重慶市淺層地溫能資源調查研究

劉賢燕，彭清元，陶嘉祥

（重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 401147）

重慶市淺層地溫能資源調查研究

劉賢燕，彭清元，陶嘉祥

（重慶市地勘局南江水文地質工程地質隊，重慶 401147）

根據重慶市的自然地理、地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質構造等特征，該文分析了淺層地溫能分布特點和賦存條件，其包括水文地質條件、巖土體物理和熱物理特征、巖土體熱響應特征、淺層地溫場特征等；進行了重慶市淺層地溫能適宜性分區；計算了重慶市淺層地溫能可利用資源量。

淺層地溫能；賦存條件；適宜性分區；熱容量；換熱功率

0 引言

我國淺層地溫能資源十分豐富，我國287個地級以上城市淺層地溫能資源量為每年2.78×1020J，相當于95億t標準煤[1]。到2011年，全國應用淺層地溫能供暖制冷的建筑物面積超過1.4億m2，80%集中在我國東北南部和華北地區[2]。從建筑類型看，淺層地溫能現已廣泛應用于辦公、賓館、學校、醫院、營房、住宅等。隨著社會對這一供暖制冷方式的接受，今后淺層地溫能供暖制冷的年使用面積還會大幅增長。但部分項目設計前未進行專項勘察及場區評價，導致一些不具備開發利用條件的項目盲目使用淺層地溫能后運行效能不高。部分政府部門在制定有關淺層地溫能政策時缺乏科學依據，因此對重慶地區淺層地溫能資源進行調查研究是非常必要。

1 研究范圍

淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水和地表水具有開發利用價值的熱能，本文主要研究地下巖土體部分以地埋管地源熱泵方式進行開發利用。根據重慶市淺層地溫能開發利用現狀和地層分布特點，結合重慶市城市總體發展規劃，研究范圍分為一般研究區 （全市范圍面積82403km2）和重點研究區（主城核心區域1681.51km2，包括主城九區大部分及兩江新區全部）。

2 淺層地溫能分布特點和賦存條件

2.1 水文地質條件

2.1.1 地下水分類及其特征

重慶地區淺層地溫能開發深度在100m左右，屬于淺層地下水范圍，按賦存條件分為：

（1）碳酸鹽巖巖溶水：巖溶地下水動態嚴格受季節性降雨控制，呈現周期性變化的特點，水位變化較大。

（2）碎屑巖裂隙水：該類地下水動態受季節性降雨影響較小，呈現變化幅度不大的特點，但自流鉆孔初期水頭的自然衰減較大。

（3）紅層裂隙水：該類地下水富水性差，水量貧乏，水位埋深淺，一般在10沒以內，水位明顯隨季節變化。

（4）松散巖類孔隙水：主要零星分布于長江、嘉陵江、涪江河谷地帶第四系漫灘或一級階地松散堆積層中，含水層為松散的砂卵礫石層。富水性取決于砂卵礫石的分布范圍、厚度及與江水補給關系。

2.1.2 地下水水化學成分分類

（1）重碳酸鈣型、重碳酸鹽混合型：全部出現于丘陵和一部分低山地帶的基巖（紅層）裂隙水分布區。

(2）重碳酸、硫酸鹽混合型：主要出現于背斜山地側翼的碎屑巖孔隙裂隙層間水分布地段。

(3）重碳酸鈣、硫酸鹽或氯化物混合型：主要出現于低山和深丘地帶的基巖（紅層）裂隙水中自流井組（J1-2z）分布地段。

(4）硫酸鹽型：屬中性硬水，為高溫高壓條件下溶濾作用形成，呈溫泉顯示于地表，故分布零星。

地埋管換熱器主要采用聚乙烯管，該管材化學穩定性好、耐腐蝕、導熱系數大、流動阻力小。通過對調查區93組地下水樣水質全分析測試，地下水對PE管基本無腐蝕性。

2.1.3 重點研究區地下水水位動態特征

（1）地下水水位動態特征：基巖裂隙水的露頭主要是民井和泉水，民井水位埋深隨地形而異，一般在50m以內，由于大氣降雨和稻田水補給，動態明顯隨季節變化，一般夏秋初冬季節降雨較充沛，民井水位埋深淺，大部分可溢出井口，水量增大，冬末初春及伏旱時期地下水位顯著降低約2～3m，水量也大減。

