渭南市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀及效益分析

金 光

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710086)

渭南市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀及效益分析

金 光

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710086)

淺層地?zé)崮茏鳛榍鍧嵉目稍偕哪茉?，是?guó)家大力探索和發(fā)展的新能源。渭南市地處陜西關(guān)中盆地東部，具有豐富的淺層地?zé)崮苜Y源，在淺層地?zé)崮艿叵滤礋岜孟到y(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)渭南市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出應(yīng)改善和優(yōu)化渭南市建筑用能結(jié)構(gòu)，大力推廣地源熱泵工程，根據(jù)不同區(qū)域采用地下水源熱泵和地埋管地源熱泵兩種不同方式加大對(duì)渭南市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，以期產(chǎn)生良好社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)緩解渭南市持續(xù)霧霾天氣具有重要意義。

渭南市；淺層地?zé)崮?；適用性廣泛；資源量巨大；社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著

淺層地?zé)崮苁琴x存在地球表層巖土體中的低溫地?zé)豳Y源，是一種新型的優(yōu)質(zhì)清潔能源，具有可再生、分布廣、儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全性強(qiáng)和可用性強(qiáng)等特點(diǎn)。它是地球淺表層數(shù)百米內(nèi)(<200 m)的土壤巖石和地下水中所蘊(yùn)藏的一種低溫?zé)崮?，其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。與深層地?zé)嵯啾?，淺層地?zé)崮芊植紡V泛、儲(chǔ)量巨大、再生迅速、采集方便、開發(fā)利用價(jià)值更大。淺層地溫能利用系統(tǒng)具有綠色環(huán)保、高效節(jié)能、運(yùn)行成本低、可持續(xù)利用、技術(shù)成熟、不消耗地下水等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，尤其對(duì)緩解當(dāng)前入冬以來渭南市持續(xù)霧霾天氣具有重要意義。

1 地貌地質(zhì)概況

1.1 地貌概況

渭南市地處關(guān)中盆地東部，地勢(shì)由南北兩側(cè)渭河階區(qū)向中間河谷漫灘區(qū)呈階梯狀降落(圖1)，由南向北依次表現(xiàn)為渭河南岸三級(jí)階地—渭河南岸二級(jí)階地—渭河南岸一級(jí)階地—渭河南岸漫灘—渭河—渭河北岸漫灘—渭河北岸一級(jí)階地。區(qū)內(nèi)主要河流為渭河，自西而東縱貫全區(qū)，其南岸支流有零河、沋河、赤水河、遇仙河等，支流都呈南北向平行分布，塑造了起伏不平的地貌形態(tài)。

1.2 地質(zhì)概況

渭南市200 m以淺地層全部為第四系更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層。

1)第四系全新統(tǒng)上部沖積層(Q42al)分布于渭河河床及漫灘地帶。巖性：上部為粉質(zhì)砂土；下部為含礫中粗砂，粒度不均，分選性較差，總厚約29～33 m。

2)第四系全新統(tǒng)上部洪積層(Q42pl)分布于渭河南岸沖洪積扇區(qū)。巖性主要為砂質(zhì)粘土夾砂卵礫石層，一般厚4～15 m，局部可達(dá)20 m。

3)第四系全新統(tǒng)下部沖積層(Q41al)分布于渭河兩岸一級(jí)階地，埋藏于河漫灘之下，構(gòu)成一級(jí)階地之主體。巖性主要為中粗砂層夾粉質(zhì)粘土，厚度穩(wěn)定，厚約80 m。

4)第四系更新統(tǒng)上部沖積層(Q32al)分布于二級(jí)階地，埋藏于一級(jí)階地及河漫灘之下，構(gòu)成二級(jí)階地之主體。該層頂面埋深一級(jí)階地及漫灘74-96m，二級(jí)階地為10～24 m。巖性變化較大，自南向北粘性土逐漸減少，砂層厚度增大。頂部為一層厚4～20 m砂質(zhì)粘土，連續(xù)性好，層位穩(wěn)定，透水性弱，是承壓水較好的隔水頂板。主要巖性是砂質(zhì)粘土與中粗砂、細(xì)砂互層，總厚度40～134 m。

