河南省鶴壁新城淺層地熱能資源評價及應用前景研究

李 霞，萬利勤，陳文芳，張一博

（1. 中國地質環境監測院，北京 100081；2. 北京師范大學水科學研究院，北京 100088；3. 河南省地質礦產勘查開發局第一地質環境調查院，河南·鄭州 450045）

河南省鶴壁新城淺層地熱能資源評價及應用前景研究

李 霞1,2，萬利勤1，陳文芳3，張一博3

（1. 中國地質環境監測院，北京 100081；2. 北京師范大學水科學研究院，北京 100088；3. 河南省地質礦產勘查開發局第一地質環境調查院，河南·鄭州 450045）

以河南省鶴壁新城為研究對象，其構造屬太行山東麓向華北平原的過渡地帶，主要為淇河沖洪積平原，淺層含水層多為松散巖類孔隙水。在區域綜合水文地質調查、抽回水試驗等研究基礎上，指出研究區淺層地熱能含水層空間分布特征和賦存條件。按地下水源熱泵和土壤源熱泵兩種開發利用方式進行適宜性分區，得出研究區中東部主要區域為適宜區，西北小部地區為不適宜區，其余大部為較適宜區。采用容積法計算得出不同分區的淺層地熱容量和可利用量，為研究區淺層地熱能可開采潛力評價及政府發展規劃提供支撐。

淺層地熱能； 資源評價； 適宜性分區；開發利用

淺層地熱能是指地表以下一定深度范圍內（一般為恒溫帶至200m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能資源。隨著煤炭資源開發利用帶來的環境污染等負面問題日益突出，環境效益良好的淺層地熱能在促進國家節能減排戰略目標實現上具有重要意義[1]。鶴壁新區政府為減少對傳統能源的依賴，改善區域環境，積極尋找并開發地熱資源。李潔剛[2]、鄧曉穎[3,4]等對鶴壁深部地熱資源進行初步研究，查明該區深部熱儲富水性極為不均，構造復雜，開發利用具有一定的風險。王貴玲[5]指出，與傳統意義上認為的地熱資源相比，淺層地熱能具有非常明顯的可再生性。在鶴壁市社會經濟快速發展的今天，淺層地熱能資源作為一種新興的、能自然補給的綠色能源，得到極大重視和廣泛推廣。

本文以河南省鶴壁市新城區為研究對象，其東起京港澳高速（含職教園區），西至京廣鐵路，北起渤海路，南至思德河一線（圖1），地理坐標：東徑114°15′～114°21′、北緯35°39′～35°47′，面積約70km2。通過開展區域綜合水文地質調查，對淺層地熱能開發利用進行適宜性分區，評價其可開采資源量，并提出初步的開發利用規劃。

1 地質構造特征

研究區地處太行山東麓向華北平原過渡地帶，地勢西北高，東南低，呈階梯狀降低趨勢，地貌以丘陵和平原為主。區域地層屬華北地層區，區內主要出露寒武系、奧陶系、第三系，中生代地層缺失。區域構造上位于新華夏系第二沉降帶的西部和太行山隆起帶的東南邊緣，南與秦嶺東西向復雜構造帶相鄰，西與晉東南山字型東翼反射弧相接。本區經歷了長期、多次地質構造運動，尤以燕山—喜山期最為強烈，構造行跡以斷裂為主，分別隸屬于晉東南山字型構造、南北向構造、華夏系構造、新華夏系統構造四種主要構造體系[6]。

圖1 鶴壁新城交通位置Fig.1 The traffc map of new Hebi city

2 淺層地熱能儲存條件

2.1 含水層空間分布特征

研究區主要為淇河沖洪積平原，目標含水層為松散巖類孔隙水，多為潛水或半承壓水。含水介質由中上更新統砂、卵礫石層組成，分布規律是扇的主流帶較厚，顆粒較粗，向兩側及下部逐漸變薄、變細。地下水位埋深5～20m不等，含水層厚度20m左右，自西北向東南運移。

2.2 含水層富水性及回灌能力

松散巖類孔隙水的富水性因含水層巖性、厚度及其所處地質、地貌部位不同而不同，將出水量統一換算成5m降深，以單井涌水量的大小劃分含水層的富水性，分為＞3000、1000～3000、＜1000m3/d三個級別，各級別的分布范圍及含水層特征見表1、圖2所示。

表1 含水層富水特征Table 1 The characteristics of water abundance in aquifer

而含水層的回灌能力與含水層巖性、富水性及水位埋深均有關。綜合考慮以上因素，以區域含水層的富水性為主，結合水位埋深，將含水層的回灌能力劃分為＞3000、1500～3000、500～1500m、＜500m3/d四個級別，見表2、圖2所示。

