河南省城市淺層地溫場特征及影響因素分析

劉海風，王春暉，梅棚里，時平平，王 昕

（1．河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院，鄭州 450000；2．欒川縣地質礦產局，欒川 471500）

河南省城市淺層地溫場特征及影響因素分析

劉海風1，王春暉1，梅棚里1，時平平2，王 昕1

（1．河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院，鄭州 450000；2．欒川縣地質礦產局，欒川 471500）

本文在大量鉆孔測溫資料的基礎上，系統分析了河南省城市淺層地溫場分布特征，分析了不同地貌類型城市恒溫帶特征。全區地下水恒溫帶深度平均深度24．8m，溫度一般15．5℃～17．5℃；沖積平原區松散層恒溫帶深度最淺、溫度最高，內陸河谷盆地區松散層恒溫帶深度最深、溫度最低。近山前地帶基巖淺埋區，地溫梯度低；沿深大斷裂帶和構造隆（凸）起區，地溫梯度高；濟源—商丘斷裂的新鄉—延津段、內黃凸起和通許凸起地溫梯度高。通過分析地溫增溫率特征和地溫恢復能力，得出顆粒越粗地溫恢復能力K值較大，富水性越強、水力坡度越大K值越大。對影響淺層地溫場的多種因素的系統研究表明，該區淺層地溫場受城市、人類活動、地下水流場、地下水埋深、構造、地下水補給、排泄等因素影響明顯。

淺層地溫場；恒溫帶；增溫率；地溫恢復能力；影響因素；河南；城市

0 前言

這里所指的淺層地溫場為200m以上松散層地溫的綜合反映，以該深度混合水的溫度來表征（淺層地熱能勘察評價技術規程，2009）。淺層地溫能是深層地熱能與太陽輻射能共同作用的產物，影響淺層地溫的因素主要包括地質構造、地層巖性和層序、地下水、地形地貌、太陽輻射以、氣候等。前人對地溫場開展了一些研究，并取得了豐富的成果，主要分析了淺層地溫分布特征及其影響因素（劉彩波等，2013；譚靜強等，2009；王貴玲等，2015；衛萬順等，2010；胡玉祿等，2003；劉曉燕等，2007）。氣候變暖給人類的生存環境帶來改變，不僅影響氣溫的升高，降水量區域性增加或減少，也影響到霜期和淺層地溫的變化（隋景躍等，2012；陸曉波等，2006；周晉紅等，2011），有專家學者對有關地溫的變化進行了研究，在氣候變暖環境下不同區域地溫存在不同的響應（杜軍等，2010；狄曉英等，2009；韓再生等，2007）。

1 概況

河南省處于暖溫帶和亞熱帶氣候過渡地區，以秦嶺至淮河一線為界，以南的信陽、南陽屬亞熱帶濕潤、半濕潤季風氣候區，以北的其它城市均屬暖溫帶干旱、半干旱季風氣候區。其氣候特征一般是冬季寒冷，夏季炎熱。夏季空調利用時間為6—9月份，冬季供暖時間一般為11月15日至次年的3月15日，供暖與制冷時間相當，冷暖負荷基本相同。淺層地熱能的利用需要在冬季提取地下熱能用于冬季供暖，而在夏季則需要向地下儲存熱能，這樣可保持地下溫度場平衡，使其對環境的影響最小。

河南省處于我國地勢第二階梯和第三階梯的過渡地帶，西部的太行山、崤山、熊耳山、嵩箕山、外方山、伏牛山等山地，屬于我國第二級地貌臺階，東部平原則屬第三級地貌臺階，而南部邊境地帶的桐柏—大別山構成第三級地貌臺階中的橫向突起。18個省轄市加1個航空港綜合試驗區均坐落在平原、盆地和丘陵區，利于淺層地熱能的開發利用。河南省位于黃淮海平原的中上部，第四系松散層厚度大，淺層地下水豐富。據本次研究成果結果，河南省地下水恒溫帶深度一般15～27m，平均深度24.8m，溫度一般15.5℃～17.5℃，平均溫度松散巖類孔隙水，含水層分布廣，厚度大，水量較豐富，易開采，可恢復性強。近系上部的各類松散堆積物，其所含地下水為淺層地熱能的開發利用非常有利。

