濰坊市中心城區淺層地熱能資源評價(jià)

淺層地熱能廣泛存在于地下淺層恒溫帶中的土壤、巖石和地下水中，是可再生能源家族中的新成員。作為清潔、新型、可再生的綠色能源，淺層地熱能對推動(dòng)城市節能、減排等有很大幫助。近年來(lái)，隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供熱和空調已成為普遍的需求，特別是在全國可再生能源建筑應用政策的大力推動(dòng)下，許多地區已經(jīng)陸續建設地熱能資源系統，并收到了較好的應用效果。

濰坊位于山東半島中部，是著(zhù)名的世界風(fēng)箏之都。作為高水平的現代制造業(yè)基地和新產(chǎn)品研發(fā)轉化基地、中國優(yōu)秀創(chuàng )新型城市，濰坊在經(jīng)濟快速增長(cháng)過(guò)程中，對能源需求將保持較快增長(cháng)趨勢，節能減排的任務(wù)日益加重。濰坊市中心城區淺層地熱能資源豐富，地熱能資源的合理開(kāi)發(fā)利用，對改善能源結構，促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展具有重大意義。筆者在充分收集濰坊市中心城區淺層地熱能資料的基礎上，結合濰坊市中心城區發(fā)展總體規劃，對淺層地下水熱能資源可利用量進(jìn)行分析，并對如何利用地下水熱能資源提出建議。

1 濰坊市中心城區淺層地熱能儲量計算

濰坊市中心城區包括奎文區、濰城區、寒亭區、高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區、經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區、坊子區6個(gè)區，其中經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區地下水資源貧乏，含水層全部為粉沙和細沙，回灌的可灌性不好，不適宜建設地下水熱泵工程。

1.1 水文地質(zhì)條件

濰坊市中心城區坐落在白浪河沖積扇的上中部。沖積扇頂部基巖埋深約為10 m，北部基巖埋深可達100～150 m，單井出水量在北部可達100 m3/h以上，南部大多數為40～50 m3/h，靜水位埋深大多15 m左右，降深為3～5 m。沖積扇主體部分以西沙層分布不普遍，第四系地層水量較好，有的地方無(wú)沙層，打井以取基巖水為主。中心城區的南部邊緣第四系地層之下的基巖為白堊系青山組火山巖系，地下水貧乏，其他部分第四系地層之下全部為第三系玄武巖，普遍有水，但水量極不均勻。

上河園小區機井深為80 m，沙層為6層，總厚度為15 m，靜水位為16 m，降深為14 m，出水量為130 m3/h。該區代表性較強，可以反映白浪河沖積扇的地層結構，具體如圖1和圖2所示。

1.2 適宜區劃分

1.2.1 劃分原則

適宜性分區作為淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用的首要工作，對資源量的評價(jià)和指導淺層地熱能開(kāi)發(fā)起著(zhù)至關(guān)重要作用[水文地質(zhì)條件，我們確定適宜區劃分應遵循以下4個(gè)原則：（1）單井出水量不小于20 m3/h;(2）從靜水位至含水層下伏的隔水底板的厚度不小于5 m;(3）含水層以中沙以上的沙層為主，其次是富水性較好的第三系玄武巖；（4）含水層有較好的可灌性。

1.2.2 劃分結果

中心城區的地下水熱泵適宜區主要分布在奎文區和濰城區東部、寒亭區西部、坊子區西北部、高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區西部、經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區東部。根據適宜區的地層結構及含水層狀況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)大區，又細分為10個(gè)亞區。

適宜Ⅰ區位于適宜區的中部，即白浪河沖積扇的主體部位，以開(kāi)采第四系含水層為主，沙層分布廣泛，普遍可以成井。適宜Ⅱ區位于Ⅰ區東側，第四系地層較薄，無(wú)含水層，以取用第三系玄武巖中的裂隙水及其底部松散巖石中的孔隙水為主，玄武巖厚度不大，風(fēng)化較好，各亞區的富水性差異較大。適宜Ⅲ區位于Ⅰ區西側，第四系沙層零星分布，第三系玄武巖厚度較大，各亞區的富水性也有較大差異。各亞區的面積、含水層計算厚度如表1所示。

1.3 淺層地熱能儲存量計算

熱儲法（又稱(chēng)體積法）是計算地熱能儲存量的一種常用方法。用熱儲法計算地熱能儲存量需要對包氣帶和包水帶分別進(jìn)行計算，筆者認為計算包氣帶的熱儲量意義不大，故本文僅計算包水帶的熱儲量，未計算包氣帶的熱儲量，計算式為式（1）。

2 濰坊市中心城區淺層地熱能可利用量計算

淺層地熱能的可利用量也就是年補給量，補給量主要來(lái)源于大地熱流、降雨入滲、地下水側滲、太陽(yáng)輻射補給。

2.1 大地熱流對淺層地熱能補給量計算

在理論上，大地熱流值應采用恒溫帶以下的地溫數據和熱導率數據進(jìn)行計算。淺層地熱能可利用量采用式（4）計算。

式中：Qh為淺層地熱能可利用量，kW;a為利用系數，取1;q為大地熱流值，MW/m2;M為計算面積，km2;

