天津地区地层热物性特征及影响因素分析

阮传侠;冯树友;牟双喜;程万庆;赵苏民【摘要】为分析天津地区地层热物性参数的地区分布特征和平面分布规律，布置88个勘查孔、现场采集1076个岩土样、室内分析热导率、比热容、热扩散系数等地层热物性实验，对测试数据进行统计分析.结果表明:天津市岩土体热导率在1.26~1.70W/(mK),比热容在2050~2090J/(kgK),热扩散系数在0.45x10-6-0.74x10-6m2/s.同一地区不同岩性的比热容，黏土最大、粉砂最小，热导率刚好相反，热扩散系数与比热容规律相同;不同地区同一岩性的热物性参数差别不大.天津市比热容与热导率呈现大致相反的趋势，热导率高值区位于蓟县、宝坻和宁河的东部、武清西部、静海南部以及滨海新区的中部地区;比热容高值区位于蓟县、宝坻和宁河西部、武清东部、静海北部以及滨海新区大部分地区.％InordertoanalyzetheregionaldistributionandplanedistributionregulationsofthermalphysicalparametersofthestrataintheTianjinarea,theauthorsuse88explorationholes,collect1076soilsamples,analyzethermalconductivity,specificheatandthermaldiffusioncoefficientofformationinthelaboratoryandcarriesoutstatisticalanalysesofthetestdata.TheresultsshowthattheheatconductivityofrockandsoilbodyintheTianjinareais1.26~1.70W/(m-K),thespecificheatcapacityrangesfrom2050to2090J/(kg-K),andthethermaldiffusioncoefficientvariesfrom0.45x10-6to0.74x106m2/s.Thespecificheatofdifferentrocksinthesameregionisdifferent:clayisthesmallestandsiltisthebiggest.Thesituationiscontraryforthethermalconductivity.Thethermaldiffusivityandthespecificheatcapacityareofthesamechanges.Differenceinthermalphysicalparametersindifferentpartsofthesamerocksisnotlarge.IntheTianjinregiontheheatcapacityandthethermalconductivityareroughlyinanoppositetrend,i.e.,theareasofhighvalueofthermalconductivityislocatedintheeastternpartsofJixian,BaodiandNinghecounty,thewesternpartofWuqing,thesouthernpartofJinghaiandthemiddlepartoftheBinhainewarea;theareasofhighvalueofthespecificheatcapacityliemainlyinthewesternpartofJixian,BaodiandNinghecounty,theeasternpartofWuqing,thenorthernpartofJinghaiandthemostpartoftheBinnhainewarea.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷)，期】2017(044)005【总页数】6页(P158-163)【关键词】地热地质;热导率;比热容;热扩散系数;水文地质;地层热物性;天津地区【作者】阮传侠;冯树友;牟双喜;程万庆;赵苏民【作者单位】中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京100083;天津地热勘查开发设计院，天津300250;天津地热勘查开发设计院，天津300250;天津地热勘查开发设计院，天津300250;天津地热勘查开发设计院，天津300250;天津地热勘查开发设计院，天津300250【正文语种】中文【中图分类】P314.1E-mail:天津地区夏季炎热、冬季寒冷，气候条件决定了天津夏季需要制冷，冬季需要供暖。优越的水文地质、基础地质条件为开发利用地源热泵提供了基础条件，因此地源热泵在天津得到了快速发展。它是可再生能源开发利用的新方式［1~3］。地源热泵系统设计以地层热物性参数为基础［4~5］，如果热物性参数不准确，则可能导致地源热泵系统设计不当［6］,给后期的应用带来诸多问题，因此地层热物性参数对于地源系统工程设计非常重要。