2 恒溫帶分布特征

地球內熱與太陽幅射熱互相影響達到平衡的地帶為恒溫帶。年恒溫帶的深度和溫度受緯度、高度、巖性、地表水體的分布、植被及小氣候條件等的影響。據以往區域測溫資料和本次井中連續測溫結果綜合確定研究區恒溫帶深度與溫度。沖積平原型城市恒溫帶深度一般15～27m，平均深度22.9m；溫度一般15.5℃～17.5℃，平均溫度16.5℃。山前沖洪積傾斜平原型城市恒溫帶深度一般20～27m，平均深度24m；溫度一般15.5℃～17.5℃，平均溫度16.2℃。內陸河谷盆地型城市恒溫帶深度一般27～29m，平均深度27.5m；溫度一般15.5℃～17.21℃，平均溫度16.1℃。綜合以上統計分析可以看出，沖積平原區松散層恒溫帶深度最淺，溫度最高，內陸河谷盆地區平原區松散層恒溫帶深度最深，溫度最低。從各地區測溫曲線圖可看出（圖1、圖2），恒溫帶以上地下水溫度與埋深關系不明顯，主要隨季節和地表環境溫度變化；而在恒溫帶以下，地下水溫度有隨埋深增加而增加的趨勢。綜合考慮城市地貌類型、表層土體結構和緯度變化，結合實測數據確定19（含鄭州航空港）個城市恒溫帶深度與溫度。

3 地溫增溫率特征

恒溫帶以下隨著深度的增加而地溫逐漸增高的地帶，稱為增溫帶。其值的大小用地溫梯度（G）表示，即深度每向下增加100m所增高的溫度值。地溫梯度的計算可采用水井深度與混合水溫的關系確定（圖3和圖4）。

圖1 航空港地下水溫度與深度對應關系圖Fig.1 The correspondence between the temperature and the depth of the groundwater in the Zhengzhou Airport Economy Zone

圖2 鄭州市地下水溫度與深度對應關系圖Fig.2 The correspondence between the temperature and the depth of the groundwater in ZhengZhou

在對地溫梯度分布特征分析的基礎上，確定18個主要城市在200m以淺增溫帶的地溫梯度（表1）。不同地區地溫梯度不同，這主要和控熱的地質構造、熱儲層結構、巖漿和斷裂活動及水文地質環境有密切關系。如河南省地溫梯度分布（圖5）明顯受熱儲層結構和斷裂構造的控制。近山前地帶基巖埋深較淺，上覆地層顆粒粗，地下水徑流較強烈，地溫梯度低，一般1.5℃～2.5℃/100m；沿深大斷裂帶和構造隆（凸）起區，地溫梯度高，濟源—商丘斷裂的新鄉—延津段地溫梯度達3.5℃～4.8℃/100m，內黃凸起、通許凸起地溫梯度高達3.5℃/100m以上。

圖3 新鄉市G01井地溫增溫曲線Fig.3 The growth curve of earth temperature in well G01 in ZhouKou

圖4 周口市地溫增溫曲線圖Fig.4 The growth curve of earth temperature in XinXiang

4 地溫恢復能力特征

巖土體的吸熱與排熱場所，即溫度場直接影響著地下巖土的傳熱，進而影響熱泵機組功耗的系統性能指標，隨著熱泵連續運行，巖土在熱濕傳遞作用下，地下換熱埋管周圍的土壤溫度場隨時間而改變，傳熱驅動勢在衰減，傳熱速率降低。因此地溫恢復能力直接影響著土壤源熱泵系統運行熱經濟性。

