吉林省淺層地?zé)衢_發(fā)利用適宜性

祖秉新，孟凡利，張 丕，曹 葛，孫曉芳

吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長春130042

淺層地?zé)崾强稍偕?、清潔、環(huán)保的新型能源，開發(fā)利用前景十分廣闊。隨著吉林省經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，在采暖、空調(diào)、生活、熱水等方面的熱能與制冷需求量越來越大。淺層地?zé)嶙鳛榉浅Ｖ匾男滦湍茉?，對緩解我省能源壓力、促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，尤其是減少二氧化碳的排放和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的和諧社會具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

吉林省在繼承中生代以前地質(zhì)構(gòu)造運動發(fā)展基礎(chǔ)上，由于新構(gòu)造運動，使全省地形地貌、氣候水文、土壤植被等自然因素，自東南向西北出現(xiàn)明顯的梯度變化和分帶特征。地形地貌自東南向西北：由強烈上升切割劇烈的延邊通化玄武巖臺原臺地和基巖中低山 緩慢上升切割減弱的吉林遼源花崗巖低山丘陵 相對沉降挽近時期又有隆起的剝蝕堆積高平原 持續(xù)強烈沉降的扶余通榆堆積低平原 緩慢上升剝蝕強烈的洮安西部基巖丘陵低山。按地貌單元形態(tài)，全省劃分五個地質(zhì)及水文地質(zhì)帶。

1.1 臺原臺地中低山侵蝕帶

臺原臺地中低山侵蝕帶，位于輝南、敦化以東地區(qū)，為中等至強烈切割的臺原臺地和中低山。帶內(nèi)從第三紀(jì)中新世至第四紀(jì)全新世均有火山運動，以火山噴溢為主。臺原臺地由玄武巖、橄欖玄武巖和少量粗面玄武巖及凝灰角礫巖組成。中山低山由古生代以前的變質(zhì)巖、碳酸鹽巖及碎屑巖組成。地下水類型主要有玄武巖孔洞裂隙水、巖溶水、基巖裂隙水，局部地區(qū)在山間盆地和河谷有孔隙水。安圖、撫松、渾江一帶分布低溫或中高溫地?zé)崴虻V泉水，地下水和礦泉水均以重碳酸型水為主，礦化度低于0.5 g/L，pH 值為6～7。

1.2 低山丘陵剝蝕帶

低山丘陵剝蝕帶，位于長大鐵路線東南的低山丘陵區(qū)，風(fēng)化殼發(fā)育。帶內(nèi)前震旦紀(jì)至中生代巖漿活動頻繁，華力西期花崗巖分布廣泛，燕山期花崗巖零星分布，局部有古生代碳酸鹽巖分布，沿北東向斷陷形成的伊通—舒蘭盆地，沉積巨厚的第三系和第四系地層。地下水類型以花崗巖基巖裂隙水和風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙水為主，局部有碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖裂隙孔隙水、松散巖類孔隙水、硅酸礦泉水。一般地下水和礦泉水以重碳酸型為主，礦化度小于0.5 g/L，pH 值為6～7。

1.3 高平原相對隆起帶

高平原相對隆起帶，位于扶余、長嶺以東廣大高平原地區(qū)。該帶中生代強烈沉降，新生代又相對隆起，是由白堊系為基座（軟巖層），局部分布10～20 m 厚的砂礫石，上覆黃土狀土剝蝕堆積，平原呈波狀起伏，切割明顯。地下水類型，河谷階地為松散巖類砂礫石孔隙水和隱狀斷裂的基巖裂隙水。此外，在大興安嶺山前傾斜平原的白城扇形地，含水層為中上更新統(tǒng)沖積礫卵石層，厚10～40 m，富水性較強，單井涌水量3 000～5 000 m3/d。還有松花江沿岸的高漫灘和一級階地前緣，含水層以礫卵石為主，厚15～20 m，單井涌水量1 000～3 000 m3/d。地下水化學(xué)類型均為重碳酸型，礦化度小于1.0 g/L，pH 值6～8。