2010年天津第一次开展了天津市浅层地热能调查工作，取得了一批天津市岩土体的热物性参数，为天津市开发利用浅层地热能提供了基础数据。孙宝成等［7］进行了天津市浅层地热能资源评价及开发利用条件分析的研究，主要开展浅层地热能适宜性分区和资源评价等。于建水等［8］开展了天津市浅层地热能开发利用经济和环境效益评价工作，为后期浅层地热能开发利用提供了基础依据。唐永香等［9~10］对天津地区浅层地热能赋存条件及前景进行了分析，并针对天津滨海新区浅层地热能资源评价及开发利用对策进行了研究。刘九龙等［11］开展了专项地埋管地源热泵系统工程的高效利用技术研究，主要从热泵利用效率方面开展了研究。曾梅香等［15］从地质环境监测系统设计和施工要求、监测数据采集传输及整理分析、监测系统运行与维护等方面进行研究，为浅层地热能动态监测提供依据。据调查统计，截至2016年底天津市浅层地热能开发利用工程达到306个，应用建筑面积为933x104m2。其中地埋管地源热泵系统多达231处，可见地埋管地源热泵工程利用越来越广泛，对岩土体热物性特征的研究显得尤其重要。为了保证浅层地热能资源高效、合理、可持续开发利用，在以往工作成果的基础上，对天津市不同区域相同地层和同一区域不同地层的热物性参数进行对比分析，研究热物性参数平面分布特征。结果表明天津市岩土体热导率为1.26~1.70W/(mK),比热容为2050~2090J/(kgK)，热扩散系数为0.45~0.74x10-6m2/s。同一地区不同岩性的比热容，黏土最大、粉砂最小，热导率刚好相反，热扩散系数与比热容规律相同；不同地区同一岩性的热物性参数差别不大，为浅层地热能工程设计提供了基础参数。天津市地处华北平原东北部，环渤海的中心，东南临渤海，北依燕山山脉，南北距离为189km，东西距离为117km。天津市国土面积11946km2，北部山区面积755km2，南部面积11191km2。天津市地貌主要有山地、丘陵、平原、洼地、滩涂等，地貌特征是从蓟县北部山区向南部平原逐级下降，西面从武清区永定河冲积扇尾部向东缓缓倾斜，南面从静海县南运河大堤向海河河口渐渐降低，形成北高南低、西高东低的形态。最高处为蓟县九山顶，海拔1085.5m，最低处为塘沽区大沽口，海拔为-2m。1.1地质条件天津市地质构造复杂，新构造运动控制了新生代地层的沉积。以宁河一宝坻断裂为界，北部为阴山纬向构造体系，南部为以新华夏构造体系，为一系列北北东向的隆起坳陷和构造断裂，自东向西的B级构造单元依次有黄骅坳陷、沧县隆起、冀中坳陷和一系列北东向断裂。北部山区受二级燕山沉降带的控制，在蓟县山前断裂与宁河一宝坻断裂之间形成北部平原，为B级构造单元蓟宝隆褶。南部为南部平原。天津市第四系在北部山区零星分布，主要广布于平原区，厚度由近山前不足百米向南变厚，坳陷区己超过400m，多为冲洪积、冲积、沼、湖积和海积，形成了砂、砂性土和黏性土不规则互层，无论从平面上还是从剖面上其岩性组合较单一（表1）。1.2水文地质条件天津市第四系孔隙水广泛分布于广大平原区，按埋藏条件和水文地质特征可分为四种类型：全淡水、浅层淡水、咸水和深层淡水。根据以往的地质、水文勘查成果，第四系孔隙水划分为四个含水组，即第I含水组、第H含水组、第B含水组和第IV含水组。各含水层特征见表2。1.3地温场特征地壳浅层地温场在垂向上的变化特征受地层岩性、结构、孔隙度、当地气候、地下水活动等多种因素的影响。从上至下依次分为：变温层、恒温层和增温带，天津市恒温带深度一般在30m左右，〃恒温带”之上称为〃变温带”，“恒温带”之下称为〃增温带”，其温度主要受地壳传导热的影响，地温随深度的增加而增高，不同地区具有不同的地热增温率。不同地区地温梯度也不同，这主要和控热的地质构造、热储层结构、岩浆和断裂活动及水文地质环境等有密切关系。天津市200m以浅地层的地温梯度值一般为1.0~4.0oC/100m。选取了不同构造区的增温带（200m以浅）的地温梯度特征值，见表3。地层热物性特征，主要是岩土体的热导率、比热容和热扩散系数，反映了岩土体的蓄热和导热能力，是影响浅层地热能资源赋存的重要影响因素，是浅层地热能资源开发利用适宜性分区及资源潜力评价的重要参数。岩土体热物性特征主要通过实验室对岩土体样品测试取得。共完成88个勘查孔，勘查孔的设计深度为120m,直径为110mm,根据岩性采集岩土样，对勘查孔进行岩性分析，每个勘查孔采集10~12个岩土样，每个样品长度为25cm,采样间隔为10m或者根据地层埋深进行调整，共采集1076个岩土样。现场按照试验室对岩土样要求进行包装，送往实验室，测试其热导率、比热容以及热扩散系数。2.1测试方法岩土热导率和热扩散系数采用微细热探针法进行测量。热探针法作为一种非稳态测量方法，已经广泛应用于多孔介质传热介质研究领域。试验热探针主体采用①2mm的不锈钢管，长度为200mm。热源采用①0.1mm的绕制漆包康铜丝，外接WYJ-15V型恒流源保证稳定的加热功率。测温传感器采用自制的微细铜-康铜热电偶，通过Julabo型高精度恒温水浴标定，测试数据通过Aglient34970A型温度采集仪记录和储存，温度测量精度为±0.1°C。试验中，岩土热探针的测试结果采用丙三醇和筛分干燥细砂进行标定，从而确定平均修正因子。