安徽蚌埠城市规划区浅层地热能研究

  浅层地热能是指蕴藏于地表以下200 m 以浅的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。它以地球内热为主及太阳辐射影响而形成，是分布广泛、储量巨大及可再生的新兴能源。区域浅层地热能研究是近年伴随新兴能源利用应运而生的新的专业技术领域，其目的是为浅层地热能开发利用规划和布局提供依据。在分析研究区域浅层地热能条件、分布规律的基础上，进行适应性分区和区域浅层地热能评价，为浅层地热能开发利用工程进行预可行性研究(卫万顺，2008)。

 

  研究区为蚌埠市城市远期规划区，面积601． 5km2，研究深度总体控制在地表以下200 m 以浅。

 

  1 浅层地热能赋存条件

 

  1． 1 自然地理特征

 

  研究区位于安徽省中北部的淮河两侧地带。淮河以北为淮北平原南缘，地形开阔平坦，微地貌有河漫滩和一级阶地;淮河以南为江淮波状平原北缘，次级地貌类型有波状平原、浅丘状平原和丘陵等。

 

  本区属亚热带湿润到暖温带半湿润季风气候的过渡地带，四季分明、光照充足，冬夏长、春秋短，冬季干寒、夏季炎热多雨。年均降水量903 mm。年均气温15． 6 ℃，每年6—9 月份平均气温一般大于22 ℃，1—3 月、12 月平均气温一般小于10 ℃。分布有淮河、龙子湖及天河等地表水体。

 

  1． 2 地质、水文地质条件

 

  1． 2． 1 地质条件(1) 地层岩性。根据浅层地热能地质条件及其开发利用特点，按岩土工程地质性质及地质时代将地层岩性分为3 类: 松散岩类地层为第四系及新近系(Q + N); 半固结岩类地层为古近系及白垩系(E + K); 固结岩类地层为除松散岩类、半固结岩类地层以外的其他各类基岩。

 

  研究区200 m 以浅主要为松散岩类及固结岩类2 类地层岩性。松散岩类地层:上覆主要为第四系黏性土夹粉细砂，分布广泛，南薄北厚;新近系隐伏于淮河以北地区，厚约50 ～ 100 m。固结岩类地层:

 

  主要为上太古界五河杂岩和蚌埠期花岗岩，南厚北薄。

 

  (2)地层结构。根据地层岩性组合将地层结构

 

  分为单一结构和双层结构2 类。① 单一结构分单一松散层结构和单一基岩结构:当Q + N 厚度小于30 m 时，概化为单一半固结岩类(E + K) 地层结构和单一固结岩类地层结构;当Q + N 厚度大于100 m时，概化为单一松散层地层结构。② 双层结构是上部为松散岩类地层(Q + N)，下部为半固结(E + K)或固结岩类地层:当Q +N 厚度30 ～50 m 时，为第一双层结构;当Q +N 厚度50 ～100 m 时，为第二双层结构。

 

  研究区200 m 以浅地层结构可分4 类:北部地区以单一松散层结构为主;沿淮河两侧地带为松散岩类地层与五河杂岩及花岗岩组成的第一双层结构和第二双层结构;南部地区以五河杂岩及花岗岩为主(Q + N，厚度小于30 m) 构成单一固结岩类地层结构。

 

  (3)地质构造。自新近纪以来，淮河以南地区

 

  整体以上升为主，松散层厚度一般小于30 m;淮河以北整体以下降为主，松散岩层厚度一般大于50 m。区内东西向断层大致平行褶皱轴切割新近系，地质构造对浅层地热能赋存的地质背景有明显控制作用，并进一步影响浅层地热能资源的储集和开发利用方式的选择。

 

  1． 2． 2 水文地质条件(1) 松散岩类孔隙水。研究区松散岩类孔隙水按埋藏条件及水力性质，可分浅层地下水和深层地下水。浅层地下水含水层组底板埋深40 ～ 50 m，主要分布于淮河以北及其沿河地区;含水层主要由全新统、上更新统组成，岩性以粉砂、粉细砂为主，水位埋深0． 5 ～ 3． 0 m;淮河以北地区单井涌水量500 ～1 000 m3 /d，为潜水和半承压水。

