淺層地?zé)崮?/a>廣泛存在于地下淺層恒溫帶中的土壤、巖石和地下水中，是可再生能源家族中的新成員。作為清潔、新型、可再生的綠色能源，淺層地?zé)崮?/a>對(duì)推動(dòng)城市節(jié)能、減排等有很大幫助。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調(diào)已成為普遍的需求，特別是在全國(guó)可再生能源建筑應(yīng)用政策的大力推動(dòng)下，許多地區(qū)已經(jīng)陸續(xù)建設(shè)地?zé)崮苜Y源系統(tǒng)，并收到了較好的應(yīng)用效果。

濰坊位于山東半島中部，是著名的世界風(fēng)箏之都。作為高水平的現(xiàn)代制造業(yè)基地和新產(chǎn)品研發(fā)轉(zhuǎn)化基地、中國(guó)優(yōu)秀創(chuàng)新型城市，濰坊在經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)能源需求將保持較快增長(zhǎng)趨勢(shì)，節(jié)能減排的任務(wù)日益加重。濰坊市中心城區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源豐富，地?zé)崮苜Y源的合理開發(fā)利用，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。筆者在充分收集濰坊市中心城區(qū)淺層地?zé)?/a>能資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合濰坊市中心城區(qū)發(fā)展總體規(guī)劃，對(duì)淺層地下水熱能資源可利用量進(jìn)行分析，并對(duì)如何利用地下水熱能資源提出建議。

1 濰坊市中心城區(qū)淺層地?zé)?/a>能儲(chǔ)量計(jì)算

濰坊市中心城區(qū)包括奎文區(qū)、濰城區(qū)、寒亭區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、坊子區(qū)6個(gè)區(qū)，其中經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)地下水資源貧乏，含水層全部為粉沙和細(xì)沙，回灌的可灌性不好，不適宜建設(shè)地下水熱泵工程。

1.1 水文地質(zhì)條件

濰坊市中心城區(qū)坐落在白浪河沖積扇的上中部。沖積扇頂部基巖埋深約為10 m，北部基巖埋深可達(dá)100～150 m，單井出水量在北部可達(dá)100 m3/h以上，南部大多數(shù)為40～50 m3/h，靜水位埋深大多15 m左右，降深為3～5 m。沖積扇主體部分以西沙層分布不普遍，第四系地層水量較好，有的地方無(wú)沙層，打井以取基巖水為主。中心城區(qū)的南部邊緣第四系地層之下的基巖為白堊系青山組火山巖系，地下水貧乏，其他部分第四系地層之下全部為第三系玄武巖，普遍有水，但水量極不均勻。

上河園小區(qū)機(jī)井深為80 m，沙層為6層，總厚度為15 m，靜水位為16 m，降深為14 m，出水量為130 m3/h。該區(qū)代表性較強(qiáng)，可以反映白浪河沖積扇的地層結(jié)構(gòu)，具體如圖1和圖2所示。

1.2 適宜區(qū)劃分

1.2.1 劃分原則

適宜性分區(qū)作為淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的首要工作，對(duì)資源量的評(píng)價(jià)和指導(dǎo)淺層地?zé)崮荛_發(fā)起著至關(guān)重要作用[水文地質(zhì)條件，我們確定適宜區(qū)劃分應(yīng)遵循以下4個(gè)原則：（1）單井出水量不小于20 m3/h;(2）從靜水位至含水層下伏的隔水底板的厚度不小于5 m;(3）含水層以中沙以上的沙層為主，其次是富水性較好的第三系玄武巖；（4）含水層有較好的可灌性。

1.2.2 劃分結(jié)果

中心城區(qū)的地下水熱泵適宜區(qū)主要分布在奎文區(qū)和濰城區(qū)東部、寒亭區(qū)西部、坊子區(qū)西北部、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)西部、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)東部。根據(jù)適宜區(qū)的地層結(jié)構(gòu)及含水層狀況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)大區(qū)，又細(xì)分為10個(gè)亞區(qū)。

