淺層地熱能是指蘊藏于地表以下200 m 以淺的巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能。它以地球內(nèi)熱為主及太陽輻射影響而形成，是分布廣泛、儲量巨大及可再生的新興能源。區(qū)域淺層地熱能研究是近年伴隨新興能源利用應運而生的新的專業(yè)技術領域，其目的是為淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)劃和布局提供依據(jù)。在分析研究區(qū)域淺層地熱能條件、分布規(guī)律的基礎上，進行適應性分區(qū)和區(qū)域淺層地熱能評價，為淺層地熱能開發(fā)利用工程進行預可行性研究(衛(wèi)萬順，2008)。

 

  研究區(qū)為蚌埠市城市遠期規(guī)劃區(qū)，面積601． 5km2，研究深度總體控制在地表以下200 m 以淺。

 

  1 淺層地熱能賦存條件

 

  1． 1 自然地理特征

 

  研究區(qū)位于安徽省中北部的淮河兩側地帶?；春右员睘?a href="http://xldcn.com/t/淮北.html" >淮北平原南緣，地形開闊平坦，微地貌有河漫灘和一級階地;淮河以南為江淮波狀平原北緣，次級地貌類型有波狀平原、淺丘狀平原和丘陵等。

 

  本區(qū)屬亞熱帶濕潤到暖溫帶半濕潤季風氣候的過渡地帶，四季分明、光照充足，冬夏長、春秋短，冬季干寒、夏季炎熱多雨。年均降水量903 mm。年均氣溫15． 6 ℃，每年6—9 月份平均氣溫一般大于22 ℃，1—3 月、12 月平均氣溫一般小于10 ℃。分布有淮河、龍子湖及天河等地表水體。

 

  1． 2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

 

  1． 2． 1 地質(zhì)條件(1) 地層巖性。根據(jù)淺層地熱能地質(zhì)條件及其開發(fā)利用特點，按巖土工程地質(zhì)性質(zhì)及地質(zhì)時代將地層巖性分為3 類: 松散巖類地層為第四系及新近系(Q + N); 半固結巖類地層為古近系及白堊系(E + K); 固結巖類地層為除松散巖類、半固結巖類地層以外的其他各類基巖。

 

  研究區(qū)200 m 以淺主要為松散巖類及固結巖類2 類地層巖性。松散巖類地層:上覆主要為第四系黏性土夾粉細砂，分布廣泛，南薄北厚;新近系隱伏于淮河以北地區(qū)，厚約50 ～ 100 m。固結巖類地層:

 

  主要為上太古界五河雜巖和蚌埠期花崗巖，南厚北薄。

 

  (2)地層結構。根據(jù)地層巖性組合將地層結構

 

  分為單一結構和雙層結構2 類。① 單一結構分單一松散層結構和單一基巖結構:當Q + N 厚度小于30 m 時，概化為單一半固結巖類(E + K) 地層結構和單一固結巖類地層結構;當Q + N 厚度大于100 m時，概化為單一松散層地層結構。② 雙層結構是上部為松散巖類地層(Q + N)，下部為半固結(E + K)或固結巖類地層:當Q +N 厚度30 ～50 m 時，為第一雙層結構;當Q +N 厚度50 ～100 m 時，為第二雙層結構。

 

  研究區(qū)200 m 以淺地層結構可分4 類:北部地區(qū)以單一松散層結構為主;沿淮河兩側地帶為松散巖類地層與五河雜巖及花崗巖組成的第一雙層結構和第二雙層結構;南部地區(qū)以五河雜巖及花崗巖為主(Q + N，厚度小于30 m) 構成單一固結巖類地層結構。

 

  (3)地質(zhì)構造。自新近紀以來，淮河以南地區(qū)

 

  整體以上升為主，松散層厚度一般小于30 m;淮河以北整體以下降為主，松散巖層厚度一般大于50 m。區(qū)內(nèi)東西向斷層大致平行褶皺軸切割新近系，地質(zhì)構造對淺層地熱能賦存的地質(zhì)背景有明顯控制作用，并進一步影響淺層地熱能資源的儲集和開發(fā)利用方式的選擇。

