河南省沿黄地区地热资源分布与开发利用建议

摘 要：地热资源是清洁环保的新型可再生能源，河南省沿黄地区浅层地热能和深层地热水资源丰富，开发利用浅层地热能和深层地热水资源可以缓解资源与环境压力、减少二氧化碳排放量、促进生态文明建设与经济可持续发展。河南省沿黄8个主要城市浅层地热能可开采资源量为6.448 9×1014 kJ/a，折合标准煤2 200.55万t/a;沉积盆地埋深2 500 m以上热储层储存的地热流体量约3.12万亿m3，地热流体可开采量约为7 662万m3/a，可利用的热能量约10.88万亿kJ/a，折合标准煤约37.13万t/a;隆起山地地热流体可开采量为838.77万m3/a，可利用热能量为2.318 494×1016 J/a，折合标准煤78.80万t/a。通过分析河南省沿黄地区地热地质、水文地质条件、成因类型及分布等，探讨了浅层地热能开发利用适宜性和开发利用潜力，以及地热资源勘查与开发利用存在的问题，提出应在整体规划、合理开发和有效利用地热资源的前提下，大力开发利用浅层地热能和深层地热水资源。

关键词：地热资源;开发利用;地质条件;河南省沿地地区

中图分类号：P314.3;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.024

Abstract：Geothermal resources are new clean and green renewable energy. The Yellow River Basin in Henan Province is rich in shallow geothermal energy and deep geothermal water resources. The development of them can alleviate the pressure on resources and the environment， reduce carbon dioxide emissions andpromote ecological progress and sustainable economic development.The amount of recoverable resources of shallow geothermal energy in eight major cities along the Yellow River totals 6.448 9×1014 kJ/a， which is equivalent to 22.005 5 million t/a of standard coal. The amount of geothermal fluid stored in thermal reservoirs with a depth of more than2 500 m in the sedimentary basin of the Yellow River Basinis about 3.12 trillion m3， the recoverable amount of geothermal fluid is about 76.62 million m3/a， and the available thermal energy is about 10.88 trillion kJ/a， equivalent to about 37.13×104 t/a of standard coal. The geothermal recoverable resources of ten geothermal fields including Wentang geothermal field in Shaanzhou in the west of Sanmenxia City were calculated. The recoverable amount of uplift mountain geothermal fluid is 838.77×104 m3/a， and the available thermal energy is 2.318 494×1016 J/a， which is equivalent to 78.80×104 t/a of standard coal. After analyzing the geothermal and hydrogeological conditions， genetic types and distribution， the feasibility and prospect of development and utilization of shallow geothermal energy as well as issues arising from them were discussed. It is proposed that on the premise of overall planning， rational development and effective use of geothermal resources， we will scale up the development and utilization shallow geothermal energy and deep geothermal water resources significantly.

Key words： geothermal resources; exploitation and utilization; geological condition; areas along Yellow River of Henan Province

地熱资源是清洁环保的新型可再生能源，具有节能、清洁和可再生的特点，可用于发电、供暖、洗浴、养殖、医疗保健等，是我国鼓励大力发展和开发利用的新能源。从广义上说，地热资源是指贮存在地球内部的可再生热能，它是一种宝贵的综合性矿产资源，目前可利用的地热资源主要包括天然出露的温泉、通过热泵技术开采利用的浅层地热能、钻井直接开采利用以及干热岩体中的地热资源。地热资源相对稳定，能源利用系数高，平均为73%，是太阳能的5.4倍、风能的3.6倍，而且二氧化碳减排效果显著[1-5]。

河南省位于黄河流域中下游，是中原地区最为重要的生态廊道。沿黄河自上而下分布的三门峡、洛阳、济源、焦作、郑州、新乡、开封和濮阳8个省辖市，总人口约4 000万人，是河南省能源消费的主要地区。河南省沿黄地区浅层地热能和深层地热水资源丰富，在整体规划、合理开发和有效利用的前提下，大力开发利用浅层地热能和深层地热水资源，在缓解资源与环境压力、减少二氧化碳排放量、促进生态文明建设与经济可持续发展、实现黄河流域生态保护和高质量发展国家战略等方面具有重要意义[6-9]。

