漯河市浅层地热能开发利用评价

郭山峰，何伟民

(1.河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450001；2. 河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南 郑州 450018)

0 引言

浅层地热能是一种可再生清洁能源，广泛蕴藏在地表以下恒温带中的土壤和地下水里(恒温带至200 m)，温度小于25℃[1]，其分布广泛，温度稳定，储量巨大，基本不受区域和气候条件的影响。以前这种低温能源，不被人们所重视，近年来随着地源热泵空调系统和水源热泵空调系统的开发利用技术趋于成熟，在办公、酒店、商场、医院已得到推广和利用，对城市常规能源替代、节能减排、绿色环保发展意义重大[2-7]。

本次评价工作以漯河市2030年城市远景规划区为限，评价区面积约为544.46 km2，目的是查明漯河市区浅层地热能赋存条件和分布规律，评价浅层地热能资源量，进行地热能开发利用适宜区划分，为漯河市浅层地热能开发利用规划和布局提供理论和技术支持[8]。

1 浅层地热能的赋存条件

评价区浅层地热能主要储存于第四系全新统、上更新统、中更新统、下更新统地表以下200 m深度内冲积地层中，地层岩性为黏土、粉质黏土、粉土及砂层。地下水类型为松散岩类孔隙水。通过对区内单井抽水试验数据同径同降深(井径以0.3 m，水位降深10 m)进行换算，评价区地下水分为强富水区(单井涌水量>5000 m3/d)、富水区(单井涌水量3000～5000 m3/d)、中等富水区(单井涌水量1200～3000 m3/d)和贫水区(单井涌水量<1200 m3/d)4个区[9-10]。地下水回灌能力受地下水富水性和水位埋深的影响，通过抽回灌试验综合分析，将回灌能力划分为单井回灌能力>4000 m3/d、单井回灌能力1500～4000 m3/d、单井回灌能力600～1500 m3/d和单井回灌能力<600 m3/d 4个区(图1)。

图1 评价区地下水富水性及回灌能力分区图Fig.1 Subarea map of groundwater richness and recharge capacity in the evaluation area1—强富水区(单井涌水量>5000 m3/d) 2—富水区(单井涌水量3000～5000 m3/d) 3—中等富水区(单井涌水量1200～3000 m3/d)4—贫水区(单井涌水量<1200 m3/d) 5—单井回灌能力>4000 m3/d 6—单井回灌能力1500～4000 m3/d 7—单井回灌能力600～1500 m3/d 8—单井回灌能力<600 m3/d 9—地下水换热孔 10—地埋管换热钻孔 11—地下水位埋深等深线(m) 12—地下水富水性分界线 13—单井回灌能力分界线

地下水化学类型特征主要是受物质来源、地质环境、地下水动力条件、气象及人类活动等因素的影响。根据采取水样分析，地下水类型分为HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Mg·Ca、HCO3-Ca·Na、HCO3·SO4-Ca·Na、HCO3·Cl-Na·Mg·Ca、HCO3-Ca型6种水质类型。其中HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3-Na·Mg·Ca、HCO3-Ca·Na这三类水占据主导地位。

评价区地下水的pH值7.26～7.85，溶解性总固体为405～682 mg/L，总硬度226～405 mg/L(以碳酸钙计)。

在评价区测量了同一地点不同时间段的地温沿深度的变化情况曲线，测量了不同地点的地温沿深度的变化情况，确定漯河市恒温带的深度在22～26 m，恒温带温度为16.0℃～16.6℃，平均温度为16.3℃。测得评价区地温梯度值为2.785℃～3.445℃，依据豫东平原地温梯度等值线图进行修正，最终确定工作区地温梯度特征值为3℃。

2 浅层地热能试验研究

2.1 地下水抽、回灌试验研究

2.1.1 抽水试验及水文地质参数计算

分别对LS1、LS2、LS3钻孔进行非稳定流抽水试验和一个落程的回灌试验，通过数据统计整理分析，采用泰斯模型直线图解法、水位恢复法进行计算[11-12]，取得了抽水试验研究成果(表1)。