 

  1． 2． 2 水文地質(zhì)條件(1) 松散巖類孔隙水。研究區(qū)松散巖類孔隙水按埋藏條件及水力性質(zhì)，可分淺層地下水和深層地下水。淺層地下水含水層組底板埋深40 ～ 50 m，主要分布于淮河以北及其沿河地區(qū);含水層主要由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)組成，巖性以粉砂、粉細砂為主，水位埋深0． 5 ～ 3． 0 m;淮河以北地區(qū)單井涌水量500 ～1 000 m3 /d，為潛水和半承壓水。

 

  深層地下水含水層組由第四系中、下更新統(tǒng)及新近系組成，主要分布于淮河以北地區(qū);含水層厚20 ～45 m，水位埋深0. 6 ～3. 0 m，單井涌水量1 000 ～ 3 000 m3 /d，補給條件較差，為承壓水。

 

  (2)基巖裂隙水。主要分布在淮河以南，含水

 

  巖組主要由五河雜巖和花崗巖組成，呈帶狀分布;水位埋深1． 5 ～ 5. 0 m，單井涌水量小于100 m3 /d。另外，零星分布有碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙巖溶水。

 

  1． 3 地溫場特征

 

  1． 3． 1 地溫場自然特征(1) 巖土熱物性特征。本次采取6 組巖土樣，經(jīng)測試，巖土樣熱導率1. 11 ～2. 44 W/(m·K)，比熱容0. 59 ～ 1. 52 kJ /(kg·K)，導溫系數(shù)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。不同巖性的巖土樣其熱物性有明顯差異。

 

  (2)地溫場垂向分布特征。本區(qū)20 m 以淺地

 

  溫隨氣溫變化明顯，變溫帶下限深度10 ～ 20 m;3. 2 m深處地溫14 ～ 21 ℃，年變幅7 ℃。地表以下溫度常年基本保持不變的地帶為恒溫帶，其熱能受地球內(nèi)熱傳導與太陽輻射影響達到相對平衡;恒溫帶深度上限10 ～ 20 m、下限20 ～ 35 m，厚10 ～ 25 m;地溫16. 5 ～ 18. 0 ℃。本區(qū)增溫帶上限深度一般為20 ～ 35 m，恒溫帶以下至150 m 深度內(nèi)地溫16. 5 ～21. 0 ℃，地溫梯度淮河以北地區(qū)2. 6 ～ 2. 8 ℃ /100m，淮河以南地區(qū)2. 9 ～ 3. 2 ℃ /100 m。地溫場垂向分布特征明顯。

 

  (3)地溫場平面分布特征。淮河以南大部分地

 

  區(qū)恒溫帶平均溫度17. 0 ～ 19. 0 ℃，其上、下限深度分別為7. 0 ～ 12. 5 m、22. 5 ～ 27. 5 m，厚度15. 0 ～20. 0 m;變溫帶較薄。淮河以北地區(qū)恒溫帶平均溫度16. 0 ～ 17. 5 ℃，其上、下限深度分別為10. 0 ～17. 5 m、20. 0 ～ 35. 0 m，厚10. 0 ～ 20. 0 m。區(qū)內(nèi)中部恒溫帶溫度多為16. 5 ～ 17. 5 ℃，由北至南恒溫帶溫度具有逐漸增大的特點。

 

  (4)地溫滯后效應。2010 年夏季氣溫最大月平

 

  均值為8 月份(28. 4 ℃)，0. 4 m 深處地溫值與氣溫值動態(tài)變化基本一致，而1. 6，3. 2 m 深處年地溫最大值分別為9 月份(24. 6 ℃)和10 月份(21. 0 ℃)，5 m 深處年地溫最大值多發(fā)生在11 月份。2010 年冬季最小月平均氣溫為1 月份(2. 8 ℃)，1. 6，3. 2 m深處年地溫最小值分別為3 月份(11. 1 ℃) 和4 月份(14. 3 ℃)。在冬、夏季，年內(nèi)淺部地溫極值較氣溫極值分布相應滯后1 ～ 4 個月。在一定深度內(nèi)，隨深度增加，其地溫滯后時間較長。地溫滯后效應可減少換熱過程中的負面影響，有利于實現(xiàn)冷(熱) 平衡，是淺層地熱能開發(fā)利用的有益現(xiàn)象。