1 浅层地热能赋存条件

1.1 浅层地热能分布及赋存层位

河南省沿黄地区浅层地热能广泛分布于黄河下游冲洪积平原区的郑州、开封、新乡、濮阳，山前冲洪积倾斜平原区的焦作，以及山间盆地区的洛阳、济源和三门峡等地，赋存层位主要为200 m以浅第四系及新近系上部的松散堆积物，松散堆积物和储存于其孔隙内的地下水为浅层地热能的载体，其厚度为数米至百米以上。西部山间盆地区及山前冲洪积倾斜平原区地层岩性为以冲积、冲洪积等粗粒相沉积为主的砂卵石、砂砾石、粗砂、中砂;东部黄河冲积平原区地层岩性以第四系、新近系黏性土、粉土、细粒相砂土为主[10-11]。

1.2 水文地质条件

浅层地热能资源与水文地质条件密切相关，其分布、赋存、运移、利用方式等都受水文地质条件控制。松散岩类孔隙地下水是浅层地热能的良好载体，河南省沿黄地区松散岩类孔隙地下水主要赋存于第四系、新近系各类砂层、砂砾石层及卵砾石层孔隙中。含水层厚度自山前向平原逐渐增大，由数米至几十米，在河谷地带一般有卵石层分布，具有埋藏浅、厚度大、分布广且稳定、渗透性强、补给快、储存条件好、富水性强等特点。尤其是山前洪积扇、黄河冲积扇、盆地中的河谷平原等地段，水文地质条件优越，单位涌水量10～30 m3/（h·m）。其地下水主要接受大气降水入渗补给、地表水入渗及侧渗补给，为浅层地热能开发利用的良好循环水源。浅层地下水一般为潜水-微承压水，局部为承压水[12-21]。

黄河冲积平原含水层由中更新统上段、上更新统和全新统的砂砾石、中粗砂、中细砂、细砂、粉细砂组成。含水层顶板埋深5～22 m，含水层底板埋深60～120 m。含水层自西向东颗粒逐渐变细，由厚变薄，由单层变为多层。由古河道或河流主流带向两侧，含水层颗粒由粗变细，富水性减弱，见图1。含水层富水性相对较好，单位涌水量为10～25 m3/（h·m）。洛阳、济源和三门峡山间盆地区含水层岩性以冲洪积的卵砾石、砂砾石为主，含水层富水性极强（见图2），单井出水量一般大于3 000 m3/d，地下水与地表河水联系密切，天然条件下，河水以排泄地下水为主;受人为开采地下水影响，在城市地段地下水水位明显低于河水位，河水的侧渗或渗漏是地下水的主要补给源[22-25]。

2 浅层地热能开发利用适宜性

浅层地热能利用主要是通过热泵技术的热交换方式来实现的，地源热泵系统是以岩土体、地下水为冷（热）源，由水源热泵机组、地热能交换系统等组成夏季制冷、冬季供热的空调系统。河南省浅层地热能开发利用主要采用地下水地源热泵系统，其占90%以上[26-28]。

2.1 地下水地源热泵系统应用的适宜性

地下水地源热泵系统将地下水作为冷（热）源，水文地质条件决定了一个地区是否能满足用户制冷负荷或制热负荷的需要。为了保护地下水资源与生态地质环境，地下水地源热泵系统要求100%回灌所抽取的水量，根据这一原则，选择供水条件、回灌条件以及水化学条件等对河南省沿黄地区地下水地源热泵系统应用适宜性进行了分区评价。结果显示：河南省沿黄地区大部分地区为地下水地源热泵系统适宜区和较适宜区。地下水水源换热方式适宜区主要分布在郑州、开封、新乡南部以及洛阳盆地的中心部位，较适宜区分布在黄河冲积平原和三门峡盆地、洛阳盆地外围地带。这些地区第四系及新近系厚度一般大于200 m，含水层单层厚度较大，富水性好，地下水回灌效果好（抽灌井比例小于1∶3的地区）;不适宜区分布在富水性较差、岩性颗粒较细的地区。地下水地源热泵系统应用的适宜性主要受含水层富水性、含水层岩性、地下水水位和补给模数等影响[29-34]，见图3。