 

  深层地下水含水层组由第四系中、下更新统及新近系组成，主要分布于淮河以北地区;含水层厚20 ～45 m，水位埋深0. 6 ～3. 0 m，单井涌水量1 000 ～ 3 000 m3 /d，补给条件较差，为承压水。

 

  (2)基岩裂隙水。主要分布在淮河以南，含水

 

  岩组主要由五河杂岩和花岗岩组成，呈带状分布;水位埋深1． 5 ～ 5. 0 m，单井涌水量小于100 m3 /d。另外，零星分布有碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙岩溶水。

 

  1． 3 地温场特征

 

  1． 3． 1 地温场自然特征(1) 岩土热物性特征。本次采取6 组岩土样，经测试，岩土样热导率1. 11 ～2. 44 W/(m·K)，比热容0. 59 ～ 1. 52 kJ /(kg·K)，导温系数0. 001 4 ～ 0. 005 6 m2 /h，含水率0. 56% ～31. 51%，天然密度1. 82 ～ 2. 64 g /cm3，孔隙比0. 05～ 0. 99。不同岩性的岩土样其热物性有明显差异。

 

  (2)地温场垂向分布特征。本区20 m 以浅地

 

  温随气温变化明显，变温带下限深度10 ～ 20 m;3. 2 m深处地温14 ～ 21 ℃，年变幅7 ℃。地表以下温度常年基本保持不变的地带为恒温带，其热能受地球内热传导与太阳辐射影响达到相对平衡;恒温带深度上限10 ～ 20 m、下限20 ～ 35 m，厚10 ～ 25 m;地温16. 5 ～ 18. 0 ℃。本区增温带上限深度一般为20 ～ 35 m，恒温带以下至150 m 深度内地温16. 5 ～21. 0 ℃，地温梯度淮河以北地区2. 6 ～ 2. 8 ℃ /100m，淮河以南地区2. 9 ～ 3. 2 ℃ /100 m。地温场垂向分布特征明显。

 

  (3)地温场平面分布特征。淮河以南大部分地

 

  区恒温带平均温度17. 0 ～ 19. 0 ℃，其上、下限深度分别为7. 0 ～ 12. 5 m、22. 5 ～ 27. 5 m，厚度15. 0 ～20. 0 m;变温带较薄。淮河以北地区恒温带平均温度16. 0 ～ 17. 5 ℃，其上、下限深度分别为10. 0 ～17. 5 m、20. 0 ～ 35. 0 m，厚10. 0 ～ 20. 0 m。区内中部恒温带温度多为16. 5 ～ 17. 5 ℃，由北至南恒温带温度具有逐渐增大的特点。

 

  (4)地温滞后效应。2010 年夏季气温最大月平

 

  均值为8 月份(28. 4 ℃)，0. 4 m 深处地温值与气温值动态变化基本一致，而1. 6，3. 2 m 深处年地温最大值分别为9 月份(24. 6 ℃)和10 月份(21. 0 ℃)，5 m 深处年地温最大值多发生在11 月份。2010 年冬季最小月平均气温为1 月份(2. 8 ℃)，1. 6，3. 2 m深处年地温最小值分别为3 月份(11. 1 ℃) 和4 月份(14. 3 ℃)。在冬、夏季，年内浅部地温极值较气温极值分布相应滞后1 ～ 4 个月。在一定深度内，随深度增加，其地温滞后时间较长。地温滞后效应可减少换热过程中的负面影响，有利于实现冷(热) 平衡，是浅层地热能开发利用的有益现象。

 

  1． 3． 2 地温场岩土热响应特征在淮河南、北两不同地质单元分别进行了一处岩土现场热响应试验。

 

  岩土现场热响应试验结果客观反映了松散层在淮河以北较厚、以南较薄，不同地质单元的岩土热响应特征。试验孔岩土平均热导率平原区为2． 09W/(m·K)，波状平原区为2． 87 W/(m·K)。试验孔平均热导率值较高，适宜于地源型(地埋管) 方式浅层地热能开发利用。

