试验结果及分析

（一）入渗水温对冻融土入渗能力的影响

图4-35（a）为土壤冻结深度4 cm，三种水温下的土壤90 min累积入渗曲线，当水温为3℃、5℃和10℃时，土壤90 min累积入渗量分别为5.2 cm、6.5 cm和7.2 cm。由此可见，水温较高时，冻融土壤的入渗能力会大大提高，图4-35（b）为土壤冻结深度为40 cm，两种水温下的土壤累积入渗曲线，当水温为3℃和7℃时，土壤90 min累积入渗量分别为3.7 cm、4.7 cm。

图4-35 不同水温条件下土壤累积入渗曲线

（二）入渗水温对冻融土壤相对稳定入渗率的影响

土壤的相对稳定入渗率反映了土壤入渗周期内入渗能力的强弱。由图4-36可见，在相同土壤条件下，相对稳定入渗率随着水温增高而增大，冻土深度增加时，相对稳定入渗率随水温增高而增大的速率降低。

（三）入渗水流使土壤层温度发生明显改变

图4-37（a）为土壤冻结深度为 4 cm入渗前土壤剖面温度和水温为 3℃、5℃和 10℃时，入渗结束后土壤剖面的温度。由图可知，入渗水流引起地温变化是十分显著的，尤以地表下10 cm深度范围内的变化更为突出，对应于三种水温其地温变化量为：5 cm深处，分别为1.21℃、2.26℃、7.90℃，即由原来的-0.182℃增加到1.033℃、2.08℃和7.69℃。10 cm 深处地温由-0.147℃增加到 0.336℃、0.677℃和 4.341℃，分别增高了 0.50℃、0.83℃和4.50℃。入渗水温越高，所引起的地温变化就越大，而随着地层深度增加，地温变化量减少，在地表下25 cm处，地温没有变化。图4-37（b）为冻结深度为40 cm时入渗试验前后土壤剖面温度变化的情况。

图4-36 不同水温条件下土壤入渗率曲线

图4-37 土壤剖面温度变化曲线

（四）水温影响分析

冻土入渗能力明显小于相同条件下非冻结土壤的入渗能力，其特性受地下水位埋深、耕作条件、含水率、冻层厚度的影响。在相同的地下水位埋深、耕作条件、含水率、冻层厚度条件下，当灌溉水温不同时，冻土的入渗能力有明显的差异，其根本原因是入渗水流改变了土壤中的温度分布，进而从以下几方面对土壤水分运动产生影响。

1.地温的变化引起土壤水物理化学性质的变化

温度升高时，水的粘滞性降低，表面张力降低，基质势相应地升高，导水率增大，入渗量增大。

2.由温度差形成的温度梯度造成水分的流动

根据达西定律，单位时间内通过单位面积土壤的水量q=-K（Ψm）ΔΨ。其中土水势包括重力势、压力势、基质势和温度势，通常土壤温度变化不大时，无须专门考虑温度势ΨT的影响，温差直接引起的水分运动很小。受灌溉水温的影响，在土壤中形成较大的温度梯度，其影响就不可忽略，水温高时，在土壤中形成的温度梯度大，由其影响的q也大。

3.入渗水温使冻土中固态水发生相变

从土壤剖面温度曲线图4-37（a）可知，入渗试验前，表层土壤温度低于冻结温度，土壤处于冻结状态，其中土壤水分以固态存在于土壤颗粒之间，阻塞了土壤的孔隙，在入渗水流的作用下，土壤温度升高。当土壤温度高于冻结温度时，存在于土壤颗粒间的固态水相变为液态水，冻层融化，孔隙度增大，过水断面增加，入渗能力增强。灌溉水温不同，冻层融化历时不同，导致不同的入渗规律。即由于水温不同，其热容量不同，同一时刻，引起的地温变化量不同，由地温变化导致的土壤水的相变量不同，因此其入渗规律不同。图4-38给出了土壤90 min累积入渗量随地表下5 cm和10 cm处地温的变化规律。

图4-38 H90随土壤温度变化曲线

从图中可发现，地温从负温变化到+1℃时，对H90影响较大，当地温超过1℃后，对H90的影响减弱。在试验过程中，地温随时间呈线性规律变化，这说明水温对冻土入渗规律的影响主要体现在入渗初期，一旦土壤水的相变过程结束，水温对入渗规律的影响仅通过其对水的粘滞性和温度势的影响来实现，这两者的作用远小于土壤水相变的作用。