2.2 地埋管地源热泵系统应用适宜性

地埋管地源热泵系统通过传热介质（水或加入防冻剂的水）在密闭的竖直或水平地埋管换热器中循环，利用传热介质与地下岩土体之间的温差进行热交换，实现对建筑物的供暖与制冷[35-39]。因此，对其适宜性评价应以地质条件为基础，影响地埋管地源热泵系统适宜性的因素包括地层岩性、地层厚度、地层热物理参数、地下水埋深、径流条件等，评价时还应考虑浅层地下水水位下降漏斗、地面沉降区和地裂缝等环境地质问题。河南省沿黄地区地埋管地源热泵系统适宜性主要受松散层厚度、土层导热系数、地下水径流条件、环境地质状况等影响，适宜区分布在松散层厚度大、土层导热系数大、地下水径流条件好及环境地质问题少的黄河下游冲积平原，较适宜区分布在松散层厚度较大、土层导热系数较大、地下水径流条件较好及环境地质问题较少的洛阳盆地和三门峡盆地中心，山前地带及盆地外缘为不适宜区[40-42]，见图4。

3 浅层地热能开发利用潜力

根据河南省主要城市浅层地热能调查资料，在考虑土地利用系数的情况下，沿黄8个主要城市浅层地热能可开采资源量Q为6.448 9×1014 kJ/a，折合标准煤2 200.55万t/a;夏季换热功率为3 198.73万kW，冬季换热功率为3 276.24万kW;夏季可制冷面积为43 926万m2，冬季可供暖面积为58 510万m2;夏季制冷潜力为535.28万m2/km2，冬季供暖潜力为694.49万m2/km2，见表1。

4 深层地热资源

4.1 地质条件

河南省沿黄地区大地构造属中朝准地台的南部（东亚裂谷系的华北裂谷带、太行山隆起带与西安—徐州裂谷转换带），自上游至下游依次为华熊台缘坳陷、嵩箕台隆、华北台坳和鲁西中台隆二级构造单元，见图5。受基底构造及断裂活动影响，形成一系列次级断（坳）陷盆地和断块隆起。河南省沿黄地区以新乡—商丘深断裂为界，以西沿黄地区受基底构造线控制，坳陷与隆起呈近东西向或北西向展布，包括崤山—鲁山拱褶断束、渑池—确山褶皱断束、济源—开封坳陷和通许凸起;以东黄河下游地区坳陷与隆起均为北北东向，且相间分布，包括汤阴断陷、内黄隆起、东明断陷、菏泽隆起等。古近纪以后，黄河下游平原区继续大幅度下沉接受沉積，堆积了厚500～1 000 m的新近系、第四系松散堆积物。热储地层由老至新主要为古生界寒武系、奥陶系，新生界新近系和第四系。

地质构造对地热资源具有明显控制作用，特别是一些深大断裂成为导水、导热的地下热源通道。研究区对地热资源影响较大的主要控热、导热断裂有青羊口断裂（汤西断裂）、太行山东麓断裂（汤东断裂）、聊城—兰考断裂、盘古寺—新乡断裂（太行山南麓山前断裂）、新乡—商丘断裂、五指岭断裂、三门峡—鲁山断裂等。

河南省沿黄地区大地热流值为26.4～92.1 mW/m2，平均值为52.07 mW/m2，热流值最高点92.1 mW/m2，分布在菏泽凸起区的范县，见图5。总体来说，坳陷盆地内凸起区热流值高于凹陷区的，构造发育部位热流值相对较高;隆起区和山前地带除局部地段外，一般热流值较低。