2.1.2 回灌量大小影响因素分析

由表1可见，回灌量的大小受成井质量、水文地质条件等多种因素影响[13]。

1)岩性因素。以细中砂、中粗砂、粗砂为主的含水层与以粉细砂、细砂、中细砂为主的含水层相比，含水层颗粒越粗，抽、回灌水量越大，抽、回灌水能力越接近，亦即含水层颗粒越粗越容易回灌。含水层岩性相同，泥质含量越高，抽、回灌量越小，即岩性相同含水层颗粒纯度越高越易回灌。含水层颗粒越粗，纯度越高，抽、回灌量越大，越易回灌。

表1 抽水试验及回灌试验成果表Table 1 The result of pumping test and recharge test

2)静水位埋深。静水位埋深越大的地区回灌量越大。因此，在成井质量理想的情况下，静水位埋深越大、含水层颗粒越粗，砂层纯度越高，单位回灌量越大。根据本次试验及前人在本地区的研究成果，一般情况下，不同含水层中回灌量的大小分别为：中粗砂、粗砂、中砂含水层中，单位回灌量为单位抽水量的50%以上；中砂、粗中砂、中粗砂含水层中，单位回灌量为单位抽水量的50%～80%；细砂、细中砂、中砂含水层中单位回灌量约为单位出水量的30%～60%；细砂、粉细砂含水层中，单位回灌量为单位出水量的30%以下。

2.1.3 回灌能力分析

根据动态系统理论，复杂系统具有“动态性”，即复杂系统随时间不断运动变化的属性，随时与所处的环境进行物质信息交换的属性。换言之，复杂系统的状态变量是时间函数；复杂系统状况由其状态变量随时间变化的信息来描述。系统复杂性的主要原因之一就是其动态性。另外，复杂系统始终处于非线性的发展变化中，各部分的非线性相互作用会使许多新的整体特质涌现出来。这些新质并不存在于任何单个部分当中，而是系统从低层次向高层次的过渡，所以人们形象地称其为“涌现”。系统功能之所以往往表现为"整体大于部分之和"，就是因为系统涌现了新质的缘故，其中"大于部分"就是涌现的新质。系统复杂性也主要源于此。

1)抽、灌井数比例研究。根据本次钻孔抽水试验及回灌试验成果，结合评价区地质地貌单元及水文地质条件，考虑到长期回灌时回灌井可能的堵塞情况，参照评价区已运行的成功案例，给出了评价区不同地段抽水井和回灌井数量比例(表2)。

2)抽、灌井间距的确定。地温空调井间距的确定不能仅仅以热短路作为依据，而应该考虑其回灌水影响范围内水温的变化能否满足热泵系统运行要求以及运行的经济性。根据本次抽灌试验以及现状调研成果，确定本次评价区最佳井间距为50～70 m。

表2 抽水井回灌井数量比例研究成果Table 2 The study result of the proportion of pumping wells and recharge wells

2.2 现场热响应试验

评价区共布设4眼地埋管换热钻孔(LM1、LM2、LM3、LM4)，每孔通过岩土热响应试验过程中连续记录的功率、流量、进出水温度数据，以及岩土初始平均温度、成孔条件等相关参数值，运用热响应试验软件，计算出各孔岩土综合导热系数、岩土容积比热容及岩土初始平均温度等热物性参数(表3)。

通过表3数据对比分析，LM2所在的孟庙镇富水性最好，岩性颗粒粗、地下水径流速度快，是4个地区中地热地质条件最好的，因此其综合导热系数最大，换热效果最好；LM3所处的水畔城邦小区位于沙河北，是4个地区地热地质条件较好的地区，因此其综合导热系数较大，换热效果较好；LM1所处的泰威中央公园及LM4所处的众诚彩钢厂虽然位于不同水位地质单元，但是岩性颗粒都较细、地下水径流缓慢，因此其综合导热系数较小，换热效果最差。

表3 地埋管换热功率计算统计Table 3 Statistical table of heat exchange power calculation of buried pipe

