徐州市主城区浅层地温能开发适宜性分区研究

景佳俊， 王宏沛， 管祯， 单雨阳

(江苏省地质矿产局第五地质大队，徐州 221004)

0 引言

浅层地温能资源是指储集在地表200 m以内的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能[1-3]。该资源的储集、运移、传导、开发利用都受到区域地质、水文地质及岩土体热物理性质的制约，不同区域的资源规模和利用方式存在较大差异。徐州市作为苏北工业重镇，能耗需求巨大，但浅层地热资源尚未得到正规的开发和利用，且未进行过区域性浅层地温能调查工作。目前多为小型开发公司无序开发，可能引发一系列地质环境问题。为推动徐州市浅层地温能的开发利用并为其勘查、规划提供可靠依据，对徐州主城区浅层地温能进行了调查与评价。徐州市在2014年开展了城市地质调查工作，贾汪区政府办公楼和植物园等典型浅层地温能开发利用工程为本次工作提供了基础研究资料。

浅层地温能开发适宜性分区，是在系统方式选择和资源评价方法的基础上，全面分析浅层地温能赋存规律、开发利用工艺过程及开发利用系统可行性条件和经济效能后，对工作区进行的适宜程度划分。目前国内的浅层地温能开发利用研究，主要采用层次分析法、模糊判别法、灰色综合评价法等进行适宜性分区[4-12]。综合评价指标主要为地质、水文地质条件，岩土热物理性质,温度场特征，以及施工条件等。主要制约浅层地温能开发的因素为岩土体热物性及钻探成本。热物性试验表明，徐州地区不存在岩土体热物性的不适宜区。本次主要选取钻探成本进行适宜性分区，旨在为徐州城市规划区浅层地温能开发利用方式、规划及政府管理提供可靠依据。

1 研究区自然概况

徐州市位于江苏省北部，主城区面积644 km2，年平均气温14 ℃，一月平均气温-0.7 ℃，七月平均气温27 ℃，供热与供暖天数均为90 d，为浅层地温能开发提供了较好的条件。徐州市地处黄泛平原，位于鲁南山区南缘，属华北平原的一部分。总体地形特征西北和东南为平原区，中东和西南为低山丘陵及山前、山间平原区。平原区废黄河故道地势稍高，高程35.70～42.30 m，呈垅状高地横贯全区中部。黄泛冲积平原分布于废黄河故道两侧，地势低平，地面标高26.40～37.00 m，地势总体微向东南倾斜。

徐州市主城区地层属于华北地层区鲁西分区徐州—宿县地层小区的一部分，工作区大面积分布沉积岩，约占总面积的96%。其基岩出露面积为115.4 km2，约占主城区总面积的18%。徐州市主城区第四系分布较广泛，但受基岩起伏面和古地理环境变化的影响，厚度变化较大： 卧牛山以西40～100 m； 潘塘—棠张一带40～65 m； 其他地区10～40 m[13](图1，图2)。

图1 徐州市主城区第四系厚度等值线及岩溶分布

1.震旦系城山组; 2.震旦系张渠组—九顶山组; 3.寒武系下段; 4.寒武系中段; 5.寒武系上段; 6.奥陶系中—下段; 7.石炭系中—上段; 8.二叠系; 9.侏罗系蒙阴组; 10.白垩系王氏组; 11.下更新统; 12.中上更新统; 13.全新统; 14.青白口系； 15.黏土; 16.页岩; 17.砂岩; 18.灰岩; 19.白云岩

图2徐州市主城区地质剖面示意图

Fig.2GeologicalsectionofthemainurbanzoneinXuzhouCity

2 分区概述

目前开发利用浅层地温能资源的主要方式为地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统。徐州主城区绝大多数处于第四系厚度小于100 m的区域，地层岩性以灰岩为主，岩溶及隐伏岩溶区总面积达421.5 km2，地下水资源丰富，为徐州市供水水源。研究区属地下水源保护区，因此不具备地下水源热泵开发利用条件，仅适宜采用地埋管地源热泵开发利用浅层地温能。地埋管热泵空调系统，应确保在钻进技术条件和经济成本允许的前提下，地下岩土层具备可持续循环换热效力，且对地下温度场不会产生明显影响。

浅层地温能适宜性分区应遵循如下原则： 以地质条件为基础，水文地质条件为依托，热泵应用技术做媒介，经济与效益相结合，浅层地温能资源开发利用与地质环境保护相结合，平面划分与垂向控制相结合。

本次地埋管地源热泵开发利用适宜性分区研究，总结了工作区不同区域的开发利用地质条件，为浅层地温能勘查评价提供了前提条件，为具体工程勘察、设计提供了依据，为政府浅层地温能开发利用规划、项目管理及审批提供了参考。

3 分区方法与结果

在无活动断层条件下，现场观测20 m和100 m两层区域地温场特征，发现本区域地温场平缓，无明显异常点。本次评价主城区浅层地温能适宜性第四系厚度一般均小于100 m，限制浅层地温能开发利用的主要因素为岩土热物理性质和钻探成本。

3.1 工作区岩土体热物理性质

本项目在实施过程中采集了岩土样品进行了物理性质与热物理性质的分析测试，共取得热物性测试成果321件，其中第四系黏土105件、粉土50件、砂页岩45件、灰岩121件(表1)，基本涵盖了工作区100 m深度以浅的主要岩性类型。

表1 主要岩土体物性与热物性特征值

工作区第四系松散沉积物比热容室内测试结果为1.50～1.64 kJ/(kg·K)，导热系数为1.71～1.87 W/(m·K)； 基岩比热容室内测试结果为0.89～1.61 kJ/(kg·K)，导热系数为1.34～2.81 W/(m·K)。

