運用“指標法”進行淺層地溫能適宜性分區可行性探討

李國政

吉林省水文地質調查所，吉林 長春

運用“指標法”進行淺層地溫能適宜性分區可行性探討

李國政

吉林省水文地質調查所，吉林 長春

本文介紹了吉林省淺層地溫能利用現狀及存在的問題。從工作實際出發，在淺層地溫能調查評價中，運用《淺層地溫能調查評價規范》的指標法對水源熱泵的適宜性進行評價不完全正確。在對水源熱泵應用現狀調查中發現僅用運用指標法中灌采比分類確定地下水源熱泵的適宜性欠妥當。即使灌采比小于50%（不適宜區），但采用抽一灌二、或抽一灌三，回灌效果良好，基本上可以利用，這一點應當引起人們的重視。指標法在有些地區應用效果較好。

淺層地溫能；水源熱泵；指標法；灌采比小于50%；抽灌試驗

0　引言

近幾年來，淺層地溫能的開發利用在全國蓬勃興起。吉林省雖然發展滯后，但是在各級城市或多或少都在開發利用。而開發利用適宜性評價自然就落在具有勘查資質的地質勘查單位，吉林省水文地質調查所是其中之一。2010年以來，我們對集安、榆樹、松原等城市地下水源熱泵的適宜性進行了評價，其結論都是不適宜，而現狀調查發現有些地方應用效果很好。這樣就對規范中指標法的應用產生疑問，本文就是對此疑問進行的初步探究。

潛層地溫能是一種新型的戰略資源，既可循環再生，又清潔環保，利用前景廣闊。隨著我國國民經濟的快速增長，我國的能源形式日趨嚴峻，所以開發利用淺層地溫能資源是保障國家能源安全和緩解環境能力的必然選擇，是確保我國能源結構調整的需 要，是實現節能、減排戰略目標的重要手段。

1　淺層地溫能資源特點

淺層地溫能是指溫藏在地表以下一定深度，（一般為恒溫帶200 m埋深）范圍內的巖土和地下水中具有開發利用價值和低于25 ℃的熱能。淺層地溫能其熱量主要來源于地球內部熱能，較經濟的開采深度一般小于200 m，是低品位的地熱資源，溫度略高于當年平均氣溫1～2 ℃。相對穩定，賦存面廣，一般可就地提取利用。

淺層地溫能分布廣泛，儲量巨大，據專家測算，我國每百平方千米（相當于一個中等城市的面積）近百米深度內的土壤每年可采集的低溫能量是1 560×104kw，而百米內深度的地下水每年可采集的低溫能量也有21×104kw。

淺層地溫能在季節性利用后可通過自然和人工補給或冬、夏兩個季節的反向溫差基本保持地溫場的動態平衡，從而可長期再生，循環利用。同時在開發利用中通過消耗少量的電能，就能從淺層巖土體、地下水中提取大量的熱量或冷量，而地下水的水質、水量不發生任何變化，不向大氣排放二氧化碳等氣體及灰塵，對外界環境影響極小。與傳統的鍋爐相比，地源熱泵系統對一次能源利用率可以達到90%，而中型鍋爐房則僅為65%左右，相對節能25%。因此，淺層地溫能資源的開利用，既實現了節能，又起到了減排的作用，一舉兩得。為解決建筑節能減排問題提供了一條重要途經。

2　吉林省淺層地溫能利用現狀

20世紀90年代后期，淺層地溫能開發利用得到快速發展，我國北京、沈陽等大城市節能、減排工作突出，北京已有1 300×104m2，沈陽已超過2 000×104m2，帶動了全國范圍內的淺層地溫能資源開發利用的熱潮。據不完全統計，全國淺層地溫能服務面積超過了6 000×104m2。從地理條件看，淺層地溫能供暖既可用于海拔4 000 m以上的青藏高原，也可以用于氣候嚴寒的黑龍江流域。從建筑類型看，淺層地溫能供暖已廣泛應用于辦公樓、賓館、學校、醫院、住宅，工廠等。

吉林省淺層地溫能開發利用較北京、沈陽滯后，各地區的開展規模參差不齊。從吉林省水文地質調查所對吉林省主要城市淺層地溫能開發利用調查結果可以看出，有的地區在政府的資金的扶持下，開發利用較早，在2006年已相繼開發利用，有的地區從2010后才開始興起。

從利用效果上看，多數地區利用效果一般，有些地方如梅河口市應用較早，但缺乏管理，缺乏前期合理的調查評價，應用一年后因達不到供暖效果而停用，又改用供暖管網。有些地區比如吉林市因地下水的腐蝕性對水源熱泵系統產生的銹蝕，每年清洗費用比燃煤供暖費用還高，而相繼廢止。還有因回灌能力低，造成地下水流失和污染影響了地下水的水質，同時會產生一些負面影響。

