惠民县城及周边地区浅层地温能赋存条件及特征

宁文峰 刘凯丽 丁永政

中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般为200m）范围内的岩土体、地下水和地表水中温度低于25℃并且具备开发利用价值的地热能[1]。浅层地温能是一种可再生的新型绿色能源，分布广泛，取用便利，储量巨大，经济节能，清洁环保，开发利用前景广阔。加大对其开发利用对建设生态文明和美丽中国具有非常重要的意义，是坚持绿色低碳循环发展、建设资源节约型和环境友好型社会、保障能源安全、改善现有能源结构、实现节能减排战略目标的重要措施。翁丽芬、朱巍等人对浅层地温能资源开展了相关的研究，并取得了丰富的成果[2-11]。

1 研究方法

研究区范围为惠民县城市建设区、新区、规划区，东至东环路、北至孙子文化园-孙武一路、西至西环路、南至大济路-孙武八路-孙武九路。工作区面积60km2。

在收集分析已有资料的基础上，进行惠民县城市建成区、新区、规划区浅层地温能调查和浅层地温能开发利用工程调查。开展地质勘查孔钻探和水文孔钻探，施工地质孔8眼，其中80m钻孔1个，100m钻孔2个，120m钻孔4个，200m钻孔1个，地质勘查孔钻探过程中采取岩土样品190件，所采取的样品进行物理性质、热物理性质的测试，了解岩土体物性、热物性特征。钻探完成后下入双U高密度PE管，待地温恢复正常后开展现场热响应试验，进行现场热响应试验8组，测试设备采用天津市浩鸿科技发展有限公司开发研制的FTPT-12型浅层地热能冷、热响应测试仪。先进行无功循环，测量地下岩土体初始地温。后采用加热功率6kw测试钻孔地层综合热导率、热扩散率等试验参数。在地埋管之内利用移动式测温设备进行地温动态监测，了解地温场特征。施工水文孔4眼并开展抽水试验，其中60m水文孔2眼，了解浅层孔隙水特征及相关水文参数，120m水文孔2眼，了解中深层孔隙水特征及相关水文参数。

综合运用钻探、现场热响应试验、抽水试验、实验室测试分析、动态观测等研究手段对岩土体的浅层结构、水文地质条件、物性和热物性参数、地温等数据进行了科学分析，探讨了浅层地温能的赋存条件及特征，以及各参数之间的相关性。

2 区域地质背景

根据山东省区域地层分区界限，惠民县位于聊考断裂东，齐广断裂以北区域，属于华北平原地层分区，区内新生界古近系、新近系和第四系广泛发育且规模较大。根据山东省地质构造单元划分方案，研究区在大地构造单元上属华北板块，其二级构造单元为华北坳陷区（Ⅰ），三级构造单元为济阳坳陷（Ⅰa），四级构造单元为惠民潜断陷（Ⅰa4），五级构造单元为惠民潜凹陷（Ⅰa42）。

整个华北平原地层分区内，构造相对简单，地层发育相似，研究区内浅层地温能赋存条件以及特征对于整个华北平原地层分区具有一定的参考性。

3 浅层地温能赋存条件

3.1 浅层地质结构特征

惠民县隶属山东省滨州市，研究区内250m以浅为第四纪平原，属松散岩，地层厚200～250m。下部为灰褐、灰绿、棕黄色砂质黏土夹黄色细砂，富含钙质结核，底部有砾石；中部为土黄、棕黄色砂质黏土、粘质砂土与粉砂、细砂、中细砂互层，含钙质结核及铁锰质结核；上部为土黄色粉土、粘质砂土夹灰色淤泥质砂质黏土。200m以浅全为土体结构，浅层地温能赖以赋存的沉积地层岩性组合相对简单，利于浅层地温能的开发利用。

研究区第四系松散层为河海冲积形成，黏土、粉质黏土、粉土与粉砂、细砂形成砂泥互层。含水砂层由西向东逐渐增厚（图1、图2），钻孔揭露含水砂层厚度最大为54.70m，位于研究区东部（ZK2），最小为11.26m，位于研究区西北部（ZK1）。含水砂层的分布影响地下水富水性强弱，进而影响岩土体换热能力。研究区东部含水砂层较厚，地下水富水性较强，地下水径流条件较好，有利于热量交换。而研究区西部与之相反，热量交换效率相对较低。

图1 研究区地层剖面图Fig.1 Stratigraphic section of the study area

图2 研究区含水砂层厚度等值线及浅层孔隙水矿化度等值线图Fig.2 Contour of the thickness of water - bearing sandstone and the salinity of shallow pore water in the study area

3.2 水文地质条件

研究区内地下水类型依据赋存条件和含水岩组特征划分为松散岩类孔隙水。自上而下可以分为浅层潜水-微承压水、中深层孔隙水与深层孔隙水。

（1）浅层潜水-微承压水

主要指赋存于60m深度范围内的第四系松散岩类孔隙水，水力性质为潜水-微承压水。研究区位于小清河以北黄河冲积平原，浅层含水层是由黄河多次泛滥沉积而成，岩性以细砂与粉砂为主。在垂向上呈多层透镜体状，含水层间有多层粉土、粉质黏土或黏土；在水平方向上砂层分布受黄河河道控制，多呈带状分布，造成浅层含水层水平方向富水性强弱、水质优劣的变化。