经过标定后，岩土样品的热导率和热扩散系数测试误差可以控制在±2%之内［13~14］。比热容采用混合法(绝热恒容槽)，岩土体样品温度测量采用①0.05mm铜-康铜热电偶，标定精度±0.1C,温度数据记录采用HP/Agilent34970自动采集系统，恒温水浴采用德国Julabo型实验室级加热/冷却循环装置(±0.02C)。测试结果进行修订，修订后的测试结果误差在±5%之内，满足工程设计的需求［13~14］。2.2岩土体物理性质统计分析按照岩土体的岩性、物理性质分类，在数理统计(采取方差剔除异常值)方法进行全孑L段(120m)的加权平均，根据勘查孔岩性资料，把天津市岩土体主要概化为黏土、粉质黏土、粉土、粉砂四种，对1076个热物性测试成果进行统计，分析岩土体热物性参数分布规律，并且初步解释其影响因素。2.2.1不同地点同一岩性热物性参数对比分析依据采样的地点，岩土体热物性参数测试结果按照天津市行政区进行统计分析，为了直观表示出不同地点、同一岩性热物性变化，将统计分析的结果绘制曲线图，见图1。通过对比分析图1,能明显看出，热导率总体上呈现黏土〉粉质黏土〉粉土＞粉砂的分布特征，但是对于同一种岩性而言，不同地点热导率变化不大，因此可以认为热导率的大小仅受地层岩性的影响而与分布的位置相关性不大。从图1看，不同岩性、不同地区的比热容和热扩散系数变化不大，只是因所处的区域和岩性不同存在差异，总体上呈现粉土〉粉质黏土〉粉土〉粉砂，应更一步分析其影响因素。2.2.2同一地点不同岩性热物性参数对比分析为了分析同一测试点不同岩性之间各物理性质的差异，对蓟县、中心城区及静海勘查孔的岩土体测试数据进行对比分析，分别代表天津市北部、中部和南部地区的地层物理性质特征，见表4［15］。通过同一地区不同岩性之间热物性对比分析，结果表明：岩土体的热物性参数主要受地层岩性的影响，对比热容而言，黏土最大，粉砂最小，但是热导率刚好相反，黏土最小，而粉砂最大，热扩散系数与热导率规律相同。2.2.3岩土体热物性平面特征为了直观看出综合热导率和比热容的平面变化趋势，绘制平面等值线图(图2)。图2热导率高值区位于蓟县、宝坻和宁河的东部、武清西部、静海南部以及滨海新区的中部，这正好反映水文地质条件与热导率之间的联系。热导率高的地区一般都是地下水动力条件好的地区，该地区单井涌水量也比较大［16］。天津市热导率的变化规律是：东西方向上两边高中间低。比热容与热导率呈现大致相反的趋势，比热容的高值区主要分布在蓟县、宝坻和宁河西部、武清东部、静海北部以及滨海新区大部分地区，低值区位于宁河、天津市区西部和津南等地。岩土体热物性参数影响因素主要是以下几个方面：受地层岩性的影响，同一种岩性地层热物性参数与所处的位置关系不大(表7)。由表可知，热导率与热扩散系数变化规律一致，热导率大的岩性，热扩散系数也相对较大。从平面分布规律分析(图2)，不同地区的地层热物性存在明显的差异。蓟县地区热导率在1.54-1.70W/(mK)之间，比热容在2030-2070J/(kgK)之间，热扩散系数在0.52x10-6-0.74x10-6m2/s之间。中心城区热导率在1.54-1.70W/(mK)之间，比热容在2030-2070J/(kgK)之间，热扩散系数在0.52x10-6-0.74x10-6m2/s之间。静海地区热导率在1.34-1.39W/(mK)之间，比热容在2050-2090J/(kgK)之间，热扩散系数在0.52x10-6-0.74x10-6m2/s之间。不同地区差值的区别主要受地下水径流条件影响，在热导率值相对比较的高位置，比热容值相对较小，如热导率为1.70W/(mK)，地区比热容值为2010J/(kgK)，热扩散系数为0.52x10-6-0.74x10-6m2/s。通过对88个勘查孔，1076个岩土样测试结果统计分析，结果表明：同一地区不同岩性的比热容，黏土最大、粉砂最小，热导率刚好相反，热扩散系数与热导率规律相同；不同地区同一岩性的热物性参数差别不大。对比分析热导率和比热容平面分布规律，天津市比热容与热导率呈现大致相反的趋势，热导率高值区位于蓟县、宝坻和宁河的东部、武清西部、静海南部以及滨海新区的中部地区；比热容的高值区位于蓟县、宝坻和宁河西部、武清东部、静海北部以及滨海新区大部分地区。综合分析天津地区地热地质条件、水文地质条件、第四系岩性特征以及岩土体热物性参数，天津市适宜开发利用地埋管地源热泵系统，适宜的地埋管埋深为100-120m。致谢：非常感谢天津市国土资源和房屋管理提供支撑，得以顺利开展项目，采集了大量的样品，完成实验室测试！【相关文献】韩再生,冉伟彦，佟红兵，等.浅层地热能勘查评价[J].中国地质，2007,34(6):1115-1121.[HANZS,RANWY,TONGHB,etal.ExplorationandEvaluationofshallowgeothermalenergyexploration[J].GeologyinChina,2007,34(6):1115-1121.(inChinese)]王秉忱.科学运用地源热泵技术开发地热能[J].水文地质工程地质，2008,35(3):I.