河南省鹤壁新城浅层地热能资源评价及应用前景研究

李 霞，万利勤，陈文芳，张一博

（1. 中国地质环境监测院，北京 100081；2. 北京师范大学水科学研究院，北京 100088；3. 河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南·郑州 450045）

河南省鹤壁新城浅层地热能资源评价及应用前景研究

李 霞1,2，万利勤1，陈文芳3，张一博3

（1. 中国地质环境监测院，北京 100081；2. 北京师范大学水科学研究院，北京 100088；3. 河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南·郑州 450045）

以河南省鹤壁新城为研究对象，其构造属太行山东麓向华北平原的过渡地带，主要为淇河冲洪积平原，浅层含水层多为松散岩类孔隙水。在区域综合水文地质调查、抽回水试验等研究基础上，指出研究区浅层地热能含水层空间分布特征和赋存条件。按地下水源热泵和土壤源热泵两种开发利用方式进行适宜性分区，得出研究区中东部主要区域为适宜区，西北小部地区为不适宜区，其余大部为较适宜区。采用容积法计算得出不同分区的浅层地热容量和可利用量，为研究区浅层地热能可开采潜力评价及政府发展规划提供支撑。

浅层地热能； 资源评价； 适宜性分区；开发利用

浅层地热能是指地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200m埋深），温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的热能资源。随着煤炭资源开发利用带来的环境污染等负面问题日益突出，环境效益良好的浅层地热能在促进国家节能减排战略目标实现上具有重要意义[1]。鹤壁新区政府为减少对传统能源的依赖，改善区域环境，积极寻找并开发地热资源。李洁刚[2]、邓晓颖[3,4]等对鹤壁深部地热资源进行初步研究，查明该区深部热储富水性极为不均，构造复杂，开发利用具有一定的风险。王贵玲[5]指出，与传统意义上认为的地热资源相比，浅层地热能具有非常明显的可再生性。在鹤壁市社会经济快速发展的今天，浅层地热能资源作为一种新兴的、能自然补给的绿色能源，得到极大重视和广泛推广。

本文以河南省鹤壁市新城区为研究对象，其东起京港澳高速（含职教园区），西至京广铁路，北起渤海路，南至思德河一线（图1），地理坐标：东径114°15′～114°21′、北纬35°39′～35°47′，面积约70km2。通过开展区域综合水文地质调查，对浅层地热能开发利用进行适宜性分区，评价其可开采资源量，并提出初步的开发利用规划。

1 地质构造特征

研究区地处太行山东麓向华北平原过渡地带，地势西北高，东南低，呈阶梯状降低趋势，地貌以丘陵和平原为主。区域地层属华北地层区，区内主要出露寒武系、奥陶系、第三系，中生代地层缺失。区域构造上位于新华夏系第二沉降带的西部和太行山隆起带的东南边缘，南与秦岭东西向复杂构造带相邻，西与晋东南山字型东翼反射弧相接。本区经历了长期、多次地质构造运动，尤以燕山—喜山期最为强烈，构造行迹以断裂为主，分别隶属于晋东南山字型构造、南北向构造、华夏系构造、新华夏系统构造四种主要构造体系[6]。

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

2 浅层地热能储存条件

2.1 含水层空间分布特征

研究区主要为淇河冲洪积平原，目标含水层为松散岩类孔隙水，多为潜水或半承压水。含水介质由中上更新统砂、卵砾石层组成，分布规律是扇的主流带较厚，颗粒较粗，向两侧及下部逐渐变薄、变细。地下水位埋深5～20m不等，含水层厚度20m左右，自西北向东南运移。

2.2 含水层富水性及回灌能力

松散岩类孔隙水的富水性因含水层岩性、厚度及其所处地质、地貌部位不同而不同，将出水量统一换算成5m降深，以单井涌水量的大小划分含水层的富水性，分为＞3000、1000～3000、＜1000m3/d三个级别，各级别的分布范围及含水层特征见表1、图2所示。

表1 含水层富水特征Table 1 The characteristics of water abundance in aquifer

而含水层的回灌能力与含水层岩性、富水性及水位埋深均有关。综合考虑以上因素，以区域含水层的富水性为主，结合水位埋深，将含水层的回灌能力划分为＞3000、1500～3000、500～1500m、＜500m3/d四个级别，见表2、图2所示。

表2 含水层回灌能力Table 2 The recharge capacity of aquifer

图2 鹤壁新城综合水文地质图Fig.2 The integrated hydrological geological map of new Hebi city

2.3 浅层地温场特征

根据本次调查测量结果，鹤壁新城浅层地下水水温在13～17℃范围，大部分在15～17℃之间；水温小于15℃的浅层地下水分布在鹤煤大道北侧，主要集中在区域北东部，在其他区域零星分布。