當然也有地質條件相對較好的地區，開發利用較好，比如白城市，其地下水豐富，埋深又淺，回灌能力較好，小規模的開發利用正在興起。

出現這些情況和原因是市場化推動造成的。由于淺層地溫能資源調查評價工作滯后，技術標準和開發利用相關技術研究薄弱，雖然一些地方政府都以極大熱情和力度來推廣，但仍存在開發利用地區發展不平衡等問題。主要存在以下問題：

（1）開發利用超前，資源評價滯后，家底不清，造成城市專項規劃和管理工作較為被動。

（2）缺乏淺層地溫能源勘查的技術標準和測試技術。

（3）缺乏淺層地溫能資源開發利用地質環境變化和長期監測數據。調查中發現有大多數城市雖在開發利用淺層地溫能，但沒有制定科學的開發方案就盲目開發，工程設計不合理，施工不規范，致使地下水回灌情況不好，引發水資源浪費和不同水質層間的污染擴散，地面沉降，熱污染等問題，有的甚至工程失敗或效能低下，達不到預期的節能目標。目前各地政府對淺層地溫能資源的分布、資源量家底不清，使淺層地溫能開發利用受到很大限制并存在很大風險，目前淺層地溫能勘查評價滯后已成為淺層地溫能資源持續開發利用的阻礙。

3　結合工作實例對比談指標法評價應用

自2010年開始，吉林省投入財政資金對十個城市進行了淺層地溫能的勘查工作。吉林省水文所分別對榆樹市、松原市、長春市、梅河口市、鎮賚市、集安市等城市進行了淺層地溫能調查評價。

工作中依據的規范為《淺層地熱能勘查規范》（DZ/T0225-2009）主要針對地下水換熱方式，用規范中的指標法進行適宜性評價（表1）。

3.1集安市地下水源熱系適宜性評價

2011至2012年吉林省集安市，集安城區7.9 km2的城區面積進行了淺層地溫能評價，首先收集區域地質、水文地質資料，進行專項水文地質調查，布置了三組抽灌試驗場，分別進行了現場抽水試驗和抽灌試驗。

工作區位于長白山脈中低山區及鴨綠江沿岸，區域內地勢北高南低，向鴨綠江傾斜。地貌單元為低山丘陵、傾斜臺地，其中河谷階地份為二級階地、一級階地漫灘。而抽灌試驗場均布置在一級階地漫灘之上，地下水較豐富。地層巖性為第四系全新統沖積粉土、粉砂和卵石，第四系厚度6.0～10.0 m，含水層厚4.8～6.0 m。地下水類型為松散鹽類孔隙潛水，水量中等富水性100～500 m3/d，水溫10～11 ℃，礦化度0.524～0.886 g/L。

表1　地下水換熱適宜性分區Table 1 Groundwater heat transfer suitability zoning

三個試驗場分別布于實驗小學5眼井，井深30～35 m，財政局5眼井，井深30 m，第二中學5眼井，井深26～30 m，均為完整井，按平行地下水流向和垂直地下水流向進行布孔，按照規范進行了成井、洗井、抽水試驗和抽灌試驗，獲得了水文地質參數和灌采比見表2。

表2　一抽一灌試驗成果表Table 2 One pumping one injection test results

根據規范指標進行對比，三個場地均為不適宜區。

而對集安市城區淺層地溫能現狀調查時，有多家在利用，其中夢景家園小區位于市中心左側，建筑面積5.6萬平方米，采用地下水源熱泵供暖，打井40眼，配泵出水量可達50 m3/h，效果較好。實驗小學西側一賓館打兩眼井，一抽一灌，井深7 m，水量為5 m3/h，供熱面積500 m2，使用效果較好。調查表明，雖然該地區灌采比較低，但一抽一灌或一抽兩灌基本可以回灌，在小面積供暖情況下，進行規范的勘查評價和指導，也是可以開發利用水源熱系的。

3.2白城市地下水源熱系適宜性評估

2014年對吉林省白城市白城師范學院0.81 km2范圍內進行淺層地溫能場地勘查評價。

白城市地處大興安嶺東側山前扇形地上，即松嫩平原洮兒河沖洪積扇上。地形平坦，地貌形態單元為洮兒河沖洪積扇。地層為第四系松散堆積物，經鉆孔揭示地層為黃土狀亞砂土（厚0.7～1.0 m）、粉細砂（厚2.0～5.0 m）、砂礫石（厚33.8～35.0 m），與下部第三系泰康組泥巖呈不整合接觸。

其中砂礫石層厚33.8～35.0 m，水位7.14～7.84 m，動水位年變幅0.8 m，地下水富水性為豐富，同時布置了一組抽灌試驗場。進行了抽水試驗和抽灌試驗，經計算灌采比為34.5%。該場地單位涌水量2 320.8 m3/d·m，單位回灌量801.82 m3/d· m，灌采比34.5%，滲透系數76.5 m/d，數位下降量＜0.8 m。與規范指標對比，確定勘查區為地下水源熱系不適宜區。