5)第四系更新統(tǒng)上部風(fēng)積層(Q3eol)分布于渭南市南側(cè)，渭河二、三級(jí)階地表面，厚度約23 m，以粉粒為主，土質(zhì)較均，蟲孔、針孔發(fā)育，下含蝸牛殼。夾一層古土壤，棕色，較密實(shí)，具團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，含空隙及根孔，見鈣斑鈣絲。

圖1 地貌圖

2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀

渭南市淺層地?zé)衢_發(fā)利用與省內(nèi)其它地區(qū)相比稍有滯后。渭南市目前淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用方式主要為地下水水源熱泵形式，開發(fā)利用深度為120～210 m。淺層地溫能技術(shù)總供暖面積約14.6萬 m2，占2015年總供暖面積695萬 m2的2.1%。近年來，市政府為改善和優(yōu)化渭南市建筑用能結(jié)構(gòu)，加快大氣污染治理工作進(jìn)度，大力推廣地源熱泵工程的開發(fā)利用。渭南市淺層地?zé)崮芾霉こ逃?家，總供暖面積約13.6萬 m2。目前有另外兩處水源熱泵工程正在建設(shè)當(dāng)中。

3 開發(fā)利用中熱泵形式分析

3.1 地下水源熱泵

由于水文地質(zhì)特征的差異，地下水地源熱泵適宜性也明顯不同，適宜性分區(qū)如下：

地下水地源熱泵適宜區(qū)：分布于評(píng)價(jià)區(qū)中部渭河漫灘，含水層巖性為礫砂、含礫中粗砂和粉質(zhì)粘土構(gòu)成，地層導(dǎo)水性好，為雙層結(jié)構(gòu)含水層(潛水和承壓水)，富水性強(qiáng)，單位涌水量為10～30 m3/h·m，適宜地下水抽灌，該區(qū)面積為61.14 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的22.23%。

地下水地源熱泵較適宜區(qū)：分布于評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)渭河北岸一級(jí)階地和渭河南岸階地及沖洪積扇等地區(qū)，含水層巖性為第四紀(jì)全新世沖積層礫砂、中砂、粗砂、粉土和粉質(zhì)粘土。該地段地下水的抽灌條件相對(duì)較好，富水性為中等-弱，單位涌水量為1～10 m3/h·m，該區(qū)面積為196.60 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的71.48%。

地下水地源熱泵不適宜區(qū)：主要分布于評(píng)價(jià)區(qū)南部黃土覆蓋的三級(jí)階地。地層巖性主要為更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、粉質(zhì)粘土夾少量薄層砂土。該區(qū)域地下水富水性弱，地層導(dǎo)水性差，單位涌水量為1～5 m3/h·m，不適宜開展地下水地源熱泵工程。地下水地源熱泵不適宜區(qū)面積為10.93 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)總面積的3.98%。

3.2 地埋管地源熱泵

由于巖土體的熱物理性和水文地質(zhì)特征的差異，地埋管地源熱泵適宜性也明顯不同，適宜性分區(qū)如下：

地埋管地源熱泵適宜區(qū)：分布于評(píng)價(jià)區(qū)渭河漫灘和一級(jí)階地區(qū)。地層主要為粉質(zhì)粘土及中粗砂層，該區(qū)域地層導(dǎo)熱系數(shù)高，單孔換熱功率大，很適合地埋管地源熱泵工程建設(shè)。該區(qū)總面積為235.83 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)面積的85.74%。

地埋管地源熱泵較適宜區(qū)：分布于評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)渭河以南一級(jí)階地后部的近代沖洪積扇及渭河的二、三級(jí)階地。該區(qū)域地層導(dǎo)熱系數(shù)較高，單孔換熱功率較大，鉆孔施工較容易，該區(qū)面積為32.84 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)面積的11.94%。

4 淺層地?zé)崮芸衫觅Y源量預(yù)測(cè)分析

淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)深度以地表以下120 m和200 m兩個(gè)深度進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)區(qū)3～120 m深度范圍內(nèi)總熱容量為7.07×1013kJ/℃，合1.96×1010kWh/℃，取可利用溫差為5℃，淺層地?zé)崮苜Y源儲(chǔ)量為3.53×1014kJ，合9.81×1010kWh；地表以下3～200 m深度范圍內(nèi)總熱容量為1.18×1013kJ/℃，合3.27×109kWh/℃，取可利用溫差為5℃，淺層地?zé)崮苜Y源儲(chǔ)量為5.9×1013kJ，合1.63×1010kWh。

