湖南省淺層地溫能資源調(diào)查與評價

李 芳, 殷 維

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇二隊，湖南 長沙 410014)

0 引言

2015年11月，我國在巴黎氣候變化大會上做出承諾，將于2030年左右使二氧化碳排放達到峰值并爭取盡早實現(xiàn)2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降60%～65%，非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右。中國已經(jīng)成為應對氣候變化的重要參與者。綠色發(fā)展理念也被納入我國“十三五”規(guī)劃，成為五大發(fā)展理念之一。“十三五”規(guī)劃明確提出構(gòu)建低碳能源體系，發(fā)展綠色建筑。

淺層地熱能是深層地熱能與太陽能共同作用的產(chǎn)物，廣泛存在于地球淺表層巨大的恒溫帶中[1]。與傳統(tǒng)地熱相比，淺層地熱能適合在我國各處開發(fā)。通過地源熱泵技術(shù)[2]采集淺層地熱能，向大地提取或釋放熱量以滿足建筑供暖(冷)的需求，具有高效率、低能耗、輕污染的特點[3]。大力推動淺層地溫能開發(fā)利用可減少傳統(tǒng)能源的消耗[4]和實現(xiàn)建筑節(jié)能，符合“十三五”規(guī)劃提出構(gòu)建低碳能源體系、發(fā)展綠色建筑的要求。

1 研究區(qū)概況

湖南省位于我國中南部，境域地理坐標為東經(jīng)108°47′～114°15′，北緯24°39′～30°08′。本次調(diào)查評價區(qū)包括除長沙市外的13個地級市市區(qū)規(guī)劃范圍，重點工作區(qū)總面積1 769.8 km2，評價區(qū)(市區(qū)規(guī)劃)總面積16 250 km2。

研究區(qū)屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16～18 ℃，地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，總體是東、南、西三面環(huán)山，中部丘崗起伏，北部湖盆平原，形成了朝東北開口的不對稱馬蹄形盆地；區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，水系發(fā)達，分屬長江和珠江兩大流域，并以長江流域的洞庭湖水系為主，形成以洞庭湖為中心的輻射狀水系；區(qū)內(nèi)構(gòu)造復雜，大型斷裂構(gòu)造多以北東向、北西向為主；區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育中等，出露面積約17 544 km2，占全省總面積的8.3%，主要為酸-中酸性花崗巖類巖石，呈巖基或巖株狀侵入白堊紀以前各時代地層中，大部分布于湘東、湘中及湘南地區(qū)。

2 研究方法

2.1 野外勘查和實驗

在調(diào)查區(qū)實施了勘查孔共18個，孔徑為Φ130 mm，全孔取芯編錄，并用于熱物性取樣測試、地溫測量、原位熱響應試驗等。對其中12個地埋管勘查孔進行地熱PE管下管、試壓、孔內(nèi)回填等工作，進行地溫測量及原位熱響應試驗。模擬夏季工況，進行2次不同負荷的試驗，大負荷采用6～10 kW，小負荷采用3～5 kW。其中衡陽市2組、岳陽市4組、常德市3組、永州市3組。采用熱敏電阻測溫儀對所調(diào)查的機(民)井/勘查孔進行井溫測井。水井深度≤20 m部分，按5，10，15，20 m測量井溫，在>20 m且≤50 m部分按每10 m測一次井溫，>50 m的部分按每25 m測一次，記錄井深、含水層、出水量、水位等。將所取得的巖土樣品共300組送到湖南大學土木建筑工程檢測有限公司進行測試。

對單井涌水量較大及含水層厚度較大區(qū)域施工的6個地質(zhì)勘查孔實施單孔穩(wěn)定流法抽水試驗(岳陽市、常德、永州)，每孔做3個水位降深。對其中3個鉆孔做回灌試驗。采用定流量自然回灌方式，試驗前測量靜水位，試驗時連續(xù)測量動水位，試驗停止后，測量恢復水位直到恢復到初始狀態(tài)。水位的測量精確到厘米。共采集30組機民井承壓水水樣，每組樣品取3件，分別裝入1個3 000 mL塑料桶，2個500 mL棕色玻璃瓶中，其中2個分別及時加入適量醋酸鋅、硫酸銨及稀硫酸。由湖南省勘測設(shè)計院試驗測試檢測中心測定水樣中主要離子含量。

