定州市城区浅层地温能利用前景分析

张永树，李 郡，吕文斌，赵爱华

（河北省地矿局第三水文工程地质大队，河北 衡水 053000）

在综合研究该地区地质条件的基础上，本文按《浅层地热能勘查评价技术规范》（DZ/T0225-2009）要求划定不同开发方式（地下水式、地埋管式）适宜区、较适宜区和不适宜区。同时，进行浅层地温能资源评价：对适宜、较适宜开发区浅层地温能热容量及换热功率（可利用量）进行资源评价，并根据当地的单位面积平均热负荷，计算出可能的供暖制冷服务面积，计算替代常规能源量和节能减排量。

1 该区的地质背景和气候条件

1.1 地形地貌

定州市位于太行山东麓，唐河、大沙河冲积洪积倾斜平原上。地形比较平坦，微有起伏，自西北向东南倾斜，标高由西北的75～80 m渐降至东南部42 m，地形坡度0.7‰～1.25‰。挽近以来，由于山前地段间歇性上升，当地形成了不同的河流地貌形态[1]。

1.2 气象与水文

定州市属温带-暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，春季多干热风，夏季高温、高湿、降水集中，秋季秋高气爽，冬季寒冷、干燥、少雪，四季分明。境内河流北有唐河，南有大沙河，中部有孟良河，其流向由西向东横贯全区，均属大清河水系，且为季节性河流[2]。

1.3 地质构造

定州市工作区处于三级构造单元冀中拗陷西部，四级单元保定拗陷的西南隅，西与太行山隆起相接。垮燕山台褶带华北断坳两个构造单元，西部位于燕山台褶带（Ⅱ22）军都山岩浆岩带（Ⅲ25）狼牙山凹褶断束单元，而东部位于华北断坳冀中台陷保定断凹单元。隐伏的太行山前大断裂分布于孟家庄、悟村、砖路一线。断裂走向北东45°左右，倾向东，倾角较陡。该断裂多次活动，挽近以来与新华夏系交接复合，为压扭性[3]。

1.4 地层

本区地层发育较齐全，由新生界、中生界、古生界、中上元古界和太古界构成，第四系由灰黄、棕黄、黄棕、棕红色粉土、粉质黏土、黏土和灰黄、灰白色砂岩组成；山区主要分布在山间盆地、山麓边缘及河谷地带，岩性以砂、砾及粉土为主；平原区分布广泛，岩性以各种砂层及粉土、粉质黏土、黏土组成[4]。

2 浅层地温能赋存条件

浅层地温能赋存条件根据其利用方式的不同而不同，其赋存条件直接影响适宜性分区的结果。地埋管利用方式需要分析的赋存条件包括第四系厚度、卵砾石厚度、含水层厚度、有效含水层厚度、比热容、每延米的换热量、渗透系数等；地下水利用方式需要分析的赋存条件包括富水性、回灌能力、灌采比、有效含水层厚度、含水层主要岩性、渗透系数以及卵砾石厚度等。

根据定州市浅层地温能利用工程的利用深度和同类地区的利用经验可知，地埋管工程的利用深度在80～100 m，地下水热泵工程的利用深度在80～100 m。

本次对80 m、100 m、150 m不同深度分别进行了6组热响应试验，每组热响应试验分别进行了初始地温、取热、排热Ⅰ（小功率）、排热Ⅱ（大功率）4种工况的测试。通过试验，人们可以掌握埋地换热器在不同运行温度下的地下换热量，从而为地源热泵系统的进一步优化设计提供指导依据。根据上述试验数据与方程，通过计算软件获得土壤导热系数为：λ=1.76 W/（m·K）。

综合热物性空间分布特征：本区第四系地层综合热导率为1.81～1.95 W/（m·K），热导率值高低与地层岩性、含水率及密度密切相关，第四系地层综合比热容为1.405～1.451 kJ/（kg·K），比热容值高低与地层岩性、含水率及密度密切相关；黏性土（黏土、粉质黏土和粉土）热导率较砂层（细砂、中砂和中粗砂）低；随着深度的增加，中粗砂、细砂和粉砂的热导率逐渐降低，这是由于深度增加，砂层的密实度增加，相应储水空间减少；黏性土的热导率随深度变化不明显。

3 适宜性分区

浅层地温能资源开发利用分区主要是指地下水热泵适宜性分区和地埋管热泵经济性分区。地下水热泵适宜性分区主要根据水文地质条件和热泵技术条件进行划分，划分为适宜区、较适宜区和不适宜区；地埋管式换热系统适宜性分区主要根据地质条件以及投资成本划分为适宜区、较适宜区和不适宜区。本次分别采用指标法、层次分析法和综合指数评价法进行浅层地温能的适宜性评价。