[WANGBC.Theuseofgroundsourceheatpumpinthedevelopmentofshallowgeothermalenergy[J].Hydrogeology&EngineeringGeology,2008,35(3):I.(inChinese)]王秉忱.我国利用水源、地源热泵技术开发浅层地热能呈现好形势[J].工程设计与建设，2008(1):8-11.[WANGBC.Theutilizationofwatersourceandgroundsourceheatpumptechnologyinthedevelopmentofshallowgeothermalenergycanbeagoodsituation[J].Construction&designforproject,2008(1):8-11.(inChinese)]赵军，张春雷，李新国，等.U型管埋地换热器三维传热模型及实验对比分析[J].太阳能学报，2006,27(1):63-66.[ZHAOJ,ZHANGCL,LIXG,etal.ThreedimensionalheattransfermodelandexperimentalcontrastanalysisofUpipeburiedheatexchanger[J].ActaEnergiaeSolarisSinica,2006,27(1):63-66.(inChinese)]PribnowD,SassJH.Determinationofthermalconductivityfromdeepboreholes[J].Journalofgeophysicalresearch,1995,100(B6):9981-9994.毕文明，岳丽燕，韩再生，等.地埋管换热性能综合微缩试验研究[J].水文地质工程地质，2014,41(1):144-148.[BIWM,YUELY,HANZS,etal.Acomprehensiveminiatureteststudyofburiedtubeheatexchangeperformance[J].Hydrogeology&EngineeringGeology,2014,41(1):144-148.(inChinese)]孙宝成，林黎，张云霞，等.天津市浅层地热能调查报告[R].天津:天津地热勘查开发设计院，2010.[SUNBC,LINL,ZHANGYX,etal.InvestigationreportofshallowgeothermalenergyinTianjinCity[R].Tianjin:Tianjingeothermalexplorationanddevelopmentdesigninginstitute,2010.(inChinese)]于建水，贾佩，郑晓菲，等.天津市浅层地热能示范工程经济环境效益评价[R].天津:天津地热勘查开发设计院，2012.[YUJS,JIAP,ZHENGXF,etal.Tianjinshallowgeothermalenergydemonstrationprojecteconomyandenvironmentbenefitevaluation[R].Tianjin:Tianjingeothermalexplorationanddevelopmentdesigninginstitute,2012.(inChinese)]唐永香，李嫄嫄，俞初安，等.天津地区浅层地热能赋存条件浅析及前景展望[J].:地质调查与研究,2013,36(3):213-220.[TANGYX,LIYY,YURG,etal.AnalysisonoccurrenceconditionsandprospectoftheshallowgeothermalenergyinTianjinarea[J].GeologicalSurveyandResearch,2013,36(3):213-220.(inChinese)]唐永香，李嫄嫄，俞初安，等.天津滨海新区浅层地热能资源评价及开发利用对策分析[J].地质找矿论坛，2014,29(4):622-627.[TANGYX,LIYY,YURG,etal.Resourceassessment,exploitationandutilizationmeasuresoftheshallowgeothermalenergyinTianjinBinhaiNewarea[J].ContributionstoGeologyandMineralResourcesResearch,2014,29(4):622-627.(inChinese)]刘九龙，郑晓菲，边宗斌，等.宝坻国土局浅层地热能示范项目系统高效运行与节能减排研究[M].天津:天津地热勘查开发设计院，2015.[LIUJL,ZHENGXF,BIANZB,etal.Thesystemhighefficientlyrunning,savingenergyandreducingemissionofshallowgeothermalenergydemonstrationprojectinBaodilandandresourcesbureau[R].Tianjin:TianjinGeothermalExplorationandDevelopmentDesigningInstitute,2015.(inChines