运用“指标法”进行浅层地温能适宜性分区可行性探讨

李国政

吉林省水文地质调查所，吉林 长春

运用“指标法”进行浅层地温能适宜性分区可行性探讨

李国政

吉林省水文地质调查所，吉林 长春

本文介绍了吉林省浅层地温能利用现状及存在的问题。从工作实际出发，在浅层地温能调查评价中，运用《浅层地温能调查评价规范》的指标法对水源热泵的适宜性进行评价不完全正确。在对水源热泵应用现状调查中发现仅用运用指标法中灌采比分类确定地下水源热泵的适宜性欠妥当。即使灌采比小于50%（不适宜区），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，这一点应当引起人们的重视。指标法在有些地区应用效果较好。

浅层地温能；水源热泵；指标法；灌采比小于50%；抽灌试验

0　引言

近几年来，浅层地温能的开发利用在全国蓬勃兴起。吉林省虽然发展滞后，但是在各级城市或多或少都在开发利用。而开发利用适宜性评价自然就落在具有勘查资质的地质勘查单位，吉林省水文地质调查所是其中之一。2010年以来，我们对集安、榆树、松原等城市地下水源热泵的适宜性进行了评价，其结论都是不适宜，而现状调查发现有些地方应用效果很好。这样就对规范中指标法的应用产生疑问，本文就是对此疑问进行的初步探究。

潜层地温能是一种新型的战略资源，既可循环再生，又清洁环保，利用前景广阔。随着我国国民经济的快速增长，我国的能源形式日趋严峻，所以开发利用浅层地温能资源是保障国家能源安全和缓解环境能力的必然选择，是确保我国能源结构调整的需 要，是实现节能、减排战略目标的重要手段。

1　浅层地温能资源特点

浅层地温能是指温藏在地表以下一定深度，（一般为恒温带200 m埋深）范围内的岩土和地下水中具有开发利用价值和低于25 ℃的热能。浅层地温能其热量主要来源于地球内部热能，较经济的开采深度一般小于200 m，是低品位的地热资源，温度略高于当年平均气温1～2 ℃。相对稳定，赋存面广，一般可就地提取利用。

浅层地温能分布广泛，储量巨大，据专家测算，我国每百平方千米（相当于一个中等城市的面积）近百米深度内的土壤每年可采集的低温能量是1 560×104kw，而百米内深度的地下水每年可采集的低温能量也有21×104kw。

浅层地温能在季节性利用后可通过自然和人工补给或冬、夏两个季节的反向温差基本保持地温场的动态平衡，从而可长期再生，循环利用。同时在开发利用中通过消耗少量的电能，就能从浅层岩土体、地下水中提取大量的热量或冷量，而地下水的水质、水量不发生任何变化，不向大气排放二氧化碳等气体及灰尘，对外界环境影响极小。与传统的锅炉相比，地源热泵系统对一次能源利用率可以达到90%，而中型锅炉房则仅为65%左右，相对节能25%。因此，浅层地温能资源的开利用，既实现了节能，又起到了减排的作用，一举两得。为解决建筑节能减排问题提供了一条重要途经。

2　吉林省浅层地温能利用现状

20世纪90年代后期，浅层地温能开发利用得到快速发展，我国北京、沈阳等大城市节能、减排工作突出，北京已有1 300×104m2，沈阳已超过2 000×104m2，带动了全国范围内的浅层地温能资源开发利用的热潮。据不完全统计，全国浅层地温能服务面积超过了6 000×104m2。从地理条件看，浅层地温能供暖既可用于海拔4 000 m以上的青藏高原，也可以用于气候严寒的黑龙江流域。从建筑类型看，浅层地温能供暖已广泛应用于办公楼、宾馆、学校、医院、住宅，工厂等。

吉林省浅层地温能开发利用较北京、沈阳滞后，各地区的开展规模参差不齐。从吉林省水文地质调查所对吉林省主要城市浅层地温能开发利用调查结果可以看出，有的地区在政府的资金的扶持下，开发利用较早，在2006年已相继开发利用，有的地区从2010后才开始兴起。

从利用效果上看，多数地区利用效果一般，有些地方如梅河口市应用较早，但缺乏管理，缺乏前期合理的调查评价，应用一年后因达不到供暖效果而停用，又改用供暖管网。有些地区比如吉林市因地下水的腐蚀性对水源热泵系统产生的锈蚀，每年清洗费用比燃煤供暖费用还高，而相继废止。还有因回灌能力低，造成地下水流失和污染影响了地下水的水质，同时会产生一些负面影响。