3 浅层地热能开发利用适宜性分区

苏永强等认为，进行浅层地热能适宜性分区是正确选择开发利用方式，进一步评价资源量的前提和基础[7]。以地质、水文地质条件为基础，热泵应用类型为条件，同时结合经济效益、社会发展和环境保护等因素，依据《浅层地热能勘察评价规范》（DZ/T 0225-209）规定的技术指标，按照地下水换热系统和地埋管换热系统进行适宜性分区。

3.1 地下水换热方式适宜性分区

对于地下水换热方式，适宜性分区指标主要考虑单位涌水量（m3/(d·m)）、回灌条件（单位回灌量与单位涌水量的比值）、地下水位年下降量及其他因素。

鹤壁新城目前地下水的开采尚未引起地面沉降等地质环境问题，且工作区尚无水源地保护区；单位涌水量大部分地区大于300m3/(d·m)；选取全区6个试验点进行抽回灌试验，数据显示单位回灌量与单位涌水量百分比平均为26.25%；根据研究区牛庄、田山电器、高村2009～2011年长观孔地下水位统计数据资料，地下水位年变幅为0.15～0.75m，年平均降幅均小于0.8m。综上，根据地下水换热系统适宜性分区标准，总体评价为地下水式换热系统较适宜及适宜。

为开发利用规划研究，综合考虑评价四项指标因素，将研究区地下水换热方式划分出三个区，即适宜区、较适宜区、不适宜区，其分布范围和划分依据见表3所示。

表3 鹤壁新城地下水换热方式适宜性分区Table 3 The suitability zoning of groundwater exchange heat in new Hebi city

3.2 地埋管换热方式适宜性分区

对于地埋管换热方式，适宜性分区指标主要考虑岩土体特性、地下水分布和渗流情况、地下水空间利用等因素。

根据鹤壁市区域地层资料和研究区内的成井资料，第四系厚度一般在50～100m之间，岩性主要为砾石、卵砾石、中细砂、粉质黏土、黏土；地下水位埋深为5～20m；从地层剖面上看，卵砾石层厚度均大于10m，厚度较大，直接影响到钻进条件和经济效益，根据地埋管换热系统适宜性分区标准，全区评价均为不适宜区。

4 浅层地热能评价

4.1 评价方法

（1）浅层地热容量计算

根据地热资源评价方法[8]和田廷山[9]对浅层地热能的研究，热容量采用容积法计算包气带和饱水带中的单位温差储藏的热量。

包气带地热容量计算公式：QR=QS+QW+QA、QS=ρSCS(1-φ)MdΔT、QW=ρWCWωMdΔT、QA=ρACA(φ-ω)MdΔT。式中，QR为地热容量（kJ）；QS为岩土体中的热容量（kJ）；QW为岩土体中所含水的热容量（kJ）；QA为岩土体中所含空气的热容量（kJ）；ρS为岩土体密度（kg/ m3）；ρW为水密度（kg/m3）；ρA为空气密度（kg/m3）；CS为岩土体比热容（kJ/kg·℃）；CW为水比热容（kJ/kg·℃）；CA为空气比热容（kJ/kg·℃）；φ为岩土体孔隙率；ω为岩土体含水率；M为评价区域面积（km2）；d为包气带厚度（m）；ΔT为利用温差（℃）。

饱水带地热容量计算公式：QR=QS+QW、QS=ρSCS(1-φ) MdΔT、QW=ρWCWωMdΔT。式中，各字母代表含义同上，但d表示地下水面至计算下限的岩土体厚度（m），包括需要计算的含水层和相对隔水层。

（2）可利用量计算

浅层地热能的地下水换热方式利用单井换热功率计算，公式为：Q可=Qh×N×t、Qh=qWΔTρWCW×1.16×10-5。式中，Q可为单位面积上浅层地热能可利用量（kJ）；N为单位面积可布井数；t为热泵系统运行时间（d）；qw为评价区单井出水量（m3/d）；Qh为单井换热功率（kw）；ΔT为地下水利用温差（℃）。

4.2 参数确定

计算参数主要为各岩土体物性参数和评价区面积参数。岩土体密度、孔隙率、含水量、比热容等参数通过研究成果确定[10]；水和空气的密度、比热容选取经验数据；评价范围为地下水换热方式适宜区和较适宜区的面积值；利用温差值根据现状调查数据确定；单井出水量根据区域富水性选取；根据区域含水层情况采用合理布井方式确定最佳井间距，并由此计算单位面积可布设井数量；系统运行时间根据研究区实际工程运行情况确定。各参数取值见表4、表5所示。

4.3 计算结果

将表4中的参数代入浅层地热容量相应计算公式中，得出：鹤壁新城浅层地热能适宜区热容量为21.70×1012kJ，较适宜区为44.08×1012kJ，包气带热容量为11.07×1012kJ，饱水带为54.71×1012kJ，总热容量为65.78×1012kJ，结果详见表6。

表4 热容量计算参数取值Table 4 The parameter values of thermal capacity calculation

表5 地下水源热泵适宜区与较适宜区可利用量计算参数取值Table 5 The parameter values of available amount in the suitable area and more appropriate area of groundwater heat pump