 

  1． 3． 3 地温场影响因素分析浅层地热能地温场指地表以下200 m 以浅地温分布及变化状态的总和。恒温带以浅热源来自地球内热和太阳辐射的综合作用，恒温带以深热源主要来自于地球深部的热传导。采取地质钻探、岩土测试、现场热响应试验、地温监测等方法获取了详实数据。经分析认为，区内地质构造、地层岩性、地层结构、地下水及气候等浅层地热能赋存条件，是构成地温场分布及其变化的主要影响因素。其中地下水不仅是地温载体，还具有良好的热传递功能;固结岩类基岩具有较高的热导率;变温带地温动态受气候条件影响。

 

  地温场垂向及平面分布均具有较明显的差异性;在一定的深度内，地温相对气温的变化有明显滞后效应。

 

  2 开发利用现状

 

  浅层地热能利用的本质是地温相对恒定并与气

 

  温存在反向温差、可季节性调节。研究区约有8 个月可开发利用浅层地热能进行室内制冷、取暖，其浅层地热能开发利用尚处于起步阶段，已有开发利用工程具有示范推广意义。目前，在蚌埠高铁站广场有高铁站房和宾馆综合楼2 处浅层地热能开发利用工程，均为地源型利用方式，其节能效果明显( 赵继昌等，2011)。

 

  已有工程场地松散层厚16． 0 m 左右，下伏混合花岗岩。恒温带温度17． 8 ℃，平均热导率2． 87W/(m·K)。高铁站站房空调面积8 000 m2;地埋管为外径25 mm 的PE 管，共208 孔，孔深80 ～ 83 m，间距4． 0 ～ 4． 5 m;为地源热泵系统+ 风冷热泵系统+ 室内多联机系统。高铁站宾馆综合楼空调面积29 000 m2，包括住宿、餐饮、商场及超市;照明主要利用太阳能光伏发电，空调利用浅层地热能，此2 种能源结合利用可提供热水;地埋管为外径25 mm 的PE 管，共400 孔，孔深102 m，间距5 m，回填材料为砂及原浆。

 

  3 开发利用适宜性分区

 

  3． 1 适宜性分区原则及方法

 

  浅层地热能开发利用适宜性分区贯穿于研究的

 

  全过程，其目的是为开发利用方式的选择、资源评价及开发利用规划编制提供基础依据。

 

  3． 1． 1 分区原则(1) 以地质、水文地质条件为基础，地质条件是浅层地热能赋存的重要基础，水文地质条件是浅层地热能赋存的主要影响因素。(2) 以浅层地热能开发利用为目的，合理的开发利用方式及有效的热泵系统是重要媒介。(3) 经济效益与环境保护并重。在当前技术经济条件下，开发利用浅层地热能要择优选择经济效益、环境效益及节能效果相对较好的地区和方式。(4) 平面划分与垂向控制相结合。平面分区范围为2020 年城市建设远期规划区，总体评价控制深度为200 m。

 

  3． 1． 2 分区方法紧密结合本区浅层地热能赋存条件，首先采取关键因子法进行适宜性必要条件划分，再分别采用层次分析法及综合指数法进行适宜性级别的划分。

 

  层次分析法是定性和定量相结合、系统化及层

 

  次化的分析方法，具有处理复杂决策问题的实用性和有效性。

 

  综合指数法是指利用层次分析法计算的权重和

 

  模糊评判法取得的数值提出经济效益指标的综合评价指数。对适宜性划分影响越大的因素其重要性就越大，建立比较矩阵，通过计算，检验比较矩阵的一致性，必要时对比较矩阵进行调整，以达到可以接受的一致性。

 

  根据浅层地热能赋存条件可分地源型( 地埋

 

  管)、地下水源型、地表水源型3 种开发利用方式，再分别划分不同适宜区。地源型分适宜区、较适宜区、一般适宜区、差适宜区及不适宜区5 类，其中较适宜区分较适宜区松散岩类亚区、较适宜区半固结岩类亚区及较适宜区固结岩类亚区3 个亚区。地下水源型分适宜区、较适宜区及不适宜区3 类。地表水源型分适宜区及不适宜区2 类。

