淺層地?zé)崮苜Y源可持續(xù)開發(fā)分區(qū)引導(dǎo)與分級(jí)利用方法研究

才文韜，王小清

（1. 上海市地礦工程勘察院，上海 200072；2. 上海淺層地?zé)崮芄こ碳夹g(shù)研究中心，上海 200072；3. 上海淺層地?zé)崮馨l(fā)展研究中心，上海 200072）

能源是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的三大支柱之一，影響著經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人民生活水平等全社會(huì)的發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不合理，過分依賴石油、煤炭和天然氣等一次性能源，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了負(fù)面影響，嚴(yán)重制約了我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。地?zé)崮苁且环N清潔環(huán)保的新型能源，發(fā)展?jié)摿薮?。根?jù)我國(guó)《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》目標(biāo)，到2020年，我國(guó)地?zé)峁┡?制冷面積將累計(jì)達(dá)16億m2，地?zé)崮芾每偭肯喈?dāng)于替代化石能源7000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減排二氧化碳1.7億噸。地?zé)崮荛_發(fā)利用對(duì)我國(guó)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、節(jié)能減排、改善環(huán)境具有重要意義[1]。目前，上海地區(qū)地?zé)崮苜Y源利用類型主要為淺層地?zé)崮埽瑴\層地?zé)崮茏鳛榈責(zé)崮苤械囊活怺2]，具有分布廣泛、總量豐富、方便利用等特點(diǎn)，主要通過地源熱泵技術(shù)用于建筑物的制冷與供暖，可有效替代或減少建筑物對(duì)常規(guī)能源的使用量[3-4]。城市規(guī)劃是城市發(fā)展、建設(shè)、管理的基本依據(jù)，指導(dǎo)城市空間布局、城市規(guī)模、人居環(huán)境、交通基礎(chǔ)設(shè)施等城市建設(shè)的各方面工作。并且城市中的各類生產(chǎn)活動(dòng)、交通運(yùn)輸以及人民生活都伴隨能源的消耗，城市規(guī)劃實(shí)施過程中的各個(gè)階段更是離不開能源。國(guó)土資源部2017年9月發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)城市地質(zhì)工作的指導(dǎo)意見》（國(guó)土資發(fā)[2017]104號(hào)）中明確指出“城市地區(qū)地?zé)岷蜏\層地溫能資源開發(fā)，應(yīng)在全面評(píng)估基礎(chǔ)上與城市土地利用總體規(guī)劃和城市規(guī)劃相銜接”。所以，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用理應(yīng)與城市規(guī)劃相結(jié)合，與城市的土地開發(fā)、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)等協(xié)同發(fā)展，在城市發(fā)展中合理利用淺層地?zé)崮?，在淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用中促進(jìn)城市發(fā)展，實(shí)現(xiàn)淺層地?zé)崮艿目沙掷m(xù)利用。

1 開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代上海紡織廠利用深井水“冬灌夏用”為紡織車間制冷，開啟了上海市對(duì)淺層地?zé)崮芾玫南群印?989年上海市建成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)地源熱泵項(xiàng)目，采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)為辦公樓制冷、供暖。近年來，隨著技術(shù)的不斷革新，淺層地?zé)崮馨l(fā)展迅速，截至2017年底，上海市淺層地?zé)崮軕?yīng)用面積總量約為1200萬m2。開發(fā)利用項(xiàng)目類型主要以公共建筑和居住建筑為主，其中公共建筑應(yīng)用面積占67%，居住建筑應(yīng)用面積占28%。開發(fā)利用形式以地埋管換熱方式為主，大多為小型建筑分布在周邊城區(qū)。

淺層地?zé)崮艿陌l(fā)展離不開規(guī)范的技術(shù)要求和科學(xué)的管理手段，在國(guó)家規(guī)范和行業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合上海市的應(yīng)用實(shí)踐，出臺(tái)了上海市工程建設(shè)規(guī)范《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》[5]；研究并起草了《上海市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用管理暫行規(guī)定》，明確了管理主體、任務(wù)以及開發(fā)利用全過程管理要求。