2.2 室內(nèi)計算和評價

大地熱流值是表征區(qū)域地熱特征的重要參數(shù)。在一維穩(wěn)態(tài)條件下，大地熱流量值等于巖石熱導率和垂直地溫梯度的乘積。采用體積法計算淺層地熱能熱容量。先分別計算包氣帶和飽水帶單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲熱性能。淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)采用層次分析法[12]確定影響因子權(quán)重，然后用綜合指數(shù)法獲得綜合評價值。依據(jù)現(xiàn)場熱響應試驗取得的地埋管換熱器導熱系數(shù)，計算單孔換熱功率。在淺層地熱能適宜性子區(qū)，利用單孔換熱功率和子區(qū)面積估算評價區(qū)地埋管換熱功率。根據(jù)適宜區(qū)、較適宜區(qū)地源熱泵的換熱功率，采用單位面積(km2)可利用量的供暖和制冷面積表示淺層地熱能資源潛力。

3 結(jié)果和討論

3.1 淺層地溫場特征

對比巖性、氣溫不同的地區(qū)鉆孔的實測地溫剖面，湖南省各城市不同巖層類型的恒溫帶深度大致在15～25 m之間，多在20 m左右，溫度約19～21.4 ℃。

利用近12個月的測溫數(shù)據(jù)，計算不同鉆孔50 m，100 m深度的平均溫度(表1)。湖南省南部的衡陽、永州地溫溫度明顯高于北部的岳陽市、常德市。而且衡陽的地溫相對于永州高。一方面，衡陽分布導熱率相對較低的紅層，有利于地溫的賦存；另一方面，中新生代形成的衡陽盆地地幔上隆，地殼減薄，盆地內(nèi)沉積巨厚(500～5 000 m)中新生代陸相碎屑巖，斷裂發(fā)育，塹壘相間，大地熱流值相對較高(46.56～64.3 mW/m2)。

表1 50 m和100 m不同鉆孔地溫數(shù)據(jù)表

湖南位于中國南方地溫梯度的低值區(qū)湘中—桂中—鄂西渝東—川東北地區(qū)，地溫梯度明顯低于中國南方地區(qū)地溫梯度平均值(2.41 ℃/100 m)[13]。根據(jù)施工現(xiàn)場及巖芯可知，ZK1鉆孔在55～80 m段有斷層通過，巖芯破碎，地下水活動較頻繁，導致該孔的地溫梯度明顯偏低。永州市的碳酸鹽巖及碎屑巖巖組的地溫梯度明顯高于全省平均值，特別是碳酸鹽巖的ZK10孔地溫梯度達到3.053 ℃/100 m。區(qū)域構(gòu)造活動對地溫梯度影響較大，高值點一般都沿區(qū)域性斷裂帶分布。巖土體的熱導率對地溫梯度有一定的影響，熱導率較小，地溫梯度相對較高，熱導率較大，地溫梯度相對較低。

根據(jù)本次實測及收集的61個大地熱流值得到大地熱流分布(圖1)。湖南大地熱流密度具有南高北低、東高西低，中部為高低相間，局部有異常圈閉的區(qū)段，顯示出復雜構(gòu)造的影響。湖南省的大地熱流從低冷的25.11 mW/m2到相對高熱的108.25 mW/m2相間分布，相差達83.14 mW/m2，平均59.31 mW/m2，低于全國平均值(63 mW/m2)和臨近的江漢、江西省相近。

圖1 湖南大地熱流值等值線圖

熱流密度大于80 mW/m2為相對高熱流密度區(qū)，分布于湘中南的瓦屋塘—白馬山巖漿巖帶(約1 320 km2)和湘南姑婆山—金雞嶺—騎田嶺—熱水近東向巖漿巖帶(約4 080 km2)。80～70 mW/m2熱流密度圈區(qū)為偏高區(qū)，區(qū)內(nèi)水熱活動較強，呈北西向呈串珠狀分布于常德—安仁斷裂帶的北端石門熱水溪、中部灰湯、南段衡東—茶陵段，位于深部構(gòu)造轉(zhuǎn)換區(qū)段。低冷熱流密度區(qū)(<30 mW/m2)位于瓦屋塘—白馬山巖漿巖隆起帶北東的漣源凹陷和東南的邵陽凹陷。

3.2 淺層地溫能容量

巖土熱物性測量和現(xiàn)場熱響應試驗獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合體積法可估算淺層地熱能熱容量。