 

  1． 3． 2 地溫場巖土熱響應特征在淮河南、北兩不同地質(zhì)單元分別進行了一處巖土現(xiàn)場熱響應試驗。

 

  巖土現(xiàn)場熱響應試驗結果客觀反映了松散層在淮河以北較厚、以南較薄，不同地質(zhì)單元的巖土熱響應特征。試驗孔巖土平均熱導率平原區(qū)為2． 09W/(m·K)，波狀平原區(qū)為2． 87 W/(m·K)。試驗孔平均熱導率值較高，適宜于地源型(地埋管) 方式淺層地熱能開發(fā)利用。

 

  1． 3． 3 地溫場影響因素分析淺層地熱能地溫場指地表以下200 m 以淺地溫分布及變化狀態(tài)的總和。恒溫帶以淺熱源來自地球內(nèi)熱和太陽輻射的綜合作用，恒溫帶以深熱源主要來自于地球深部的熱傳導。采取地質(zhì)鉆探、巖土測試、現(xiàn)場熱響應試驗、地溫監(jiān)測等方法獲取了詳實數(shù)據(jù)。經(jīng)分析認為，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造、地層巖性、地層結構、地下水及氣候等淺層地熱能賦存條件，是構成地溫場分布及其變化的主要影響因素。其中地下水不僅是地溫載體，還具有良好的熱傳遞功能;固結巖類基巖具有較高的熱導率;變溫帶地溫動態(tài)受氣候條件影響。

 

  地溫場垂向及平面分布均具有較明顯的差異性;在一定的深度內(nèi)，地溫相對氣溫的變化有明顯滯后效應。

 

  2 開發(fā)利用現(xiàn)狀

 

  淺層地熱能利用的本質(zhì)是地溫相對恒定并與氣

 

  溫存在反向溫差、可季節(jié)性調(diào)節(jié)。研究區(qū)約有8 個月可開發(fā)利用淺層地熱能進行室內(nèi)制冷、取暖，其淺層地熱能開發(fā)利用尚處于起步階段，已有開發(fā)利用工程具有示范推廣意義。目前，在蚌埠高鐵站廣場有高鐵站房和賓館綜合樓2 處淺層地熱能開發(fā)利用工程，均為地源型利用方式，其節(jié)能效果明顯( 趙繼昌等，2011)。

 

  已有工程場地松散層厚16． 0 m 左右，下伏混合花崗巖。恒溫帶溫度17． 8 ℃，平均熱導率2． 87W/(m·K)。高鐵站站房空調(diào)面積8 000 m2;地埋管為外徑25 mm 的PE 管，共208 孔，孔深80 ～ 83 m，間距4． 0 ～ 4． 5 m;為地源熱泵系統(tǒng)+ 風冷熱泵系統(tǒng)+ 室內(nèi)多聯(lián)機系統(tǒng)。高鐵站賓館綜合樓空調(diào)面積29 000 m2，包括住宿、餐飲、商場及超市;照明主要利用太陽能光伏發(fā)電，空調(diào)利用淺層地熱能，此2 種能源結合利用可提供熱水;地埋管為外徑25 mm 的PE 管，共400 孔，孔深102 m，間距5 m，回填材料為砂及原漿。

 

  3 開發(fā)利用適宜性分區(qū)

 

  3． 1 適宜性分區(qū)原則及方法

 

  淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)貫穿于研究的

 

  全過程，其目的是為開發(fā)利用方式的選擇、資源評價及開發(fā)利用規(guī)劃編制提供基礎依據(jù)。

 