表2 含水層回灌能力Table 2 The recharge capacity of aquifer

圖2 鶴壁新城綜合水文地質圖Fig.2 The integrated hydrological geological map of new Hebi city

2.3 淺層地溫場特征

根據本次調查測量結果，鶴壁新城淺層地下水水溫在13～17℃范圍，大部分在15～17℃之間；水溫小于15℃的淺層地下水分布在鶴煤大道北側，主要集中在區域北東部，在其他區域零星分布。

3 淺層地熱能開發利用適宜性分區

蘇永強等認為，進行淺層地熱能適宜性分區是正確選擇開發利用方式，進一步評價資源量的前提和基礎[7]。以地質、水文地質條件為基礎，熱泵應用類型為條件，同時結合經濟效益、社會發展和環境保護等因素，依據《淺層地熱能勘察評價規范》（DZ/T 0225-209）規定的技術指標，按照地下水換熱系統和地埋管換熱系統進行適宜性分區。

3.1 地下水換熱方式適宜性分區

對于地下水換熱方式，適宜性分區指標主要考慮單位涌水量（m3/(d·m)）、回灌條件（單位回灌量與單位涌水量的比值）、地下水位年下降量及其他因素。

鶴壁新城目前地下水的開采尚未引起地面沉降等地質環境問題，且工作區尚無水源地保護區；單位涌水量大部分地區大于300m3/(d·m)；選取全區6個試驗點進行抽回灌試驗，數據顯示單位回灌量與單位涌水量百分比平均為26.25%；根據研究區牛莊、田山電器、高村2009～2011年長觀孔地下水位統計數據資料，地下水位年變幅為0.15～0.75m，年平均降幅均小于0.8m。綜上，根據地下水換熱系統適宜性分區標準，總體評價為地下水式換熱系統較適宜及適宜。

為開發利用規劃研究，綜合考慮評價四項指標因素，將研究區地下水換熱方式劃分出三個區，即適宜區、較適宜區、不適宜區，其分布范圍和劃分依據見表3所示。

表3 鶴壁新城地下水換熱方式適宜性分區Table 3 The suitability zoning of groundwater exchange heat in new Hebi city

3.2 地埋管換熱方式適宜性分區

對于地埋管換熱方式，適宜性分區指標主要考慮巖土體特性、地下水分布和滲流情況、地下水空間利用等因素。

根據鶴壁市區域地層資料和研究區內的成井資料，第四系厚度一般在50～100m之間，巖性主要為礫石、卵礫石、中細砂、粉質黏土、黏土；地下水位埋深為5～20m；從地層剖面上看，卵礫石層厚度均大于10m，厚度較大，直接影響到鉆進條件和經濟效益，根據地埋管換熱系統適宜性分區標準，全區評價均為不適宜區。

4 淺層地熱能評價

4.1 評價方法

（1）淺層地熱容量計算

根據地熱資源評價方法[8]和田廷山[9]對淺層地熱能的研究，熱容量采用容積法計算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲藏的熱量。

包氣帶地熱容量計算公式：QR=QS+QW+QA、QS=ρSCS(1-φ)MdΔT、QW=ρWCWωMdΔT、QA=ρACA(φ-ω)MdΔT。式中，QR為地熱容量（kJ）；QS為巖土體中的熱容量（kJ）；QW為巖土體中所含水的熱容量（kJ）；QA為巖土體中所含空氣的熱容量（kJ）；ρS為巖土體密度（kg/ m3）；ρW為水密度（kg/m3）；ρA為空氣密度（kg/m3）；CS為巖土體比熱容（kJ/kg·℃）；CW為水比熱容（kJ/kg·℃）；CA為空氣比熱容（kJ/kg·℃）；φ為巖土體孔隙率；ω為巖土體含水率；M為評價區域面積（km2）；d為包氣帶厚度（m）；ΔT為利用溫差（℃）。

飽水帶地熱容量計算公式：QR=QS+QW、QS=ρSCS(1-φ) MdΔT、QW=ρWCWωMdΔT。式中，各字母代表含義同上，但d表示地下水面至計算下限的巖土體厚度（m），包括需要計算的含水層和相對隔水層。

（2）可利用量計算

淺層地熱能的地下水換熱方式利用單井換熱功率計算，公式為：Q可=Qh×N×t、Qh=qWΔTρWCW×1.16×10-5。式中，Q可為單位面積上淺層地熱能可利用量（kJ）；N為單位面積可布井數；t為熱泵系統運行時間（d）；qw為評價區單井出水量（m3/d）；Qh為單井換熱功率（kw）；ΔT為地下水利用溫差（℃）。

4.2 參數確定

計算參數主要為各巖土體物性參數和評價區面積參數。巖土體密度、孔隙率、含水量、比熱容等參數通過研究成果確定[10]；水和空氣的密度、比熱容選取經驗數據；評價范圍為地下水換熱方式適宜區和較適宜區的面積值；利用溫差值根據現狀調查數據確定；單井出水量根據區域富水性選取；根據區域含水層情況采用合理布井方式確定最佳井間距，并由此計算單位面積可布設井數量；系統運行時間根據研究區實際工程運行情況確定。各參數取值見表4、表5所示。

