南陽市區(qū)淺層地熱能的分布利用條件

王洪彥，楊 娜，鞠 霞

(河南省第一地質勘查院，河南 南陽473003)

南陽市區(qū)淺層地熱能的分布利用條件

王洪彥，楊 娜，鞠 霞

(河南省第一地質勘查院，河南 南陽473003)

分析南陽市區(qū)淺層地熱能資源分布規(guī)律，對編制開發(fā)利用規(guī)劃，科學利用淺層地熱能，對市區(qū)內進行地埋管地源熱泵換熱系統和地下水熱泵系統適宜性分區(qū)，同時對區(qū)域淺層地熱能進行評價，為南陽市城區(qū)淺層地熱能緩解協調發(fā)展，可持續(xù)利用及發(fā)展規(guī)劃提供依據。

淺層地熱能;富水性;排泄條件

近年來，隨著國家加大建設:“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”社會力度，突現國家節(jié)能減排目標。淺層地熱能是一種清潔、廉價、豐富、可再生的新興能源，它具有資源的基本屬性和特性。我國地源熱泵的興起帶動了淺層地溫的開發(fā)與利用，不斷被建筑行業(yè)接受和重視。溫家寶總理多次強調:“淺層地溫能源豐富寶貴，要重視保護工作，合理開發(fā)利用?！蹦详柺形挥诤幽鲜∥髂喜?。地理位置為南陽盆地中北部，全境東西長16.25 km，南北寬16 km，總面積174 km2，建城區(qū)面積約20 km2，郊區(qū)面積約154 km2。本文介紹了南陽市區(qū)淺層地熱能資源分布規(guī)律，對編制開發(fā)利用規(guī)劃，科學利用淺層地熱能，對市區(qū)內進行地埋管地源熱泵換熱系統和地下水熱泵系統適宜性分區(qū)，同時對區(qū)域淺層地熱能進行評價，為南陽市城區(qū)淺層地熱能緩解協調發(fā)展，可持續(xù)利用及發(fā)展規(guī)劃提供依據。

1 水文地質條件

研究區(qū)第四系地層發(fā)育，主要為一套沖積、洪積、沖洪積、坡積及冰積相松散地層，地下水賦存條件基本良好。區(qū)內，東部平原淺層地下水一般埋藏在60 m以上，而西部崗區(qū)，由于中更新統地埋藏淺、出露高，淺層地下水一般埋藏在5～25 m以上。根據地貌和地層巖性的不同，對本區(qū)含水層特征，分東部白河沖積平原含水層和西部壟崗含水層來闡述。

東部白河沖積平原含水層:該含水層由全新統和上更新統沖積層及中更新統沖洪積層組成。巖性為含礫卵石中粗砂、中細砂、砂礫卵石和含泥質砂礫石組成?？偤穸仍?～54 m。由于新構造運動和地貌部位的差異，形成西薄東厚、北薄南厚的沉積規(guī)律。如平原中東部王府以西到牛王廟間，含水層厚大厚度可達54 m，西部桐樹莊和崗區(qū)交接地帶，含水層厚度由15 m逐漸變成6 m;平原北部油泵油咀廠和達士營，含水層厚度分別只有12 m和24 m，平原南部的唐灣和趙莊，含水層厚度分別為18 m和48 m。

含水組的顆粒組成，由東向西總的規(guī)律是由粗變細，由東部白河漫灘區(qū)的粗砂礫卵石，至西部二級階地后緣漸變?yōu)橹屑毶啊?/p>

含水組垂直方向的變化規(guī)律是:上部全新統和上更新統的沖積層，結構疏松，含泥量少，顆粒純凈，級配比較均一;下部中更新統的沖洪積層，結構較密實，且含泥量多(一般為10% ～30%)，顆粒級配不均一，有時漸變?yōu)檎惩梁[石。

西部壟崗含水層(包括坡積裙):該含水層由中更新統洪積層、中上更新統坡積層及上更新統沖洪積層組成，巖性主要為粘土、亞粘土，含鈣質和鐵錳質結構，坡積層亞粘土中尚含碎石。該類土層上部，除鈣質結核密集部位裂隙不發(fā)育外，一般垂直節(jié)理及脹縮土的瓣狀裂隙比較發(fā)育，地下水屬粘性土裂隙水類型。含水層厚度與節(jié)理裂隙發(fā)育的深度密切相關，一般壟狀崗地及其邊緣，裂隙深度較崗間洼地為大，含水層厚度一般在5～15 m，其厚度略有北厚南薄、崗頂厚洼地薄的規(guī)律。

