河南省主要城市淺層地溫能特征及開發(fā)利用建議

王春暉 狄艷松 胡媛媛

摘要：河南省淺層地溫能資源具有分布廣泛、資源量豐富、開發(fā)利用方便等特點，發(fā)展前景廣闊。通過對河南省主要城市的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和巖土體結構特征等淺層地溫能賦存特征的分析，采用數(shù)理統(tǒng)計和對比分析等綜合研究的方法，對比研究了不同地貌類型城市200m以淺的巖土體熱物性特征、淺層地溫場分布特征和巖土熱響應特征等的異同及其分布與變化規(guī)律。結果顯示：河南省主要城市淺層地溫能的賦存層位主要為第四系及新近系上部的各類松散堆積物，這些松散的堆積物和儲存于其孔隙內(nèi)的地下水為淺層地溫能的載體;巖土導熱系數(shù)會隨著孔隙率的增加而減小，隨巖性顆粒變粗而增大;城市地層綜合導熱系數(shù)和換熱能力與地下水徑流條件呈正相關;位于盆地和山前地帶水文地質(zhì)條件優(yōu)越的城市或地段，淺層地溫能開發(fā)利用宜采用地下水換熱方式，松散堆積物厚度較大且以細粒相沉積為主的城市或地段，宜采用豎直地埋管換熱方式。

關鍵詞：淺層地溫能;賦存條件;巖土體熱物性;巖土熱響應;開發(fā)利用;城市

中圖分類號：P314 文獻標識碼：A 文章編號：1007-1903（2019）01-0040-08

0前言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程的加快，城市規(guī)模的不斷擴大及人居環(huán)境的不斷改善，人們對能源的需求越來越大。能源不僅成為制約核心城市化進程和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，而且在能源消費中，煤炭占據(jù)的比重過大，環(huán)境污染未得到根本遏制，節(jié)能減排任務還非常繁重，發(fā)展低碳經(jīng)濟勢在必行。淺層地溫能是清潔環(huán)保的新型可再生能源，資源儲量大、分布廣，具有清潔環(huán)保、可再生、穩(wěn)定性好、利用系數(shù)高等特點（韓再生，2008），是國家鼓勵大力發(fā)展和開發(fā)利用的新能源。淺層地溫能受季節(jié)、氣候、晝夜變化的影響較小，使得地熱利用系統(tǒng)運行更加可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟性（楊俊偉等，2011）。隨著我國能源結構政策的調(diào)整和地源熱泵技術的逐步提高完善，城市對淺層地溫能需求不斷加大，淺層地溫能必將成為我國今后開發(fā)利用中的新型能源，建筑物供暖（或制冷）中，淺層地溫能所占的比重也將愈來愈高。河南省地處華北平原，地域廣闊、人口眾多，是能源消費大省。全省淺層地溫能資源具有分布廣泛、資源量豐富、開發(fā)利用方便等特點。其開發(fā)利用發(fā)展前景廣闊，市場潛力巨大。在整體規(guī)劃、合理開發(fā)和有效利用的前提下，大力開發(fā)利用淺層地溫能，在調(diào)整能源結構、緩解資源與環(huán)境壓力、減少二氧化碳排放、促進節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)、促進生態(tài)文明建設與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

通過對河南省主要城市的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和巖土體結構特征等淺層地溫能賦存特征的分析，對比研究不同地貌類型城市200m以淺的巖土體熱物性特征、淺層地溫場分布特征和巖土熱響應特征等的異同及其分布與變化規(guī)律，可為河南省主要城市或類似地區(qū)的淺層地溫能合理開發(fā)利用提供一定的參考和借鑒。

1自然地理與地質(zhì)概況

1.1主要城市概況

河南省位于我國中部黃河中下游，地理坐標：東經(jīng)110°21’～116°39’，北緯31°23’～36°22’。南北縱跨530km，東西橫亙580km，總面積16.70×104km2，約占全國總面積的1.74%。全省轄18個地級城市，分別為鄭州、洛陽、開封、新鄉(xiāng)、許昌、漯河、周口、安陽、濮陽、焦作、南陽、平頂山、駐馬店、信陽、三門峽、商丘、鶴壁和濟源，城市規(guī)劃區(qū)總面積為7936kmz。除地級城市以外，2013年，國務院批準成立了鄭州航空港經(jīng)濟綜合實驗區(qū)，批準規(guī)劃面積415km2。河南省主要城市分布見圖1。

