山東省魯北地區(qū)淺層地熱能資源評價

劉剛,楊亞賓,馬淑杰

(1.山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253015；2.新疆地礦局第二區(qū)調(diào)大隊，新疆 昌吉 831100)

0 引言

在能源短缺和環(huán)境污染的雙層壓力下，淺層地熱能這一清潔可再生的新能源，日益受到國家和地方政府的重視，淺層地熱能的分布具有普遍性，不同的緯度都可以利用，但要從其開發(fā)角度來考慮的話，涉及當?shù)氐慕?jīng)濟條件、人口分布情況，還需要考慮當?shù)氐刭|(zhì)條件[1]。通過開展山東省魯北地區(qū)淺層地熱能資源評價工作，了解開發(fā)利用現(xiàn)狀，查明區(qū)域內(nèi)地熱能的分布規(guī)律，進行適宜性分區(qū)和資源評價，為下一步淺層地熱能開發(fā)利用規(guī)劃提供科學依據(jù)，使其更好地服務于當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展。

魯北地區(qū)地處山東省北部，黃河下游，地形南高北低，南部為山區(qū)，北部為山前平原逐步過渡到黃泛平原。屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，四季分明，水系發(fā)育，全區(qū)面積6.76萬km2，包括聊城市、德州市、濱州市、東營市、濟南市、淄博市和濰坊市。

1 研究區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀

淺層地熱能的開發(fā)利用技術(shù)目前主要采用的是地源熱泵技術(shù)[2-3]。研究區(qū)內(nèi)于2001年陸續(xù)開始應用地源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地熱能，如濟南市長清區(qū)新華書店辦公樓、德州建委辦公樓等用水源熱泵技術(shù)供暖與制冷，濟南奧體中心、淄博艾倫普利花園、長清園博園等使用地埋管地源熱泵技術(shù)供暖與制冷等，都取得了成功。

1.1 項目類別數(shù)量服務面積

目前，山東省魯北7地市淺層地熱能的利用方式主要為地下水式和地埋管式2種。截至2011年7月，不完全統(tǒng)計開發(fā)利用項目達到141個，服務面積已達7209331m2，其中利用地下水式地源熱泵項目45個，服務面積1732835m2，占總服務面積的24%；利用地埋管式地源熱泵項目95個，服務面積6430496m2，占總服務面積的76%(表1)。

1.2 項目分布及建筑類型

淺層地熱能開發(fā)利用項目在魯北7地市均有分布(圖1)，主要集中在城區(qū)內(nèi)。從圖1中可以看出，項目主要分布在濰坊、淄博和濟南3地市，占服務面積總數(shù)的57.3%，其他4地市起步較晚，項目相對較少。

表1 淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀統(tǒng)計

圖1 魯北7地市開發(fā)利用項目服務面積分布圖

淺層地熱能開發(fā)利用工程適用范圍較廣，建筑類型包括住宅、辦公樓、學校、醫(yī)院、賓館、車站等普通建筑物。其中：住宅(64%)、辦公樓(14%)、場館(6%)、商場(5%)、賓館(3%)、醫(yī)院(3%)等為淺層地熱能開發(fā)利用工程的主要使用方。

2 地質(zhì)條件

區(qū)域地質(zhì)發(fā)展造成地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件的不同，因此，將研究區(qū)分為魯西北平原區(qū)、魯中南中低山丘陵區(qū)和魯東低山丘陵區(qū)三部分分別予以論述(圖2)[4-6]。

2.1 魯西北平原區(qū)

根據(jù)水文地質(zhì)條件及其成因，該區(qū)可分為山前沖洪積傾斜平原、黃河沖積平原、黃河三角洲及濱海海積平原。山前沖洪積平原含水層巖性以中粗砂為主，水質(zhì)和富水性較好，單井出水量普遍大于1000m3/d，并在沖積扇上分布多個水源地。黃河沖積平原區(qū)一般分為淺、中、深3個含水層組，在水質(zhì)上具有淡、咸、淡的垂直分帶規(guī)律。富水性主要受古河道帶的影響，古河道帶上，含水層巖性以中細砂為主，單井出水量一般在500～1000m3/d，古河道間帶，富水性弱，單井出水量一般小于500m3/d。黃河三角洲及濱海海積平原1000m以內(nèi)未發(fā)現(xiàn)淡水。

不同成因類型的土體地質(zhì)性質(zhì)變化比較大，由山前平原到濱海平原，土體結(jié)構(gòu)一般以上層粘性土多層結(jié)構(gòu)為主，其次為上層粘性土雙層結(jié)構(gòu)和單層結(jié)構(gòu)，以及上層砂性土多層結(jié)構(gòu)。區(qū)內(nèi)存在有震害、淤泥類土、鹽漬土、粉砂液化等工程地質(zhì)問題。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)條件分區(qū)圖

2.2 魯中南中低山丘陵區(qū)