通過觀察熱響應試驗回水時間段地溫的變化，來繪制出了地溫恢復段平均地溫與時間對數線性關系斜率的絕對值（k），該值是反應了地層溫度恢復能力的強弱，進而決定了地埋管換熱方式適宜性與否的直接因素之一（圖6和圖7）。得出：（絕對值）K與含水層巖性、富水性、水力坡度、鉆孔回填材料及回填材料的沉淀密實速度等有一定關系，顆粒越粗即卵礫石（絕對值）K較大，富水性越強、水力坡度越大K值（絕對值）越大。

表1 地溫梯度分布特征值Tab.1 The eigenvalue of geothermal gradient distribution

圖5 河南省松散層地溫梯度等值線Fig.5 The contour of geothermal gradient of loose stratum in Henan Province

圖6 ZD1恢復地溫與時間對數線性關系斜率的絕對值（k）圖Fig.6 The absolute values of the slope of the linear relationship between geothermal recovery and the logarithm of time (k) in well ZD1

圖7 ZD2恢復地溫與時間對數線性關系斜率的絕對值（k）圖Fig.9 The absolute values of the slope of the linear relationship between geothermal recovery and the logarithm of time (k) in well ZD2

5 淺層地溫場影響因素分析

這里所稱淺層地溫場指淺層地溫能資源可開發利用深度范圍內的溫度場，與淺層地熱能邊界相一致。根據不同城市地貌單元城市類型，根據主要城市開展的地溫測量，通過對潛水位以下2m深處水溫觀測結果分析，其淺層地溫場具有如下分布特征：

（1）地下水流動是影響淺層地溫分布的重要因素，在地下水側向流動強烈、地下水的補給、徑流和排泄條件均十分良好的地區，從補給區進入溫度較低的地下水，在流動過程中不斷地把巖體的熱量帶走，從而降低了地溫，由于地下水交替強烈，巖溫和水溫之間尚未達到平衡，地下水起著冷卻的作用。因此山前地帶水溫略低，以三門峽和洛陽盆地型城市為例，地下水由盆地邊緣向盆地中心匯集，地下水或多或少經歷了與圍巖的溫度的交換冷卻過程，所以邊緣地帶水溫略低。

（2）淺部地下水水溫明顯受氣候和埋藏深度的影響。以鄭州市為例，市區一帶地下水埋深較大溫度稍高，一般18℃～20℃，局部大于20℃；向外圍逐漸降低至16℃～18℃。鄭州市西郊地下水埋藏較深，含水層顆粒較細，局部呈膠結狀，導水性較差，地下水水溫較高，200m深水井的地下水溫可達20℃左右；鄭州市東北郊，淺層含水層為黃河沖積物，埋藏較淺，顆粒較粗且松散，導水性能好，黃河側滲補給強烈，淺層地溫場溫度較低，另外，在鄭州市地下水降落漏斗區，因地下水位埋深較大，水溫會略偏高。

（3）受井深度的影響，由于水對溫度的傳遞速度較快，深度越大的井，相應的淺部水溫也高。

（4）地下水與地表水的影響，水易于流動且熱容量大，廣布于地殼淺部的地下水，在流動過程中冷水不斷地把熱量帶走，對圍巖起著冷卻作用，從而降低地溫。溫度較高的地下水則相應地會將熱量傳導到圍巖中，從而使地溫升高沿著河流兩側受地表水影響較大的地區，如河谷盆地型城市和傍河型城市受地下水徑流交替影響較大地區，地下水有一定的降溫作用，淺層溫度最低。

（5）受地區凹凸相間的地質構造格局的控制，地溫呈現高低溫相間的帶狀展布，在基巖隆起的區域表現為相對高溫區，而在基巖凹陷區表現為相對低溫區；蓋層的地溫梯度大小與基巖頂面埋常深度密切相關，通常表現為隨著基巖埋深變淺地溫梯度增大。