雖然近年來上海市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用有了較大的發(fā)展，但利用規(guī)模和速度與上海市社會(huì)發(fā)展的需求還有較大的差距。所以，仍需加強(qiáng)上海市淺層地?zé)崮芄芾?，協(xié)調(diào)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用與城市空間規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，合理開發(fā)和有效保護(hù)淺層地?zé)崮苜Y源，提高淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用項(xiàng)目比例和規(guī)模，促進(jìn)上海市淺層地?zé)崮芸沙掷m(xù)開發(fā)利用。

2 分區(qū)管理與分級(jí)利用

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用受資源賦存條件、換熱器設(shè)置、建筑物制冷供暖需求特征等綜合影響[6]，與城市的總體規(guī)劃更是有著聯(lián)系緊密。根據(jù)上海地區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源賦存條件和城市總體規(guī)劃[7]，在區(qū)域資源調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用進(jìn)行區(qū)域性劃分，再結(jié)合控制性詳細(xì)規(guī)劃及土地利用規(guī)劃，對(duì)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用應(yīng)用建筑進(jìn)行綜合等級(jí)評(píng)價(jià)，給出分級(jí)利用建議。

2.1 分區(qū)原則與劃分體系

2.1.1 分區(qū)原則

（1）統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，全面兼顧。把握好淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用管理與城市發(fā)展、與城市總體規(guī)劃建設(shè)相銜接的關(guān)系，開發(fā)利用體系要與其它各制度體系相互協(xié)調(diào)，有時(shí)要同步進(jìn)行，有時(shí)要依次遞進(jìn)，有時(shí)要互為補(bǔ)充。

（2）因地制宜，突出重點(diǎn)。以周密的前期調(diào)查為基礎(chǔ)，突出資源條件好、資源需求旺盛的區(qū)域，作為開發(fā)利用體系在區(qū)域空間上的重點(diǎn)。將服務(wù)于建筑物、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施供暖制冷為重點(diǎn)利用方式，滿足新型城鎮(zhèn)化對(duì)淺層地?zé)崮苄袠I(yè)提出的更高要求。

（3）保護(hù)優(yōu)先，合理開發(fā)。堅(jiān)持對(duì)生態(tài)空間和地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)先保護(hù)，在環(huán)境可承受范圍內(nèi)，科學(xué)、合理進(jìn)行開發(fā)利用，防止無序、過度開發(fā)，防止對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，保障淺層地?zé)崮芮鍧嶉_發(fā)和持續(xù)利用。

2.1.2 劃分體系

（1）區(qū)劃類別。區(qū)劃分為重點(diǎn)開發(fā)利用區(qū)、一般開發(fā)利用區(qū)和禁止開發(fā)利用區(qū)3個(gè)類別。

（2）要素和指標(biāo)。包括淺層地?zé)豳Y源賦存條件、生態(tài)空間布局、城鎮(zhèn)空間布局和地下空間布局四個(gè)方面的要素和指標(biāo)，詳見表1。

（3）劃分策略。重點(diǎn)開發(fā)利用區(qū)的劃分需同時(shí)滿足資源賦存條件、城鎮(zhèn)空間等要素指標(biāo)；一般和禁止開發(fā)利用區(qū)只需滿足資源賦存條件、生態(tài)空間、城鎮(zhèn)空間和地下空間要素其中一條指標(biāo)。其中城鎮(zhèn)空間指標(biāo)信息來源于《上海市城市總體規(guī)劃（2017-2035年）》。

表1 劃分要素指標(biāo)Table 1 Dividing element indicators

2.2 分級(jí)利用

2.2.1評(píng)價(jià)方法

以地塊為評(píng)價(jià)單元，采用變異系數(shù)法進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，根據(jù)均方差、變異系數(shù)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)分值進(jìn)行加權(quán)平均后匯總得到綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，再判斷各個(gè)對(duì)象的優(yōu)劣程度，進(jìn)而進(jìn)行等級(jí)劃分，完成工作區(qū)淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用綜合等級(jí)評(píng)價(jià)。地塊的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)越高，淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用優(yōu)先級(jí)別越高。

2.2.2 指標(biāo)選取

（1）建設(shè)用地類型單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

建設(shè)用地性質(zhì)決定建筑類型，建筑類型決定了空調(diào)負(fù)荷要求、運(yùn)行特性，也決定了不同的節(jié)能效果。根據(jù)不同建筑類型，結(jié)合本市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查的結(jié)果，確定建設(shè)用地類單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）建筑容量單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