（五）不同土壤冻结深度条件下入渗水温的影响

比较图4-37（a）和图4-37（b）不难发现，相同的入渗水温对不同的冻结状态其影响程度是不同的。同样的入渗水温变化，引起的入渗量的变化量不同，第一种情况下，水温从3℃提高到5℃，90 min累积入渗量增加1.33 cm，第二种情况下水温从3℃增高到7℃，90 min累积入渗量增加了1 cm，可见，水温对土壤入渗能力影响强度受土壤冻结深度的制约。随着冻结深度的增加由水温引起的土壤入渗量的增加会有所减少。冻土厚度大时，土壤温度亦较低，入渗过程中入渗水流作用下，地温也发生了很大变化，入渗水温为3℃和7℃时，5 cm深处地温由-3.19℃增加到-0.311℃和0.408℃，但试验结束时的地温值远小于冻土厚度较小时的值（见图4-37（a）和图4-37（b））。因此，土壤水相变量小，有效过水断面积增加的幅度小，最终导致相同入渗水温下，冻土厚度大的其H90比冻土厚度小的H90小。但H90随入渗水温增高而增大的这一趋势未变。

由以上分析可以看出，在季节性冻土分布区，冬春灌溉期灌溉水温对冻融土的入渗能力有明显影响，土壤入渗能力随入渗水温的升高而增大，冻融土壤的相对稳定入渗率随入渗水温的升高而略有增大；入渗水温对冻融土入渗特性的影响是通过改变土壤中温度分布实现的。土壤的温度决定着土壤水的粘滞性、温度势和土壤水的相变，其中对入渗能力起主要作用的是土壤水的相变；冻土层厚度不同的情况下，水温引起的冻土入渗量变化的趋势相同，但变化量不同，冻土厚度较小时，水温作用下H90变化大，冻土厚度较大时，H90随入渗水温变化量较小。

冯守涛 吉延梅 王小刚

（山东省鲁北地质工程勘察院，德州253015）

作者简介：冯守涛（1978—），男，助理工程师，主要从事水工环地质勘查工作。

摘要：对德城区现有13 口地热井的水质分析资料进行统计分析，对本区地热流体的物理、化学特征进行了阐述，重点对地热流体的水质和地热开发利用过程中的腐蚀与结垢趋势进行了评价。

关键词：德州；地热流体；水质评价；腐蚀；结垢

1997年华北石油康海实业公司水井工程大队，在山东省地勘局第二水文地质工程地质大队院内打出德州市第一口探采热水井，由此揭开了德州市开发利用地热资源的序幕。到目前为止，德城区已打了13口优质探采结合地热井，取水层位主要为新近系馆陶组下部砂砾岩和古近系上部的细砂岩，井口水温为54～58.5℃，主要应用于洗浴、供暖、游泳、医疗保健等领域。

1 地温场的分布

德州市城区位于新华夏构造体系华北地台辽冀台向斜临清坳陷的次级构造单元德州凹陷范围内，德州凹陷位于沧县、埕宁、鲁西三个隆起带的倾状交汇处和黄骅、临清、济阳三个坳陷带的收敛部位。其西南与临清凹陷相通，北与吴桥凹陷相连，西与武城-隆兴庄凸起相邻，东与宁津凸起相接，南与高唐-堂邑凸起相邻。区内发育有一组北北东向断裂，其构成了德城区的基底构造轮廓。

根据德州城区100余口井的温度资料，德州城区平均地温梯度在2.7～3.8℃/100m之间，与区域地温梯度值基本一致，将地温梯度大于3℃/100m地区定为地热异常区，则除大院-市府-烟厂一线外，全区均为地热异常区。其中地温梯度3.0～3.5℃/100m的热异常区位于德州凹陷边缘及武城凸起部位，基岩埋深为1450～1550m；地温梯度大于3.5℃/100m的热异常区分布在沧东断裂带，中心最大地温梯度为3.8℃/100m，基岩埋深为1550m。

2 地热流体特征

2.1 地热流体的物理特征

本区馆陶组地热水，清澈透明，口感咸，色度为5～25度，浑浊度为2～7.5度，无异味，无肉眼可见物，井口平均水温55.7℃。地热流体中含有较多的气体成分，其中游离CO2含量达到5.10mg/L，H2S含量为0.19mg/L，受其影响地热水抽至孔口时呈浅乳白色，并混杂有许多小水珠，经短时间静置后变成无色透明。由于Fe3＋含量达到1.52mg/L，地热水放置一段时间后呈微**。

