大青山南麓淺層地熱能賦存條件淺析

李吉紅 張欣

摘要：大青山南麓的“呼包平原”是內蒙古自治區主要城市圈聚集地，綠色能源“淺層地熱能”的開發利用有助于地方發展迎來綠水青山。近年來在呼包二市相繼開展了淺層地熱能勘查試驗取得了一定成效，本文依據兩地試驗數據結果，分析大青山南麓淺層地熱能賦存條件。

關鍵詞：大青山南麓;呼包平原;淺層地熱能;賦存條件

淺層地熱能是目前賦存在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°C，在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地球內部的熱能資源。其能量主要來源于太陽輻射與地球梯度增溫。淺層地熱能分布廣，儲量大，再生迅速，利用價值大，越來越受到人們的高度重視與關注，它是地熱資源的一部分，也是一種特殊的礦產資源。

目前，淺層地熱能的開發利用是通過“地埋管熱泵技術”和“地下水地源熱泵技術”以傳熱介質（水或加入防凍劑的水）通過在密閉的垂直或水平埋管中循環，利用傳熱介質與地下巖土體、地下水之間的溫差進行熱交換，達到利用淺層地熱能的目的，并進而通過熱泵技術可以為建筑物供暖或制冷。

淺層地熱能宏觀上受控于大型地質地貌單元、水文地質單元，賦存在不同沉積巖相堆積的松散或半膠結沉積巖土體，與巖土體物性、熱物性特征、地層熱響應特征及淺層地溫場特征關系密切，大青山南麓呼包平原具備良好的淺層地熱能賦存條件要素。

1.地形地貌、水文地質單元

呼和浩特市、包頭市位于大青山南麓呼包平原，為中生代斷陷盆地，盆地中沉積了巨厚的第四系松散堆積物。構成的地貌單元主要為山前傾斜平原、沖積平原和沖湖積平原。呼和浩特市中心城區地處大青山山前傾斜平原的中下部，北以陰山山脈大青山段為天然屏障，南有大黑河沖湖積平原。總體地勢北高南低，微向西南傾斜，坡度在3‰～5‰之間，海拔高程1000m～1200m。包頭市轄區總體地勢北部高，南部低。主要由山前傾斜沖洪積平原和黃河沖積平原組成，山前傾斜沖洪積平原海拔高程1020m～1040m，平均坡度為8‰;黃河沖積平原東西呈條帶狀沿黃河分布，地勢平坦，平均坡度1.5‰，海拔高程1000m～1020m。

呼包平原賦存的地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水及承壓水，主要分布于山前傾斜平原，沖湖積平原及現代河谷內。松散巖類孔隙潛水分布規律較明顯，大青山山前沖洪積平原扇群帶及河谷地帶，孔隙水單井涌水量500m3/d～1000m3/d，古湖濱三角洲地帶最大，單井涌水量大于1000m3/d，其余地段一般水量100m3/d～500m3/d。含水層巖性主要為更新統、全新統沖洪積砂、砂礫石，含水層厚度30m～60m，水位埋深在10m～20m，水質較好，地形地貌、水文地質特征適合淺層地熱能開發利用。呼包平原所屬水系、地貌、地質和水文地質單元基本特征（表1）。

2.巖土體物性、熱物性特征

巖土體物性、熱物性特征包括密度、孔隙率、含水率、比重、比熱容、導熱系數、熱擴散系數等參數，反映了巖土體的蓄熱和導熱能力，是影響淺層地熱能資源賦存的重要因素。

在大青山南麓呼包平原的呼和浩特市、包頭市轄區進行過第四系巖土體物性、熱物性測試工作。不同巖性物性、熱物性參數測試結果表明：不同地點相同土質的自然密度、含水率、比重、孔隙度、飽和度和導熱系數等參數變化不大;無論是粘性土、砂性土其熱導率隨巖土體自然密度和飽和度的增加而減小，即巖土體的熱導率與巖土體的自然密度和飽和度呈負向相關性;其巖土體的比熱容隨巖土體的孔隙率增加而增大，即比熱容與巖土體的孔隙率呈正向相關性（表2）。

3.淺層地溫場特征

3.1淺層地溫場溫度

指淺層地熱資源可開發利用深度范圍內的溫度場，一般為埋深0～200m地層地溫的綜合反映，用深度范圍內混合水的溫度來表征。一般受地質構造、地層結構及水文地質環境等因素影響，其中恒溫帶、地溫梯度兩項指標對淺層地溫場溫度的高低影響較大，各地區需通過長期觀測試驗才能確定，前人工作在呼包平原進行了大量的試驗，取得可靠的數據綜合考慮其他因素而確定。

根據恒溫帶溫度、恒溫帶深度、淺層地溫能底界深度與地溫梯度，利用公式：

T=G/100×（S-S0）/2+T0

計算淺層地溫場溫度（T）。

公式中：G為地溫梯度，單位為°C/100m;S為淺層地溫場底界深度，單位為m;S0為恒溫帶深度，單位為m;T0為恒溫帶溫度，單位為°C。

淺層地溫場溫度計算結果見表3。

3.2地層熱響應參數

地層熱響應值是在現場利用地埋管換熱采用二冷熱源向巖土體中連續加熱并記錄傳熱介質的溫度變化和循環量來測定，試驗取得相關數據后經大量計算而確定。它與地層巖性、地層結構、所處沉積環境及地下水滲透速率等因素關系密切，以往工作在呼包平原的呼和浩特市、包頭市開展過現場熱響應試驗，經多數鉆孔試驗取得地層熱響應特征值見表4。

以上從三個方面闡述了呼包二市所處地質地貌、水文地質單元;巖土體物性、熱物性特征及淺層地溫場特征，可作為背景值抑或參考值，將地熱能賦存條件普遍性推廣應用至呼和浩特與包頭兩市之間的大青山南麓山前呼包平原。

4.結束語

環境地質條件是決定淺層地熱能開發利用的重要因素，地下水環境質量優劣直接影響淺層地熱能開發利用的效果。淺層地熱能作為清潔能源，它的開發利用是以不破壞地質環境為前提條件。

當前淺層地熱能資源開發利用還缺乏可靠的技術、經濟支撐。首先，淺層地溫能屬于邊緣學科，仍有許多機理、條件認識不清，如飽水砂巖在弱水動力條件下導熱能力、地層結構和巖性組合對蓄熱、導熱能力的影響、垂向平均溫度大小對系統的經濟性影響。其次，地下水回灌技術不夠完善，成井工藝有待提高，比如地下水地源井成井口徑、填礫層厚度、濾水管類型及濾料的選用對回灌量均有較大影響，特別是成井口徑、填礫層厚度、濾水管類型及濾料的選用不當，會導致許多井不能正常回灌。第三，當前技術、經濟條件下，前期投入大，成本高，周期長，經濟效益不明顯。因此全面評價地質環境影響和節能減排的社會和經濟效益，這些都需要進一步研究和探索。

淺層地熱能資源有明顯的節能減排優勢，適宜在大青山南麓平原地域城鎮推廣應用。

參考文獻：

[1]1985年由內蒙古第一水勘院出版的1∶10萬內蒙古呼包平原水文地質工程地質環境水文地質綜合勘察報告.

[2]1985年由內蒙古水文地質隊出版的1∶100萬內蒙古自治區地下水資源評價.

[3]內蒙古自治區主要城市淺層地溫能開發區1∶5萬水文地質調查報告.

[4]DZ/T0225—2009淺層地熱能勘查評價規范.