淺層地?zé)崮苜Y源需求與單位建設(shè)用地建筑容量的大小有關(guān)。單位建設(shè)用地建筑容量一般包括建筑密度和建筑容積率，本評(píng)價(jià)指標(biāo)主要選擇建筑容積率。容積率可以衡量建設(shè)用地使用強(qiáng)度，同時(shí)也決定了建筑空調(diào)的總用能量，同一地塊容積率增加時(shí)建筑面積增加，用能量也相應(yīng)增加。

（3）淺層地?zé)崮軗Q熱能力單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)

淺層地?zé)崮軗Q熱能力反映建設(shè)用地淺層地?zé)崮苜Y源潛力的大小。地層巖性、地層結(jié)構(gòu)決定了巖土體的熱傳導(dǎo)性和換熱效率。巖土的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)越大巖土的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，地層溫度恢復(fù)能力越強(qiáng)，地埋管的換熱效率也越高。

3 應(yīng)用案例

選擇位于上海市西南部松江區(qū)和金山區(qū)，根據(jù)兩區(qū)的淺層地?zé)崮苜Y源賦存條件和相關(guān)規(guī)劃，進(jìn)行淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用進(jìn)行區(qū)域性劃分，松江區(qū)石湖蕩鎮(zhèn)已有控制性詳細(xì)規(guī)劃，選其進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，再對(duì)各區(qū)提出管理與保護(hù)建議，指引該區(qū)域淺層地?zé)崮軐?shí)際開發(fā)利用工作。

3.1 分區(qū)結(jié)果

3.1.1 重點(diǎn)開發(fā)利用區(qū)

分布面積約365 km2，主要為新城（松江新城、金山新城）、新市鎮(zhèn)（1個(gè)核心鎮(zhèn)：金山衛(wèi)鎮(zhèn)，9個(gè)中心鎮(zhèn)石湖蕩鎮(zhèn)、呂巷鎮(zhèn)、葉榭鎮(zhèn)等）、鄉(xiāng)村等規(guī)劃城市集中建設(shè)區(qū)以及城市開發(fā)邊界外的建設(shè)用地。區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜x存條件好，資源利用潛力大；資源需求旺盛，能夠形成集中連片開發(fā)利用，規(guī)模效益明顯。

3.1.2 一般開發(fā)利用區(qū)

分布面積約844 km2，主要為以非城市建設(shè)用地為主的特大城市城郊邊緣區(qū)，即工作區(qū)內(nèi)各鎮(zhèn)的非集中建設(shè)區(qū)域，這些區(qū)域包括永久基本農(nóng)田、林地、濕地、湖泊河道、野生動(dòng)物棲息地等生態(tài)保護(hù)區(qū)域及飲用水水源二級(jí)保護(hù)區(qū)、近郊綠環(huán)、生態(tài)間隔帶、生態(tài)走廊等構(gòu)成的第三類生態(tài)空間。工作區(qū)內(nèi)主要為新城以外的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施覆蓋地區(qū)，建筑密度小，容積率低，該區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用以點(diǎn)狀和小規(guī)模為主。

3.1.3 禁止開發(fā)利用區(qū)

分布面積約7.8 km2，主要為松江區(qū)區(qū)政府所在地及金山區(qū)區(qū)政府、金山衛(wèi)站所在地，屬于公共活動(dòng)中心（城市中心、城市副中心、地區(qū)中心）、交通樞紐地區(qū)（大型綜合交通換乘樞紐、兩線以上軌道交通換乘樞紐）等組成的地下空間重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)，該區(qū)禁止淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。分區(qū)結(jié)果如圖1。

圖1 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用區(qū)劃圖Fig.1 Zoning of shallow geothermal energy development and utilization

3.2 分級(jí)結(jié)果

整理分析石湖蕩鎮(zhèn)區(qū)域城市建設(shè)用地類型、建筑容積率和區(qū)域換熱功率等數(shù)據(jù)，根據(jù)評(píng)價(jià)方法，對(duì)工作區(qū)各指標(biāo)的變異系數(shù)進(jìn)行計(jì)算（表2）。