1.4 低平原持續(xù)沉降帶

低平原持續(xù)沉降帶，位于扶余、長嶺以西，白城以東廣大地區(qū)。該帶中，新生代以來持續(xù)沉降，堆積厚達300 m 左右的河湖相泥質(zhì)砂質(zhì)松散沉積層。地下水類型，主要為第三系砂礫巖裂隙孔隙水和第四系松散巖類孔隙水。地下水礦化度0.5～3.0 g/L，隨著礦化度增高，地下水化學(xué)類型由重碳酸硫酸型→重碳酸氯化物型→氯化物重碳酸型，造成了如鐵、錳、氟等元素過剩。帶內(nèi)沙漠化、鹽漬化、氟中毒現(xiàn)象廣泛。

1.5 丘陵剝蝕帶

丘陵剝蝕帶，位于白城以西，屬大興安嶺東麓的低山丘陵。帶中山勢和緩，山頂渾園，溝谷寬淺，河泉不多，地形完整，風(fēng)化殼發(fā)育。侏羅系中酸性火山碎屑巖廣泛分布，花崗巖零星出露。地下水類型，以侏羅系火山碎屑巖裂隙孔隙水和花崗巖風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙水為主。地下水化學(xué)類型，均以礦化度低于0.5 g/L 的重碳酸型水。

2 地?zé)岱诸惣靶纬蓹C制

地?zé)崾翘烊恍纬傻牡責(zé)豳Y源，是能夠經(jīng)濟地被人類利用的地球內(nèi)部的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用化學(xué)組分。目前可利用的地?zé)豳Y源分為深層地?zé)岷蜏\層地?zé)?。深層地?zé)岚ㄌ烊怀雎兜臏厝?、通過人工鉆井直接開采利用的地?zé)崃黧w，還有干熱巖體中的地?zé)豳Y源。淺層地?zé)崾峭ㄟ^熱泵技術(shù)開采利用，它包括低溫的流體和巖土體，即水源熱泵技術(shù)（地下水、地表水）和地源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地?zé)崮堋?/p>

地?zé)崾艿刭|(zhì)、水文地質(zhì)和斷裂構(gòu)造等控制，是供給儲熱中巖石和地?zé)崃黧w的熱能來源，可以是現(xiàn)代巖漿活動的巖漿房，也可以是來自地殼深部的熱傳導(dǎo)或來自溝通深部熱源的現(xiàn)代活動性斷裂帶的熱對流。而淺層地?zé)崾翘N藏在地表以下一定深度范圍（200 m）內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能。

3 淺層地?zé)岬奶攸c

淺層地?zé)崮軄碓从诘貧さ臏\部，由于接受太陽能的輻射、降雨滲入所攜帶的熱量和深部大地?zé)崃鞯纫蛩氐墓餐饔?，保持了一定的熱量，成為一種熱能儲量巨大的低焓熱源。淺層地?zé)豳Y源有以下特點：

（1）淺層地?zé)嵩偕芰姟脺\層地?zé)嵊捎诖蟮責(zé)崃骱退h(huán)的補給，它與深層地?zé)嵯啾龋粌H再生能力強，而且開采成本低。

（2）淺層地?zé)岱植紡V泛∶地?zé)豳Y源儲存在地下水和巖土體中，地下水中的熱能，在地下水水位以下，地下水類型為潛水，其補給條件較好，水溫變化不大，開發(fā)成本最低，應(yīng)利用水源熱泵優(yōu)先開發(fā)利用；土體巖體中的淺層地?zé)幔艿刭|(zhì)條件的影響，開發(fā)利用具有一定的難度，其難易程度為：土體 軟巖層 堅硬巖體，以吉林省地質(zhì)條件分析，低平原土體 高平原土體與軟巖層 丘陵山區(qū)堅硬巖層。

（3）淺層地?zé)醿Υ媪枯^大∶由于淺層地?zé)岱植驾^廣，不論地下水或巖土體中的地?zé)醿α靠捎^，應(yīng)盡早開發(fā)利用，緩解能源不足。

（4）淺層地?zé)衢_發(fā)利用方式∶淺層地?zé)岬臏囟绕停灰酥苯永闷淠芰?，只有采用熱泵技術(shù)將水中的熱量和巖土體中的熱量提取驟集，才能成為很好的熱源。