該區(qū)的主要特點就是分布大面積的碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，具有大面積降水直接或間接補給，小面積富集和集中排泄的特點。一般在山前及山間盆地、谷地中隱伏灰?guī)r分布區(qū)，形成巖溶水的富集帶，單井出水量一般3000m3/d，局部達到5000～10000m3/d，為魯中南地區(qū)的主要供水水源，如濟南、淄博、明水等地。

該區(qū)屬構(gòu)造侵蝕為主的中低山丘陵，山勢陡峻，主要分布泰山巖群變質(zhì)巖類和寒武-奧陶紀碳酸鹽巖類，局部出露侵入巖。在沉陷盆地多被較薄第四系覆蓋。巖體結(jié)構(gòu)以塊狀及層狀為主。存在有震害、濕陷性黃土、膨脹土、砂土液化等工程地質(zhì)問題。

2.3 魯東低山丘陵區(qū)

該區(qū)分布變質(zhì)巖類、巖漿巖類、碎屑巖類和松散巖類含水層組，以賦存裂隙水和孔隙水為主。裂隙水富水性很弱，一般單井出水量小于100m3/d，且連續(xù)性差，很難形成富水地段?？紫端饕植荚谏介g平原和谷地的砂層中，富水性和水質(zhì)較好，單井出水量一般1000m3/d左右。

該區(qū)屬構(gòu)造侵蝕為主的低山丘陵，廣泛分布老變質(zhì)巖系及中生代巖漿巖。準平原區(qū)大面積出露粉子山群、蓬萊群片巖、板巖、大理巖，早白堊世噴出巖，以及侏羅—白堊紀碎屑巖等。山間平原和谷地分布第四紀松散堆積物，土體結(jié)構(gòu)以上層為粘性土多層、單層結(jié)構(gòu)為主。

3 淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)

淺層地熱能的產(chǎn)生、形成和開發(fā)利用受到地層結(jié)構(gòu)、巖性、巖土體的熱物性、巖土體的溫度、含水層富水性、地下水類型、地下水水力坡度、水溫等因素的影響，因此開發(fā)利用淺層地熱能資源必須要進行地質(zhì)條件研究并劃分不同的區(qū)域[7-9]。

3.1 分區(qū)類型及方法

分區(qū)類型分為地下水換熱方式地源熱泵適宜性分區(qū)和地埋管換熱方式地源熱泵適宜性分區(qū)2類。地下水式熱泵適宜性分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)；地埋管式熱泵適宜性分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和較不適宜區(qū)。

分區(qū)方法采用層次分析法(AHP)，是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。共分4個基本步驟：①建立層次結(jié)構(gòu)模型；②構(gòu)造成對比較矩陣；③計算權(quán)向量并做一致性檢驗；④計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗。

3.2 分區(qū)指標

地下水換熱方式分區(qū)指標包括含水層巖性、含水層厚度、出水能力、回灌能力、水位埋深、補給模數(shù)、滲透系數(shù)、地下水的水質(zhì)和100m以淺的混合水水溫。

地埋管換熱方式分區(qū)指標包括巖土層的巖性、結(jié)構(gòu)、分層水質(zhì)、施工的難度、投資成本、巖土層導熱性能和換熱效率。

3.3 分區(qū)結(jié)果

(1)魯北地區(qū)地下水換熱方式地源熱泵適宜性可劃分為3個區(qū)(圖3)。

圖3 魯北地區(qū)地下水換熱方式地源熱泵適宜性分區(qū)圖

適宜區(qū)：主要分布于山前地帶，這些地區(qū)水資源豐富，具體位置為平陰—長清—濟南—章丘一帶，鄒平東長山鎮(zhèn)和博興曹王一帶，周村—張店—臨淄—青州以北地帶和濰坊城區(qū)—昌邑一帶，另外還有聊城的東古城、冠縣—梁堂一帶，面積5382.7km2。

較適宜區(qū)：主要分布于適宜區(qū)的外圍和巖溶發(fā)育區(qū)，具體位置為莘縣西以南地區(qū)，聊城—茌平西北地區(qū)，東阿—齊河南祝阿—焦廟—濟陽沿黃一帶和章丘北部地區(qū)，高青沿黃一帶，桓臺城區(qū)附近，壽光—昌邑一帶，臨邑城區(qū)東部，商河韓廟北部，平陰—張夏—仲宮—文祖一帶，張店南—博山，沂源南部一帶，青州南部，坊子區(qū)—安丘一帶和高密北部等地，面積為17117.5km2。

不適宜區(qū)：除適宜區(qū)和較適宜區(qū)以外的廣大地區(qū)，面積為45099.8km2。

(2)魯北地區(qū)地埋管換熱方式地源熱泵適宜性可劃分為3個區(qū)(圖4)。

圖4 魯北地區(qū)地埋管換熱方式地源熱泵適宜性分區(qū)圖

適宜區(qū)：主要分布于陽谷—聊城—茌平—禹城倫鎮(zhèn)—濟陽高官寨—高青高城—廣饒李鵲—大碼頭—壽光的羊口一線以北的廣大地區(qū)，面積為34423.9km2。