4.2 地热资源成因类型及分布

根据地热田所处的大地构造环境、沉积相特征及地温场成因机制，地热田类型可分为沉积盆地传导型和隆起山地对流型两种。另外，在隆起山地和沉积盆地的局部地区存在受沉积盆地和断裂构造双重作用控制的对流—传导混合型地热田，见图6。

河南省沿黄地区热储层以沉积盆地传导型为主，热储介质主要为新近系、古近系弱胶结砂岩和寒武-奥陶系碳酸盐岩，其因具有多层结构和面状分布的特点，故又称为层状热储。层状热储可进一步划分为孔隙型层状热储、岩溶型层状热储、基岩裂隙型层状热储、孔隙-岩溶型层状热储和岩溶-裂隙型层状热储等。垂向上按其结构组合可分为单一热储结构和双层热储结构两种类型。单一结构热储主要分布在三门峡—灵宝盆地边缘地带、洛阳盆地西—洛宁一带、济源盆地以及黄河下游平原的开封坳陷、东明断陷等地。热储层为新近系、古近系或古生界寒武-奥陶系。在郑州—荥阳、巩义一带分布有上部为三叠系砂岩及构造裂隙热储层，下部为岩溶热储层的双层结构热储。在黄河下游平原大部分地区、洛阳盆地和灵宝盆地中心地带，热储层主要为新近系+古近系、新近系+古生界双层结构热储。据钻孔测温资料统计，地温梯度为2.0～4.8 ℃/100 m，一般为2.5～3.2 ℃/100 m。受区域性深大活动性断裂影响，地温梯度明显增大，如济源—商丘断裂带地温梯度为3.6～4.8 ℃/100 m，一般地下热水温度达到100 ℃，埋深需超过2 500 m。

隆起山地对流型热储（带状热储）分布于隆起山区，主要由岩浆岩、变质岩和古生代沉积地层组成，热源主要靠地下水深循环后沿断裂通道或溶隙裂隙对流传递，地表水热活动最早以温泉的形式显示，但随着开采强度的加大，现如今大部分温泉成了枯泉，其开发利用主要通过地热井的开采来实现。该类热储主要受活动断裂的控制，根据控制热储形成的断裂构造附近的岩性不同，隆起山地热储可分为岩溶型带状热储和其他基岩裂隙带状热储（花岗岩、火山岩、碎屑岩），热储带宽度受断裂构造破碎带宽度制约，一般为数十米至数百米，宽者可达数千米。河南省沿黄地区隆起山地热储主要为古生界岩溶型带状热储，分布在郑州三李、济源省庄、洛阳龙门、陕州区温塘等地。地热水温度变化较大，水温一般为40～65 ℃，最高为洛阳龙门张沟地热井，井深966 m，井口水温达98 ℃。

4.3 地热资源量

河南省沿黄地区沉积盆地埋深2 500 m以浅热储层储存的地热流体量约3.12万亿m3，地热流体可开采量约7 662万m3/a，可利用的热能量约10.88万亿kJ/a，折合标准煤约37.13万t/a[43]。

根据对陕州区温塘地热田、龙门地热田、暖泉沟地热田、寺沟地热田、周村地热田、嵩县汤池地热田、栾川潭头地热田、省庄地热田、郑州三李地热田、新郑矿区等10处地热田地热可开采资源量的计算，隆起山地地热流体可开采量为838.77万m3/a，可利用热能量为2.318 494×1016 J/a，折合标准煤78.80万t/a[44]。

5 地热资源勘查与开发利用存在的问题

（1）地热资源勘查研究程度低，缺乏整体规划，勘查开发深度浅。虽然前期的地质勘查工作取得了一定成果，在地热资源开发利用中发挥了一定作用，但地质勘查工作缺乏整体规划，精度不够，研究不够深入系统，勘查成果零星、分散。地热资源研究深度集中在1 500 m以浅，大于1 500 m的深部资源量不清楚，尚未进行全面勘查研究，而且存在很多盲目凿井、盲目开采和严重超采的地区，在造成经济损失的同时，还引起了一系列地质环境问题[45-46]。

