黄石城市规划区浅层地温能赋存条件及开发利用潜力评价研究

刘 徽， 沈 军， 杨伟卫， 蔡恒安， 黄 慧， 王胡杰

(湖北省地质局 第一地质大队，湖北 大冶 435100)

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度范围的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。浅层地温能以其分布广、储量大、高效无污染的特点，越来越多地被用于城市建筑供暖与制冷。但在浅层地温能开发应用中有许多制约因素,主要有地质、水文地质、岩土体热物理性质以及施工条件等。盲目开展地源热泵项目容易带来资源利用率不高、工程经济浪费等问题，部分工程甚至出现环境安全隐患。因此，开展浅层地温能赋存条件及开发利用潜力评价十分必要，这是能够最大程度获取社会、经济和环境效益的重要前提[1-3]。

目前黄石市浅层地温能开发利用激励政策和指导规划尚未出台，浅层地温能处于无序开发状态，在应用规模和水平上有非常大的提升空间。由于未系统评价黄石城市规划区的浅层地温能赋存条件及资源量，给城市规划建设、绿色发展和节能减排带来一定不确定性。查明研究区浅层地温能潜力，建立黄石市浅层地温能资源科学利用综合管理平台，将为黄石市的经济建设和社会发展发挥应有的作用。

以“黄石城市自然资源与生态环境地质调查”项目成果为基础，系统阐述研究区浅层地温能赋存条件及影响开发利用的主要因素，在此基础上分别建立地下水、地埋管开发利用适宜性评价体系并开展适宜性分区评价，结合试验数据计算浅层地温能资源量及开发利用潜力。研究成果对评价浅层地温能资源的开发利用方式是否合理和利用效率高低都具有重要意义。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于长江中下游南岸，湖北省的东南部。研究区范围即黄石市城市规划区，包括黄石港区、西塞山区、下陆区、铁山区的全部，大冶市金山街道托管部分、汪仁镇的全部，阳新县韦源口镇、大王镇与太子镇的全部，总面积为701 km2。

1.2 气象与水文

研究区地处亚热带温暖湿润季风气候区，具有冬冷夏热、四季分明的特点。年平均气温为17 ℃，最热月份(7月)平均29.2 ℃，最冷月份(1月)平均3.9 ℃；极端最高气温为40.3 ℃，极端最低气温为-11 ℃。无霜期年平均264 d，年平均降雨量1 382.6 mm，年平均降雨日132 d，年日照时间1 666.4—2 280.9 h。多东南风，年平均风速为2.17 m/s。

区内地表水体发育，最大的是长江，其次为湖泊。长江自西北向东南流经研究区东北缘，北起鄂州市杨叶乡艾家湾，下至阳新县韦源口镇。大冶湖水系、保安湖水系及若干干流、支流和数百个大小湖泊组成本区湖泊水系。

1.3 地形地貌

研究区北邻鄂州花家湖，南界为NWW走向的父子山，黄石中心城区与大冶湖生态新区之间为近EW走向的黄荆山，地势高低起伏不定，海拔标高多在200～500 m。黄荆山与父子山之间主要为地势平缓的环大冶湖平原区，海拔标高多在10～50 m。按相对高度及地貌成因的不同，可分为低山—丘陵区、湖盆区和河谷冲积区。

1.4 地质概况

区内地层主要属扬子区下扬子分区大冶小区，北东角为昆仑—秦岭区大别山分区南部小区。地层出露较全，除下泥盆统及下石炭统缺失外，自寒武系至第四系均有出露。寒武系—下三叠统主要为海相碳酸盐岩，其次为碎屑岩。中三叠统及以上地层以陆相碎屑岩为主，局部为火山岩，分布于大冶—富池口以北地区。

2 浅层地温能赋存条件

2.1 岩土体结构特征

区内地质构造复杂，地层浅部为剥蚀堆积、冲洪积、湖积成因的第四系粘性土、砂层，深部为古生界—新生界基岩，岩性包括砂岩、粉砂岩、灰岩、页岩等。

2.2 岩土体热物性特征

野外现场开展了10组/10孔热响应试验，每孔均采用埋设传感器法和无功循环法测试，获取了岩土体初始地温特征。采集了370组岩土体进行室内测试，获取了岩土层物理参数及热物性参数(表1)。

表1 岩土体热物性参数测试结果表Table 1 Test results of thermal physical parameters of rock and soil mass

土体比热容高于岩石，一般>1.18 kJ/(kg·℃)，且土体粒径越小，含水量越高，比热容一般越大。本区广泛分布的粉砂岩比热容在1.0 kJ/(kg·℃)左右；灰岩、页岩、角砾岩比热容相对较小，一般为0.87～0.98 kJ/(kg·℃)。

导热系数方面，粘性土的导热系数较小，一般<1.5 W/(m·℃)；灰岩、页岩的导热系数较大，一般>2.0 W/(m·℃)；粉砂岩居中，一般为1.68～2.01 W/(m·℃)。

2.3 水文地质条件

研究区地处构造活动带，其含水岩组的分布除受地形、地貌条件影响外，也明显地受地质构造的控制。根据地下水赋存条件、岩石水理性质及地下水水力特征，将地下水含水岩类划分为碳酸盐岩含水岩类、岩浆岩类风化裂隙含水岩类、碎屑岩裂隙孔隙含水岩类和第四系松散岩类孔隙含水岩类四个大类。

2.4 地温场特征

研究区由地表至地下100 m深度，地温由低到高，温度变化范围为18.6～20.1 ℃。地下约15 m至地表范围内温度变幅较大，其中0～-5 m段温度变幅最大，-5～-15 m段温度变幅逐渐减小，-15 m以下受季节气候影响相对较小。