（2）鉆孔地下水水位監測及水量：主城區內18個鉆孔深度在80-120m，終孔口徑130mm；在完成每個鉆探孔之后，進行水位監測得到普遍在5～20m左右，并對悅來、華巖鎮和鴛鴦鎮3個位置鉆孔進行了為期一年的水位監測，地下水水位總體變化不大，根據季節、地下水補給量的不同地下水水位在0～5m之間浮動。因此可以認為，主城區內地下水水位普遍較為穩定。

根據抽水試驗成果得到18個鉆孔日出水量大多在100m3以內，其中雙鳳橋、雙龍湖、龍興鎮、華巖鎮、魚洞鎮鉆孔日出水量不足一噸，這主要是由重慶地區地下水特點決定的，重慶屬基巖山區，主要以基巖裂隙水、巖溶水為主，地下水分布不均，補給很不均衡。

2.2 巖土體物理性質特征

通過對重慶市各地區272組巖石樣品的天然含水率、顆粒密度、孔隙率、吸水率、單軸抗壓強度等物理性質進行室內測試，可以看出：

（1）顆粒密度基本一致，在2.7g/cm3左右。

（2）灰巖的孔隙率大多在1.4～3%，砂巖、泥巖的孔隙率在7～10%。

（3）灰巖的天然含水率比砂巖、泥巖、頁巖低。

（4）灰巖的吸水率在0.1～0.7%，砂巖、泥巖的吸水率在2～4%。

（5）不同巖性的單軸抗壓強度差異較大。

2.3 巖土體熱物理性質特征

巖土體的傳熱性能取決于巖土體的熱導率、熱擴散系數和比熱容等，該次研究收集了237組測試數據，部分有代表性的勘探點巖土體熱物理性質見表1。

從測試分析看出，不同巖性的熱導率相差較大，其中泥巖＜頁巖＜砂巖＜灰巖；不同巖性的熱擴散系數相差較大，其中泥巖＜砂巖＜頁巖＜灰巖；不同巖性的比熱相差較小。

2.4 巖土體熱響應特征

現場熱響應測試采用重慶南江水文地質隊與重慶大學動力工程學院聯合研制開發的型號為NJ-GH-10S10的巖土熱響應測試儀，該儀器通過了中國地質調查局設備認證，采用“恒熱流法”進行測試，測試了主城區雙鳳橋鎮、禮嘉鎮等10處，詳見表2。

從表2看出，各測試孔巖土平均導熱系數差異較大，是由于不同地點水文地質條件、巖層結構的差異造成的，測試孔平均導熱系數在1.93～3.1W/m·K之間，平均值為2.62W/m·K，總體上適合淺層地溫能的開發利用。

表1 不同勘探位置巖土體平均熱物理性質參數表[3-4]

表2 熱響應測試結果

2.5 淺層地溫場特征

鉆孔初始平均溫度測試采用無功循環法，共測試10個孔。孔內不同深度溫度監測采用垂向布置溫度傳感器法，共監測15個孔，其中“南江地質隊人和基地”采用全自動地溫監測手段。

從監測結果看，重慶主城區鉆孔初始平均溫度隨地質結構、地貌條件不同而有所差異，不同孔監測值在17.79℃～21.27℃之間，平均為19.83℃，其中歌樂山上的初始平均溫度較低，適合的初始平均溫度是淺層地溫能開發利用的一大優勢。

通過孔內不同深度溫度監測，主城區100m以淺地溫梯度在0.7～1.5℃/50m之間。其中在渝北區的北部，沙坪壩區的西部地溫梯度值較低；大渡口區南部、巴南區西部地溫梯度值較大。這是由于地表蓋層分布的巖土體巖性差異、地層裂縫、地下水等綜合因素影響的，100m深度以淺的溫度大致分布在19.0℃～20.5℃范圍內。

通過 “南江地質隊人和基地”100m孔深的全自動地溫監測發現，該監測孔0～10m為變溫層，離地表越近，受環境溫度影響越大；10～100m為恒溫層，幾乎不受環境溫度影響[5]。