3 浅层地热能评价

3.1 适宜性评价

3.1.1 地下水源热泵适宜性评价

1)评价原则：地下水资源量有保障，易开采，成本适中；地下水回灌条件较好；水质较好，不会对热泵系统造成不利影响；避开地下水水源地保护区及地下水降落漏斗地区。

2)评价方法：采用单指标综合评价法和层次分析法[14]。

综合单指标综合评价法与层次分析法划分结果，评价区内适宜区、较适宜区面积分别为45.02 km2、211.43 km2。

3.1.2 地埋管热泵适宜性评价

采用单指标综合评价法进行评价[15]，评价区第四系地层埋藏厚度均大于100 m，卵石层总厚度小于5 m，含水层总厚度大于30 m，这3项指标均满足地埋管系统应用适宜性评价要求，除水源禁采区13.26k m2外，其他531.20 km2为适宜区。

3.2 资源量评价

3.2.1 评价原则与方法

1)评价原则：浅层地热能储存资源量计算深度为恒温带至200 m以浅松散沉积物底界，计算面积为适宜浅层地热能开发利用的面积；

浅层地热能可采资源量评价深度为地下水源热泵适宜区为200 m以浅含水层底界；地埋管适宜区为恒温带深度至200 m以浅第四系与新近系松散层厚度。

2)评价方法：浅层地热能储存资源量采用热储法计算；地下水源热泵适宜区浅层地热能的可利用资源量采用地下水量折算法；地埋管适宜区计算单孔换热功率。

3.2.2 计算参数的确定

地下水源热泵适宜区可利用量计算参数(表4)。开展地下水源热泵工程时，因考虑建筑布局、建筑负荷需求、建筑占地面积、资源承载力、地下水连通性等因素的影响，全年可利用量中的计算面积按适宜区面积的0.22折算。

地埋管适宜区换热功率计算参数(表5)。考虑到地埋管施工中受建筑设施等的影响，全年可利用量中的计算面积按适宜区面积的0.1折算。

表4 地下水源热泵可利用量计算参数取值Table 4 Calculation parameters of available utilization of groundwater source heat pump

注：qw为单井出水量，m3/d；M为评价区域面积，km2；d为最佳井距，m；N为单位面积可布井对(对/km2)；ΔT为地下水利用温差，℃；w为水的密度，kg/m3；Cw为水的比热容，kJ/kg℃；t为系统运行时间，d。

表5 地埋管适宜区换热功率计算参数取值表Table 5 Calculation parameters of heat transfer power in suitable area of buried pipe

注：λ1为地埋管材料的热导率(W/m·℃)；λ2为换热孔中回填料的热导率(W/m·℃)；λ3为换热孔周围岩土体的平均热导率(W/m·℃)；L为地埋管换热器长度，m；r1为地埋管束的等效半径，m；r2为地埋管束的等效外径，m；r3为换热孔平均半径，m；r4为换热温度影响半径，m；t1为地埋管内流体的平均温度，℃。

3.3 浅层地热能综合评价

在浅层地热能适宜性评价与区划基础上，根据地下水源热泵适宜区和地埋管适宜区资源量计算的结果，对漯河市浅层地热能资源进行综合评价(表6)。

表6 浅层地热能综合评价成果Table 6 Comprehensive evaluation result of shallow geothermal energy

4 结论建议

4.1 结论

通过现场抽灌试验及现场热响应试验取得资料综合分析，漯河市地下水源热泵适宜区、较适宜区总面积为256.45 km2，主要分布在沙河、澧河及武庄—戴庄一线以北地区；地埋管热泵适宜区总面积为531.2 km2，分布在整个评价区。

评价区浅层地热能储存量2551.15×1012kJ；地下水源热泵形式可利用的浅层地热能资源量108.58×1012kJ/a；地埋管形式可利用的浅层地热能资源量80.58×1012kJ/a。

4.2 建议

漯河市现有的浅层地热能开发利用方式多为水源热泵，而适宜全区的地源热泵系统项目鲜能见到，开发利用方式及开发规模不够合理。对此地方政府监管部门要加强管理，加大对地源热泵技术的推广和应用，出台鼓励政策和财政补贴，降低地源热泵运行价格。

现有的水源热泵工程多未进行前期地质勘查，缺少科学研究论证，造成“假回灌”，运行效果低，维护成本过高的现象。地方政府应该制定强制性措施，项目实施前必须进行浅层地热能勘查设计论证工作，对勘查、设计、施工企业设置准入条件，使工程项目施工质量有所保障。