山西斷陷盆地淺層地溫能開發適宜性分區方法

張 海 永

(山西省地質調查院,山西 太原 030006)

山西斷陷盆地淺層地溫能開發適宜性分區方法

張 海 永

(山西省地質調查院,山西 太原 030006)

以大同市為例，介紹了山西斷陷盆地平原區淺層地溫能的分區原則和分區方法，通過分析大同市地層巖性、水文地質條件、地質構造和地裂縫地質環境問題，統籌考慮大同市區域地質條件、換熱方式及建設成本，對大同市進行了淺層地溫能的開發利用適宜性分區，以選擇正確的開發利用方式。

淺層地溫能，適應性，分區方法

0 引言

淺層地溫能是指儲存在地表以下一定深度范圍內(一般為恒溫帶至200 m埋深)，溫度低于25 ℃，在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的熱量。淺層地熱能作為一種可再生的低溫能源，廣泛存在于地表表層中，具有綠色環保、取用方便、高效節能、運行費用低等優點，其開發利用對于改善能源結構、實現節能減排目標、構建環境友好型、資源節約型社會有著重要意義。淺層地熱能儲存在地下巖土體中，其儲存、運移以及開發利用都嚴格受到區域地質、水文地質條件的制約。第四系巖性、厚度、顆粒度、含水層厚度、富水性、水位埋深、補給徑流條件等是制約淺層地熱能儲存、分布以及可利用性的主要因素。只有在淺層地熱能開發利用適宜性分區的基礎上，才能進一步進行資源量計算和資源潛力評價，只有依據地質、水文條件進行適宜性分區，才能正確選擇開發利用方式。

1 適宜性分區原則

淺層地熱能開發利用適宜性分區原則是以地質條件為基礎，水文地質條件為依托，開發利用方式為媒介，經濟效益與環境效益并重，平面分區和垂向控制相結合。

1)地質條件是淺層地熱能資源賦存的基礎條件。巖土體的結構、物質組成、顆粒度和熱導率等物理性質因素制約著形成淺層地熱能的物質基礎。

2)巖土體的含水率、含水層的分布、地下水的水動力條件、徑流條件等對能量的運移創造了有利條件。

3)目前淺層地熱能資源的開發利用方式主要為地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵，熱泵技術可實現資源的有效開發利用。

4)選擇經濟效益與環境效益都較好的開發利用方式。

5)平面上劃分出適宜性區域，垂向上要控制取熱的層位和深度。

2 適宜性分區依據

淺層地溫能適宜性分區主要依據是地質、水文地質、環境地質條件調查成果資料和當地目前的技術經濟條件資料。

1)地質條件調查成果資料。對于山西斷陷盆地平原區淺層地熱能資源來說，第四系松散堆積物的堆積特征、沉積特征、地層巖性特征、分層結構以及空間分布特征，對適宜性分區是至關重要的，是適宜性分區劃分的關鍵依據。

2)水文地質條件調查成果資料。地下水的賦存空間條件、地下水的水動力特征，對淺層地熱能量的運移、對流起著重要作用；特別是含水層顆粒的粗細，含水層的富水性，回灌能力等，對于地下水地源熱泵適宜性來說更是起著決定作用，因此，水文地質條件調查成果資料也是淺層地熱能開發利用適宜性分區的重要依據。

3)環境地質條件調查成果資料。地下水水源熱泵開發利用適宜性分區必須了解地下水的水質分布狀況，不同層位地下水的水質，防止地下水的污染。地面沉降、地裂縫可直接影響開發利用工程的安全,因此，環境地質條件調查成果資料也是淺層地熱能開發利用適宜性分區的重要依據。

3 適宜性分區方法

淺層地溫能開發利用適宜性分區主要采用指標法。根據區域地質條件、換熱方式及建設成本，進行適宜性分區，分為：適宜區、較適宜區和不適宜區。

1)對于地下水換熱方式，淺層地溫能適宜性分區主要考慮200 m以淺含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性，地下水溫、水質、水位動態變化，水源地保護、地質災害等因素。主要指標見表1。

表1 地下水地源熱泵適宜性分區主要指標表

2)對于地埋管換熱方式，淺層地溫能適宜性分區主要考慮巖土體特性、地下水的分布和滲流情況等因素。豎直地埋管換熱系統適宜性分區主要指標見表2。

表2 地埋管地源熱泵適宜性分區主要指標表

4 大同市地質條件

1)地層巖性。大同市平原區200 m以淺地層主要為新生界新近系和第四系地層。新近系厚度最大可達900 m，巖性為粘土、粉質粘土、粉土、砂礫石層。第四系下更新統厚度120 m～180 m，巖性以亞砂土、亞粘土為主。第四系中更新統厚度50 m～120 m，巖性為亞砂土、亞粘土、砂礫卵石等。第四系上更新統厚度20 m～50 m，巖性為亞砂土、亞粘土。第四系全新統僅分布于御河、十里河、里八莊河河谷及低階地區，厚度一般為10 m～20 m，巖性為亞砂土、薄層亞粘土。