2 富水性分區(qū)

由于含水層的巖性、厚度、地下水的埋藏深度及補給條件的不同，含水層的富水性也有很大的差異。根據含水層不同部位的導水性能(導水系數)和單位涌水量(q)的大小，將本區(qū)含水層的富水性分為五個區(qū)，現分述如下:

2.1 潛水極富區(qū)

該區(qū)在白河北岸，主要分布在市區(qū)東北的白河漫灘、一級階地、二級階地與南部一級階地的東部部分和袁莊—王府一線東南的白河漫灘區(qū)。在白河南岸，分布在柳林莊—小盆窯一線以北的白河漫灘區(qū)、一級階地和二級階地的前緣部分。主要形狀大體呈以拉長的“S”形，面積約33.3 km2。占市區(qū)白河沖積平原面積的35.9%。含水層巖性，主要為礫卵石粗砂和砂礫石，含水層厚度在25～50 m之間，滲透系數在40～100 m/d之間，導水系數1 000～2 500 m2/d，給水度0.1～0.3，單位涌水量 30 ～60 m3/h·m，平均 49.77 m3/h·m［據32個井(孔)資料］，地下水埋深3～10 m。該區(qū)除受大氣降水補給外，白河在漫灘區(qū)的側滲補給也較可觀。該區(qū)除溫涼河口以下沿河地段水質較差外，大部分地區(qū)水質良好，開采方便，是城市開采地下水的最佳布井區(qū)。

2.2 潛水豐富區(qū)

該區(qū)在白河北岸，主要呈帶狀分布在二級階地與一級階地的中產和袁莊—王府一線西北的一級階地部分。在白河南岸，分布在柳林莊—小盆窯一線以南的白河二級階地部分，面積約37.0 km2，占市區(qū)白河沖積平原面積的39.8%。含水層巖性，主要為砂礫石，含水層厚度一般在15～44 m之間，局部 地段達50 m，滲透系數在40～100 m/d之間，導水系數600～1 000 m2/d，給水度 0.1 ～0.3，單位涌水量 15 ～30 m3/h·m，平均 23.84 m3/h·m，地下水埋深5 ～15 m。該區(qū)主要接受大氣降水補給，此外，在白河北岸東部與南部的一級階地區(qū)，沿接受白河部分側滲補給。

3.3 潛水中等區(qū)

該區(qū)主要分布在白河北岸二級階地與一級階地的西段。另外，在潛水豐富區(qū)的石油化工廠地段呈島狀出現)，面積約22.6 km2，占市區(qū)白河沖積平原面積的24.3%。含水層巖性，主要為中粗砂、中細砂含礫卵石，含水層厚度一般在5～25 m，而島狀分布區(qū)含水層厚度在30～42 m，滲透系數在40～80 m/d之間，導水系數 300～700 m2/d，給水度 0.1～0.25，單位涌水量 5 ～15 m3/h·m，平均 10.86 m3/h·m［據12個井(孔)資料］，地下水埋深2～4 m。該區(qū)主要接受大氣降水補給。

2.4 潛水貧水區(qū)

該區(qū)主要分布在西部崗區(qū)十二里河和梅溪河的寬淺洼谷地中，以及壟崗與東部平原交接的斜坡地帶，面積約30.5 km2，占壟崗區(qū)面積的面積的37.6%。巖性主要為亞粘土，含鈣質結核和鐵錳質結核，瓣狀裂隙比較發(fā)育，地下水主要為粘性土裂隙水，在洼地上游局部地段在洛陽鏟孔揭露，在亞粘土層下，有少量亞砂土和薄的砂層，含水層厚度一般在5～10 m，滲透系數在2～3 m/d，導水系數6～12 m2/d，給水度一般在0.067以下，單位涌水量3～5 m3/h·m，平均 4.86 m3/h·m［據12個井(孔)資料］，地下水埋深2～4 m。該區(qū)主要接受大氣降水補給。

2.5 潛水極貧區(qū)