3.1 建立层次结构模型

采用层次分析法依次确定各层的指标对所属层的权重。将工作区内地源热泵适宜性影响因素与评价标准结合起来，共分为目标层A、制约因素层B和制约子因素层C三层。

3.2 构建两两比较判断矩阵

区内地下水式换热系统适宜性A受到四大制约因素Bi的制约，各个制约子因素层Bi又由若干级子因素层Ci的制约，层次结构明显。将各层各因素进行两两比较，如表1所示。

表1 标度的确定

3.3 计算相对权重并进行一致性检验

（1）计算判断矩阵每行所有元素的几何平均值，公式如式（1）所示。

由式（1）可得：

（2）将式（1）归一化可得：

由式（3）可得，ω=（ω1，ω2，ω3，ω4，ω5）T，即为所求特征向量的相似值，也就是各因素的相对权重。根据上述计算公式，求得B相对于A的权重[5]。

3.4 建立数学模型进行综合评价

适宜性综合评价评分的数学模型是通过利用多项目决策的线性加权方法来建立一个广义的目标函数，将适宜性评价中的各个子因素有机结合起来，采用综合指数评价法评价其适宜性，其数学模型为：

式中，Z为综合评价指数；n为制约因素的个数；Xi为制约因素的权重；Yi为制约因素的赋值。

4 浅层地温能资源评价结果

4.1 计算公式

4.1.1 采用体积法计算浅层地温能容量

计算范围：只计算区内的适宜区（适宜区、较适宜区）范围；分别计算包气带和饱水带中的热容量，然后合并计算地质体的储热性能。在包气带中，其浅层地热容量按式（5）计算：

式中，QR为浅层地热容量，kJ/℃；QS为岩土体中的热容量，kJ/℃；QW为岩土体所含水中的热容量，kJ/℃；QA为岩土体中所含空气的热容量，kJ/℃。

式中，ρs为岩土体密度，kg/m3；CS为岩土体骨架比热容，kJ/（kg·℃）；θ为岩土体的孔隙率（或裂隙率）。

式中，ρw为水密度，kg/m3；CW为水比热容，kJ/（kg·℃）；ω为岩土体的含水量。

式中，ρA为空气密度，kg/m3；CA为空气比热容，kJ/（kg·℃）；M为计算面积，m2；d1为包气带厚度，m。

4.1.2 饱水带中浅层地热容量计算

在饱水带中，其浅层地热容量按式（9）计算：

式中，QR为岩土体浅层地热容量，kJ/℃；QS为岩土体骨架的热容量，kJ/℃；QW为岩土体中所含水的热容量，kJ/℃。

式中，d2为潜水面至计算下限的岩土体厚度，m；Qs的计算公式参照式（6），但厚度采用d2，其他同前。

4.2 参数选取

4.2.1 计算深度

根据本次调查，工作区内目前浅层地温能利用深度最多为100 m，本次分别计算实际利用深度0～100 m及浅层地温能可利用深度0～200 m的热容量。

4.2.2 物理及热物性参数选取

除卵石和砾砂热物性参数采用收集资料外，其他各岩性物理及热物性参数均采用本次取样测试的平均值。

4.3 评价结果

本区0～100 m深度内的浅层地热容量为7.112×1013kJ/℃， 相 当 于 标 准 煤 243.07万 t。本区0～200 m深度内的浅层地热容量为1.462×1014kJ/℃，相当于标准煤499.658万t。

经过计算得出，每年可减少二氧化硫排放量1.055万t、氮氧化物排放量0.372万t、二氧化碳排放量148.02万t、悬浮质粉尘排放量0.496万t、灰渣排放量6.204万t。

5 结语

根据浅层地温能开发利用工程结果，定州市的浅层地温能可利用资源量较大，已开发利用的比例很小。因此，人们应大力开发利用浅层地温能，这对于降低煤炭消耗量、减少环境污染和节省环境治理费用具有巨大的作用。

参考文献

1 地矿部河北水文工程地质勘察院.河北省定州市燕家佐水源地供水水文地质勘探报告[R].石家庄：地矿部河北水文工程地质勘察院，2014.

2 河北省地矿局国土资源勘查中心.太行山前旱庄水文地质调查评价报告[R].石家庄：河北省地矿局国土资源勘查中心，2005.

3 河北省地矿局第三水文工程地质大队.河北省浅层地热能调查评价与开发区划报告[R].衡水：河北省地矿局第三水文工程地质大队，2013.

4 河北省地矿局第三水文工程地质大队.河北省重点城市浅层地温能评价与开发利用规划[Z]，2014.

5 河北省地矿局第三水文工程地质大队.石家庄市浅层地温能调查评价[Z]，2016.