綜合分析認為，區域淺層地溫受城市、人類活動、地下水流場、地下水埋深、構造、地下水補給、排泄等因素影響。

鑒于上述因素，淺層地溫場特征應采用淺層地熱能利用深度內綜合溫度來描述。本次根據恒溫帶深度與溫度、增溫帶地溫梯度與淺層地熱能底界深度，采用公式：

計算淺層地溫場溫度（T）。計算結果見表2。

式中：G為地溫梯度（℃/100m）；S為淺層地溫場底界深度（m）；S0為恒溫帶深度（m）；T0為恒溫帶溫度（℃）。

表2 淺層地溫場特征溫度一覽表Tab.2 List of the characteristic temperature of shallow geothermalfield

6 結論

全區下水恒溫帶深度一般15～27m，平均深度24.8m，溫度一般15.5℃～17.5℃；沖積平原區松散層恒溫帶深度最淺，溫度最高，內陸河谷盆地區平原區松散層恒溫帶深度最深，溫度最低。

近山前地帶基巖埋深較淺，溫梯度低；沿深大斷裂帶和構造隆（凸）起區，地溫梯度高；濟源—商丘斷裂的新鄉—延津段、內黃凸起、通許凸起地溫梯度高。

地溫恢復能力，得出顆粒越粗即卵礫石地溫恢復能力K值較大，富水性越強、水力坡度越大K值越大。對影響淺層地溫場的多種因素進行了系統研究。

山前地帶、盆地補給區水溫略低；地下水位埋深越大，水溫會略偏高；受井深度的影響，由于水對溫度的傳遞速度較快，深度越大的井，相應的淺部水溫也高；河谷盆地型城市和傍河型城市受地下水徑流交替影響較大地區，地下水有一定的降溫作用，淺層溫度最低；地溫梯度大小與基巖頂面埋常深度密切相關，通常表現為隨著基巖埋深變淺地溫梯度增大。

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Characteristics and In fluencing Factors of the Shallow Geothermal Field in Cities of Henan Province

LIU Haifeng, WANG Chunhui, MEI Pengli, Shi Pingping, WANG Xin
(1. No.5 Institute of Geo-Exploration of Henan,Zhengzhou 450000; 2. The Luchuan Bureau of Geology Resources, Luanchuan 471500)

Based on a large number of borehole temperature data, the authors systematically studied the distribution characteristics of the shallow geothermal field in cities of Henan Province, and analyzed the characteristics of different types of urban constant temperature zone. The average constant temperature zone of this area （0～300 m） is 24.8m and the temperature range is 15.5°C～17.5°C; the depth of the temperature zone is the most shallow in the loose bed of alluvial plain area and highest temperature; the depth of the temperature zone is the deepest in the loose bed inland valley basin and lowest temperature, the shallow buried area of bedrock in the piedmont zone with low geothermal gradient, along the deep fault zone and tectonic uplift (convex) zone with high geothermal gradient, Xinxiang-Yanjin section of Jiyuan-Shangqiu fault, Neihuang uplift and Tongxu uplift with high geothermal gradient. Based on the analysis of the characteristics of temperature increasing rate and recovery ability,it found the more coarse particles, the greater the recovery ability (K); the richer the water and the greater the slope of water conservancy, the greater the recovery ability(K). The various factors that affect the shallow geothermal field are systematically studied. The shallow geothermal field in this area is affected by the city, human activities,groundwater flow field, groundwater depth, structure, groundwater recharge, excretion and other factors.

Shallow geothermal field; Zone of constant temperature; Temperature increasing rate; Ground temperature recovery; Influencing factors; Henan Province; City

中國地質科學院全國地下水資源及其環境問題調查評價項目（12120114086501－21）

劉海風（1983- ），女，本科，工程師，主要從事水工環地質工作。E-mail：305515802@qq.com

A

1007-1903（2017）04-0061-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.012