3 淺層地溫能適宜性分區

針對重慶基巖山區地層地質、水文地質、生態環境保護、政策法規等條件，采用綜合指標法，將淺層地溫能適宜性分區分為：適宜區、較適宜區、不適宜區和禁用區。

綜合考慮專家的建議指標[6]、其它城市的經驗指標[7]、重慶市地質結構、地域特點以及項目開發利用情況，淺層地溫能適宜性分區影響指標包括地下富水性、地下水水質、平均熱導率、平均比熱容、鉆孔難易度。分別利用層次分析法[8]和非結構性模糊賦權法[9]，確定影響指標權重大小，利用綜合指數法得到各指標的綜合權重，見表3。

表3 重點研究區地埋管地源熱泵系統指標綜合權重

利用綜合指數法將工作區內不同地點按照不同指標的指標賦值乘以指標權重相加，最后得到當地的適宜性分區評價的總分，7～9分的為適宜區，5～7分的為較適宜區，1～5分的為不適宜區，禁用區直接打分為0分。

采用MAPGIS地質制圖軟件首先將重慶市劃分為5km×5km的網格，主城區劃分為1km×1km的網格，然后添加網格點、制作各要素基礎圖件、各基本圖件疊加，最后通過MAPGIS出圖。圖1為重慶主城區地埋管適宜性分區圖。

重慶一般研究區的適宜區、較適宜區、不適宜區分別占22.85%、36.37%、40.78%，適宜區與較適宜區占總調查面積的59.2%。

重慶主城區調查面積1681.5km2內，適宜區、較適宜區、不適宜區分別占18.51%、80.37%、1.12%；適宜區主要分布在各背斜兩翼紅層丘陵區的J1z、J1zl、J2x地層，以及各向斜軸部臺丘地區的J3sn、J3p地層中；較適宜區主要分布在各背斜兩翼低山區的T3xj地層及紅層丘陵地區的J2s地層；不適宜區主要分布在各背斜軸部槽谷地區的T1f、T1j、T2l地層；適宜區與較適宜區總共占的面積比例達98.88%（不含禁用區），表明重慶主城區范圍內可以大量利用淺層地溫能資源。

圖1 重慶主城區地埋管適宜性分區圖

重慶一般研究區、主城區的適宜區與較適宜區分別占總調查面積的59.2%、98.88%，所占比例相差較大的主要原因是：一般研究區范圍大，所包含的地層復雜多樣，不適宜區主要集中在渝東北和渝東南地區，該地區主要以灰巖地層為主，不適宜淺層地溫能的開發利用；而重慶主城區以砂泥巖地層為主，且該地層適宜淺層地溫能的開發利用。

4 淺層地溫能開發利用潛力

4.1 熱容量計算

對于熱容量的計算采用體積法[10]，該方法從能量平衡的角度出發，計算結果安全可靠。巖土體的密度ρ、比熱容c、孔隙率Φ、含水量ω；因巖性、地質結構和地域的不同而有所差異，水的密度、比熱容分別取ρw=1000kg/m3、cw=4.18kJ/kg·℃。 通過計算得到重慶市一般研究區、重點研究區（土壤源地源熱泵開發形式）地下100m以淺的熱容量分別約為1.976×1016kJ/℃、4.0592×1014kJ/℃。

4.2 換熱功率計算

利用現場熱響應試驗取得巖土體熱導率和地埋管換熱器傳熱系數等基礎數據，計算單孔換熱功率。再根據單孔換熱功率及淺層地溫能計算面積，求得區域地埋管換熱功率[10]。

(1）重慶一般研究區：重慶市土地利用率=7%[11]，建設綠地面積的比例及地埋管使用率20%；地埋管換熱器與巖土體間的可利用溫差取Δt=15℃；換熱系數按現場熱響應測試值的平均值，取ks=2.67W（m·℃）進行計算得到在100m以淺深度范圍內，重慶一般研究區內可利用資源量約為0.77×108kW。