  3． 1． 1 分區(qū)原則(1) 以地質(zhì)、水文地質(zhì)條件為基礎，地質(zhì)條件是淺層地熱能賦存的重要基礎，水文地質(zhì)條件是淺層地熱能賦存的主要影響因素。(2) 以淺層地熱能開發(fā)利用為目的，合理的開發(fā)利用方式及有效的熱泵系統(tǒng)是重要媒介。(3) 經(jīng)濟效益與環(huán)境保護并重。在當前技術經(jīng)濟條件下，開發(fā)利用淺層地熱能要擇優(yōu)選擇經(jīng)濟效益、環(huán)境效益及節(jié)能效果相對較好的地區(qū)和方式。(4) 平面劃分與垂向控制相結合。平面分區(qū)范圍為2020 年城市建設遠期規(guī)劃區(qū)，總體評價控制深度為200 m。

 

  3． 1． 2 分區(qū)方法緊密結合本區(qū)淺層地熱能賦存條件，首先采取關鍵因子法進行適宜性必要條件劃分，再分別采用層次分析法及綜合指數(shù)法進行適宜性級別的劃分。

 

  層次分析法是定性和定量相結合、系統(tǒng)化及層

 

  次化的分析方法，具有處理復雜決策問題的實用性和有效性。

 

  綜合指數(shù)法是指利用層次分析法計算的權重和

 

  模糊評判法取得的數(shù)值提出經(jīng)濟效益指標的綜合評價指數(shù)。對適宜性劃分影響越大的因素其重要性就越大，建立比較矩陣，通過計算，檢驗比較矩陣的一致性，必要時對比較矩陣進行調(diào)整，以達到可以接受的一致性。

 

  根據(jù)淺層地熱能賦存條件可分地源型( 地埋

 

  管)、地下水源型、地表水源型3 種開發(fā)利用方式，再分別劃分不同適宜區(qū)。地源型分適宜區(qū)、較適宜區(qū)、一般適宜區(qū)、差適宜區(qū)及不適宜區(qū)5 類，其中較適宜區(qū)分較適宜區(qū)松散巖類亞區(qū)、較適宜區(qū)半固結巖類亞區(qū)及較適宜區(qū)固結巖類亞區(qū)3 個亞區(qū)。地下水源型分適宜區(qū)、較適宜區(qū)及不適宜區(qū)3 類。地表水源型分適宜區(qū)及不適宜區(qū)2 類。

 

  3． 2 開發(fā)利用適宜性分區(qū)評價體系

 

  3． 2． 1 地源型適宜性分區(qū)評價體系選取地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、施工條件、熱物性、地形地貌及環(huán)境地質(zhì)問題等作為地源型開發(fā)利用適宜性分區(qū)評價的屬性層指標，其中松散層厚度、地質(zhì)災害易發(fā)程度、地貌形態(tài)等為關鍵因子。

 

  在判定關鍵因子的前提下，采用層次分析法及

 

  綜合指數(shù)法進行地源型淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)。

 

  3． 2． 2 地下水源型適宜性分區(qū)評價體系選取地下水富水性及地下水動力場條件作為地下水源型適宜性評價的屬性層指標;單井涌水量、含水層有效厚度、回灌能力、水位埋深、水位下降速率及補給模數(shù)6 個指標作為層次分析的要素層;其中地下水富水性、回灌能力及環(huán)境地質(zhì)問題為關鍵因子。在判定關鍵因子的前提下，采用層次分析法及綜合指數(shù)法進行地下水源型淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)。

 

  ① 地面沉降量＞ 500 mm 的地區(qū)為地下水源型不適宜區(qū)② 地面沉降量0 ～ 500 mm 的地區(qū)，取降一個適宜性級別3． 2． 3 地表水源型適宜性分區(qū)評價體系地表水源型淺層地熱能開發(fā)利用方式分開式及閉式2 類。

 

  地表水源型適宜性評價指標主要為地表水體的可循環(huán)利用量、水深、水溫、水質(zhì)及距利用工程的距離等(表4)。

 

