1、第 51 卷 第 1 期2023 年 2 月福州大学学报(自然科学版)Journal of Fuzhou University(Natural Science Edition)Vol 51 No 1Feb 2023DOI:107631/issn1000224322160文章编号:10002243(2023)01014007考虑渗流影响的水热型地热田地温预测张通，张延军，白林(吉林大学建设工程学院，吉林 长春130026)摘要:依托浅层地温、岩土热物性等数据，建立基于一维稳态热传导的地温预测模型 通过 TOUGH2 数值模拟，研究渗流速度、渗流层厚度、地下水与流经区域的温差对模型地温预测结果的影
2、响规律，并建立渗流层等效热导率与各影响因子的回归关系 以厦门后埔地热田作为试验场地，验证地温预测模型的预测能力 结果表明:3 种影响因子与模型预测误差呈强相关关系，其中温差起主导作用;应用渗流层等效热导率可使地温预测模型误差明显减小;后埔地热田 20 m 深度预测地温与实测地温平均相对误差为 42%，有渗流影响的点位平均相对误差为 52%，相较于 2 m 深度地温和浅层热流密度，恒温层以下的预测地温更能反映地热异常的实际情况关键词:水热型地热资源;地温预测模型;渗流;等效热导率;厦门后埔地热田中图分类号:P3143文献标识码:AGround temperature prediction in
3、hydrothermal geothermal fieldconsidering influence of seepageZHANG Tong，ZHANG Yanjun，BAI Lin(College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun，Jilin 130026，China)Abstract:elying on the data of shallow ground temperature，ground thermal properties，etc，aground temperature prediction model
4、based on one-dimensional steady-state heat conduction was estab-lished Through TOUGH2 numerical simulation，the influence laws of the seepage velocity，the thick-ness of seepage layer and the temperature difference between groundwater and the flowing area on themodel prediction results of ground tempe
5、rature were studied The regression relationship between theequivalent thermal conductivity of the seepage layer and influencing factors were established TheHoupu Geothermal Field of Xiamen City was taken as the test site to verify the prediction ability of themodel The results show that there are st
6、rong correlations between the three influencing factors and theprediction error of the model，in which the temperature difference plays a leading role The applicationof equivalent thermal conductivity of seepage layer can significantly reduce the error of the model Theaverage relative error between p
7、redicted and measured ground temperature at 20 m depth in HoupuGeothermal Field is 42%The average relative error of the points affected by seepage is 52%Compared with the ground temperature at 2 m depth and the heat flow density distribution at shallowlayer，the predicted ground temperature below the
8、rmostatic layer can better reflect the actual situationof geothermal anomaliesKeywords:hydrothermal geothermal resources;ground temperature prediction model;seepage;equivalent thermal conductivity;Houpu Geothermal Fileld of Xiamen City0引言地热能清洁可再生，相对于传统能源有明显的环保优势，其平均利用系数达到 073，若能有效开发，收稿日期:20220428通信作