適宜Ⅰ區(qū)位于適宜區(qū)的中部，即白浪河沖積扇的主體部位，以開采第四系含水層為主，沙層分布廣泛，普遍可以成井。適宜Ⅱ區(qū)位于Ⅰ區(qū)東側(cè)，第四系地層較薄，無(wú)含水層，以取用第三系玄武巖中的裂隙水及其底部松散巖石中的孔隙水為主，玄武巖厚度不大，風(fēng)化較好，各亞區(qū)的富水性差異較大。適宜Ⅲ區(qū)位于Ⅰ區(qū)西側(cè)，第四系沙層零星分布，第三系玄武巖厚度較大，各亞區(qū)的富水性也有較大差異。各亞區(qū)的面積、含水層計(jì)算厚度如表1所示。

1.3 淺層地?zé)崮?/a>儲(chǔ)存量計(jì)算

熱儲(chǔ)法（又稱體積法）是計(jì)算地?zé)崮?/a>儲(chǔ)存量的一種常用方法。用熱儲(chǔ)法計(jì)算地?zé)?/a>能儲(chǔ)存量需要對(duì)包氣帶和包水帶分別進(jìn)行計(jì)算，筆者認(rèn)為計(jì)算包氣帶的熱儲(chǔ)量意義不大，故本文僅計(jì)算包水帶的熱儲(chǔ)量，未計(jì)算包氣帶的熱儲(chǔ)量，計(jì)算式為式（1）。

2 濰坊市中心城區(qū)淺層地?zé)?/a>能可利用量計(jì)算

淺層地?zé)崮?/a>的可利用量也就是年補(bǔ)給量，補(bǔ)給量主要來(lái)源于大地熱流、降雨入滲、地下水側(cè)滲、太陽(yáng)輻射補(bǔ)給。

2.1 大地熱流對(duì)淺層地?zé)崮?/a>補(bǔ)給量計(jì)算

在理論上，大地熱流值應(yīng)采用恒溫帶以下的地溫數(shù)據(jù)和熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。淺層地?zé)?/a>能可利用量采用式（4）計(jì)算。

式中：Qh為淺層地?zé)?/a>能可利用量，kW;a為利用系數(shù)，取1;q為大地熱流值，MW/m2;M為計(jì)算面積，km2;

全國(guó)不同地區(qū)的q取值如下：西南地區(qū)為70～85 MW/m2；西北地區(qū)為43～47 MW/m2；華北和東北地區(qū)為59～63 MW/m2；華南地區(qū)為66～70 MW/m2。濰坊市中心城區(qū)受沂沭斷裂的影響，大小斷層眾多，地層支離破碎，經(jīng)綜合考慮，其大地?zé)?/a>流值應(yīng)該偏大，取q=63 MW/m2。所以，大地?zé)?/a>流在常態(tài)下的正常補(bǔ)給量Qh=63 M=63×196.846=12 401.3 kW。當(dāng)區(qū)域地下水溫度平均下降4℃之后，地溫梯度變大了，補(bǔ)給量還會(huì)更大。

2.2 降雨入滲對(duì)淺層地?zé)崮?/a>補(bǔ)給量計(jì)算

濰坊市多年平均降雨量為661.9 mm，其中6～9月的降雨量占全年降雨量的72.2%，且雨水溫度高，對(duì)地下水的補(bǔ)給量大，是淺層地?zé)崮?/a>十分重要的補(bǔ)給來(lái)源。其他月份的降雨溫度低，但數(shù)量少，對(duì)地下水的補(bǔ)給作用不大。根據(jù)濰坊市的氣象資料，以降雨量為權(quán)重加權(quán)平均得出全年雨水溫度為20.7℃，它與區(qū)域地?zé)醿?chǔ)存量下限水溫12.3℃相差8.4℃，以此作為降雨入滲補(bǔ)熱的溫差△T。

降雨入滲對(duì)淺層地熱能的年補(bǔ)給量可用式（5）計(jì)算。

式中：Qy為降雨入滲對(duì)區(qū)域地熱能的年補(bǔ)給量，kW·h；ρw為水的密度，取1 000 kg/m3;Cw為水的比熱容，取4.18 kJ/（kg·℃）；Py為平均年降雨量，取用0.662 m;αy為年降雨入滲系數(shù)（取用0.15）；△T為雨水與地下水溫差，取用8.4℃；M為計(jì)算面積，km2。