1.2氣象與水文

河南省處于暖溫帶和亞熱帶氣候過渡地區(qū)，氣候具有明顯的過渡性特征。以秦嶺至淮河一線為界，以南的信陽、南陽屬亞熱帶濕潤、半濕潤季風氣候區(qū)，以北的其它城市均屬暖溫帶干旱、半干旱季風氣候區(qū)。全省年平均降水量在600～1200mm左右，南部達1000～1200mm，黃淮之間為700～900mm，北部及西部僅600～700mm。全省年平均氣溫12.8°C～15.5°C。7月份氣溫最高，月平均氣溫27°C～28°C;1月份最低，月平均氣溫為-2°C～2°C。全年無霜期在180～240天之間。夏季空調(diào)利用時間為6-9月份，冬季供暖時間一般為11月15日一次年的3月15日，供暖與制冷時間相當。

河南省河流眾多，由西向北、東、南呈放射狀分流，分屬海河、黃河、淮河、長江四大流域。洛陽、三門峽、濟源屬黃河流域，南陽屬長江流域，安陽、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、鶴壁屬海河流域，鄭州（含鄭州航空港區(qū)）、開封、許昌、漯河、周口、平頂山、駐馬店、信陽、商丘屬淮河流域。

1.3地形地貌

河南省北、西、南三面為山地、丘陵和臺地，東部為平原。其地勢西高東低，從西向東呈階梯狀下降。按城市所處的地貌部位，可將18個主要城市和鄭州航空港綜合試驗區(qū)歸類于沖積平原型城市（包括鄭州、開封、新鄉(xiāng)、濮陽、許昌、漯河、商丘、周口、駐馬店和鄭州航空港綜合試驗區(qū)10個城市）、內(nèi)陸河谷盆地型城市（洛陽、三門峽、南陽、濟源4個城市）和山前沖洪積傾斜平原型城市（平頂山、焦作、信陽、鶴壁、安陽5個城市）。

1.4地質(zhì)概況

河南省18個主要城市及航空港綜合試驗區(qū)地質(zhì)特征見表1。

2淺層地溫能賦存特征

2.1巖土體結構特征

河南省主要城市淺層地溫能的賦存層位主要為第四系及新近系上部的各類松散堆積物，這些松散的堆積物和儲存于其孔隙內(nèi)的地下水為淺層地溫能的載體，廣泛分布于洪積平原區(qū)、山前沖洪積傾斜平原區(qū)及山間盆地區(qū)。18個地級市和航空港綜合試驗區(qū)具有河流沖積成因的松散堆積物的共同的特點。沖積平原型城市地處黃淮沖積的廣闊平原之上，普遍分布有厚度較大的第四紀沖積、沖洪積、湖積松散層;由于第四紀以來，該類城市地處緩慢沉降過程中，河流歷經(jīng)頻繁變遷，形成了新近系巖土性質(zhì)變化顯著，廣泛分布著中細砂、粉細砂、粉土、粘性土及軟土等土體特征。內(nèi)陸河谷盆地型城市地處河流階地或山前丘陵狀斜坡，其巖土體分布多以沖洪積相的卵礫石和砂層為主。山前沖洪積傾斜平原型城市地處山前沖洪積扇地貌單元之上，自扇頂部或軸部至扇前緣或邊緣地帶，巖性由卵礫石變化為粉土、粘性土與粉、細砂互層。

2.2水文地質(zhì)特征

（1）內(nèi)陸河谷盆地型城市。含水層巖性以沖洪積的卵礫石、砂礫石為主，分布特征受河谷或盆地周邊高地形的控制，底板深度、厚度表現(xiàn)為河谷中部大，向遠離河谷地帶變淺、變薄，直至尖滅;含水層富水性極強，單井出水量一般大于3000m3/d，水平滲透能力強，地下水與地表水聯(lián)系密切，天然條件下，河水以排泄地下水為主，地下水沿河水流向存在潛流;現(xiàn)狀條件下，受人為開采的影響，在城市地段及其一定范圍內(nèi)，地下水位明顯低于河水位，河水的側滲或滲漏成為地下水的主要補給源。

（2）山前沖洪積傾斜平原型城市。含水層巖性變化較大，具有由扇頂部和軸部向扇前緣與邊緣，巖性顆粒由粗明顯變細特征。扇軸部及中上部巖性粗，分選性、磨圓度差，以卵礫石、砂礫石為主，厚度大，一般超過堆積厚度的60%，含水層富水性極強，單井出水量可達5000m3/d以上。至沖洪積扇前緣和邊緣，含水層巖性變?yōu)榧毶啊⒎凵?，單層厚度薄，與粘性土呈互層或夾層，含水層富水性弱，單井出水量小于1000m3/d。由沖洪積扇上部至下部，地下水位埋深由深變淺，扇前緣地帶埋深小于2m，天然條件下，為扇區(qū)地下水的溢出排泄帶。河水或雨季河流洪水為扇區(qū)地下水的主要補給源。

