天津市區地熱開采與地面沉降關系研究

徐佳 解大可 王淼

(天津市控制地面沉降工作辦公室，天津 300061)

地熱資源是集熱、水、礦為一體的具有復合特性的礦產資源，作為一種清潔的新能源，與傳統能源相比有其獨特的優點。天津市地下蘊藏著豐富的中低溫地熱資源［1］。地熱資源的開發利用作為開采地下流體的一種形式和開采地下水引起地面沉降的機理基本相同。天津市區地熱水開采由來已久，從開采量和開采層位上已經形成了較大的規模，多年監測資料顯示，天津市區地熱水開采層水位也在逐年下降，實踐證明天津市區地熱開采是導致天津地面沉降的重要因素之一［2］。

1 天津中心市區地熱開發利用現狀

由于針對地熱對地面沉降的影響進行研究，多年研究表明基巖地熱水資源的開發利用對地面沉降的影響很小，因此本次報告中地熱研究內容重點涉及新近系的明化鎮組，由于地層原因館陶組在市區開采井分布很少(市區只有4眼)，對于基巖儲熱層不做介紹。

經統計可以發現天津市區地熱井主要集中在城市的東部和南部地區王蘭莊地熱田范圍內，市區東北部有少數地熱井屬于山嶺子地熱田范圍，總體以明化鎮組熱儲層地熱井及薊縣系霧迷山組地熱井為主。

2010年市區及新四區共有新近系明化鎮組地熱井70眼，其中3眼為回灌井。市區及新四區開采量為342.9×104m3(2010年中心市區地下水開采量為249.4×104m3)，本年度該熱儲層的3眼地熱井均無回灌量［4］。

從統計數據可看出:本年度該熱儲層以市區及新四區為集中開采區，雖然集中開采區開采量比2009年度有所減少，但仍占全市該層開采總量的72.9%(全市明化鎮組開采量為470.1×104m3);本年度外圍地區開采量增加了99.5×104m3。

2 地熱開采引起地面沉降分析

通過前文數據可以看出，天津市中心市區隨著地下水不斷減采，市區及周邊新近系地熱水開采量(2010年342.9×104m3)已經大于市區地下水開采量(2010年249.4×104m3)。為了研究開采地熱水對天津市區地面沉降造成的影響，本文選取小范圍的研究示范區進行分析比較，示范區如圖1所示。選擇區域內有兩組新近系明化鎮組地熱采灌井分別是NK-21，NK-21B和NK-22，NK-22B均屬于南開海河樓所有的地熱井，見圖2，兩組地熱井均采取一采一灌運行模式，但由于新近系地層原因每年幾乎沒有回灌量，并且區域內無其他地下水開采井分布。

根據研究區最近的監測點:不268數據顯示見表1，2001年～2002年間該監測點沉降量較小，隨著海河樓區域建設開始(建設時間為2003年～2006年)，該監測點沉降量突然增大，到2007年工程建設完成，在2008年～2010年工程建設結束只有地熱井持續開采期間，沉降量逐步回落并穩定在一個較高數值并始終高于施工之前的沉降值，沉降量并沒有因施工停止而恢復到原先的程度，從監測點時間序列圖3中可以分析得知，開采新進系地熱的確會對地面沉降產生一定的影響。

由于天津市區分層標較淺，標組最深處只能反映市區350 m以下的沉降量，不能將開采地熱引發的地面沉降數值完全分離，因此根據現有成果(塘沽分層標監測結果)，并且塘沽區新近系巖性與市區新近系巖性相似，進行地面沉降量與深層地熱水開采量的方程擬合:擬合方程為:

其中，S為開采層沉降量，mm;Q為開采層開采量，×104m3/年。

表1 研究區不268監測點沉降量 mm

圖1 沉降研究區內地下水開采井分布圖

圖2 沉降研究區內地熱井分布圖

當置信度為95%時，二者的相關系數為0.99，可用來計算地熱開采量與沉降量關系。新近系明化鎮開采井基本都集中在市區，由式(1)可得在市區由于地熱因素造成的沉降量約4.5 mm。另外，市區附近西青區分層標深度可達566.2 m，本次研究認為566.2 m以下產生的沉降量均為地熱水開采引起的，根據監測結果顯示地熱開采引起的沉降量約3.8 mm，因此可認為由開采新近系地熱引起的地面沉降占中心市區總沉降量因素見表2。

圖3 沉降監測點曲線

表2 地熱沉降因素百分比

由表2可見，地熱的開采對中心市區地面沉降產生了3.8 mm～4.5 mm左右的沉降量，已經占天津市區沉降量的19%～27%，由此可見地熱水的開采已經對天津市區的地面沉降產生了一定的影響。

3 結論與建議

天津市的地熱開采已經對市區的地面沉降造成了影響，在地下水不斷減采的前提下，控制地熱水開采引起的地面沉降是現今的主要任務之一［5］。

在地下熱水資源開采中應通過嚴格控制新近系開發利用規模，提高地熱資源利用率，嚴格禁止非地熱異常區的地熱開發，提高地熱回灌率等手段，預防地熱資源開發利用加劇地面沉降災害。

［1］林 黎，趙蘇民，王心義.天津地熱水開發利用狀況及保護對策研究［J］.河南理工大學學報，2006(2):105-110.

［2］馬鳳如，林 黎，王穎萍，等.天津地熱資源現狀與可持續性開發利用問題［J］.地震調查與研究，2006，29(3):222-228.

［3］張阿根，魏子新.中國地面沉降［M］.上海:上海科學技術出版社，2005:55-72.

［4］2008～2010年天津地熱資源動態監測年報［R］.天津:天津地熱勘查開發設計院，2008-2010.

［5］姜衍祥，于 強，王 威.天津市地面沉降控制與城市新發展［J］.水文地質工程地質，2010(S37):277-281.