表2 巖土樣物性及熱物性參數(shù)表

熱物性參數(shù)包括：比熱容、導熱系數(shù)、熱擴散系數(shù)等。湖南省巖土體主要概化為：松散巖土層、紅層砂礫巖、碎屑巖、碳酸鹽巖、淺變質(zhì)巖和巖漿巖。對各取樣孔巖性相同的巖土樣品熱物性參數(shù)加權(quán)平均，得到不同巖性的熱物性參數(shù)(表2)。各類巖體導熱率、比熱容、熱擴散系數(shù)等主要熱物性參數(shù)變化幅度較大。松散層導熱率最低，為1.50 W/(m·K)。松散層巖體含水率相對較高，致使其導熱率相對較低。巖漿巖的導熱率最高，為2.72 W/(m·K)，與經(jīng)驗值基本接近。紅層砂礫巖的比熱容最低，為0.72 kJ/(kg·K)；碳酸鹽巖的比熱容最高，為0.92 kJ/(kg·K)。松散層的熱擴散系數(shù)最小為0.82×10-6m2/s，巖漿巖的熱擴散系數(shù)最大，為1.27×10-6m2/s。

與實驗室中測得的結(jié)果相比，現(xiàn)場熱響應實驗主要優(yōu)點在于，直接在地下鉆孔換熱器中進行測量，減少了外界干擾對測試結(jié)果的影響?，F(xiàn)場熱響應實驗結(jié)果表明，各孔導熱系數(shù)、每延米換熱功率數(shù)值變化幅度較大(表3)。導熱系數(shù)最高為永州市零陵區(qū)和冷水灘區(qū)的ZK10、ZK12，分別達到了3.84 W/(m·K)、3.8 W/(m·K)，最低為岳陽市君山區(qū)的ZK8，低至1.769 W/(m·K)；每延米換熱功率最高為永州市冷水灘區(qū)的ZK12，高達55.30 W/m，最低為岳陽市君山區(qū)的ZK4，低至34.40 W/m。從不同巖性樣品測試結(jié)果來看，碳酸鹽巖的導熱系數(shù)和每延米換熱功率最高，平均值分別為3.78 W/(m·K)和48.83 W/m；紅層碎屑巖、松散巖、淺變質(zhì)巖的導熱系數(shù)和每延米換熱功率基本一致，為2.28～2.48 W/(m·K)和38.50～40.32 W/m。

表3 現(xiàn)場熱響應試驗測試結(jié)果

表4 淺層地溫能熱容量計算結(jié)果表

本次淺層地溫能熱容量計算深度為200 m以內(nèi)，計算面積為13個地級城市規(guī)劃區(qū)面積。各主要城市淺層地溫能熱容量見表4。湖南省13個地級城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能總熱容量為6.93×1015kJ/℃。

3.3 淺層地溫能開發(fā)適宜性

湖南省地下水資源較豐富的地區(qū)包括：松散巖類孔隙水分布區(qū)和巖溶水分布區(qū)?，F(xiàn)對這2類地區(qū)進行地下水地源熱泵適宜性進行評價。選取對具有代表性的較靈敏的、便于度量的主導性指標——供水條件、回灌條件、水化學條件構(gòu)建評價指標體系。對評價結(jié)果影響較大的因素為含水層的富水性、地下水水位埋深、地下水開采潛力、含水層巖性和滲透系數(shù)等，其中含水層的富水性影響最大。結(jié)果表明，湖南省松散巖類孔隙水分布區(qū)具有地下水源熱泵適宜區(qū)或較適宜區(qū)，包括常德、岳陽、益陽、株洲；巖溶水分布區(qū)總體上不適宜建設(shè)地下水地源熱泵。地下水源熱泵適宜區(qū)總面積為743.7 km2，占總面積的4.64%；較適宜區(qū)總面積772.7 km2，占總面積的4.83%。

根據(jù)主要含水巖組水文地質(zhì)條件特征、地層巖性的熱物性特征，可將研究區(qū)分為6類區(qū)域：(1)以第四系松散層為主類，主要包括常德市；(2)以碳酸鹽巖為主類，主要包括張家界市、吉首市、邵陽市、郴州市、永州市、懷化市；(3)以紅層為主類，主要包括衡陽市；(4)以第四系-紅層為主類，主要包括湘潭市、株洲市；(5)以第四系松散層-巖漿巖為主類，主要包括益陽市；(6)以第四系松散層-淺變質(zhì)巖為主類，主要包括岳陽市。按照垂直地埋管方式進行適宜性分區(qū)評價。選取水文地質(zhì)條件、地層屬性、施工條件來構(gòu)建評價指標體系。對結(jié)果影響較大的因素分別為地層巖性、鉆進條件、地層巖體熱導率等。其中最大的為地層巖性，其次為鉆進條件。結(jié)果表明，大部分地區(qū)都適宜于建設(shè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。其中適宜區(qū)面積8 323.96 km2，占總面積的51.98%；較適宜區(qū)面積7 629.44 km2，占總面積的47.64%；不適宜區(qū)面積61.07 km2，僅占總面積的0.38%。