当然也有地质条件相对较好的地区，开发利用较好，比如白城市，其地下水丰富，埋深又浅，回灌能力较好，小规模的开发利用正在兴起。

出现这些情况和原因是市场化推动造成的。由于浅层地温能资源调查评价工作滞后，技术标准和开发利用相关技术研究薄弱，虽然一些地方政府都以极大热情和力度来推广，但仍存在开发利用地区发展不平衡等问题。主要存在以下问题：

（1）开发利用超前，资源评价滞后，家底不清，造成城市专项规划和管理工作较为被动。

（2）缺乏浅层地温能源勘查的技术标准和测试技术。

（3）缺乏浅层地温能资源开发利用地质环境变化和长期监测数据。调查中发现有大多数城市虽在开发利用浅层地温能，但没有制定科学的开发方案就盲目开发，工程设计不合理，施工不规范，致使地下水回灌情况不好，引发水资源浪费和不同水质层间的污染扩散，地面沉降，热污染等问题，有的甚至工程失败或效能低下，达不到预期的节能目标。目前各地政府对浅层地温能资源的分布、资源量家底不清，使浅层地温能开发利用受到很大限制并存在很大风险，目前浅层地温能勘查评价滞后已成为浅层地温能资源持续开发利用的阻碍。

3　结合工作实例对比谈指标法评价应用

自2010年开始，吉林省投入财政资金对十个城市进行了浅层地温能的勘查工作。吉林省水文所分别对榆树市、松原市、长春市、梅河口市、镇赉市、集安市等城市进行了浅层地温能调查评价。

工作中依据的规范为《浅层地热能勘查规范》（DZ/T0225-2009）主要针对地下水换热方式，用规范中的指标法进行适宜性评价（表1）。

3.1集安市地下水源热系适宜性评价

2011至2012年吉林省集安市，集安城区7.9 km2的城区面积进行了浅层地温能评价，首先收集区域地质、水文地质资料，进行专项水文地质调查，布置了三组抽灌试验场，分别进行了现场抽水试验和抽灌试验。

工作区位于长白山脉中低山区及鸭绿江沿岸，区域内地势北高南低，向鸭绿江倾斜。地貌单元为低山丘陵、倾斜台地，其中河谷阶地份为二级阶地、一级阶地漫滩。而抽灌试验场均布置在一级阶地漫滩之上，地下水较丰富。地层岩性为第四系全新统冲积粉土、粉砂和卵石，第四系厚度6.0～10.0 m，含水层厚4.8～6.0 m。地下水类型为松散盐类孔隙潜水，水量中等富水性100～500 m3/d，水温10～11 ℃，矿化度0.524～0.886 g/L。

表1　地下水换热适宜性分区Table 1 Groundwater heat transfer suitability zoning

三个试验场分别布于实验小学5眼井，井深30～35 m，财政局5眼井，井深30 m，第二中学5眼井，井深26～30 m，均为完整井，按平行地下水流向和垂直地下水流向进行布孔，按照规范进行了成井、洗井、抽水试验和抽灌试验，获得了水文地质参数和灌采比见表2。

表2　一抽一灌试验成果表Table 2 One pumping one injection test results

根据规范指标进行对比，三个场地均为不适宜区。

而对集安市城区浅层地温能现状调查时，有多家在利用，其中梦景家园小区位于市中心左侧，建筑面积5.6万平方米，采用地下水源热泵供暖，打井40眼，配泵出水量可达50 m3/h，效果较好。实验小学西侧一宾馆打两眼井，一抽一灌，井深7 m，水量为5 m3/h，供热面积500 m2，使用效果较好。调查表明，虽然该地区灌采比较低，但一抽一灌或一抽两灌基本可以回灌，在小面积供暖情况下，进行规范的勘查评价和指导，也是可以开发利用水源热系的。

3.2白城市地下水源热系适宜性评估

2014年对吉林省白城市白城师范学院0.81 km2范围内进行浅层地温能场地勘查评价。

白城市地处大兴安岭东侧山前扇形地上，即松嫩平原洮儿河冲洪积扇上。地形平坦，地貌形态单元为洮儿河冲洪积扇。地层为第四系松散堆积物，经钻孔揭示地层为黄土状亚砂土（厚0.7～1.0 m）、粉细砂（厚2.0～5.0 m）、砂砾石（厚33.8～35.0 m），与下部第三系泰康组泥岩呈不整合接触。