全國不同地區的q取值如下：西南地區為70～85 MW/m2；西北地區為43～47 MW/m2；華北和東北地區為59～63 MW/m2；華南地區為66～70 MW/m2。濰坊市中心城區受沂沭斷裂的影響，大小斷層眾多，地層支離破碎，經(jīng)綜合考慮，其大地熱流值應該偏大，取q=63 MW/m2。所以，大地熱流在常態(tài)下的正常補給量Qh=63 M=63×196.846=12 401.3 kW。當區域地下水溫度平均下降4℃之后，地溫梯度變大了，補給量還會(huì )更大。

2.2 降雨入滲對淺層地熱能補給量計算

濰坊市多年平均降雨量為661.9 mm，其中6～9月的降雨量占全年降雨量的72.2%，且雨水溫度高，對地下水的補給量大，是淺層地熱能十分重要的補給來(lái)源。其他月份的降雨溫度低，但數量少，對地下水的補給作用不大。根據濰坊市的氣象資料，以降雨量為權重加權平均得出全年雨水溫度為20.7℃，它與區域地熱儲存量下限水溫12.3℃相差8.4℃，以此作為降雨入滲補熱的溫差△T。

降雨入滲對淺層地熱能的年補給量可用式（5）計算。

式中：Qy為降雨入滲對區域地熱能的年補給量，kW·h；ρw為水的密度，取1 000 kg/m3;Cw為水的比熱容，取4.18 kJ/（kg·℃）；Py為平均年降雨量，取用0.662 m;αy為年降雨入滲系數（取用0.15）；△T為雨水與地下水溫差，取用8.4℃；M為計算面積，km2。

根據降雨入滲對地下水熱能的年補給量計算公式可得，Qy=0.968×106·M=1.905×108kW·h。

2.3 地下水側滲補給對淺層地熱能補給量計算

與降雨入滲一樣，從周邊地區向中心城區側向補給的地下水也會(huì )把一定的熱量補充到中心城區淺層地熱能之中。

周邊地下水對區域淺層地熱能的年補給量計算公式為式（6）。

式中：Qy為周邊地下水年補熱量，kW·h;K為沙層滲透系數，取1.58 m/d;I為地下水滲透比降（無(wú)因次），取1.15;L為計算斷面長(cháng)度，取上游側向補給邊界在垂直于地下水流向斷面上的投影，即適宜區的最大寬度，為18 km;H為沙層累計厚度，根據已知井的平均沙層厚度與孔深之比確定，為85 m；△T為取水溫差，取4℃。

經(jīng)計算，Qy=47.1×108kW·h。

2.4 太陽(yáng)輻射對淺層地熱能補給量計算

由于包氣帶是一種多孔介質(zhì)，導熱系數很小，淺表層地溫的少量變化要傳遞到地下水中更是十分困難。根據濰坊氣象臺資料分析，每年的3月和9月，地溫與氣溫相差不大，為蓄熱與散熱平衡期；4至8月為地熱增溫期；10月至翌年2月為地熱降溫期。增溫期的20 cm月平均地溫為22.48℃，與20 cm年平均地溫相差8.08℃。降溫期的20 cm月平均地溫為6.04℃，與20 cm年平均地溫相差8.36℃，即月均增溫值與月均降溫值基本一致。這說(shuō)明，太陽(yáng)輻射對土壤熱量的補給與熱量的消耗是相互抵消的。因此，太陽(yáng)輻射對淺層地熱能的補給量可以不予計算。

3 結語(yǔ)

(1）濰坊市中心城區地下水資源豐富，適宜區面積共計196.846km2，淺層地熱能儲存量為17.14×1013kJ，相當于585萬(wàn)t標準煤的總發(fā)熱量。建議在該區內推廣應用地下水熱泵技術(shù)，用于工業(yè)、居民供暖，替代傳統的燒煤方式，改善能源結構，推動(dòng)城市節能、減排，促進(jìn)經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展。

(2）要搞好地下水源熱泵工程的總體規劃。結合濰坊市中心城區的整體發(fā)展規劃，在適宜區內盡量合理、均衡布局地下水源熱泵工程，防止盲目發(fā)展、過(guò)度開(kāi)發(fā)，避免因工程項目過(guò)于集中、相互影響而影響工程效能的發(fā)揮，造成不必要的經(jīng)濟損失。

(3）鼓勵新建或改建的公共建筑、居民樓、農村集中建設的住宅區充分采用淺層地下水熱能資源，政府投資的公益性項目應優(yōu)先利用淺層地下水熱能資源。

(4）有關(guān)部門(mén)應加強對地下水資源的管理，定期進(jìn)行水量、水位、水質(zhì)和水溫監測，加強水質(zhì)保護，防止地質(zhì)災害，以實(shí)現地下水資源的可持續利用。