2)地質構造。大同市位于山西省斷陷盆地之一大同盆地的東北部，盆地西部為呂梁—太行斷塊中云崗坳的北部云崗向斜，東部為桑干河新裂陷。由于經受的構造變動頻繁而復雜，其斷裂與褶皺比較發育。區內主要構造線走向為北東—南西向，主要褶皺與斷裂有：云崗向斜、泉寺頭斷裂、水峪斷裂、白洞—楊家窯逆斷層、青磁窯逆斷層、口泉斷裂等。

3)水文地質條件。大同市盆地區主要含水層為松散巖類孔隙水含水層，埋藏深度一般為100 m～150 m，局部達200 m以上，含水層巖性以第四系中、上更新統的洪積、沖積的砂礫石層為主。

靠近山前大斷裂一側的洪積扇是最富水地帶之一，洪積扇的形態、結構完整，粗顆粒的卵石、礫石和砂層發育，厚度大，地下水補給源好，水量充沛，尤其是軸部富水性極強，單井出水量每天可達萬立方米。雷公山—七峰山前洪積群由十里河、口泉河、鵝毛口河及大小峪口五個洪積扇組成，其中十里河洪積扇單井出水量1 000 m3/d左右，較富地區達1 500 m3/d～2 000 m3/d。鵝毛口洪積扇單井出水量1 500 m3/d～2 000 m3/d。大峪口、小峪口洪積扇單井出水量1 500 m3/d～2 000 m3/d。

十里河、口泉、御河河谷階地區含水層為全新統山間河流相沖洪積砂礫石層。含水層厚度一般2 m～10 m，富水性中等～富，單井涌水量800 m3/d～1 400 m3/d。

4)環境地質條件。大同市環境地質問題主要表現為地下水降落漏斗和構造地裂縫。大同市出現的主要地下水降落漏斗有四個，分別是：城西漏斗、城南漏斗、城北古店—白馬城漏斗和御河鐵路橋漏斗。大同市地裂縫最早發現于1983年，當時長不足5 km，其后日益加劇，1990年已形成長10.5 km的地裂縫帶，1994年發展到24 km，截止到2006年已發展到10條，總長度達34.5 km的地裂縫帶。地裂縫分布的優勢方位為NE向，與區域主構造線方向一致。地裂縫的分布影響地埋管工程的施工和工程的安全，是影響地埋管工程的因素之一。

5 分區結果

根據以上分區方法和指標，大同市地下水地源熱泵的適宜區分布于北部的御河上游沖洪積扇區，含水層巖性主要為砂卵礫石，單位涌水量大于500 m3/(d·m)，能滿足1抽1灌，面積為8.91 km2；較適宜區分布于御河河谷階地及沖積平原區，含水層巖性主要為砂卵礫石，單位涌水量250 m3/(d·m)～500 m3/(d·m)，回灌能力較強，面積為25.53 km2；不適宜區主要分布于除上述區以外區域，含水層富水性差，回灌能力弱的地區，面積為470.70 km2。

地埋管地源熱泵的適宜區分布于十里河河谷階地中段區和御河西部古河道及東部沖積平原區，卵礫石層厚度小于5 m，面積為76.05 km2；較適宜區分布于御河、十里河河谷階地區、沖積平原區、山前傾斜平原和工作區南部低階地區、御河、十里河、口泉河山前洪積扇區及東部和北部黃土丘陵區，卵礫石層厚度除沖積平原區、山前洪積扇區大于10 m，局部5 m～10 m外，一般均小于5 m；含水層厚度除河谷階地區、山前洪積扇區大于30 m，黃土丘陵區小于10 m外，其他區域為10 m～30 m，面積為429.20 km2；不適宜區主要分布于工作區中低山區和地裂縫兩側區域，面積為2.28 km2。

[1] 淺層地溫能勘查評價規范[S].

[2] 馬漢田,張宏民.山西省主要城市環境地質調查評價報告[R].太原:山西省地質調查院,2010：53-55.

[3] 衛萬順,鄭桂森，冉偉彥，等.淺層地溫能資源評價[M].北京：中國大地出版社，2010：4-63.

[4] 張海永，馬漢田.山西省六大盆地重點地區淺層地熱能調查評價[R].太原：山西省地質調查院，2014.

On shallow geothermal resource development adaptability partitioning methods at graben basin in Shanxi

ZHANG Hai-yong

(ShanxiGeologicalSurveyInstitute,Taiyuan030006,China)

Taking Datong as the example, the paper introduces the partition principle and methods for the shallow geothermal resource development adaptability partitioning methods at graben basin in Shanxi, and undertakes its development adaptability partition in Datong according to the analysis of formation lithology, hydrogeology conditions, geological structures, geological environment for ground fractures, general consideration about the geological condition, heat transfer approach, and construction cost in Datong, so as to select the correct development approaches.

shallow geothermal resource, adaptability, partition method

1009-6825(2014)34-0200-02

2014-09-24

張海永(1982- )，男，工程師

TK529

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