 

  3． 2 开发利用适宜性分区评价体系

 

  3． 2． 1 地源型适宜性分区评价体系选取地质及水文地质条件、施工条件、热物性、地形地貌及环境地质问题等作为地源型开发利用适宜性分区评价的属性层指标，其中松散层厚度、地质灾害易发程度、地貌形态等为关键因子。

 

  在判定关键因子的前提下，采用层次分析法及

 

  综合指数法进行地源型浅层地热能开发利用适宜性分区。

 

  3． 2． 2 地下水源型适宜性分区评价体系选取地下水富水性及地下水动力场条件作为地下水源型适宜性评价的属性层指标;单井涌水量、含水层有效厚度、回灌能力、水位埋深、水位下降速率及补给模数6 个指标作为层次分析的要素层;其中地下水富水性、回灌能力及环境地质问题为关键因子。在判定关键因子的前提下，采用层次分析法及综合指数法进行地下水源型浅层地热能开发利用适宜性分区。

 

  ① 地面沉降量＞ 500 mm 的地区为地下水源型不适宜区② 地面沉降量0 ～ 500 mm 的地区，取降一个适宜性级别3． 2． 3 地表水源型适宜性分区评价体系地表水源型浅层地热能开发利用方式分开式及闭式2 类。

 

  地表水源型适宜性评价指标主要为地表水体的可循环利用量、水深、水温、水质及距利用工程的距离等(表4)。

 

  3． 3 开发利用适宜性综合评价

 

  研究区主要适宜地源型开发利用方式:其适宜

 

  区分布于松散层厚度大于100 m 的淮河以北地区;较适宜区主要分布在松散层厚度50 ～ 100 m 和小于30 m 的淮河两侧及其以南地区;一般适宜区局部分布于淮河两侧地带;差适宜区局部分布于南部中丘及中丘以上地区。地下水源型较适宜区仅分布于北部地区，今后开发利用时需加强地下水回灌，防止因过量开采地下水引发地下水资源枯竭及地面沉降等问题。地表水源型适宜区分布于淮河两侧0． 5 km范围内，开发利用时尚需综合考虑相关条件。

 

  4 浅层地热能资源潜力评价

 

  4． 1 浅层地热能资源量

 

  4． 1． 1 浅层地热容量浅层地热容量是指在浅层岩土体、地下水和地表水中储藏的单位温差热量，采用体积法计算。计算参数主要有岩土体密度、比热容、孔隙率等。区内潜水位埋深3 m 左右，据地下换热系统埋设特点，包气带浅层地热容量计算略去。

 

  计算厚度为潜水面至计算下限的岩土体厚度，计算面积为城市规划区面积。地表水为枯水年枯水期的淮河地热容量。

 

  经计算，本区岩土体、地下水和地表水中浅层地热总热容量为1． 00 × 1015 kJ。热容量可折合标准煤981. 61 万t，减排量(CO2、SO2、NOx、悬浮质粉尘)2 372. 56 万t，节省治理费272 986 万元。

 

  4． 1． 2 可利用资源量可利用资源量是指采用一定的换热方式从浅层岩土体、地下水和地表水中单位时间内可提取的热量，以换热功率表示。它不仅受浅层地热能赋存条件影响，还与开发利用方式有关。可利用资源量计算方法:地源型利用方式采用热传导法，地下水源型及地表水源型利用方式采用水量折算法。采用《浅层地热能勘查评价规范》(DZ /T 0225—2009)附录A 中的A． 7 式计算地埋管单孔换热功率，A． 10 式计算地下水和地表水的换热功率。

 