指標(biāo)的變異系數(shù)是刻畫指標(biāo)分辨信息的能力，即指標(biāo)的區(qū)分度變異系數(shù)越大，表明該指標(biāo)在各個(gè)決策單元中的分布變異性越大，指標(biāo)的信息分辨能力就越強(qiáng)；反之則越弱，應(yīng)予以剔除。

根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各指標(biāo)變異系數(shù)與指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculations of variation coefficient and index weight

對(duì)工作區(qū)建設(shè)用地地塊的用地類型、容積率、換熱能力三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)賦值后，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)加權(quán)平均值，劃分地塊等級(jí)如表3：

根據(jù)等級(jí)劃分，繪制石湖蕩鎮(zhèn)淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用分級(jí)利用方案圖，見圖2。按照上述等級(jí)劃分，最終統(tǒng)計(jì)出分級(jí)區(qū)域面積及占比：一級(jí)區(qū)面積7.43萬m2，占15.96%；二級(jí)區(qū)面積28.77萬m2，占61.81%；三級(jí)區(qū)面積10.35萬m2，占22.23%。以二級(jí)區(qū)占比最大。

3.3 管理與保護(hù)

3.3.1 管理措施

表3 各地塊分級(jí)表Table 3 Each parcels classification table

圖2 淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用分級(jí)利用方案圖Fig.2 Grading utilization scheme of shallow geothermal energy architectural application

（1）分區(qū)管理

實(shí)行分區(qū)管理淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。對(duì)于重點(diǎn)開發(fā)利用區(qū)，鼓勵(lì)公共建筑、國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑、學(xué)校以及低密度獨(dú)棟居住建筑優(yōu)先利用淺層地?zé)崮埽粚?duì)于一般開發(fā)利用區(qū)，項(xiàng)目前期宜開展可行性論證，合理設(shè)置利用規(guī)模和地下?lián)Q熱器空間位置；對(duì)于禁止開發(fā)利用區(qū)，禁止淺層地?zé)崮茉谠搮^(qū)域開發(fā)利用。

（2）與法定規(guī)劃和土地管理銜接

在資源調(diào)查評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)法定規(guī)劃控制指標(biāo)，對(duì)淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，編制重點(diǎn)區(qū)域淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用導(dǎo)則；建立淺層地?zé)崮芙ㄖ?yīng)用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，分級(jí)引導(dǎo)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。在土地出讓時(shí)，位于重點(diǎn)和一般開發(fā)利用區(qū)的土地，在核定規(guī)劃條件時(shí)，依據(jù)分區(qū)規(guī)劃一并提出淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用要求。

（3）開發(fā)利用項(xiàng)目管理

淺層地?zé)崮茼?xiàng)目實(shí)施全過程管理，項(xiàng)目實(shí)施前，應(yīng)按照《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》開展場(chǎng)地勘察工作，結(jié)合場(chǎng)地勘察和項(xiàng)目需求編制開發(fā)利用方案；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中，地下?lián)Q熱器、工程鉆孔等地下工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收，應(yīng)當(dāng)符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)規(guī)程；實(shí)施后，應(yīng)按照《上海市地質(zhì)資料管理辦法》匯交地質(zhì)資料。

3.3.2 保護(hù)措施

建立“區(qū)域+應(yīng)用項(xiàng)目”淺層地?zé)崮苜Y源監(jiān)測(cè)體系，對(duì)各典型區(qū)域地層原始地溫及淺層地?zé)衢_發(fā)利用影響區(qū)域溫度場(chǎng)的狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)開發(fā)利用項(xiàng)目熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)語

“在保護(hù)中開發(fā)、在開發(fā)中保護(hù)”是淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用的基本原則，淺層地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開發(fā)利用需要有效的保護(hù)措施和合理的管理方法，開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是協(xié)調(diào)資源開發(fā)利用與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)的重要手段，進(jìn)行分區(qū)引導(dǎo)、建立與規(guī)劃和土地管理銜接機(jī)制、實(shí)施項(xiàng)目全過程管理是協(xié)調(diào)資源開發(fā)利用與資源管理的重要途徑。上海多年來在技術(shù)方法及管理政策方面的實(shí)踐與探索，可為國(guó)內(nèi)外的淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用提供借鑒與指導(dǎo)。