3.4 淺層地溫能資源評價

對岳陽、常德、益陽、株洲4個市的地下水地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)進行換熱功率計算。湖南省岳陽、常德、益陽、株洲4個地級城市規(guī)劃區(qū)地下水冬季總換熱功率為98.41×104kW，夏季總換熱功率為196.81×104kW。其中，岳陽市地下水地源熱泵換熱功率最高，冬季約35.95×104kW，夏季約71.91×104kW。湖南省13個地級城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)地埋管地源熱泵冬季總換熱功率為1 030.63×105kW，夏季總換熱功率為1 545.95×105kW。其中，地埋管地源熱泵換熱功率最高為永州市，冬季約201.99×105kW，夏季約302.99×105kW。在地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵適宜區(qū)的重疊區(qū)域按照1∶2的權(quán)重比綜合計算總換熱功率，結(jié)果見表5。

表5 地源熱泵總換熱功率結(jié)果 單位：105 kW

湖南省13個地級城市規(guī)劃區(qū)地源熱泵系統(tǒng)冬季總換熱功率為1.00×108kW，夏季總換熱功率為1.39×108kW。其中，永州市總換熱功率最高，冬季換熱功率為2.02×107kW，夏季換熱功率為3.03×107kW。婁底市總換熱功率最低，冬季換熱功率為2.60×106kW，夏季換熱功率為3.90×106kW。

淺層地溫能資源潛力評價主要在地下水/地埋管地源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)內(nèi)進行。根據(jù)求得的地源熱泵的換熱功率，采用單位面積(km2)可利用量的供暖和制冷面積(m2)表示。計算結(jié)果表明，郴州市地埋管地源熱泵資源平均潛力最高，冬季平均潛力為2.95×106m2/km2，夏季平均潛力為2.31×106m2/km2。各地的平均淺層地溫能潛力如圖2所示。

圖2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬季、夏季平均潛力對比表

4 結(jié)論

(1)湖南省13個地級城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)不同巖層類型的恒溫帶深度大致在15～25 m之間，多在20 m左右，溫度約在19～21.4 ℃之間，地溫梯度明顯低于中國南方地區(qū)地溫梯度平均值。

(2)湖南省平均大地熱流值為59.31 mW/m2，低于全國平均值?？臻g分布南高北低、東高西低，中部為高低相間、局部有異常圈閉的區(qū)段，顯示出復雜構(gòu)造的影響。熱流密度大于80 mW/m2的區(qū)域分布于湘中南的瓦屋塘—白馬山巖漿巖帶和湘南姑婆山—金雞嶺—騎田嶺—熱水巖漿巖帶。熱流密度介于80～70 mW/m2的地區(qū)沿北西向呈串珠狀分布于常德—安仁斷裂帶的北端石門熱水溪、中部灰湯、南段衡東—茶陵段。

(3)湖南省13個地級城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能總熱容量為6.93×1015kJ/℃，冬季總換熱功率為1.00×108kW，夏季總換熱功率為1.39×108kW。地埋管地源熱泵適宜區(qū)內(nèi)，郴州市資源平均潛力最高，冬季為2.95×106m2/km2，夏季為2.31×106m2/km2。地下水地源熱泵適宜區(qū)內(nèi)，常德市資源平均潛力最高，冬季為2.11×105m2/km2，夏季為2.20×105m2/km2。

(4)長株潭城市群為湖南省政治經(jīng)濟文化中心，建筑能耗大，節(jié)能減排任務重。建議重點推動湘江新區(qū)、株洲市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、湘潭高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)等新建城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用，開發(fā)利用方式以地埋管地源熱泵為主。環(huán)洞庭湖區(qū)位于湖南北部，經(jīng)濟發(fā)達，鼓勵新建城區(qū)建設(shè)地埋管地源熱泵開發(fā)淺層地溫能，適度發(fā)展地下水地源熱泵。湘中南區(qū)和大湘西區(qū)都適宜發(fā)展地埋管地源熱泵，不適宜發(fā)展地下水地源熱泵，可在新建城區(qū)推廣地埋管地源熱泵系統(tǒng)應用。