該區(qū)主要分布在焦枝鐵路以西，除上述貧水區(qū)以外的廣大壟崗區(qū)，以及獨山周圍的坡積裙，面積約50.6 km2，占壟崗區(qū)面積的62.4%。巖性，壟崗區(qū)為粘土，含鈣 鐵錳質結核，獨山周圍為亞粘土，含 鲺質結構和碎石。土層上部裂隙比較發(fā)育，純屬粘性土裂隙水，含水微弱，含水層厚度愛季節(jié)和降水影響很大，一般在8～15 m，滲透系數在1～2 m/d，導水系數7～30 m2/d，給水度一般小于0.05，單位涌水量小于3 m3/h·m，平均為 1.5 m3/h·m［據 25 個井(孔)資料］，地下水埋深，除壟狀崗地旱季有大于5 m者外，一般均小于5 m，該區(qū)接受大氣降水補給。

應當指出的是，分布在市區(qū)東北的獨山基巖裂隙水，由于分布面積小(約2 km2)，含水微弱(據獨山腳下泉水流量測定，一般日流量為28～30 m3)，未專門劃區(qū)，與粘性土裂隙水合并考慮，仍屬潛水極貧區(qū)。

3 淺層地下水水質特征

該區(qū)淺層地下水一般為無色、無嗅、無味、透明，水溫為17.5℃ ～18℃，屬冷水。PH 值在 6.5 ～8.0 之間，基本屬中性水?？傆捕冉^大部分地區(qū)在7.9～12.0德國度之間，屬微硬水。唯在城區(qū)分布有10～20德國度的微硬—硬水。淺層地下水，大部分地區(qū)由于埋深淺，地表巖性疏松，地下徑流條件較好，加之區(qū)內雨量較為充沛，大氣降水、地表水(特別是東部平原)、地下水交替活躍，所以含鹽量較低，總礦化度一般在0.2～0.4 g/L之間，唯 在城區(qū)，由于 地下水受到污染，總礦化度增高為0.56 g/L，均屬淡水。

研究區(qū)淺層地下水出現了四種不同的水化學類型?？梢钥闯觯瑴\層地下水化學類型在地貌、巖性及水文地質條件控制下，呈現由東南向西北的明顯分布規(guī)律。

1)重碳酸鈣型水:該類型水主要分布在白河北岸市區(qū)東邊的漫灘區(qū)，以及白河南岸一級階地后緣和二級階地的前緣部分，面積約17.7 km2。含水層巖性為中粗砂和砂礫卵石層，滲透性良好，地下水埋藏淺。直接接受白河側滲補給和大氣降水的垂向入滲補給，水閃零星強烈，總礦化度一般小于 0.2 g/L。

2)重碳酸鈣鎂型水:該類型水主要分布在白河北岸的一級階地和二級階地的大部分地區(qū)，以及白河南岸一級階地前緣和趙莊一帶，面積約41.5 km2。含水層巖性砂礫卵石，滲透性良好，該區(qū)除主要接受大氣降水的垂向入滲補給外，尚有上游地下不的側向徑流補給，地下水徑流排泄條件良好，總故化度一般在0.2～0.4 g/L之間。

3)重碳酸鈉鎂型水:該類型水主要分布在西北崗區(qū)，以及白河北岸坡積裙和白河二級階地的后緣部分，面積約94.5 km2。含水層巖性為重亞粘土，透水性能差，該區(qū)地下水埋藏淺，直接接受大氣降水的垂向入滲補給，徑流條件較差，但由于本區(qū)雨量較為充沛，水交零星條件較好，總礦化度一般在0.2～0.4 g/L之間，由于人類活動的影響，總礦化度略大于0.4 g/L。

4)重碳酸氯化物鈣鈉型水:該類型水主要分布在白河北岸南部的一級階地區(qū)(城區(qū)的主要部分)和溫涼河口以下，白河漫灘區(qū)，面積約20.3 km2。含水巖層性為中粗砂和砂確立卵石，滲透性強，地下水直接接受白河的側涌補給和大氣降水的垂向入滲補給，水交零星強烈，但由于該類型分布區(qū)正位于淺層地下水位的降落漏斗中心，溫涼河口以下嚴重污染的白河段水源，不斷地對其被給 ，加上城區(qū)人口、工業(yè)集中，有些污水排放不當，致使地下水受到不同程度的污染，因而在重碳酸鹽型水中出現了具有混合成分的重碳酸氯化物水，總礦化度也隨之增高，一般在.0.4～0.6 g/L之間。

4 潛水的補給、徑流和排泄條件

潛水的補給、徑流和排泄條件愛地形地貌、自然地理、水文地質有人為活動所控制。本區(qū)按東、西兩具大的水文地質區(qū)分別闡述。

4.1 東部白河沖積平原潛水區(qū)