單獨(dú)利用地下水地源熱泵時(shí)，考慮土地利用系數(shù)冬季可供暖功率為1.71×106kW，可供暖面積為2.30×107m2，整體供暖潛力為8.80×104m2/km2；夏季制冷功率為3.42×106kW，可制冷面積為3.30×107m2，整體制冷潛力為1.18×105m2/km2；

單獨(dú)利用地埋管地源熱泵，考慮土地利用系數(shù)，冬季供暖可利用功率為6.17×106kw，可供暖面積為8.28×107m2，整體供熱潛力為3.08×105m2/km2；夏季制冷可利用功率為1.08×107kW，可制冷面積為1.04×108m2，整體制冷潛力為3.88×105m2/km2；

綜合地埋管和地下水地源熱泵適宜區(qū)面積268.67 km2。冬季綜合換熱功率總值為4.73×106kW，供暖面積為6.35×107m2，整體供暖潛力為2.36×105m2/km2；夏季綜合換熱功率為8.41×106kw，制冷面積為8.13×107m2，整體制冷潛力為3.03×105m2/km2。

5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

5.1 節(jié)省傳統(tǒng)能源量大

按淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用效率為35%計(jì)算節(jié)約量，采用地下水水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地?zé)崮苊磕昕晒?jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤7.4萬 t；采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地?zé)崮芄?jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤24.6萬 t；綜合利用開發(fā)淺層地?zé)崮芄?jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤19.1萬 t。

5.2 可替代傳統(tǒng)能源量?jī)r(jià)值

依據(jù)《全國(guó)重點(diǎn)城市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)及編圖技術(shù)要求》，一噸標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格為350 元/t，由此可計(jì)算出采用地下水水源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源可折合人民幣2.60億元；采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源可折合人民幣8.6億元；綜合利用開發(fā)淺層地?zé)崮苜Y源可折合人民幣6.65億元。

5.3 環(huán)境效益顯著

開發(fā)利用淺層地?zé)崮懿粌H替代了常規(guī)能源，還在很大程度上改善了環(huán)境質(zhì)量減少了常規(guī)能源使用帶來的環(huán)境污染，通過計(jì)算當(dāng)利用率為35%時(shí)：

采用地下水地源熱泵系統(tǒng)開采淺層地?zé)崮苜Y源每年可減少排放二氧化碳為177萬 t、二氧化硫?yàn)?.26萬 t、氮氧化物為0.45萬 t、懸浮質(zhì)粉塵為0.6萬 t和灰渣為7.42萬 t，減少環(huán)境治理費(fèi)2.09億元；

采用地埋管地源熱泵開采淺層地?zé)崮苜Y源每年可減少排放二氧化碳為588萬 t、二氧化硫?yàn)?.19萬 t、氮氧化物為1.48萬 t、懸浮質(zhì)粉塵為1.97萬 t和灰渣為24.6萬 t，減少環(huán)境治理費(fèi)6.95億元；

綜合利用淺層地?zé)崮苜Y源每年可減少排放二氧化碳為455萬 t、二氧化硫?yàn)?.24萬 t、氮氧化物為1.14萬 t、懸浮質(zhì)粉塵為1.52萬 t和灰渣為19.1萬 t，減少環(huán)境治理費(fèi)5.38億元。

[1]陜西省地質(zhì)調(diào)查中心.渭南市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià).2014.

[2]陜西省地質(zhì)調(diào)查院.陜西省主要城市淺層地溫能開發(fā)區(qū)1:5萬水文地質(zhì)調(diào)查.2015.

[3]陜西省地質(zhì)調(diào)查中心.陜西省關(guān)中盆地地下水資源調(diào)查與保護(hù)報(bào)告.2012.

2017-02-22

金光(1982-)，男，陜西咸陽人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和工程地質(zhì)工作。

P314.1

B

1004-1184(2017)04-0069-02