  (1)地源型方式可利用资源量。根据区内地层岩性、地层结构等条件，分别计算地源型利用方式单孔换热功率和计算区域内可利用资源量。本区适宜区、较适宜区和一般适宜区面积为528 km2;孔间距5 m，双U 型;地源型浅层地热能开发利用综合考虑工程布局、建筑负荷、占地面积、资源承载力及农田保护等因素，可利用土地系数城镇和农村分别取19. 6%和4. 8%;本区可设置换热孔城镇和农村分别为2 970 576，286 272 个;据现场热响应试验获得利用温差，计算时间为1 个制冷和供暖周期。本区地源型方式冬、夏季可利用换热功率分别为3. 719× 105，5. 206 × 106 kW。开发利用后每年相当于可节省标准煤236. 81 万t，减排量572. 37 万t，节省治理费65 857 万元。

 

  (2)地下水源型方式可利用资源量。区内地下水源型换热方式较适宜区面积农村和乡镇分别为56. 7，26. 7 km2;地下水循环利用量取单井涌水量均值2 000 m3 /d;井间距200 m;地下水源型浅层地热能开发利用综合考虑工程布局、建筑负荷、占地面积、资源承载力、农田保护及地下水连通性等因素，可利用土地系数城镇和农村分别取52. 2%，12. 8%;较适宜区内城镇和农村分别可布设抽水井269，1 098 眼。地下水源型方式冬、夏季可利用换热功率分别为1. 96 × 105，2. 75 × 105 kW。开发利用后相当于每年可节省标准煤12. 5 万t，减排量30. 2 万t，节省治理费3 300 万元。

 

  (3)地表水源型方式可利用资源量。地表水源型方式适宜区主要为淮河两侧地带，其枯水期平均水深5 m，可循环利用量1 040 × 104 m3。在可利用温差1 ℃时，地表水源型方式冬、夏季可利用换热功率均为5. 04 × 105 kW。开发利用后每年相当于可节省标准煤26. 76 万t，减排量64. 68 万t，节省治理费7 442万元。

 

  4． 1． 3 资源量评价浅层地热能资源量计算方法依据《浅层地热能勘查评价规范》( DZ /T 0225—2009);计算参数主要来自本项目实测及计算数据，部分为经验值及常量数据。其浅层地热能资源计算方法正确，参数可靠，结果可信。本区浅层地热资源丰富:浅层地热容量为1． 00 × 1015 kJ，可利用资源总量9. 682 × 106 kW，其中地表水源型可利用换热功率为1 ℃温差下的资源量。

 

  4． 2 资源潜力评价

 

  资源潜力评价是指依据可利用资源量，采用不同适宜区的单位面积可供暖和制冷面积，进行浅层地热能资源开发利用潜力评价。当地普通住宅冬季供暖、夏季制冷负荷分别按50，70 W/m2 计( 国土资源部地质环境司，2011)。

 

  据不同换热方式的适宜性分区和可利用资源量，地源型方式冬季供暖、夏季制冷面积各为7． 44 × 107m2，供暖和制冷资源潜力各为每平方千米1. 41 × 105m2;地下水源型冬季供暖、夏季制冷面积各为3. 92 ×106 m2，冬季供暖、夏季制冷资源潜力各为每平方千米4. 70 ×104 m2;地表水源型供暖面积1. 01 × 107 m2，制冷面积0． 72 × 107 m2，资源潜力供暖为每平方千米9. 70 ×105 m2，制冷为每平方千米6. 93 ×105 m2。

 

  本区可利用换热功率高，资源潜力大，具有显著的开发利用价值。如合理开发利用，每年可相当于节省标准煤276. 07 万t，减排量667. 25 万t，节省治理费用76 599 万元。

  5 结论

 

  (1)蚌埠城市规划区浅层地热能资源丰富，其时空分布主要与地质构造、地层岩性、地下水、地层结构及气候等条件有关。资源开发利用潜力较大，预期节能减排效果显著。

 

  (2)本区主要适宜地源型浅层地热能开发利用方式，局部适宜地表水源型、地下水源型利用方式。

 

  (3) 建议在区域浅层地热能调查评价的基础上，编制城市浅层地热能开发利用规划;在建设开发利用工程时，需进行场地浅层地热能勘查评价。

 

  (4)采用新技术、新方法进行了区域浅层地热能研究，是服务于新能源开发利用新的专业技术研究领域，其研究方法及相关内容尚需进一步探讨和完善。