北京平原区浅层地温能分布规律研究

北京平原区浅层地温能分布规律研究王新娟1栾英波2路 明1李志萍1(1.北京市水文地质工程地质大队 北京市 100195 2.北京市地质矿产勘查开发局 北京市 100195)提 要 浅层地温能分布规律的研究,是浅层地温能资源合理开发利用的重要依据。

该文研究了影响北京平原区浅层地温能资源分布规律的地质构造、第四系空间结构及地下水径流条件,2008年6月地下水温测量结果。

研究表明:北京平原区浅层地温除几个地温异常区地温偏高(摄氏20几度)外,其余地区均在14.5e ~16.5e 之间,适合应用热泵系统。

该研究成果可以作为指导北京平原区浅层地温合理开发利用的依据。

关键词 浅层地温 第四系地层 地质构造 地下水径流Study of Distribu tion Law of Shallow Geothermal EnergyResources in Beijing Plain AreaWang Xinjuan 1Luan Yingbo 2Lu Ming 1Li Zhiping1(1.Beijing Hydrogeological and Engineering Geological Team2.Beijing Municipal Bureau of Geological Exploration and Development)Abstract The study of the shallow geothermal resources distribution is the important basis for the rational de -velopment and utilization of shallo w geothermal resources.In this paper,based on the impact of shallow geo -thermal of Beijing plain resources distribution of geological structure,Quaternary spatial structure and groundw -ater runoff conditions etc,combining the surveying results of groundwater temperature in June,2008,the study indicates:shallow geothermal of Beijing plain area is between 14.5e ~16.5e except the higher ground temperature (20degrees or more Celsius)in a few abnormal places,and it is suitable for lising heat pump sys -tems.The study results about the shallow ground temperature distribution la ws can be as the basis to guide for rational development and utilization of shallow geother mal in Beijing plain area.Keywords shallow geothermal;quaternary system stratum;geological struc ture;groundwater runoff作者简介:王新娟(1973-),女,博士,主要从事地下水资源和水环境评价及浅层地温能资源开发利用研究。

收稿日期:2009-08-311 前言能源问题、环境问题和可持续发展问题等一直困扰着世界各国,进入21世纪,节约能源、开发新能源、减少环境污染和走可持续发展道路受到越来越多的关注,各国均在大力寻找和开发环保可再生能源,我国面临同样问题。

浅层地温能资源作为一种可再生、环保、清洁、储量巨大的新型能源资源,近年来在我国逐渐被人们认识、接受和重视。

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、地下水中具有开发利用价值的地温热能[1]。

浅层地温能是热能的一种形式,是地热资源的一部分。

其温度略高于当地年平均气温2e ~3e ,比较恒定,储存于地下岩石(土层)和岩石裂隙或土层孔隙的水体中,可通过水热交换方式利用其部分低品位地热资源用于供暖或空调。

浅层地温能分布不仅受地质构造的控制,而且与第四系地层结构、岩性及地下水径流条件有着密切的联系。

第四系地层是浅层地温能资源的赋存介质,地层结构控制着浅层地温能资源分布;岩土体物理、热物理性质及地下水径流条件则直接影响着地下热传导过程。

2 平原区第四系地层结构特征由上述浅层地温能定义可知,第四系地层结构及其中所含的水体是浅层地温能资源的储存介质,第四系结构特征、组成物质岩性及其含水状况直接影响着浅层地温能资源的赋存及其热传导过程,同时决定浅层地温能资源的开发利用方式。

北京平原是由永定河、潮白河、温榆河、拒马河及大石河等河流冲洪积扇及冲、湖积平原组成(见图1)。

平原区第四系沉积物受基岩地质构造、气候变化和永定河、潮白河、拒马河为主的河流作用控制。

主要分布于平原区及各大水系河谷地带、山麓地带以及山间盆地中。

沉积类型多,沉积物组成复杂。

山前以残坡积相与洪坡积相的砂、砾石及粘性土为主,构成洪积扇或台地;平原则为冲洪积、冲积相的砂砾石、粘土、砂质粘土,沿河地带有风成沙丘或砂带。

由西北向东南,从山前至平原,第四系沉积厚度逐渐增大,层次增多,沉积物颗粒变细。

在西、北部山前地带和河流冲洪积扇的中上部,第四系厚度一般为20~40m,为单一的砂、卵砾石层或砂、卵砾石层,顶部覆盖薄层粘性土。

在冲洪积扇的中下部、冲积平原地区,第四系厚度逐渐增大,顺义凹陷、马池口凹陷第四系沉积厚度大于600m,平谷凹陷第四系沉积厚度大于500m(见图2),岩性也逐渐过渡为粘性土夹多层砂、砂砾石[2]。

图1 北京平原区冲洪积扇分布图2 北京市平原区基底构造与第四系厚度从热泵系统利用角度讲,水源热泵系统的应用必须能顺利抽取和回灌地下水,方能获取地下能量。

因此,在各冲洪积扇的中上部,地层颗粒较粗,地下水赋水性好,地层回灌能力强,对于水源热泵的利用比较有利;在各冲洪积扇的中下部及冲湖积平原区,地层颗粒较细,含水层富水性相对较差,相应的回灌能力也差,然而,其地层可钻性强,地层厚度大,也适宜地埋管换热系统的应用。