表6 鹤壁新城浅层地热能热容量计算结果Table 6 The calculation of shallow geothermal heat capacity in new Hebi city

将表5中的参数代入可利用量计算公式中，得出：鹤壁新城浅层地热能地下水换热方式适宜区可利用量为10.10×1012kJ/a，折合标准煤34.47×104t，冬季可供暖面积21.84×106m2/a，夏季可制冷面积23.40×106m2/a；地下水换热方式较适宜区可利用量为35.22×1012kJ/a，折合标准煤126.17×104t，冬季可供暖面积54.35×106m2/a，夏季可制冷面积114.29×106m2/a，结果详见表7。

表7 鹤壁新城浅层地热能地下水换热方式可利用量计算结果Table 7 The available calculation results on groundwater heat mode of shallow geothermal heat capacity in new Hebi city

4.4 综合评价

鹤壁新城浅层地热能资源主要储存在恒温带至200m以浅的松散沉积物中，主要开发利用方式为地下水换热方式。本次浅层地热容量采用容积法计算，可利用量采用地下水量折算法。计算区域为适宜区和较适宜区，见图3所示。计算得出鹤壁新城浅层地热能总热容量为65.78×1012kJ，总可利用量为45.32×1012kJ/a，折合标准煤154.64×104t，冬季可供暖面积76.19×106m2/a，夏季可制冷面积137.69×106m2/a。由此可见，鹤壁新城的浅层地热能资源储量十分巨大。

图3 鹤壁新城浅层地热能开发利用适宜性分区及资源分布Fig.3 The development and utilization on shallow geothermal heat capacity of suitability zoning and resource distribution in new Hebi city

5 结论

（1）研究区大部分为淇河冲洪积平原，目的含水层主要为松散岩类孔隙水，含水介质由中上更新统砂、卵砾石层组成，厚度较大，补给和覆水条件良好，适宜于地温空调的建设。

（2）研究区浅层地热能资源开发利用方式为地下水换热方式，采用热储法对浅层地热容量进行计算，采用地下水量折算法对可利用量进行计算，得出鹤壁新城总地热容量65.78×1012kJ，地下水换热方式适宜区和较适宜区可开利用量为45.32×1012kJ/a，折合标准煤154.64×104t，冬季可供暖面积76.19×106m2/a，夏季可制冷面积137.69×106m2/a，浅层地热能资源丰富，开发利用潜力巨大，能满足区域供暖和制冷需求，开发利用前景广阔。

（3）在适宜性分区的基础上，结合地温空调开发利用现状，对地温空调井的分布、开采量和回灌量、合理井间距、抽灌比等进行规划。

（4）建议政府相关部门可借鉴发达地区成功经验，更好地为当地浅层地热能的开发利用服务。加强对地温空调井水质、水温及水量的监测和预报工作，分析地温空调井在开发利用过程中的动态变化，以便及时采取应对措施。

References)

[1] 中华人民共和国建设部. 地源热泵系统工程技术规范(GB 50366-2005)[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2005. Ministry of Construction of PRC. Technical code for groundsource heat pump system (GB 50366-2005)[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2005.

[2] 李洁刚,邓晓颖,王利,等. 河南省鹤壁市地热地质特征及开发前景[J]. 华北水利水电学院学报,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] 邓晓颖,杨国平,田秋菊,等. 河南省鹤壁市新区地热流体特征及成因分析[J]. 水文地质工程地质,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] 邓晓颖. 河南省鹤壁市新区地热资源特征及利用前景分析[C]//全国地热产业可持续发展学术研讨会论文集,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] 王贵玲. 对浅层地热能资源评价方法的一些看法[C]//第二届中国地源热泵技术城市级推广应用高层论坛,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] 河南省地质局区测队. 1:20万鹤壁幅区域地质调查报告[R]. 1979. Regional surveying team of Henan geological bureau. 1:200000 Regional geological survey report on Hebi mapsheet[R]. 1979.

[7] 苏永强,刘忠凯. 河北省衡水市区浅层地热能特征及应用前景分析[J]. 地质调查与研究,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] 中华人民共和国地质矿产部. 地热资源评价方法(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. 中国地热资源及开发利用[M]. 北京:中国环境科学出版社,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] 河南省地质调查院. 河南省重点城市浅层地热能研究报告[R]. 2009. Henan Institute of Geology Investigation. Research on shallow geothermal energy in key cities, Henan Province[R]. 2009.

[11] 闵望,喻永祥,陆燕,等. 苏北盆地地热资源评价与区划[J]. 上海国土资源,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] 高世轩,王小清,张冬冬,等. 上海规划新城浅层地热能潜力与经济环境效益分析[J]. 上海国土资源,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,工程师,博士生,主要从事水文地质与环境地质研究.

电子邮箱: lx2003cg@163.com

联系电话: 010-62170330

中国地质调查局地质调查项目“东营地区及典型城市地下地质空间利用环境地质调查”(12120114079201)