9、者:张通(1991)，工程师，主要从事工程地质、地热地质等方面研究，tong jlueducn基金项目:国家重点研发计划资助项目(2019YFC060490503)第 1 期张通，等:考虑渗流影响的水热型地热田地温预测http:/xbzrbfzueducn将在很大程度上解决我国现阶段存在的能源难题1 水热型地热资源一般以热水的形式埋藏在 200 3 000 m深度的地下，或直接以热泉等形式出露于地表 准确获取地下温度场信息是安全开发地热能的关键环节 传统地热钻井由于成本原因，获取的地温数据有限 因此，结合模型方法对地热异常区地温分布进行预测成为研究热点 足量的原位数据是模型预测性能的保证，相对
10、于少量的钻孔测温数据，浅层测温法通过快速测量 15 m 深度地温数据，可以辨别数百米深度热源在浅层产生的热异常2，对模型表层温度边界的确定和数据的扩充具有实际帮助 早期这项技术主要应用于已知地热区域的进一步筛选 近年来，Coolbaugh 等34 利用浅层测温法在美国内华达州地热隐伏区成功探测出 7 处地热田 浅层测温结果对于中低温水热型地热系统热异常范围、分布面积和地下热水流场的圈定方面发挥很大作用5 受降雨、日照等环境因素影响，直接以浅层地温数据圈定热异常范围通常会有偏差，而结合基于传热学理论的地温预测方法预测更深层地温，以此获取地热异常信息，其可信度更强 现有研究中，主要将地温场分为传导
11、型和传导对流型 万志军等6 通过三维稳态热传导理论建立地温反演方法，预测高温岩体地热资源量;张永亮等7 通过建立考虑地形校正的地温场深部温度推算模型，预测矿山深部地温;张延军等89、张庆等10 采用基于浅层测温数据和一维稳态热传导理论的地温预测模型，对厦门东山热田、安庆迎江区地温场进行预测 在地下水活动区域，渗流对地温场的影响不可忽视 鉴于地温场中热渗耦合过程复杂，数值模拟方法常被用来解决此类问题 陈金龙等11 通过建立考虑地下水流动情况下的多裂隙岩体渗流数学模型，分析水力梯度变化对涿鹿盆地内部温度场的影响规律;吴志伟等12 基于 Lu 模型，研究考虑参数非均质性的饱和非饱和渗流场与浅部温度场
12、的耦合问题;张文兵等13 引入土体有效热导率，通过构建考虑非均质传热的水热耦合模型，模拟河岸带温度场分布 在这些研究中，渗流影响因素的选择和渗流层土体热物性参数的表征是研究关键本研究依托浅层地温、岩土热物性、地下水位等数据，建立基于一维稳态热传导的地温预测模型 模型考虑渗流的影响，以渗流速度 v、渗流层厚度 h、地下水与流经区域的温差 t 作为影响因子，应用TOUGH2 软件建立水热耦合数值模型，分析渗流对地温预测结果的影响规律，建立渗流层等效热导率 e与各影响因子的回归关系 选择厦门后埔地热田作为模型验证场地，实地开展浅层测温试验后，对研究区20 m 深度地温进行预测，以实测地温验证模型预测
13、地温的准确性1研究区概况后埔地热田位于厦门市同安区莲花镇后埔村，属低山丘陵地貌单元，面积约 081 km2 区域内存在断裂 F1、断裂 F2和断裂 F3，如图 1 所示 其中，F1和 F2为后埔东塘断裂带在区域内的主要表现，走向北图 1研究区位置和地质略图Fig1Location of the research area and schematicmap of geology西西 275 295，倾角大于 75，向北东倾斜;F3为长乐南澳断裂带的次生断裂，走向北北东 1030，倾角大于 80，向南东倾斜 区域内侵入岩主要为燕山早期花岗闪长岩、似斑状含黑云母花岗岩和细粒花岗岩，这些岩层受两条断裂
14、切割，为地热资源提供良好的赋存空间，上部的第四系冲洪积层则形成热储盖层 区域内地下热水受断裂构造控制呈脉状，分布于莲花溪北侧的一级阶地和河漫滩中，并形成地热异常，在区内没有发现温泉出露点厦门地质工程勘察院曾对后埔地热田地下热水资源进行过调查，以获取 20 m 深度地温信息 结果显示，后埔地热田为中低温水热型地热资源，地热异常区形态呈不规则长椭圆状，长轴走向近南北，包含两个地温异常中心点，其 20 m 深度地温分别为 448 和 449 14 141福州大学学报(自然科学版)第 51 卷http:/xbzrbfzueducn2地温预测模型21模型基本原理地表 1 m 深度以下，24 h 太阳辐射
15、循环造成的地温变化有限，短期内可将其假设为稳态温度场 对地球内热向浅层的传递作如下简化:1)不考虑热辐射和热对流，地层中只存在热传导 1 种导热形式;2)在热量传递过程中，热流密度和地层热物性参数保持不变;3)热量沿垂直方向传递，为一维稳态热传导由导热微分方程和第一类边界条件可以求解地层中的温度分布:t=t+t tH HH(1)由傅里叶定律可以求得浅层热流密度:q=ct tH H(2)预测深度地温的计算公式为:t=t+qHc(3)式(1)(3)中:t、t、t分别为预测地温和两个已知地温，单位为;H 为预测地温深度至已知地温 t 深度的距离，单位为 m;H、H 为两个已知地温的深度，单位为 m;
16、q 为浅层热流密度，单位为 Wm2;c为 H 范围内的地层综合热导率，单位为 W(mK)1式(3)为一维稳态热传导模型的理想公式 实际地层间传热复杂，尤其在渗流区域 当地下水与流经区域间存在温差时，会产生热补给或热损失，在这些区域进行地温预测若不考虑渗流的影响，将会产生较大误差，因此需要对上述理想公式进行修正22水热耦合模型为综合分析不同渗流参数对地温预测的影响，并对预测模型进行修正，参考后埔地热田拟预测深度和地层参数，采用 TOUGH2 软件建立水热耦合数值模型 TOUGH2 是一款多相多组分的水热耦合模拟程序，常被用来计算地热领域的水热耦合 本研究选用其中的 EOS1 模块，该模块可模拟水或者具有示踪性质的水的运移恒温层是太阳辐射热向地表下释减与地球内热向地表传导释热达到平衡的地层层位，恒温层以下的地温分布更适宜确定热异常范围 福建省南部恒温带的顶板埋深多在 1015 m 之间15 考虑 20 m 深度已有实测地温资料，且位于恒温层之下，因此将其作为建立数值模型和地温预测的目标深度 模型的长、宽、深分别设为 200、200、20 m，总网格数为 20 800 个，自上而下概化为 5