3地质构造对地温场的控制北京地区自太古代以来,经历了多次构造运动,它们对前期的构造和地层都有不同的改造,其中燕山运动对北京地区的构造格局的形成起到关键作用,它不仅使地层发生褶皱,而且形成了一系列北东向断裂(见图2),如紫荆关、八宝山北东,形成了京西迭隆起、北京迭断陷,大兴迭隆起及大厂迭断陷,隆起与凹陷的边缘皆为北东向断裂所控制。

喜马拉雅期运动使NW-SE向挤压变为NW-SE向张引,形成了北西向断裂构造,对北京平原地貌的形成及其演化起到了控制作用,由于受到北东及北西向两组主要交叉断裂分割及活动影响,从而引起了地层差异性升降,形成了棋盘状格局。

自新生代以来,北西向断裂活动的加剧,山区不断抬升,平原强烈下降,并接受了巨厚的沉积物,形成了一系列第四系沉积中心,从此,平原区两隆一凹的构造格架解体。

北京地区地热资源的形成严格受地质构造的控制,地热异常分布及地温变化与地质构造有着明显的联系。

如洼里、小汤山、牛栏山、沙河等地由于地质条件和构造的原因出现地热异常区,见图3*。

图3北京平原区70m以浅地温异常分区从图2和图3中可以看出地温场分布及地温变化与地质构造有着明显的联系,在平面上如洼里、牛栏山、沙河等地温场等值线的较高地区以闭合形态分布,均呈北东走向,并且分布在断裂附近。

北京凹陷内明显高于相邻地区,区内地下70m处地温一般为22e~30e,位于建国门附近JR-63*北京市水文地质工程地质大队,北京市平原区地热地质普查报告(内部)。

地热井在70m处地温达到2714e,第四系底界145m处温度达到2912e,区内地温梯度一般在3e~5e /100m 。

剖面上断裂带附近的地温在同一个高度上地温达到最高值,见图4。

图4 北京平原区70m 以浅地温场分布在八宝山断裂带上方的Ñ-75和黄庄-高丽营断裂带上方的Ñ-88地层温度较高,70m 处地温为1519e 和21122e ,远离断裂带温度迅速降低。

北京地区构造较为发育,经历了印支运动、燕山运动和喜山运动等多次构造运动,形成了众多的北西向和北东向断裂带,甚至个别断裂现今仍在活动。

断裂使基岩强烈破碎或抬升,裂隙的形成为深部热源提供了良好的通道,从而使断裂附近地温较高;牛栏山-顺义一带古生界及中上元古界的灰岩埋深较浅,在250m 左右。

这一带在70m 处地温为16e 以上,明显受到基岩断裂的控制[3]。

4 地下水径流对地温场的影响浅层地下水不仅对垂向温度有影响,而且在水平方向上影响也非常明显,由于地下水的水平径流使得热异常区迎水一侧温度下降,背水侧外围局部温度升高,即造成异常区的下移,其程度取决于异常区内热传导的情况、地下水的流动速度及人工开采情况。

在等温线图上同一异常区内各等温线形态并不相似,靠近地下水上游的地方等值线较密,而下游地区等值线稀疏,其主要原因就是受浅层地下水的循环条件影响。

北京平原区地下水流动的总体趋势是从由山区向平原、由北西向南东流动。

山前地带径流条件好,水力坡度015j ~118j ;由冲洪积扇顶部向中部含水层水力坡度逐渐减小,径流变弱,水力坡度0125j ~015j ;冲洪积扇下部地下水径流条件变差,水力坡度011j ~012j (见图5)。

图5 平原区2008年6月潜水等水位线图5显示,一些地区由于地下水的集中和超量开采形成局部的降落漏斗,在地下水降落漏斗分布区,第四系孔隙水的径流方向由原来依地形地貌变化而改为流向漏斗中心,但全市平原区地下水流动总趋势仍是从北西向南东流动。

在地下水换热系统中,由于回灌水与原始含水层温度存在的差异,在导热和对流等作用下,回灌井水的/温度锋面0会导致近抽水井出水温度有不同程度的升高或降低,通常称为/热贯通0现象。

进行地下水活动强烈的地区,在地下水换热系统工程设计和布置的时候,要考虑到水热对流对于地下含水层温度场和井群布局的影响。

5 地温场分布规律511 分布规律通过对北京平原区436个井的地下水温测量,以地下水温代替地温,编制北京平原区2008年6月份地温等值线图,见图6。

由地温等值线图可看出,除洼里、小汤山、牛栏山、沙河等地由于地质条件和构造的原因出现地热异常区外,北京平原区地温场总体分布特征为:1)地下水温度由西北山前的16.5e 向东南平原区逐渐降低到14.5e 。