（2）地热资源开发利用程度严重不足。目前，河南省沿黄地区地热资源开发利用仍处于初级阶段，地热在能源结构中占比不足1%。浅层地热能主要在地级以上城市开发利用，县级以下城镇及广大农村极少利用;深部地热资源利用深度集中在1 500 m以浅，大于1 500 m的深部地热资源较少开发利用。

（3）地热资源开发利用水平低、模式单一，资源浪费严重。由于缺乏规划和指导，因此地热资源开发用途不尽合理，开发方向不明，地热开发与城市建设和房地产业、公共服务业没有很好地结合，利用率和经济效益低。地热资源利用形式单一，目前对于开采出来的地热资源，主要为洗浴和生活利用，只利用其一定温度阶段的能量，用于地热供暖、养殖和种植的较少，其他阶段的热能都白白浪费掉了，缺乏综合的梯级利用理念及实践。开发单位以“单井独户”为主，未形成规模化开发利用，产业化体系仍处于较低水平。温泉洗浴尾水（大约38 ℃）直接排放，造成热能浪费和热污染，且破坏环境[47-48]。

（4）地热资源勘查与开发管理需要进一步加强。目前流域内无专门的地热能开发主管部门，导致监督管理不力。浅层地热能地源热泵系统项目建设和深层地热井施工队伍技术水平不高，验收标准不统一。地热能开发主要是开发商与业主结合的市场商业行为，各级政府还未出台相关管理政策，缺少规范化管理，要么管理缺位，要么管理越位，对“假回灌”单位处理不力，或无人过问，对勘查、开发、设计没有统一管理，严重影响开发效果。

（5）地热资源的开发利用未进行动态监测。地热资源的开发和热泵系统的运行未进行有效的水量、水质、水位等实时监测，对地质环境的长期影响不清楚。目前多数地热井及浅层地热能利用用户没有进行运行监测，缺乏水質、水位、水温等动态监测数据，同时用户缺乏对地源热泵机组功率、耗能、制热、制冷量等的监测，不能为地热资源开发利用规划提供可靠依据。

6 地热资源保护与开发利用建议

河南省沿黄地区地热资源丰富，正确处理好地热资源开发与生态、环境与经济之间的关系，可以促进黄河流域生态保护与高质量发展。

（1）建立地热资源勘查与开发利用统一管理体系。制定地热资源勘查与开发利用管理办法，做好前期论证和审批工作;加强对现有地热资源开发利用用户的监管，规范市场开发行为。

（2）加强地热资源勘查开发研究，科学规划，合理开发利用。进一步加强地热资源勘查开发研究，对于浅层地热能，加大中小城镇和广大农村地区的勘查和开发利用适宜性评价研究;对于深层地热能，加大2 500 m以深热储层的勘查研究，查清不同地区可开发利用的地热资源量及其开发利用条件。在此基础上，科学编制地热资源开发利用规划，合理布局，因地制宜制定适宜的开发利用方案。

（3）加强地热资源勘查与开发利用技术研究。在地热资源开发的同时进行勘查与开发新技术研究，加强对地热开发利用过程中出现问题的研究。例如，保证回灌量和避免热污染等。地热可持续利用的一项重要技术措施就是回灌，回灌能减缓地热尾水排放对生态环境的影响，有效提高地热资源的再利用率，保护地热储层压力，从而实现地热资源的稳定开采和可持续利用。加大地热钻探设备投入和钻探技术创新工作。目前，地热井钻井设备，无论是性能还是成井工艺都存在一些问题，如钻井设备性能差、地层污染严重、地热井使用寿命短等。另外，针对地热开发模式单一、资源浪费严重的问题，研究探索供暖—洗浴—养殖—灌溉（或回灌处理）等梯级开发利用模式，循环利用，既不浪费资源，又不污染环境。

（4）加强地热资源开采动态监测。建立地热能开发利用动态监测系统，对地热能开发利用进行实时动态监测，严格进行地热系统水质、水位、开采量等动态监测工作，做好水量、水位和水质变化的预测工作，防止地热水水质恶化和水量超采。同时，应加强水量、水位和水质变化规律研究，水井布局和井深的合理性研究等，确定能够使水位（头）、水质保持相对稳定的开采量，以确保地热资源的可持续利用。

参考文献：

[1] 王贵玲，刘彦广，朱喜，等.中国地热资源现状及发展趋势[J].地学前缘，2020，27（1）：1-9.