工作区范围内完成了5组现场热响应试验，通过恒热流法和恒温法[14-15]，模拟夏季运行工况。研究区所有热响应试验孔均完成了至少50 h的大、小功率测试，且试验后期均出现较为明显的趋于水平的稳定段。本次计算发现各热响应试验孔地埋管导热系数一般在3.05～4.29 W/(m·K)左右，排热工况(入口温度/出口温度)35 ℃/30 ℃下，单位孔深排热量为42～54 W/m，符合《地源热泵系统工程技术规范》(GB 50366—2009)中应用地源热泵的相关要求。因此就换热效率而言，研究区不存在不适宜地埋管地源热泵系统难以进行换热工作的区域。

3.2 工作区钻探成本分析

根据《浅层地热能勘查评价规范》(DZ/T 0225—2009)，地埋管适宜性分区主要采用第四系厚度、卵石层总厚度和含水层总厚度3项指标(表2)。

表2 (竖直)地埋管换热适宜性分区指标及判断标准

就徐州地区而言，卵石层总厚度均小于5 m，第四系厚度小于100 m，在徐州地区第四系厚度30～50 m区域均属于黄泛冲积平原区，岩性以黏土、粉土和细砂为主，含水层厚度一般均大于10 m，在此条件下，工作区内基本均为较适宜区，不具备实际指导意义，故本次不局限于此规范分区。

对工程而言，浅层地温能是否适宜开发主要体现在钻井成本的差异和钻孔回填能力两方面。其中钻井成本取决于第四系覆盖层厚度、基岩厚度等地层岩性的优劣程度。

根据《工程勘察设计收费标准》(2002年修订本)，全部是松散地层的开挖成本要远小于全部是岩石地层的开挖成本。另结合实际工程经验，当100 m地层范围内松散地层和岩石各占一定比例时，钻井成本要高于全岩石地层的钻井成本。按照实际工程经验成本估算如表3(以φ130 mm钻孔为例)。

据此，在收集研究区钻井资料的基础上，可以得到各个钻孔及附近进行钻井活动的投资成本(设定钻进深度为100 m)，统计如表4。

表3 实际工程钻孔费用估算方法

表4 各钻井总收费情况一览表

注： 本统计表为实际钻探施工费用，与估算值存在一定差异。

3.3 分区方法

根据前文所述，徐州主城区岩土体热物理性质均适宜浅层地温能的开发应用，其余第四系厚度、卵石层厚度、含水层厚度、岩溶发育程度等均为制约钻探成本的基本因素，根据表3、表4统计钻探成本，将上述各单项评价因子综入评价。

以普通办公住宅为例，徐州地区空调总成本在500元/m2，供热负荷是100 W/m2。工程中一般认为钻孔成本高于总成本的30%时，属于高成本。结合之前的热响应测试结果，徐州城市规划区地埋管冬季工况换热功率的平均值为47 W/m。那么满足每平方米的冬季负荷要求，需要2 m深钻孔的换热量提供。当钻孔的成本为75元/m时，即100 m钻孔总成本为7 500元时为高成本。我们定义钻孔成本占总成本的15%～30%为较适宜区； 钻孔成本小于总成本的15%时为适宜区； 钻孔成本高于30%为不适宜区，具体见表5。

表5 地埋管地源热泵系统适宜性分区标准及类型

根据实施钻孔情况，结合区域地质发育情况，筛选出在徐州地区可能出现的地层。浅层地温能适宜性分区主要分为以下几种情况。

适宜区： 松散层在80 m以上且不存在岩溶地层； 无岩溶地层。

较适宜区： 松散层厚度大于50 m，存在岩溶； 松散层厚度小于50 m，存在碳酸盐岩，但岩溶不发育。

不适宜区： 第四系厚度小于50 m且岩溶发育。

3.4 分区结果

研究得出了徐州城市规划区地埋管地源热泵系统适宜性分区图(图3)。

徐州主城区地埋管换热适宜区域面积为131.73 km2，主要分布在规划区西北部及云龙区南部大面积区域。

较适宜区面积为277.47 km2，主要分布于鼓楼、泉山、铜山区一线以西,及贾汪区西南部。

不适宜区面积为234.94 km2，主要分布在鼓楼区北部,鼓楼、泉山、铜山区一线以东至云龙区,呈长条状分布，及铜山区东部和贾汪区南部。

本次评价适宜区范围内，目前尚无大型居民区，仅徐州潘塘收费站有一处开发利用工程。浅层地温能开发利用主要集中在较适宜区，如贾汪区目前已建成浅层地温能装机总容量10万m2; 坐落在鼓楼区的徐州市植物园总面积40万m2，目前浅层地温能利用效果良好。整体而言，本次分区基本符合徐州主城区开发利用实际，具备较强的指导作用。

4 结论

(1)徐州市主城区位于徐州复式背斜及其两翼，地势起伏，第四系厚度变化加大，地下水以碳酸盐岩岩溶裂隙水为主，浅层地温能资源赋存条件较差，但潜力巨大。

(2)开发利用浅层地温能应因地制宜选用合适的地源热泵系统，结合徐州市主城区实际情况，不具备开发利用水源热泵条件，仅能开发地埋管地源热泵系统。

(3)通过取样试验和现场热响应试验，单位孔深排热量均满足浅层地温能开发利用条件，本次仅以钻探成本高低进行了适宜性分区，使浅层地温能开发应用更具操作性。