问题的提出和研究意义

地下热水是宝贵的水资源和能源，具有显著的商业价值，很早就引起人们的关注和开发利用。冰岛、新西兰、匈牙利、美国、斐济等许多国家都拥有丰富的地热资源，通过开发利用地下热水或作为旅游资源，使地热资源得到了充分的使用。我国也是地热资源丰富的国家，在天津、福州、昆明、腾冲和西藏羊八井等地，地下热水得到了开发和利用。随着我国经济建设的迅速发展和环境保护工作的加强，地下热水的勘查、资源评价和开发利用将会受到更加广泛的重视。

天津市是在市区拥有地热资源的城市，也是我国最早利用地热资源的城市之一。地下热水赋存在地下第三系和早古生界、中新元古界基岩地层之中。天津市早在1936年就开凿了第一眼热水井，新中国成立后特别是20世纪70年代以来，开发地下热水的钻井迅速增加，到1980年开采井达211眼，绝大部分钻井开采第三系热储层中的热水。由于过量开采第三系热水，导致热储层地下水位持续下降，热水资源趋于枯竭。因此，自20世纪80年代初转向勘探和开发埋深更大的基岩地下热水。当地地勘单位于1982～1987年开展了市区及其以南地区（王兰庄地热田）的地热勘查工作，1986～1991年又开展了市区东部（山岭子地热田）的地热勘查工作，基本查明了地热资源的特征，积累了基础资料，并用热储法（容积法）估算了基岩地热资源，对地热开发具有指导意义。进入20世纪90年代后，天津市地热开发有了进一步的发展，特别是近几年来房地产业的兴起，对基岩地下热水的开发日益受到重视，到1998年底，基岩热水井已达50眼左右，开采井数及总开采量均呈上升趋势。由于基岩热水储集层埋深大多数在1000m之下，钻井成井成本很高，在开发地热资源时，除了需要对基岩地下热水的分布、运移、形成有比较清楚的认识以外，对热水开采井的开采量及其发展变化，需要作出合理的预测，对整个地热系统的资源潜力及开采规划，要有切合实际的分析。因此，极有必要对天津市深层基岩地下热水的运移进行更为细致的研究。

地下热水在工业上可以用于纺织、印染、化工、造纸、木材和食品加工等行业，在农业上可以用于温室种植和养殖，在生活中可直接用于采暖供热而节省燃煤减轻环境污染，还可在医疗方面具有使用价值。因此，开发利用地热资源具有重要的经济效益、社会效益和环境效益。天津市由于城乡建设和工农业的迅速发展，对能源需求也不断增加，经长期消耗的常规能源已供不应求，煤、石油能源的环境污染日趋严重，促进了地热资源的大规模开发利用。开展天津市深层地下热水运移的研究，对于开发利用基岩热水资源有着重要的实际意义。

地下热水，特别是深层基岩地下热水，又是一种特殊类型的地下水，主要表现在：①埋藏深，井底压力随深度变化大，致使水动力场变化复杂；②水温较高（60～96℃），水的密度随温度变化而改变，井中水位高度不能代表井底压力的大小；③地下水在运移过程中不断与围岩发生热交换，并受到来自深部热源的加热；④通过回灌冷水到热储层中，又能获得新的地热资源。因此，不仅地下热水的水动力场随时间发生变化，而且温度场也是随时间经常发生变化的。在研究这样复杂的地下热水系统时，需要考虑质量、动量和能量三种平衡关系，运用三维非稳定流理论，既要描述地下热水压力场，同时又要描述温度场的变化。这对于丰富地下热水的理论和完善地下水运移三维非稳定流理论，有着重要的理论意义。