2.2 地热流体化学特征

分析结果表明（表1），地热流体中阴离子以氯离子为主，含量1562.5～1725mg/L，摩尔分数大于74%，阳离子以钠离子为主，含量2060.89～2251.08mg/L，摩尔分数大于90%，水化学类型为Cl—Na型；总矿化度4772.12～4987.57mg/L。矿化度与水中Cl-、Na＋浓度呈正相关，相关系数rNa＋-矿＝0.76，rCl--矿＝0.44（n＝13）（图1、图2）。由于馆陶组热储层在水平方向上埋藏、分布稳定，地热水水化学成分基本一致，水化学类型相同。在垂直方向上，馆陶组热储层与明化镇组下段热储层的水化学类型明显不同，后者水质类型一般为HCO3—Na型，矿化度较低，两者具明显的垂直分带性。

表1 馆陶组热储层地热流体主要化学成分一览表（平均值）

注：表中数据除pH外，其余单位为mg/L。

图1 Cl-与矿化度关系

图2 Na＋与矿化度关系

3 地热流体补给来源探讨

地热流体各组分之间的比例系数可以用来判断地热流体的成因，常用的比例系数有Cl/Br、γNa/γCl等，经计算德城区馆陶组热储中地热流体Cl/Br为884.54、γNa/γCl＝1.18，这些系数都大于海水（Cl/Br为300、γNa/γCl＝0.85），说明本区的地热流体具有大陆溶滤水的特征。

德城区馆陶组热储层地热流体的δD为-75.05‰～-118.7‰，δ18O为-9.54‰～-12.01‰，根据中国大气降水直线投点知，δD和δ18O值均在中国大气降水直线附近，δ18O值略偏离中国大气降水直线，这是因为地热流体在运移过程中的分馏作用使18O增加所致。据推测，热水补给主要来自东南部的泰沂山区或西部的太行山区的大气降水。地热水中氚含量很低，一般在（0.50～5.26）±2.97Tu之间，同时经14C测定，该区馆陶组地热水绝对年龄为1.526万年，这说明地下热水属于较古老的雨水。

4 热储温度评价

地球化学温标建立的基础是地热流体与固相围岩中的矿物，在一定的温度条件下达到化学平衡，在随后地热流体温度降低时，这个“记忆”仍于保持。我们分别利用TK/Na温标、TK/Mg温标、T石英温标、T玉髓温标进行了计算，认为只有T玉髓温标较适用于本区。采用的公式为：

山东省环境地质文集

式中：T玉髓为有蒸气损失时的热储温度，℃；ρ（SiO2）为地热流体中 SiO2的质量浓度，mg/L。

经推算馆陶组热储层的温度为51.6℃，与实测馆陶组热储层的温度（54～58.5℃）比较接近。

5 地热流体水质评价

5.1 医疗与洗浴用水水质评价

水温是医疗矿水的重要指标，不同水温产生不同的治疗作用和效果。本区馆陶组热储层地热流体的井口温度为54～58.5℃，为低温地热资源的温热水，符合医疗热矿水标准，可用于洗浴、医疗。

本区馆陶组热储地热流体中氟含量达到医疗价值浓度标准；偏硼酸、偏硅酸含量达到矿水浓度值标准，可命名为含硼、硅的氟氯化钠型热矿水。其他微量元素虽没有达到命名矿水浓度，但仍具有一定的保健作用。

5.2 渔业用水水质评价

地热水养鱼在地热直接利用中是十分普遍的，同时也是地热梯级综合利用低温段尾水余热的有效途径。从地热水的水质特点出发，突出主要有害元素的影响，可将氟化物、硫化物、酚、砷及汞作为地热水养鱼的水质控制指标（蔡义汉，2004），在适当与低氟冷水混合使用后，根据地热水养鱼水质评价分级表，本区地热水作为渔业用水的评价结果为良。

5.3 工业用水水质评价

该地热水水质中，氯化物、硫酸盐、铁离子、矿化度等组分含量高，不适宜于制革、染料、纺织、制糖、淀粉、食品、建筑等工业用水。但由于温度较高，可作为工业供热。

5.4 灌溉用水水质评价

灌溉水的水质对农作物生长影响很大，将地热水是否能作为灌溉水的控制项目定为总溶解固体（TDS）、氯化物、碳酸盐、钠吸附比（SAR）、硼、砷及氟化物。根据地热水灌溉水质评价分级表，本区地热水作为灌溉用水的评价结果为严重，不可作为灌溉用水。