3 开发利用适宜性分区及资源量评价

3.1 开发利用适宜性分区

采用层次分析法分别对地下水、地埋管地源热泵适宜性进行分区评价。地下水地源热泵适宜性评价的目标层为地下水地源热泵适宜性分区；属性层由地质及水文地质条件、地下水动力条件、地下水化学特征、开采能力及环境影响和施工成本组成；要素指标层包括含水层出水能力、含水层回灌能力、地下水位埋深、地下水位动态变化、地下水水质、地下水开采能力、环境地质灾害易发性、成井条件等8个要素[4]。地埋管地源热泵适宜性评价的目标层为地埋管地源热泵适宜性分区；属性层由地质条件、水文地质条件、地层换热能力和施工成本组成；要素指标层包括第四系厚度、浅层地质结构分区、有效含水层厚度、分层地下水水质、地层热扩散系数、地层每延米换热量和钻进条件等7个要素[5]。研究区开发利用适宜性分区结果见图1。

图1 黄石城市规划区浅层地温能开发利用适宜性分区图Fig.1 Suitability zoning map of shallow geothermal energy development and utilization in Huangshi urban planning area1.地埋管适宜区；2.地埋管较适宜区；3.地埋管适宜性差区；4.地下水较适宜区；5.地下水适宜性差区。

由图1可看出，地下水地源热泵系统开发利用较适宜区主要为团城山—下陆一带，分布面积约6.94 km2，其特点为可利用的地下水资源量较丰富且含水层出水、回灌能力较强；其它区域含水层出水能力弱，地下水地源热泵系统开发利用适宜性差。区内大部分区域均适宜或较适宜地埋管地源热泵系统建设，分布面积约为367.11 km2，其主要特点为覆盖层厚度相对较薄，地埋管换热孔的施工成本较低，同时换热孔内基岩段所占比例较高，换热功率整体较好。

3.2 浅层地温能资源量评价

3.2.1浅层地温能热容量计算

根据目前黄石市地源热泵系统施工钻孔深度为100 m左右的现状，本次研究计算了100 m深度范围内的浅层地温能资源热容量。

根据本区的实际情况，本次浅层地温容量评价按规范标准[6]，采用体积法分别计算包气带和饱水带中单位温差储藏的热量，然后合并计算评价范围内地质体的储热量。

研究区100 m以浅浅层地温能热容量计算分区是根据项目施工的钻孔资料，结合区内岩土体物理、热物性质参数综合计算所得。按各分区面积分别计算即可得出该区总热容量。需要说明的是，本次热容量计算评价不包括地表水区和适宜性差区。

研究区100 m以浅浅层地温能热容量分区计算结果见表2，100 m以浅的浅层地温能总容量为9.40×1013kJ/℃，约合每摄氏度539.94万t标准煤。

表2 黄石城市规划区100 m以浅浅层地温能热容量分区计算表Table 2 Calculation table of geothermal energy and heat capacity ofshallow layer above 100 m in Huangshi urban planning area

3.2.2浅层地温能换热功率计算

根据黄石市地埋管地源热泵系统经验，换热孔均按照网格状分布，孔间距为5 m，在1 km2范围内均匀布孔的钻孔数为4万个。黄石城市规划区地埋管地源热泵系统建设用地综合土地利用系数为31.11%。综合考虑土地利用系数，则在平均1 km2适宜区和较适宜区内可布置换热孔数量为12 444个。

研究区地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区面积为367.11 km2，夏季制冷工况下换热功率为2.97×107kW，冬季供暖工况下换热功率为2.78×107kW，则一个制冷季(120 d)可向地下排放的热量为1.54×1014kJ，一个采暖季(90 d)可从地下提取的热量为1.08×1014kJ，则黄石城市规划区地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区可利用资源量为2.62×1014kJ，折合标准煤1 495.47万t。若不考虑土地利用系数，则可利用资源量为8.42×1014kJ，折合标准煤4 807.06万t。

3.2.3浅层地温能资源潜力评价

根据单位面积地埋管浅层地温能可利用资源量与制冷、供暖负荷值，可求得单位面积地埋管浅层地温能资源可制冷、供暖面积。计算可得，研究区地埋管地源热泵适宜区和较适宜区单位面积(1 km2)夏季可制冷面积为9.02×105～1.15×106m2(图2)，总面积为3.71×108m2;单位面积(1 km2)冬季可供暖面积为1.19×106～1.52×106m2(图3)，总面积为4.79×108m2。

图2 黄石城市规划区地埋管地源热泵系统潜力评价图(制冷期)Fig.2 Potential evaluation of ground source heat pump system in Huangshi urban planning area (cooling period)

图3 黄石城市规划区地埋管地源热泵系统潜力评价图(供暖期)Fig.3 Potential evaluation of ground source heat pump system in Huangshi urban planning area(heating period)

4 结论

(1) 从浅层地质结构特征、水文地质条件、岩土体热物性特征、浅层地温场特征等方面系统分析了研究区浅层地温能赋存条件，发现研究区浅层岩土体地温为18～22 ℃，适宜开发利用浅层地温能。

(2)采用层次分析法评价了研究区浅层地温能开发利用适宜性，发现地下水地源热泵系统开发利用较适宜区主要分布于团城山—下陆一带，分布面积约6.94 km2,其余地区为不适宜区和地表水分布区；地埋管地源热泵系统开发利用较适宜区和适宜区在全区均有分布，分布面积约367.11 km2。

(3) 计算得出研究区地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区可利用资源量为2.62×1014kJ,资源利用总潜力为夏季可制冷面积3.71×108m2,冬季可供暖面积4.79×108m2。