研究区浅层含水层砂层2～3层，厚度15～30m，控制最厚处位于研究区东部西寨子村（ZK3），厚度约32m。大致呈北东向条带状分布，展布方向与黄河流向一致，具有明显的河流相沉积特征。在古河道主流带上，主要含水砂层可达3～5层，其中有一层分布较为稳定，当该砂层厚度大于10m时划为古河道带，在古河道主流带上，含水层厚度大，颗粒较粗，分选性较好，水质较好；单层厚度小于10m的划分为古河带间带。研究区东部大部分地区为古河道带，而西部小部分区域为古河道间带。

浅层孔隙水水质受黄河河道多次改道泛滥、古气候、古沉积环境及历史上发生多次海侵等因素影响，水质变化较复杂，研究区内浅层地下水矿化度一般为1～3g/L的微咸水，矿化度3～5g/L的半咸水分布在研究区东北部一带（图2）。

(2)中深层孔隙水

中深层孔隙水含水层组顶板埋深在50～60m，底板埋深150～200m，含水层主要由中更新世冲湖积相的粉砂组成，它与上覆浅层孔隙水含水层间多发育一层分布较稳定、厚度10～20m的粘性土隔水层。该层组地下水与当地的大气降水和地表水无明显的水力联系，主要接受上游地下水的侧向径流补给。受古沉积环境的影响，中深层孔隙水主要为咸水，本次研究所取中深层水水样矿化度为12.74g/L，施工水文孔单井涌水量约900m3/d。

(3)深层孔隙水

研究区内深层孔隙水底板埋深200～300m，它与上覆含水层组之间一般发育有一层厚度大于20m的粘性土相对隔水层。该层含水砂层3～6层，含水层岩性中细砂、粉细砂夹姜石。含水砂层埋深200～300m，研究区内深层孔隙水单井涌水量500～1000m3/d，研究区内深层孔隙水矿化度小于2g/L。

4 浅层地温能赋存特征

4.1 岩土体物性和热物性特征

岩土体的结构、构造和物质组成特点决定了它的物理性质，而岩土体物理性质又是其热物理性质的基础。本次工作共测试土样190件，分析测试了物理性质和热物理性质。通过分析实验室测试数据的主要热物性参数（表1），不同岩性的岩土体物理、热物理性质存在较大差异（图3）,各参数大致规律是：

密度：天然密度值1.83～2.03g/cm3，由高到低顺次为粉土、粉砂、粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土。

含水率：由高到低依次为淤泥质粉质黏土、黏土、粉质黏土、粉土、粉砂。

孔隙率：由高到低依次为淤泥质粉质黏土、黏土、粉砂、粉质黏土、粉土。

导热系数：由高到低顺次为粉砂、粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土。其中粉砂平均值1.85w/m·℃，粉土平均值1.84w/m·℃，粉质黏土平均值1.76w/m·℃，黏土平均值1.51w/m·℃，淤泥质粉质黏土平均值1.46w/m·℃。

比热容：由高到低顺次为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、黏土、粉砂。淤泥质粉质黏土的比热容最高，为1.35kJ/kg·℃，粉砂的最低，为0.75kJ/kg·℃。

热扩散系数：由高到低顺次为粉砂、粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土。粉砂的热扩散系数最高，为1.55mm2/s，淤泥质粉质黏土的热扩散系数最低，为0.57mm2/s。

室内测试结果显示导热系数从大到小依次为粉砂、粉土、粉质黏土、黏土、淤泥质粉质黏土。因为水的比热容大于其他物质，所以比热容与体积含水率呈正相关关系，作为表征在环境温度变化时岩土本身温度变化速度的热扩散系数与含水率呈现一定的负相关性，与比热容所呈现的负相关性规律明显，与导热系数呈一定的正相关性。

表1 主要岩性物理、热物理参数特征Table 1 Characteristics of main petrophysical and thermophysical parameters

图3 室内测试岩土体物性热物性参数对比曲线图Fig.3 Comparison curve of physical property and thermo physical properties of rock and soil in indoor testing

4.2 岩土体热响应特征

研究区内共做了8组现场热响应试验。地埋管换热器的热响应特性实验在理论上可以归结为在一定热流边界条件下的非稳态传热问题。本次测试采用了线热源理论数学模型。

根据线热源理论，流入与流出地埋管的水温平均值的计算式为：

（1)可写为线性形式，即：

式中：Tf-埋管内流体平均温度(取入口与出口的平均值)，℃；

Qheat-加热功率，w；

λ-地层的平均热导率，w/(m·℃)；

a-热扩散系数，m2/s；

t-测试时间，s；

r-钻孔半径，m；

γ-欧拉常数，取0.5772；

Rb-钻孔热阻，m·℃/w；

T0-岩土远处未受扰动的温度，℃；

H-钻孔深度，m；

k-线性公式斜率；

m-线性公式截距；

C-土壤体积比热容，MJ/(m3·℃)