其中砂砾石层厚33.8～35.0 m，水位7.14～7.84 m，动水位年变幅0.8 m，地下水富水性为丰富，同时布置了一组抽灌试验场。进行了抽水试验和抽灌试验，经计算灌采比为34.5%。该场地单位涌水量2 320.8 m3/d·m，单位回灌量801.82 m3/d· m，灌采比34.5%，渗透系数76.5 m/d，数位下降量＜0.8 m。与规范指标对比，确定勘查区为地下水源热系不适宜区。

而现状调查后，白城市有十多家在利用水源热泵，且效果较好，也有相对较差的，原因是多方面的。

（1）白城博大医院：井深90 m，单井出水量220 m3/h，一眼抽水井，回灌井3～4眼，已运行两年，效果较好。

（2）白城吉福家园，应用一眼抽水井，单井出水量为160 m3/h，一眼井回灌，供暖面积小，刚运行回灌效果好，两年后，由于未及时洗井等原因，回灌效果一般。

（3）白城旭东宾馆：应用一抽三灌，单井出水量160 m3/h，运行效果较好。

调查表明，以上应用单位或个体未进行合理勘查评价，但有些应用尚可以，而根据规范评价，用灌采比指标评价结论不适宜，实际上在合理开发正确规划的情况下，白城市地下水很丰富，在合理布置井距和控制回灌井数量的情况下，是可以利用水源热系进行供暖和制冷的。

当然这些年还做过榆树市、镇赉市、松源市等地的浅层地热能调查评价工作，还有吉林省地质环境监测总站做过的几个地区的浅层地热能评价工作，皆因规范中灌采比数低而做出不适宜开发利用的结论。

2014年至今又担了吉林省主要城市地层地温能开发区1.5万水文地质调查项目，在对各地级市浅层地温能开发利用现状调查中也发现了类似情况，有些地区地下水源热系开发利用效果也很好，而用指标法评价结果也不适宜，如白城市，已有几十家在用，分别是医院、学校、宾馆、洗浴。电视台、政府办公楼等。白城市地下水很丰富，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。

鉴于几年来的工作实践，认为勘查规范中采用指标法评价地下水源热泵的适宜性不全面，仅用灌采比分类确定地下水源热泵的适宜性欠妥当。

4　实践中的认识

吉林省对十个城市地下水源热泵适宜性的评价报告皆采用指标法，因灌采比小于50%，而结论为开发利用不适宜区。

几年来浅层地热能勘查工作中，一直对这种结论产生疑惑，通过2014年吉林省主要城市浅层地温能开发利用现状调查，部分城市地下水源热泵运行良好，有的已利用6～8年，而片面的用指标法给予否定，对政府指导工作是一个误导，对该地区的浅层地温能开发利用时一种制约和埋没。

因此建议规范编制部门，在基层大量实践工作的基础对此进行修订和扩充，以待一部完整的，符合实际的浅层地温能勘查评价规范产生。

现在已有专家呼吁，在浅层地温能调查评价中慎用指标法，说明专家也认识到了规范中指标法评价的片面性，应结合实际，综合各方面地质、水文地质情况，地下水质情况采用层次法进行评价，得出符合实际，有指导意义的评价结论来。

因此，浅层地温能调查评价工作中，首先要充分收集已有地质、水文地质资料，对地层、地下水有详细深入了解，确定工作试验场地，布置合理试验钻孔，进行抽灌试验。

其次，水文地质钻探成井是关键环节。钻探工作前先了解地层情况，确定合理钻探工艺和成井方法，确定放置过滤器位置，并彻底洗井，最大限度地得出符合实际的水文地质参数。

再就是进行浅层地温能资源评价，即资源赋存条件评价，资源潜力评价和开发利用评价。

最后，吉林省浅层地温能开发利用正在兴起，目前急需勘查评价对各市县进行合理的规范化的勘查评价。为避免投资浪费，或达不到预期开发利用效果，因此，必经做好前期科学的开发利用方案，而方案的确定要用规范做依托，编制修改浅层地热能勘查评价规范更具现实意义，迫切希望一部更具指导意义的完整而全面的技术规范诞生。

［1］ DZ/T0225-2009，浅层地温能勘查评价规范［S］.

［2］ GB50027-2005，供水水文地质勘查规范［S］.

［3］ 《工程地质手册》编委会.工程地质手册》（第四版）［M］.北京： 中国建筑工业出版社.

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

李国政（1964—），男，河南驻马店人，吉林省水文地质调查所高级工程师.