采过程中，地热水水位下降较为显著。雾迷山组热储层集中开采区在天津市区、张贵庄地区分别形成水位降落漏斗，分析区内该热储层静水位埋深在98～125 m，降幅在2～7 m/a。

2.2地热水开采层位选择

针对项目热负荷需求，结合项目所在地的地下热储层情况，进行开采层位选择。

项目所在地新近系明化镇组出水温度为30～50℃，地热水直接利用温度不高于16℃，故明化镇组热储层不能满足热负荷要求。

项目所在地新近系馆陶组有效厚度11～47 m，为低产水层，西北部天津断裂下降盘已有馆陶组地热井（大参二井）出水水温仅52.5℃。此外，依据天津市地热水回灌试验研究成果以及当前馆陶组的回灌现状［3，4］，发现馆陶组热储地层不易回灌，难以实现同层等量回灌的目标，由此可见，馆陶组热储层不宜作开采目的层。

奥陶系热储层在项目5 km半径范围内缺失。

项目所在的山岭子地热田寒武系地下热水资源储量仅11.78万m3/a，而项目开采总量为8.1～22.8 万m3/a，所以不宜选用寒武系热储层作为目的开采层。

项目选定蓟县系雾迷山组热储层作为开采目的层，原因如下：①项目所在地区蓟县系雾迷山组热储层地层岩性为厚层状白云岩夹少量泥灰岩和石英砂岩薄层，2 460 m埋深以下可揭露该热储层，且山岭子地热田内雾迷山组热储层地下热水温度70～102℃，单井出水量80～110 m3/h；②山岭子地热田雾迷山组地热储量达824.6万m3/a，项目所在地属于雾迷山组富水性中等地区；③蓟县系雾迷山组热储层岩溶发育，单井涌水量大，易于回灌。经综合分析，认为蓟县系雾迷山组热储层可作为本项目的主要开采目的层。

2.3地热水直接利用温度区间确定

建设项目所在地相应的供热配套不能满足新建项目的供热要求，而项目所在地处于山岭子地热田内的潘庄凸起边缘，依据地热普查资料，该层平均地温梯度达到3.5℃/100 m［6］。综合考虑项目的经济效益和社会效益，可以认定选用地下热水作为热源是合理的。在热负荷设计方面，工业用途建筑的热指标为40 W，符合天津市相关节能标准；鉴于地板采暖对水温要求，本项目退水水温为34℃，符合天津市散热器系统供/回水温度32～42℃的要求。同时，本项目取用地下热水资源，在地下水利用方面采用的是采灌平衡技术，不会造成地下水资源的浪费；在运行过程中采用的全封闭技术仅仅提取水中的热能源，不会造成地下水水质的污染。经综合分析，认为本项目开采地热水是合理的。

参照《天津市地源热泵系统管理暂行规定》中关于“采用的地源热泵系统提取温差低于10℃情况下不予批准”的规定，本项目地下热水直接利用温度不得低于10℃。

本项目所在地区地表以下分布有新近系热水系统和基岩热水系统，地下热水水温为40～102℃。本项目地下热水取水用途为直接地板供暖，地板供暖要求供热温度为32～42℃，考虑到供热回路中2次测量的温度波动，本项目地下热水的尾水温度为34℃。由此可见，本项目地下热水直接利用温度不超过70℃。通过上述分析，认定本项目地下热水直接利用温度10～70℃。

2.4地热水开采水量区间分析

在一定热负荷条件下，地下热水井开采量与直接利用温度相关。参照天津市采暖季不同室外温度条件下的延续时间、采暖负荷比和项目的总热负荷情况，单纯采用地热供热一级供热情形下，由式（1）计算直接利用温度相应的地下热水开采量，结果见表2。

表2　最大注采量及全年注采总量计算

式中：Q为地热流体注采量（m3/h）；Qp为地热流体可开采热量（kW）；Cw为地热流体比热［4.186 8 kJ/ （kg·℃）］；ρw为地热流体的密度（kg/m3）；ΔT为直接利用温度（℃）。