較適宜區(qū)：適宜區(qū)和較不適宜區(qū)之間的地區(qū)和南部基巖山區(qū)，面積為25930.7km2。

較不適宜區(qū)：主要分布于陽谷—濟南城區(qū)—章丘—鄒平—張店—臨淄—青州—壽光—濰坊城區(qū)—昌邑一線，成條帶狀分布，面積為7245.4km2。

4 淺層地熱能資源評價

淺層地熱能計算是在適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上進行的，淺層地熱能計算內(nèi)容包括淺層地熱容量和可利用量[7]。

4.1 研究區(qū)淺層地熱容量

淺層地熱容量采用熱儲量體積法計算，計算公式為：

QR=QS+QW+QA

式中：QR為淺層地熱容量；QS為巖土體中的熱容量；QW為巖土體所含水中的熱容量；QA為巖土體中所含空氣中的熱容量。

經(jīng)計算，魯北地區(qū)淺層地熱容量為29.386×1015kJ/℃。

4.2 地下水式地源熱泵可利用換熱量

地下水式地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)可利用換熱量的計算采用水量折算法，其計算公式為：

Qq=Qh·n·ι·t

式中：Qq為評價區(qū)可利用的換熱量(kW·h)；Qh為單井換熱功率(kW)；n為可鉆抽水井數(shù)；ι為土地利用系數(shù)；t為時間(h)。

經(jīng)計算，在地下水式地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)內(nèi)200m以淺的范圍內(nèi)可利用換熱量為0.849×1010kW·h。其中冬季換熱量0.463×1010kW·h，可供暖0.402億m2的建筑面積；夏季換熱量0.386×1010kW·h，可制冷0.268億m2的建筑面積。

4.3 地埋管式地源熱泵可利用換熱量

地埋管式地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)可利用換熱量的計算采用熱傳導法，其計算公式：

Qh=D·n·ι·t·10-3

式中：Qh為評價區(qū)可利用的換熱量(kW·h)；D為單孔換熱功率(kW)；n為計算面積內(nèi)換熱孔數(shù)；ι為土地利用系數(shù)；t為時間(h)。

經(jīng)計算，在地埋管式地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)內(nèi)200m以淺的范圍內(nèi)可利用換熱量為6.526×1012kW·h，其中冬季換熱量3.559×1012kW·h，可供暖309.03億m2的建筑面積；夏季換熱量2.966×1012kWh，可制冷205.97億m2的建筑面積。

5 結(jié)論

(1)淺層地熱能這一清潔可再生的新能源，日益受到重視，魯北地區(qū)主要城市一般都處于平原區(qū)，第四紀堆積層普遍較大，開發(fā)利用前景較大。

(2)2006年以后，魯北地區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用發(fā)展迅速，建成的利用面積超過了700萬m2，利用量最大為濰坊，其次是淄博和濟南，然后是德州、濱州、東營和聊城。利用方式主要為地下水式和地埋管式。

(3)將研究區(qū)分為地下水式地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)，地埋管式地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)和較不適宜區(qū)。

(4)鼓勵新建或改建的公共建筑、居民樓、農(nóng)村集中建設(shè)的住宅采用淺層地熱能，政府投資的公益性項目應優(yōu)先利用淺層地熱能[10]。

(5)淺層地熱能的利用注重環(huán)境與效益雙贏，開發(fā)與保護并重，注重熱泵、自動控制、變頻調(diào)速等新技術(shù)在工程中的應用，并擴大淺層地熱能的利用范圍[11]。

參考文獻：

[1] 國土資源部.淺層地熱能—全國地熱(淺層地熱能)開發(fā)利用現(xiàn)場經(jīng)驗交流會論文集[M].北京：地質(zhì)出版社,2007.

[2] 高新宇，范伯元，張宏光.淺層地溫能開發(fā)利用對地質(zhì)環(huán)境影響程度的探索性研究[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2009，23(6)：3-10.

[3] 中國建筑科學研究院.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4] 徐軍祥，趙書泉，康鳳新，等.山東省地質(zhì)環(huán)境問題研究[M].北京：地質(zhì)出版社，2010：19-24

[5] 方寶明.山東省地熱資源綜合信息遠景預測[D].吉林大學，2006.

[6] 謝宇平.第四紀地質(zhì)學及地貌學[J].北京：地質(zhì)出版社，2000：82-90.

[7] 國土資源部.淺層地熱能勘查評價規(guī)范[S].北京：中國標準出版社,2009.

[8] 衛(wèi)萬順，鄭桂森，冉偉彥，等.淺層地溫能資源評價[M].北京：中國大地出版社，2010：3-180.

[9] 馬學利，姜再新，侯芳，等.基巖地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)淺層地熱地質(zhì)條件評估工作方法[J].城市地質(zhì)，2008，3(4):7-12.

[10] 姜寶成，王永鏢，李炳熙.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟性評價[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2003，35(2)：1-4.

[11] 王澤鋒，劉長憲，肖建紅.淺談湖北省淺層地熱能開發(fā)管理與環(huán)境保護[J].資源環(huán)境與工程，2009，23(4)：1-4.