现场热响应试验采用6kw恒定热量加热，实时监测进出口温度，绘制Tf随lnt的变化曲线，求取其斜率，8个热响应试验孔对应图4中a-h，可以计算得到土壤的平均热导率(表2)。再根据土壤的体积比热容C，计算得到热扩散率a。再根据Tf随lnt的变化曲线的截距，可计算处单位深度钻孔总热阻Rb。

从8组热响应测试数据看（表2），钻孔综合热导率变化不大，第四系松散岩类热导率一般为1.52～2.04w/m·℃，平均1.80w/m·℃。平均孔深换热量为38.45～72.44w/m。

图4 现场热响应试验数据处理Fig.4 On-site thermal response test data processing

表2 现场热响应测试结果Table 2 On-site thermal response test results

根据导热系数的实验室钻孔的和现场热响应实验对比来看（表3，图5）。这两项数据拟合程度较高，但一般情况下实验室热导率比现场热响应试验的略低，原因主要在于岩土体的热物性参数不但与岩土体的岩性、结构、物理性质（密度、含水率、孔隙度）等因素相关，还与岩土体所处环境的温度、压力、地下水径流条件有关，不同的外界环境导致了不同的热物性参数。只有ZK4实验室测试的热导率值大于现场热响应试验得出的热导率，分析其原因可能在于做试验时进水管或者回水管保温条件没有做好，温度受到周围环境的影响，从而导致数据偏差。

表3 实验室和现场热响应试验导热系数对比表Table3 Comparison table of thermal conductivity in thermal response testing between laboratory and on-site

图5 实验室和现场热响应试验热导率对比Fig.5 Comparison of thermal conductivity in thermal response testing between laboratory and on-site

4.3 浅层地温场特征

4.3.1 水平地温场特征

研究区不同深度水平地温分布特征相似，总体看呈西南高东北低的规律，温度相差不大。本文以80m深度为例分析平面地温特征（图6）。

80m深度地温最高处位于研究区西南部，监测最高温度16.28℃，地温最低处位于研究区东北部，监测最低温度15.76℃。平面上地温的高低主要与所在地测量深度内的地层岩性、第四系厚度、地下水水位埋深、含水层发育程度等因素密切相关。从地层分布情况来看，研究区东北部含水砂层发育，地下水径流较强，地温相对较低。而研究区西南部，含水层不发育，地下水径流条件相对较弱，地温也相对较高。

图6 研究区80m深度温度分布图Fig.6 Temperature distribution map of the study area at 80m depth

4.3.2 垂向地温场特征

从所获得的地温动态监测数据中我们可以看出，研究区所处地区地温恒温层在10～12m之间（表4），恒温带温度一般在14.40～15.66℃之间。

表4 不同岩性测温孔地温梯度统计表Table4 Statistical table of geothermal gradients of different lithological temperature measuring holes

影响地温场参数的主要因素是地层岩性、构造和地下水运动条件。通过对测温资料的分析认为：在同一构造单元内，岩性基本相同的地层的地温梯度相差不大，地温梯度在2.34～2.99℃/100m,主要受地层岩性和地下水活动的控制（图7），一般而言含水砂层厚的位置地温梯度较小，反之则高。

图7 研究区地温梯度分区图Fig.7 Zoning map of geothermal gradient in the study area

5 结论

（1）研究区属于华北板块的五级构造单元惠民潜凹陷（Ⅰa42）。整个华北平原地层分区之内，构造相对简单，地层发育类似，研究区内浅层地温能的赋存条件及特征对于整个华北平原地层分区具有一定的参考性。

（2）研究区内200m以浅全部为第四系松散岩类，基本为土体结构，浅层地温能所赖以赋存的沉积地层岩性组合相对简单，有利于浅层地温能的开发利用。

（3）含水砂层的分布特征影响地下水富水性的强弱，进而影响岩土体的换热能力，含水砂层较厚，地下水富水性也较强，地下水径流条件较好，有利于热量的交换。含水砂层较薄，地下水富水性较弱，热量的交换效率相对较低。

（4）研究区内岩土体的热扩散系数与含水率呈现一定的负相关性，与比热容所呈现的负相关性规律明显，与导热系数呈一定的正相关性。

（5）通过对比分析，实验室测得的导热系数比原位热响应试验的结果低，主要是由于岩土体的热物性参数与其所处的外部环境有关，不同的外部环境导致了热物性参数的差异。

（6）研究区的地温恒温层在10～12m之间，恒温带以下的地温随深度增加而增加。研究区不同深度的水平地温分布特征相似，岩性基本相同的地层的地温梯度基本保持不变，主要受地层岩性和地下水活动的控制。一般而言含水砂层厚的位置地温梯度较小，含水砂层薄的位置地温梯度较大。