  3． 3 開發(fā)利用適宜性綜合評價

 

  研究區(qū)主要適宜地源型開發(fā)利用方式:其適宜

 

  區(qū)分布于松散層厚度大于100 m 的淮河以北地區(qū);較適宜區(qū)主要分布在松散層厚度50 ～ 100 m 和小于30 m 的淮河兩側及其以南地區(qū);一般適宜區(qū)局部分布于淮河兩側地帶;差適宜區(qū)局部分布于南部中丘及中丘以上地區(qū)。地下水源型較適宜區(qū)僅分布于北部地區(qū)，今后開發(fā)利用時需加強地下水回灌，防止因過量開采地下水引發(fā)地下水資源枯竭及地面沉降等問題。地表水源型適宜區(qū)分布于淮河兩側0． 5 km范圍內(nèi)，開發(fā)利用時尚需綜合考慮相關條件。

 

  4 淺層地熱能資源潛力評價

 

  4． 1 淺層地熱能資源量

 

  4． 1． 1 淺層地熱容量淺層地熱容量是指在淺層巖土體、地下水和地表水中儲藏的單位溫差熱量，采用體積法計算。計算參數(shù)主要有巖土體密度、比熱容、孔隙率等。區(qū)內(nèi)潛水位埋深3 m 左右，據(jù)地下?lián)Q熱系統(tǒng)埋設特點，包氣帶淺層地熱容量計算略去。

 

  計算厚度為潛水面至計算下限的巖土體厚度，計算面積為城市規(guī)劃區(qū)面積。地表水為枯水年枯水期的淮河地熱容量。

 

  經(jīng)計算，本區(qū)巖土體、地下水和地表水中淺層地熱總熱容量為1． 00 × 1015 kJ。熱容量可折合標準煤981. 61 萬t，減排量(CO2、SO2、NOx、懸浮質(zhì)粉塵)2 372. 56 萬t，節(jié)省治理費272 986 萬元。

 

  4． 1． 2 可利用資源量可利用資源量是指采用一定的換熱方式從淺層巖土體、地下水和地表水中單位時間內(nèi)可提取的熱量，以換熱功率表示。它不僅受淺層地熱能賦存條件影響，還與開發(fā)利用方式有關。可利用資源量計算方法:地源型利用方式采用熱傳導法，地下水源型及地表水源型利用方式采用水量折算法。采用《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》(DZ /T 0225—2009)附錄A 中的A． 7 式計算地埋管單孔換熱功率，A． 10 式計算地下水和地表水的換熱功率。

 

  (1)地源型方式可利用資源量。根據(jù)區(qū)內(nèi)地層巖性、地層結構等條件，分別計算地源型利用方式單孔換熱功率和計算區(qū)域內(nèi)可利用資源量。本區(qū)適宜區(qū)、較適宜區(qū)和一般適宜區(qū)面積為528 km2;孔間距5 m，雙U 型;地源型淺層地熱能開發(fā)利用綜合考慮工程布局、建筑負荷、占地面積、資源承載力及農(nóng)田保護等因素，可利用土地系數(shù)城鎮(zhèn)和農(nóng)村分別取19. 6%和4. 8%;本區(qū)可設置換熱孔城鎮(zhèn)和農(nóng)村分別為2 970 576，286 272 個;據(jù)現(xiàn)場熱響應試驗獲得利用溫差，計算時間為1 個制冷和供暖周期。本區(qū)地源型方式冬、夏季可利用換熱功率分別為3. 719× 105，5. 206 × 106 kW。開發(fā)利用后每年相當于可節(jié)省標準煤236. 81 萬t，減排量572. 37 萬t，節(jié)省治理費65 857 萬元。

 