市區(qū)在白河兩岸已先后形成了兩下淺層地下水漏斗區(qū)，這里重點對白河北岸地下水漏斗區(qū)(約占市區(qū)平原面積84%)的補給、徑流和排泄條件進行闡述。潛水的補給 :該區(qū)地下水的補給主要來自白河水的滲漏和大氣降水垂直入滲，以及農田灌溉回滲與地表坑塘水的入滲和上流斷面與壟崗交接帶地下徑流的流入五個方面。平原區(qū)，由于地下水埋藏淺，地表巖性疏松，加上本區(qū)雨量充沛，又有白河及其支流經市區(qū)。總體而方，區(qū)內大氣降水、地表水、地下水交替比較活躍，有利于地下水的補給與形成。尤其白河河床與漫灘區(qū)地表巖性為中粗砂及中細砂含礫石，地下水埋深小于5 m，不僅對大氣降水的入滲十分有利，而且河床和漫灘區(qū)的砂礫卵石與階地區(qū)下伏之砂礫石層為一連通的整體，白河天然條件下的側滲補給和開采條件下的激發(fā)補給都是極為有利的。各種補給量中以白河側滲與大氣降水入滲為主，它們占總補給量的93.80%。潛水的徑流:東部平原區(qū)是一個有多年開采歷史和相當開采規(guī)模的水文地質單元。經多年開采，已形成西部、北部以壟崗和獨山坡積裙為界，東部、南部以白河為界的基本上封閉的地下水漏斗。區(qū)內所接受的河流側滲補給量、大氣降水入滲量、灌溉入參量和地表坑塘水入滲量轉變?yōu)榈叵聫搅骱螅B同上游斷面與壟崗交接地帶地下徑流流入時均向漏斗中心匯流。地下水水力坡度因漏斗的位置不同而異。其中漏斗外圍的沿河開采段，水力坡度為2.4% ～2.8%;漏斗北部的斜坡帶，水力坡度為1.1% ～3.4%，即地下水水力坡度主要受開采條件和開采強度控制。潛水的排泄:如上以述，本區(qū)是基本上沒有出流的封閉漏斗。該區(qū)在白河沿岸漫灘帶地下水位埋深有小于5 m的地段，地下水蒸發(fā)排泄，蒸發(fā)量為20.9萬 m3/a。其它地區(qū)地下水水位埋深大于蒸發(fā)極限深度所以地下水的排泄主要是人工開采消耗，其次是由于中深層水的大量開采，承壓水位下降，上層潛水通過一些混合開采和止水不良井孔補給了中深層水。

4.2 西部壟崗(含獨山坡積裙)潛水區(qū)

潛水的補給:本區(qū)潛水的主要補給來源為大氣降水的入滲，其次是崗間洼地坑塘、溝渠和水庫的水體入滲補給。1989年，本區(qū)降水入滲量為1 627.11萬 m3，占總補給量的96.42%;地表水入滲量為 60.50萬 m3，占總補給量的3.58%。本區(qū)屬走向近南北，呈東西波狀起伏而向南傾斜的壟崗地形，北高南低，自然坡降為3%，區(qū)內相對高差一般5～20 m。崗區(qū)巖性為粘土和亞粘土。雖然土層上部垂直節(jié)理和瓣狀裂隙比較發(fā)育，地下水位埋藏小，本區(qū)雨量充沛，但節(jié)理裂隙窄小，以表徑流條件較好，對大氣降水入滲補給不很有利。補給方式主要為而狀垂向入滲。另外，也可以通過匯集坑塘、溝渠和水庫水補給地下水。潛水徑流:本區(qū)地下水以垂直運動為主，壟狀崗地有向崗間洼地的側向徑流作用。潛水的排泄:崗區(qū)地下水位一般埋深2～4 m，個別點水位埋深6～8 m。壟崗區(qū)地下水的排泄方式為涇流、蒸發(fā)、開采和越流。

總之，南陽市的淺層地下主要沿白河兩岸分布水埋藏豐富，補給條件良好，適宜開發(fā)水源熱泵型地溫空調。在崗坡丘陵地區(qū)地下水埋藏不豐富，適宜開發(fā)地埋管型地溫空調對淺層地熱能的利用。淺層地下水溫度常年在18℃上下，地能蘊含豐富，是開發(fā)利用淺層地能的很好的條件。

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1004－1184(2012)04－0050－03

2012－03－15

王洪彥(1964－)，男，河南南陽人，高級工程師，注冊巖土工程師，研究方向:水文地質工程地質環(huán)境地質、巖土工程施工。