[2] 周总瑛，刘世良，刘金侠.中国地热资源特点与发展对策[J].自然资源学报，2015，30（7）：1-7.

[3] 耿莉萍.中国地热资源的地理分布与勘探[J].地质与勘探，1998，34（1）：51-52.

[4] 张金华，魏伟，杜东，等.地热资源的开发利用及可持续发展[J].中外能源，2013，22（1）：8-9.

[5] 张金华，魏伟.我国的地热资源分布特征及其利用[J].中国国土资源经济，2011，24（8）：7-12.

[6] 李宏伟，米利华.河南伊川中生代盆地控油构造及石油勘探前景分析[J].河南理工大学学报（自然科学版），2009，36（4）：8-10.

[7] 王转转，欧成华，王红印，等.国内地热资源类型特征及其开发利用进展[J].水利水电技术，2019，50（6）：10-14.

[8] 杨守渠，孙天立，邹乾胜，等.洛阳市龙门高温地热井的综合物探勘查[J].物探与化探，2012，36（4）：562-566.

[9] 郑敏，黄洁.冰岛地热资源的开发利用[J].西部资源，2007，4（1）：50-51.

[10] 刘凯，王珊珊，孙颖，等.北京地区地热资源特征与区划研究[J].中国地质，2017，44（6）：30-34.

[11] 柯柏林.北京城区地热田西北部地热地质特征[J].现代地质，2009，23（1）：56-59.

[12] 马凤如，林黎，王颖萍，等.天津地热资源现状与可持续性开发利用问题[J].地质调查与研究，2006，35（3）：41-43.

[13] 王福花，侯欣英，孙鹏，等.山东菏泽地区地热田地质特征[J].山东国土资源，2008，24（4）：40-43.

[14] 马晓东，周长祥，王强，等.聊城东部地热田地质特征研究[J].山东科技大学学报（自然科学版），2008，27（4）：16-18.

[15] 徐九儒.洛阳龙门地热的形成及赋存特征的分析[J].城市地质，2011，6（3）：67-69.

[16] 王现国，董永志，杨现国，等.洛阳盆地地热资源形成条件与开发利用研究[J].地下水，2007，29（4）：76-78.

[17] 阎留运，徐九儒.洛阳盆地地热资源与龙门地热田的关系[J].中国煤田地质，2002，14（1）：37-41，56.

[18] 王建锋.洛阳龙门石窟地温场研究[J].中國岩溶，1995，39（4）：9-12.

[19] 王现国，葛雁，杨现国.洛阳盆地地热地质特征研究[C]//中国地热资源开发与保护：全国地热资源开发利用与保护考察研讨会论文集.北京：中国能源研究会地热专业委员会，2007：114-118.

[20] 王现国，彭涛，张领，等.洛阳盆地浅层地下水资源数值模拟评价[J].工程勘察，2010，38（6）：38-43.

[21] 许文峰，王现国，刘记成，等.洛阳盆地地下水动力场环境演化研究[J].人民黄河，2007，29（2）：54-55.

[22] 吕志涛，王伟峰.河南省洛阳盆地地热资源成因类型分析[J].地下水，2006，28（1）：36-39，43.

[23] 杨守渠，孙天立，邹乾胜，等.洛阳市龙门同一隐伏断裂构造上热水、凉水井勘探[J].物探与化探，2005，29（4）：326-328.

[24] 杨国华，吴琦.洛阳市龙门温泉成因探讨[J].水文地质工程地质，2003，30（6）：58-61.