  (2)地下水源型方式可利用資源量。區(qū)內(nèi)地下水源型換熱方式較適宜區(qū)面積農(nóng)村和鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別為56. 7，26. 7 km2;地下水循環(huán)利用量取單井涌水量均值2 000 m3 /d;井間距200 m;地下水源型淺層地熱能開發(fā)利用綜合考慮工程布局、建筑負荷、占地面積、資源承載力、農(nóng)田保護及地下水連通性等因素，可利用土地系數(shù)城鎮(zhèn)和農(nóng)村分別取52. 2%，12. 8%;較適宜區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)和農(nóng)村分別可布設抽水井269，1 098 眼。地下水源型方式冬、夏季可利用換熱功率分別為1. 96 × 105，2. 75 × 105 kW。開發(fā)利用后相當于每年可節(jié)省標準煤12. 5 萬t，減排量30. 2 萬t，節(jié)省治理費3 300 萬元。

 

  (3)地表水源型方式可利用資源量。地表水源型方式適宜區(qū)主要為淮河兩側地帶，其枯水期平均水深5 m，可循環(huán)利用量1 040 × 104 m3。在可利用溫差1 ℃時，地表水源型方式冬、夏季可利用換熱功率均為5. 04 × 105 kW。開發(fā)利用后每年相當于可節(jié)省標準煤26. 76 萬t，減排量64. 68 萬t，節(jié)省治理費7 442萬元。

 

  4． 1． 3 資源量評價淺層地熱能資源量計算方法依據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》( DZ /T 0225—2009);計算參數(shù)主要來自本項目實測及計算數(shù)據(jù)，部分為經(jīng)驗值及常量數(shù)據(jù)。其淺層地熱能資源計算方法正確，參數(shù)可靠，結果可信。本區(qū)淺層地熱資源豐富:淺層地熱容量為1． 00 × 1015 kJ，可利用資源總量9. 682 × 106 kW，其中地表水源型可利用換熱功率為1 ℃溫差下的資源量。

 

  4． 2 資源潛力評價

 

  資源潛力評價是指依據(jù)可利用資源量，采用不同適宜區(qū)的單位面積可供暖和制冷面積，進行淺層地熱能資源開發(fā)利用潛力評價。當?shù)仄胀ㄗ≌?a href="http://xldcn.com/t/冬季供暖.html" >冬季供暖、夏季制冷負荷分別按50，70 W/m2 計( 國土資源部地質(zhì)環(huán)境司，2011)。

 

  據(jù)不同換熱方式的適宜性分區(qū)和可利用資源量，地源型方式冬季供暖、夏季制冷面積各為7． 44 × 107m2，供暖和制冷資源潛力各為每平方千米1. 41 × 105m2;地下水源型冬季供暖、夏季制冷面積各為3. 92 ×106 m2，冬季供暖、夏季制冷資源潛力各為每平方千米4. 70 ×104 m2;地表水源型供暖面積1. 01 × 107 m2，制冷面積0． 72 × 107 m2，資源潛力供暖為每平方千米9. 70 ×105 m2，制冷為每平方千米6. 93 ×105 m2。

 

  本區(qū)可利用換熱功率高，資源潛力大，具有顯著的開發(fā)利用價值。如合理開發(fā)利用，每年可相當于節(jié)省標準煤276. 07 萬t，減排量667. 25 萬t，節(jié)省治理費用76 599 萬元。

  5 結論

 

  (1)蚌埠城市規(guī)劃區(qū)淺層地熱能資源豐富，其時空分布主要與地質(zhì)構造、地層巖性、地下水、地層結構及氣候等條件有關。資源開發(fā)利用潛力較大，預期節(jié)能減排效果顯著。

 

  (2)本區(qū)主要適宜地源型淺層地熱能開發(fā)利用方式，局部適宜地表水源型、地下水源型利用方式。

 

  (3) 建議在區(qū)域淺層地熱能調(diào)查評價的基礎上，編制城市淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)劃;在建設開發(fā)利用工程時，需進行場地淺層地熱能勘查評價。

 

  (4)采用新技術、新方法進行了區(qū)域淺層地熱能研究，是服務于新能源開發(fā)利用新的專業(yè)技術研究領域，其研究方法及相關內(nèi)容尚需進一步探討和完善。