（3）沖積平原型城市。含水層巖性以中砂、細砂為主。受沉積環(huán)境的控制，黃河沖積平原區(qū)的黃河古河道帶，含水層巖性顆粒粗，單層厚度較大，含水層富水性較好，單井出水量一般1000～3000m3/d，泛流平地和背河洼地區(qū)，含水層顆粒相對較細，厚度較薄，單井出水量一般500～1000m3/d;南部的淮河沖積區(qū)含水層以細砂、粉細砂為主，單井出水量一般1000m3/d左右。受開采的影響，城市區(qū)水位埋深一般較大，形成水位降落漏斗，為地下水回灌提供了有利條件。

3巖土體熱物性特征

3.1不同城市巖土體熱物性參數(shù)

根據(jù)主要城市3199組巖土樣的熱物性測試結果，按照巖土體的巖性、物理性質(zhì)分類，對各種熱物性參數(shù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析，然后進行加權平均，得出了各主要城市淺層地溫能賦存層位的巖土體平均含水量（w）、密度（O）、導熱系數(shù)（λ）和比熱容（c）等熱物性參數(shù)，結果圖2。

3.2不同巖性熱物性參數(shù)

河南省主要城市淺層地溫能賦存層位不同巖性熱物性有以下規(guī)律：

卵礫石的導熱系數(shù)最大為1.95W/（m·K），砂質(zhì)粘土最小1.41W/（m·K），其導熱系數(shù)從大到小排序大致為：卵礫石>粗砂>中砂>粉細砂>粉砂>粉質(zhì)粘土>砂巖>粘土>泥巖>粉土>細砂>中細砂>砂質(zhì)粘土。

粘土的比熱容最大1.48 kJ/（kg·°C），卵礫石的比熱容最小0.95 kJ/（kg·°C），其比熱容從大到小排序大致為：粘土>砂質(zhì)粘土>細砂>中砂>泥巖>砂巖>砂巖>砂礫石>中細砂>粗砂>卵礫石。

隨巖性顆粒變粗，導熱系數(shù)λ有增大的趨勢，比熱容c則呈減小的趨勢。

不同巖性主要熱物性參數(shù)平均值見表2、圖3。

綜上，由于水和空氣的導熱系數(shù)比礦物質(zhì)小，所以巖土導熱系數(shù)會隨著孔隙率的增加而減?。ü懿?，2010）。土壤容重的增加可降低孔隙率，并改善固體顆粒間的熱接觸。導熱能力低的空氣量的減小，總導熱率增加。另一方面，由于水的比熱容較大，因此當含水量增加時，巖土的比熱容也將增加（刁乃仁等，2006）。如果巖土的孔隙率很低，則其熱物性主要由其中的礦物質(zhì)決定。如果巖土孔隙率較高，則巖土的含水量對其熱物性產(chǎn)生很重要的影響。水滲透到土壤中使其容重變大所造成的導熱率的增加，比容重大的密實土壤所造成的影響大得多。這是因為顆粒間接觸點上出現(xiàn)的水膜不僅減少了顆粒間的接觸熱阻，而且水分（導熱系數(shù)是空氣的20多倍）取代了土壤孔隙間的空氣，同時潮濕土壤中熱濕遷移的作用大大增強，這些使其傳熱能力遠大于相同密度下的干燥的土壤（俞亞南等，2010）。

4巖土熱響應特征

4.1主要城市熱響應試驗特征

從所處不同城市現(xiàn)場熱響應試驗熱物性參數(shù)對比結果可以看出（圖4），山前沖洪積傾斜平原型城市地下水徑流條件相對較好，平均導熱系數(shù)最大，內(nèi)陸河谷盆地型城市一般位于盆地中心部位地下水徑流條件相對較差平均導熱系數(shù)最小，位于沖積平原區(qū)則兩個參數(shù)值均居中。

4.2主要城市地層每延米換熱量

河南省主要城市每延米換熱量以40～80W/m為主，最小為安陽26.70W/m，最大為平頂山84.49W/m，平均為51.14W/m（表3）。三門峽、洛陽、濟源、開封、鄭州航空港、許昌等城市每延米換熱量60～80W/m;鄭州、漯河、商丘、駐馬店、信陽等城市每延米換熱量40～60W/m;南陽、新鄉(xiāng)、焦作、周口、安陽等城市每延米換熱量20～40W/m。