(2）重點研究區域：土地利用率在已建成區按7%，規劃區按22.14%；地源熱泵開發利用面積折算系數0.35[11]，每個換熱孔占地面積25m2；根據已運行項目情況，冬夏季地埋管換熱器中進出水溫度分別按5/8℃、33/30℃，傳熱介質平均溫度分別按6.5℃、31.5℃計算；巖土體地溫平均值19.5℃，夏季可利用溫差Δt=12℃，冬季可利用溫差Δt=13℃；地埋管換熱器傳熱系數ks取熱響應測試值的平均值。重慶市地埋管熱泵系統適宜區和較適宜區面積為 1662.86km2，換熱孔深度（長度）為100m時，冬季換熱功率為 2.2734×107kW，夏季換熱功率為2.0985×107kW。主城區100m地埋管計算功率結果（夏季）如圖2所示。

圖2 主城區100m地埋管計算功率結果（夏季）

5 結語

結合重慶市的自然地理、地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質構造等特征進行重慶市淺層地溫能資源調查研究。研究表明：

(1）重慶市淺層地溫能賦存條件較好，巖土體導熱系數在1.93～3.1W/m·K之間，100m以淺平均地溫在19～20.5℃， 地下水水位普遍較淺。

(2）適宜區與較適宜區所占比重較大，其中一般研究區占59.2%，主城區占98.88%（不含禁用區），表明重慶地區可以大量開發利用淺層地溫能資源。

(3）重慶全市及主城區100m以淺的熱容量分別為1.976×1016kJ/℃、4.0592×1014kJ/℃，按換熱功率計算，可利用資源量全市約為0.77×108kW，主城區冬夏季分別為 2.2734×107kW、2.0985×107kW，資源潛力巨大。

該研究成果為重慶市可持續開發利用淺層地溫能資源提供了重要的數據支持和指導作用，為編制開發利用規劃提供了可靠的依據，對同類地質條件地區開展淺層地溫能資源調查評價具有重要示范作用。

[1]王秉忱，譚明.我國城市淺層地熱能開發利用現狀與趨勢[J].中國地源熱泵網，2012（1）.

[2]未來五年我國地源熱泵供熱將大幅增加[N].制冷快報,2011.

[3]彭清元,崔文智,唐宇，等.重慶典型地層條件下豎直埋管傳熱特性與地源熱泵運行效能研究[R].重慶地勘局南江地質隊，2010.

[4]張甫仁,朱方圓,彭清元，等.重慶市主城區淺層地溫能適宜性分區評價[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2013（4）.

[5]陳濤.重慶市主城規劃區不同地層條件下巖土體熱物性特征研究[R].重慶地勘局南江地質隊，2013.

[6]趙軍,戴傳山.地源熱泵技術與建筑節能應用[M].北京:中國建筑出版社,2007.

[7]張國斌.河北省地熱資源分布特征、開發利用現狀、存在問題與建議[J].中國煤田地質,2006（9）.

[8]許苗娟,姜媛,謝振華，等.基于層次分析法的北京市平原區水源熱泵適宜性分區研究[J].城市地質,2009（1）.

[9]郭亞軍.綜合評價理論與方法及應用[M].北京:科學出版社,2002.

[10]DZ/T0225-2009淺層地熱能勘查評價規范[S].北京:地質出版社,2011.

[11]關于省會城市淺層地溫能調查評價綜合研究的補充規定[S].中國地質科學院水文地質環境地質研究所,2013.

Study on Shallow Geothermal Energy in Chongqing

Based on the physicalgeography,landforms,hydrological conditions,formation lithology and geological structure of Chongqing,the distribution featuresand occurrence conditionsof shallow geothermalenergy are analyzed,including hydrological conditions,rock and soil physical featuresand heat physical features,thermal response featuresof rock and earthmass and shallow geothermal field characteristics.The suitability division of shallow geothermalenergy in Chongqing isdonewith available resourceamountof the shallow geothermalenergy in Chongqing calculated.

shallow geothermalenergy；occurrence condition；suitability division；thermal capacity；thermalpower

Tk529

A

1671-9107（2014）06-0053-04

基金論文：該論文為中國地質調查局地質調查項目（項目編號：121201120055）、重慶市國土局地質礦產勘查項目（項目編號：D4-5）和重慶市建委可再生能源建筑應用城市示范配套能力建設項目論文之一。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.053

2014-05-09

劉賢燕（1984-），女，重慶人，本科，工程師，主要從事淺層地溫能開發利用研究。

孫蘇，李紅