5.5 直接排放水质评价

本区地热水中的有害成分小于地热水有害成分最高允许排放浓度，可以直接排放到地下管道中，但排放水温应低于30℃。将氟化物、硫化物、总溶解固体、酚、汞、砷和硼7个项目作为地热水直接排放水质的控制指标，对地热水排放水质进行评价分级，并与德城区浅层地下水水质进行比较，本区地热水直接排放的评价结果为优。

6 地热开发的腐蚀与结垢趋势评价

6.1 地热开发的腐蚀趋势评价

地热流体中通常含有7种具有明显腐蚀作用的化学物质：氯离子、溶解氧、硫酸根、pH值、硫化氢（包括H2S、HS、S2-）、二氧化碳、氨 另外地热流体中的总固形物也对金属的腐蚀产生影响。

根据天津地热研究培训中心（天津大学）所做的大量分析研究表明（白丽萍等，1992）：当地热水中氯离子的摩尔分数超过25%时，可用拉伸指数（LI）评价地热流体的腐蚀趋势。拉伸指数的表达式为：

山东省环境地质文集

式中：LI为拉伸指数；［ Cl］为氯化物或卤化物浓度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）；［ SO4］为硫酸盐浓度，以等当量的 CaCO3表示（mg/L）；AIK 为总碱度，以等当量的CaCO3表示（mg/L）。

经计算本区地热流体的拉伸指数LI＝19.28，大于10，为强腐蚀性水，对金属具有强腐蚀性。因此，在工程设计中应考虑地热流体对金属的强腐蚀性。

6.2 地热开发的结垢趋势评价

根据垢层的化学成分，水垢可分为碳酸钙垢、硫酸盐垢和硅酸盐垢。

6.2.1 碳酸钙垢结垢趋势评价

影响碳酸钙结垢的主要因素有 pH 值、压力（CO2分压力）、温度及共存盐浓度（总固形物）。根据天津地热研究培训中心（天津大学）所做的大量分析研究表明：当地热水中氯离子的摩尔分数超过25%时，同样可以采用拉伸指数（LI）判断地热水中碳酸钙结垢趋势，当拉伸指数LI＞0.5时，不结垢，反之可能结垢。由于本区地热流体的拉伸指数为19.28，大于0.5，因此，本区的地热水在开发利用过程不会产生碳酸钙结垢问题。

6.2.2 硫酸钙垢结垢趋势评价

硫酸钙垢以无水硫酸钙和二水硫酸钙（石膏）两种形式析出，无水硫酸钙的溶解度比二水硫酸钙小，但由于动力学的原因，无水硫酸钙在低于93℃时不会析出。影响硫酸钙沉积的主要因素为水温和水中总固形物的含量。地热流体中硫酸钙生成趋势可由石膏（CaSO4·2H2O）的相对饱和度（Sr）定性估算，其表达式：

石膏的相对饱和度

山东省环境地质文集

经计算（图3），石膏Sr＝0.13＜1，地热流体为未饱和，不会生成石膏垢。

图3 低温地热水中CaSO4·2H2O的溶解度积

溶解度积按质量表示而不按摩尔表示，并对离子强度和温度作了修正（Radian Corporation，1979）

6.2.3 硅酸盐垢结垢趋势评价

硅酸盐垢的成分比较复杂，通常含有40%～50%的SiO2、25%～30%铁和铝的化合物以及10%～20%的Na2O，地热流体中硅酸盐的结垢趋势可用无定形SiO2的相对饱和度（Sr）的大小来判断。其表达式为：

无定形SiO2的

经计算，本区地热水中无定形SiO2的Sr＝0.0013＜1，所以无硅酸盐水垢生成。

7 结语

德州市城区馆陶组热储层中的地热流体，在开发利用过程中存在的主要问题是地热流体对金属的强腐蚀问题，在设计地热系统时，应伴以防腐工程设计，遵循简便可行、使用寿命长、成本低、经济性好的原则，在地热系统中安装热交换器，使地热流体将热量传递给洁净无腐蚀性的循环水而不直接进入系统，不失为一种较经济的方法。

参考文献

白丽萍，孟宪级.1992.地热水碳酸钙结垢趋势的判断.见：第一届天津地热学术研究会论文集.天津：天津大学出版社

蔡义汉.2004.地热直接利用.天津：天津大学出版社