而現狀調查后，白城市有十多家在利用水源熱泵，且效果較好，也有相對較差的，原因是多方面的。

（1）白城博大醫院：井深90 m，單井出水量220 m3/h，一眼抽水井，回灌井3～4眼，已運行兩年，效果較好。

（2）白城吉福家園，應用一眼抽水井，單井出水量為160 m3/h，一眼井回灌，供暖面積小，剛運行回灌效果好，兩年后，由于未及時洗井等原因，回灌效果一般。

（3）白城旭東賓館：應用一抽三灌，單井出水量160 m3/h，運行效果較好。

調查表明，以上應用單位或個體未進行合理勘查評價，但有些應用尚可以，而根據規范評價，用灌采比指標評價結論不適宜，實際上在合理開發正確規劃的情況下，白城市地下水很豐富，在合理布置井距和控制回灌井數量的情況下，是可以利用水源熱系進行供暖和制冷的。

當然這些年還做過榆樹市、鎮賚市、松源市等地的淺層地熱能調查評價工作，還有吉林省地質環境監測總站做過的幾個地區的淺層地熱能評價工作，皆因規范中灌采比數低而做出不適宜開發利用的結論。

2014年至今又擔了吉林省主要城市地層地溫能開發區1.5萬水文地質調查項目，在對各地級市淺層地溫能開發利用現狀調查中也發現了類似情況，有些地區地下水源熱系開發利用效果也很好，而用指標法評價結果也不適宜，如白城市，已有幾十家在用，分別是醫院、學校、賓館、洗浴。電視臺、政府辦公樓等。白城市地下水很豐富，但灌采比也不大于50%，但采用抽一灌二、或抽一灌三，回灌效果良好，基本上可以利用。

鑒于幾年來的工作實踐，認為勘查規范中采用指標法評價地下水源熱泵的適宜性不全面，僅用灌采比分類確定地下水源熱泵的適宜性欠妥當。

4　實踐中的認識

吉林省對十個城市地下水源熱泵適宜性的評價報告皆采用指標法，因灌采比小于50%，而結論為開發利用不適宜區。

幾年來淺層地熱能勘查工作中，一直對這種結論產生疑惑，通過2014年吉林省主要城市淺層地溫能開發利用現狀調查，部分城市地下水源熱泵運行良好，有的已利用6～8年，而片面的用指標法給予否定，對政府指導工作是一個誤導，對該地區的淺層地溫能開發利用時一種制約和埋沒。

因此建議規范編制部門，在基層大量實踐工作的基礎對此進行修訂和擴充，以待一部完整的，符合實際的淺層地溫能勘查評價規范產生。

現在已有專家呼吁，在淺層地溫能調查評價中慎用指標法，說明專家也認識到了規范中指標法評價的片面性，應結合實際，綜合各方面地質、水文地質情況，地下水質情況采用層次法進行評價，得出符合實際，有指導意義的評價結論來。

因此，淺層地溫能調查評價工作中，首先要充分收集已有地質、水文地質資料，對地層、地下水有詳細深入了解，確定工作試驗場地，布置合理試驗鉆孔，進行抽灌試驗。

其次，水文地質鉆探成井是關鍵環節。鉆探工作前先了解地層情況，確定合理鉆探工藝和成井方法，確定放置過濾器位置，并徹底洗井，最大限度地得出符合實際的水文地質參數。

再就是進行淺層地溫能資源評價，即資源賦存條件評價，資源潛力評價和開發利用評價。

最后，吉林省淺層地溫能開發利用正在興起，目前急需勘查評價對各市縣進行合理的規范化的勘查評價。為避免投資浪費，或達不到預期開發利用效果，因此，必經做好前期科學的開發利用方案，而方案的確定要用規范做依托，編制修改淺層地熱能勘查評價規范更具現實意義，迫切希望一部更具指導意義的完整而全面的技術規范誕生。

［1］ DZ/T0225-2009，淺層地溫能勘查評價規范［S］.

［2］ GB50027-2005，供水水文地質勘查規范［S］.

［3］ 《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊》（第四版）［M］.北京： 中國建筑工業出版社.

Using the index method to carry out the suitability partition of shallow geothermal energy

LI Guo-zheng
Hydrogeologic Survey of Jilin Province， Changchun 130012， Jilin， China

In this paper， the writer introduces the present situation and problems of shallow geothermal energy utilization in Jilin Province.On the basis of working practice， in the evaluation of shallow geothermal energy， to evaluate the suitability of the water source heat pump by using Index method of evaluation criterion of shallow geothermal energy survey is not entirely correct.In the application investigation of water source heat pump， it is found improper that the suitability of the underground water source heat pump is determined by using injection pumping ratio classify of the index method.Even if the injection pumping ratio is less than 50% （unsuitable area）， to use pumping one injection two，or pumping one injection three， the effect is good， can be used， which should be paid attention to.The index method is effective in some areas.

shallow geothermal energy； water source heat pump； index method； injection and pumping ratio is less than 50%； pumping and injection test

TK521+.38

B

1001—2427（2015）04 - 107 -4

2015-08-05；

2015-12-20

李國政（1964—），男，河南駐馬店人，吉林省水文地質調查所高級工程師.