根據(jù)降雨入滲對(duì)地下水熱能的年補(bǔ)給量計(jì)算公式可得，Qy=0.968×106·M=1.905×108kW·h。

2.3 地下水側(cè)滲補(bǔ)給對(duì)淺層地?zé)崮苎a(bǔ)給量計(jì)算

與降雨入滲一樣，從周邊地區(qū)向中心城區(qū)側(cè)向補(bǔ)給的地下水也會(huì)把一定的熱量補(bǔ)充到中心城區(qū)淺層地?zé)崮苤小?o:p>

周邊地下水對(duì)區(qū)域淺層地?zé)崮艿哪暄a(bǔ)給量計(jì)算公式為式（6）。

式中：Qy為周邊地下水年補(bǔ)熱量，kW·h;K為沙層滲透系數(shù)，取1.58 m/d;I為地下水滲透比降（無(wú)因次），取1.15;L為計(jì)算斷面長(zhǎng)度，取上游側(cè)向補(bǔ)給邊界在垂直于地下水流向斷面上的投影，即適宜區(qū)的最大寬度，為18 km;H為沙層累計(jì)厚度，根據(jù)已知井的平均沙層厚度與孔深之比確定，為85 m；△T為取水溫差，取4℃。

經(jīng)計(jì)算，Qy=47.1×108kW·h。

2.4 太陽(yáng)輻射對(duì)淺層地?zé)崮苎a(bǔ)給量計(jì)算

由于包氣帶是一種多孔介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)很小，淺表層地溫的少量變化要傳遞到地下水中更是十分困難。根據(jù)濰坊氣象臺(tái)資料分析，每年的3月和9月，地溫與氣溫相差不大，為蓄熱與散熱平衡期；4至8月為地?zé)嵩鰷仄冢?0月至翌年2月為地?zé)峤禍仄凇Ｔ鰷仄诘?0 cm月平均地溫為22.48℃，與20 cm年平均地溫相差8.08℃。降溫期的20 cm月平均地溫為6.04℃，與20 cm年平均地溫相差8.36℃，即月均增溫值與月均降溫值基本一致。這說(shuō)明，太陽(yáng)輻射對(duì)土壤熱量的補(bǔ)給與熱量的消耗是相互抵消的。因此，太陽(yáng)輻射對(duì)淺層地?zé)崮艿难a(bǔ)給量可以不予計(jì)算。

3 結(jié)語(yǔ)

(1）濰坊市中心城區(qū)地下水資源豐富，適宜區(qū)面積共計(jì)196.846km2，淺層地?zé)崮軆?chǔ)存量為17.14×1013kJ，相當(dāng)于585萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤的總發(fā)熱量。建議在該區(qū)內(nèi)推廣應(yīng)用地下水熱泵技術(shù)，用于工業(yè)、居民供暖，替代傳統(tǒng)的燒煤方式，改善能源結(jié)構(gòu)，推動(dòng)城市節(jié)能、減排，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

(2）要搞好地下水源熱泵工程的總體規(guī)劃。結(jié)合濰坊市中心城區(qū)的整體發(fā)展規(guī)劃，在適宜區(qū)內(nèi)盡量合理、均衡布局地下水源熱泵工程，防止盲目發(fā)展、過(guò)度開發(fā)，避免因工程項(xiàng)目過(guò)于集中、相互影響而影響工程效能的發(fā)揮，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

(3）鼓勵(lì)新建或改建的公共建筑、居民樓、農(nóng)村集中建設(shè)的住宅區(qū)充分采用淺層地下水熱能資源，政府投資的公益性項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先利用淺層地下水熱能資源。

(4）有關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水資源的管理，定期進(jìn)行水量、水位、水質(zhì)和水溫監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)水質(zhì)保護(hù)，防止地質(zhì)災(zāi)害，以實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。