5開發(fā)利用建議

河南省主要城市淺層地溫能的賦存層位主要為第四系及新近系上部的各類松散堆積物，其所含地下水為松散巖類孔隙水，含水層分布廣，厚度大，水量較豐富，易開采，可恢復性強。平原區(qū)人口密集，城鎮(zhèn)密布，地質(zhì)、水文地質(zhì)和淺層地溫能開發(fā)利用條件優(yōu)越，是淺層地熱能開發(fā)利用的重點地區(qū)（圖5）。河南省18個省轄市，有3個城市位于盆地（河谷平原），其他15個城市均位于山前沖洪積傾斜平原和河流沖積平原上，利于淺層地溫能的開發(fā)利用。尤其是位于盆地的洛陽、南陽、三門峽和山前地帶的安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濟源、鄭州、信陽、平頂山等水文地質(zhì)條件優(yōu)越的城市或地段，開發(fā)利用淺層地溫能時，宜采用地下水換熱方式。西部山間盆地及山前丘陵區(qū)，第四系下更新統(tǒng)為沖、湖積砂及砂礫石、粘土等，厚度大于100m。東部平原區(qū)第四系松散堆積物厚度約100～400m。河南多數(shù)城市區(qū)分布的地層巖性以沖積、沖湖積、湖沼相等細粒相沉積為主的松散地層，適宜于豎直地埋管換熱系統(tǒng)。城市區(qū)分布的地層巖性以沖積、沖洪積為主的松散地層，且沉積物以粗粒相的砂卵石、砂礫石、粗砂、中砂為主或厚度較大時，考慮地下水的影響，適宜于地下水換熱方式。

《河南省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》指出，目前河南省一次能源消費中非化石能源僅占比5.8%，煤炭消費量占全省能源消費總量的76%左右，規(guī)劃到2020年，非化石能源消費占比要大于7%，重點發(fā)展淺層地熱能，規(guī)范發(fā)展中深層地熱能，鼓勵在新建公共建筑和住宅小區(qū)開展地源熱泵供暖制冷，新增地熱供暖制冷面積3000萬m2，累計達到5500萬m2，能源結構調(diào)整的任務十分艱巨。因此，淺層地溫能開發(fā)利用時可以與中深層地熱資源、風能、太陽能等其它新型清潔能源及其它能源互相配合利用。河南省地熱資源主要集中在鄭州、開封、新鄉(xiāng)、周口等平原地帶，溫度40°C～60°C，屬于中低溫地熱資源，可以在“取熱不取水”的前提下，將中深層地熱資源與淺層地溫能資源相結合，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢。此外，在資源條件具備的地區(qū)，也可以考慮淺層地溫能與太陽能、風能的結合。近些年出現(xiàn)的多源復合系統(tǒng)方式也拓展了淺層地溫能的開發(fā)利用，通過以淺層地溫能資源利用為主，中深層地熱資源作為補充，其他能源（如燃氣、燃油）進行調(diào)峰，有效降低初投資。同時也可以利用峰谷電價進行蓄能，降低運行成本。

6結論

（1）河南省主要城市淺層地溫能的賦存層位主要為第四系及新近系上部的河流沖積成因的各類松散堆積物。

（2）河南省主要城市淺層地溫能賦存層位不同巖性熱物性有較大差異，巖土導熱系數(shù)會隨著孔隙率的增加而減小，隨巖性顆粒變粗而增大。

（3）河南省主要城市地層綜合導熱系數(shù)和換熱能力與地下水徑流條件密切相關，地下水徑流條件相對較好的山前沖洪積傾斜平原型城市，地層平均導熱系數(shù)最大，地下水徑流條件相對較差的內(nèi)陸河谷盆地型城市，地層平均導熱系數(shù)最小。

（4）河南省主要城市的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖土體結構等淺層地溫能賦存條件整體較好，利于淺層地溫能的開發(fā)利用，位于盆地和山前地帶水文地質(zhì)條件優(yōu)越的城市或地段，淺層地溫能開發(fā)利用宜采用地下水換熱方式，松散堆積物厚度較大且以細粒相沉積為主的城市或地段，宜采用豎直地埋管換熱方式。

（5）淺層地溫能開發(fā)利用時可以與中深層地熱資源、風能、太陽能等其它新型清潔能源及其它能源互相配合利用，同時也可以利用峰谷電價進行蓄能，降低運行成本。