4.3 計算結果

將表4中的參數代入淺層地熱容量相應計算公式中，得出：鶴壁新城淺層地熱能適宜區熱容量為21.70×1012kJ，較適宜區為44.08×1012kJ，包氣帶熱容量為11.07×1012kJ，飽水帶為54.71×1012kJ，總熱容量為65.78×1012kJ，結果詳見表6。

表4 熱容量計算參數取值Table 4 The parameter values of thermal capacity calculation

表5 地下水源熱泵適宜區與較適宜區可利用量計算參數取值Table 5 The parameter values of available amount in the suitable area and more appropriate area of groundwater heat pump

表6 鶴壁新城淺層地熱能熱容量計算結果Table 6 The calculation of shallow geothermal heat capacity in new Hebi city

將表5中的參數代入可利用量計算公式中，得出：鶴壁新城淺層地熱能地下水換熱方式適宜區可利用量為10.10×1012kJ/a，折合標準煤34.47×104t，冬季可供暖面積21.84×106m2/a，夏季可制冷面積23.40×106m2/a；地下水換熱方式較適宜區可利用量為35.22×1012kJ/a，折合標準煤126.17×104t，冬季可供暖面積54.35×106m2/a，夏季可制冷面積114.29×106m2/a，結果詳見表7。

表7 鶴壁新城淺層地熱能地下水換熱方式可利用量計算結果Table 7 The available calculation results on groundwater heat mode of shallow geothermal heat capacity in new Hebi city

4.4 綜合評價

鶴壁新城淺層地熱能資源主要儲存在恒溫帶至200m以淺的松散沉積物中，主要開發利用方式為地下水換熱方式。本次淺層地熱容量采用容積法計算，可利用量采用地下水量折算法。計算區域為適宜區和較適宜區，見圖3所示。計算得出鶴壁新城淺層地熱能總熱容量為65.78×1012kJ，總可利用量為45.32×1012kJ/a，折合標準煤154.64×104t，冬季可供暖面積76.19×106m2/a，夏季可制冷面積137.69×106m2/a。由此可見，鶴壁新城的淺層地熱能資源儲量十分巨大。

圖3 鶴壁新城淺層地熱能開發利用適宜性分區及資源分布Fig.3 The development and utilization on shallow geothermal heat capacity of suitability zoning and resource distribution in new Hebi city

5 結論

（1）研究區大部分為淇河沖洪積平原，目的含水層主要為松散巖類孔隙水，含水介質由中上更新統砂、卵礫石層組成，厚度較大，補給和覆水條件良好，適宜于地溫空調的建設。

（2）研究區淺層地熱能資源開發利用方式為地下水換熱方式，采用熱儲法對淺層地熱容量進行計算，采用地下水量折算法對可利用量進行計算，得出鶴壁新城總地熱容量65.78×1012kJ，地下水換熱方式適宜區和較適宜區可開利用量為45.32×1012kJ/a，折合標準煤154.64×104t，冬季可供暖面積76.19×106m2/a，夏季可制冷面積137.69×106m2/a，淺層地熱能資源豐富，開發利用潛力巨大，能滿足區域供暖和制冷需求，開發利用前景廣闊。

（3）在適宜性分區的基礎上，結合地溫空調開發利用現狀，對地溫空調井的分布、開采量和回灌量、合理井間距、抽灌比等進行規劃。

（4）建議政府相關部門可借鑒發達地區成功經驗，更好地為當地淺層地熱能的開發利用服務。加強對地溫空調井水質、水溫及水量的監測和預報工作，分析地溫空調井在開發利用過程中的動態變化，以便及時采取應對措施。

References)

[1] 中華人民共和國建設部. 地源熱泵系統工程技術規范(GB 50366-2005)[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2005. Ministry of Construction of PRC. Technical code for groundsource heat pump system (GB 50366-2005)[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2005.

[2] 李潔剛,鄧曉穎,王利,等. 河南省鶴壁市地熱地質特征及開發前景[J]. 華北水利水電學院學報,2005,26(2):58-61. Li J G, Deng X Y, Wang L, et al. Geological features and development potential of geothermal resources in Hebi City of Henan Province[J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, 2005,26(2):58-61.

[3] 鄧曉穎,楊國平,田秋菊,等. 河南省鶴壁市新區地熱流體特征及成因分析[J]. 水文地質工程地質,2005,32(2):111-114. Deng X Y, Yang G P, Tian Q J, et al. Features and origin of geothermal fluid in the new district of Hebi, Henan[J]. Hydrogeology & Engineering geology, 2005,26(2):111-114.