由表2可知，在满足热负荷的条件下，地下热水开采量表现出“大温差、小流量”的特点，当地下热水直接利用温度10℃时最大热负荷对应注采量达到275.15 m3/h。区域不同热储层的单井出水量统计结果表明，最大单井出水量不超过110 m3/h，即从出水量方面考虑，单井难以满足该注采量。经类似分析，发现本项目地下热水直接利用温度25℃及以下时单井出水量均难以满足要求。

由于采灌方式为“一采一灌”即1口开采井和1口回灌井，所以从保证出水量角度出发，在未明确取水热储层情况下，进一步明确地热直接利用温度为25～70℃，经计算得出地下热水井单井开采量为39～110 m3/h，年开采总量为81 360～227 808 m3。

2.5地热水井开采量分析

（1）设计对井水温度预测。参照项目地区的雾迷山组热储埋深情况，初步设计开采井的取水段为雾迷山组埋深2 460～2 600 m地层，依据本区地温场特征，热储温度依据式（2）进行推算。

式中：T为热储层温度（℃）；D1为盖层底板埋深，取1 380 m；D2为常温层埋深，取30 m；D3为热储层中点埋深，取2 530 m；Gi为盖层平均地温梯度，取3.5℃/ 100 m；Gj为基岩地层平均地温梯度，根据区域资料取1.9℃/100 m；T0为常温层温度，取13.5℃。

根据式（2）计算，取水段热储层温度为82.6℃。考虑井口温度损失，估算地下热水井井口温度为80℃，井口损失2～3℃。

（2）设计对井取水量计算。选定雾迷山组热储层作为目的开采层，预测地下热水井井口温度约80℃，结合项目热负荷和取水量关系，计算地下热水井井口温度80℃、尾水34℃时的地下热水取水量，见表3。结果显示，地热井最大取水量为59.8 m3/h，全年累计取水量为12.4万m3。

表3　项目地热水注采量及采暖热量

3　结论与建议

天津某建设工程供热面积为8万m2，热负荷指标为40 W/m2。项目处于山岭子地热田内，可开采地热水作为取暖热源，供暖系统运行过程中采用的全封闭技术仅仅提取地热水中的热量。开采地热水过程中，结合项目所在地的地下热储层情况、项目热负荷对地下热水开采量和地下水回灌的技术要求，选定蓟县系雾迷山组热储层作为开采目的层，取水段埋深2 460～2 600 m，估算地下热水井井口温度为80℃，当尾水34℃时地热井最大取水量为59.8 m3/h，全年累计取水量为12.4万m3。

建议在开采回灌井成井后进行抽水试验和回灌试验，以了解目的层的热储层的渗流场特征和回灌能力，分析该井与周边地区各地下热水井之间的水力联系状况；回灌过程中总结出合理的操作方法后，要严格执行，保证等量回灌。

参考文献

［1］张穹，周英.取水许可和水资源费征收管理条例释义［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［2］李薇，宋国君，杨靖然.中国取水许可制度和水资源费政策分析［J］.水资源保护，2011，27（4）：83-89.

［3］马凤如，林黎，王颖萍，等.天津地热资源现状与可持续性开发利用问题.［J］.地质调查与研究，2006，29（3）：222-228.

［4］刘杰，宋美钰，田光辉.天津地热资源开发利用现状及可持续开发利用建议［J］.地质调查与研究，2012，35（1）：67-73.

［5］天津地热勘查开发设计院.山岭子地热资源详查报告［R］.天津：天津地热勘查开发设计院，1993.

［6］天津地热勘查开发设计院.天津市潘庄—芦台地热资源普查报告［R］.天津：天津地热勘查开发设计院，2006.

中图分类号：TV213.9；P641.8

文献标识码：A

文章编号：1004-7328（2016）01-0006-04

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.002

收稿日期：2015—10—12

作者简介：陆阳（1983—），女，工程师，主要从事地面沉降规律、机理及与其相关的水文、环境地质研究工作。