[4] 鄧曉穎. 河南省鶴壁市新區地熱資源特征及利用前景分析[C]//全國地熱產業可持續發展學術研討會論文集,2005. Deng X Y. Analysis of geothermal resources characteristics and utilization prospect in new Hebi city, Henan Province[C]//Essays in national symposium on sustainable development of geothermal industry. 2005.

[5] 王貴玲. 對淺層地熱能資源評價方法的一些看法[C]//第二屆中國地源熱泵技術城市級推廣應用高層論壇,2007. Wang G L. Some views on assessment methods of shallow geothermal energy resource[C]// 2nd China ground source heat pump high level forum of technology promotion and application for metro. 2007.

[6] 河南省地質局區測隊. 1:20萬鶴壁幅區域地質調查報告[R]. 1979. Regional surveying team of Henan geological bureau. 1:200000 Regional geological survey report on Hebi mapsheet[R]. 1979.

[7] 蘇永強,劉忠凱. 河北省衡水市區淺層地熱能特征及應用前景分析[J]. 地質調查與研究,2011,34(1):40-46. Su Y Q, Liu Z K. Analysis on the shallow geothermal energy characteristics and application prospect in Hengshui City, Hebei Province[J]. Geological Survey and Research, 2011,34(1):40-46.

[8] 中華人民共和國地質礦產部. 地熱資源評價方法(DZ 40-85)[S]. 1986. Ministry of Geology and Mineral Resources of PRC. Assessment methods on geothermal resources (DZ 40-85)[S]. 1986.

[9] 田廷山,李明朗,白冶. 中國地熱資源及開發利用[M]. 北京:中國環境科學出版社,2006. Tian T S, Li M L, Bai Y. The development and utilization of geothermal resources in China[M]. Beijing: China Environmental Sciences Press. 2006.

[10] 河南省地質調查院. 河南省重點城市淺層地熱能研究報告[R]. 2009. Henan Institute of Geology Investigation. Research on shallow geothermal energy in key cities, Henan Province[R]. 2009.

[11] 閔望,喻永祥,陸燕,等. 蘇北盆地地熱資源評價與區劃[J]. 上海國土資源,2015,36(3):90-94,100. Min W, Yu Y X, Lu Y, et al. Assessment and zoning of geothermal resources in the northern Jiangsu Basin[J]. Shanghai Land & Resources, 2015,36(3):90-94,100.

[12] 高世軒,王小清,張冬冬,等. 上海規劃新城淺層地熱能潛力與經濟環境效益分析[J]. 上海國土資源,2014,35(2):28-31. Gao S X, Wang X Q, Zhang D D, et al. Shallow geothermal energy potential and the associated economic and environmental benefts for a new town in Shanghai[J]. Shanghai Land & Resources, 2014,35(2):28-31.

Abstract: New Hebi City (the study area) ranges from the Beijing-Hongkong-Macao Highway (with vocational education park) in the east to the Beijing-Guangzhou railway in the west; and from the Bohai sea road in the north to the Side River line in the south. The geological structure of this area is a transition zone from the eastern Taihang Mountain foothills to the North China Plain, mainly occupying the Qi River alluvial-proluvial plain. Shallow aquifers in the area mostly contain unconsolidated pore water. In this paper, through comprehensive regional hydrogeological investigation, water withdrawal testing, and other research, spatial distribution characteristics and conditions of occurrence in the shallow geothermal aquifer are indicated in the study area. According to which of two ways of exploiting shallow geothermal heat (i.e., groundwater source heat pumps or ground source heat pumps) is used, New Hebi City is divided into different suitability partitions. This includes suitable regions (mainly in the central and eastern areas), an unsuitable region (smaller and in the northwest area), and a sub-suitable region (most of the remaining area). Shallow geothermal capacity and availability in the different partitions are calculated by the volumetric method, in order to provide support for exploitation of the shallow geothermal potential and for urban planning of development.

Evaluation of shallow geothermal energy resources and application prospects in New Hebi City, Henan Province, China

LI Xia1,2, WAN Li-Qin1, CHEN Wen-Fang3, ZHANG Yi-Bo3
(1. China Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081, China; 2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100088, China; 3. First Institute of Geological Environment Survey, Henan Bureau of Geo-Exploration & Mineral Development, Henan Zhengzhou 450045, China)

shallow geothermal energy; resources assessment; suitability partition; exploitation utilization

P314

A

2095-1329(2016)04-0072-05

10.3969/j.issn.2095-1329.2016.04.020

2016-05-26

2016-09-23

李霞(1984-),女,工程師,博士生,主要從事水文地質與環境地質研究.

電子郵箱: lx2003cg@163.com

聯系電話: 010-62170330

中國地質調查局地質調查項目“東營地區及典型城市地下地質空間利用環境地質調查”(12120114079201)