4 淺層地?zé)衢_發(fā)利用現(xiàn)狀

21 世紀(jì)以來，國家相繼出臺了支持可再生能源開發(fā)利用的方針政策，地源熱泵行業(yè)有了較快的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的65%，而地源熱泵具有明顯的優(yōu)勢，包括高效節(jié)能、綠色環(huán)保、可再生能源利用，符合國家目前節(jié)能減排和環(huán)境保護可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。至2007 年底，全國有熱泵項目達4 800～5 000 個，其中以北京、河北、河南、山東、天津和遼寧為最多。受地質(zhì)和水文地質(zhì)條件所限，吉林省淺層地?zé)衢_發(fā)利用時間較晚。近幾年長春、吉林、梅河、榆樹、集安、松原等地的局部地段有零星開發(fā)利用，主要以開發(fā)利用地下水熱能為主，有成功的經(jīng)驗，也有失敗的教訓(xùn)。如：梅河口市區(qū)的水源熱泵項目，由于抽出來的水無法回灌而停止供暖；榆樹市五棵樹鎮(zhèn)水源熱泵項目，抽出來的水不能全部回灌到含水層中，至使剩余的水排入松花江，造成水資源浪費。因此，開發(fā)利用地下水淺層地?zé)崆?，必須進行淺層地?zé)岬恼{(diào)查評價工作，然后再上淺層地?zé)犴椖浚岣叩責(zé)衢_發(fā)利用的保證程度。

5 淺層地?zé)衢_發(fā)利用適宜條件

淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用，主要根據(jù)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，選擇適宜區(qū)段進行開發(fā)利用。應(yīng)堅持降低成本和先易后難的原則進行淺層地?zé)衢_發(fā)。開發(fā)利用方式有兩種，一是地下水源熱泵技術(shù)，二是地源熱泵技術(shù)（地堆管）。

5.1 水源熱泵適宜條件

根據(jù)吉林省水文地質(zhì)條件，水源熱泵適宜條件有限，僅在平原區(qū)的松花江兩岸的漫灘及一級階地前緣地帶和白城地區(qū)扇形地孔隙潛水，適合開發(fā)利用淺層地?zé)?。全省大部分的河谷階地含水層巖性為砂及砂礫石層，其滲透系數(shù)一般為10～30 m/d，熱泵抽出的地下水不易全部回灌到地下水中，淺層地?zé)衢_發(fā)受到限制。而松花江沿岸漫灘及一級階地前緣和白城扇形地含水層巖性以礫卵石為主，地下水滲透系數(shù)30～50 m/d，含水層滲透性較好，單井涌水量在1 000～3 000 m3/d 以上，滿足淺層地?zé)衢_發(fā)的灌采比要求。除此之外，我省較大的河流如：伊通河、飲馬河、嫩江等的河漫灘也具備開采淺層地?zé)釛l件。

2010 年至2012 年通過長春、松原、榆樹、梅河、集安和鎮(zhèn)賚等市縣城區(qū)淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價報告結(jié)果表明，只有靠近松花江的鎮(zhèn)賚縣城區(qū)開采淺層地?zé)彷^適宜，其它縣（市）城區(qū)均不適宜淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用。如：山區(qū)內(nèi)的集安市城區(qū)， 座落于鴨綠江畔，含水層以卵石為主，地下水滲透系數(shù)大于30 m/d。單井涌水量較小，僅165.28 m3/d（降深2.00 m），不適宜淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用。因此淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用，一是單井涌水量應(yīng)大于1 000～3 000 m3/d 的水量豐富區(qū)，二是含水層顆粒粗、滲透性強，抽出來的地下水能100%的回灌到統(tǒng)一含水層中，才能滿足抽灌要求。

5.2 地源熱泵適宜條件

依據(jù)吉林省的地貌形態(tài)和地質(zhì)條件，利用地源熱泵開采淺層地?zé)徇m宜性比較廣泛。結(jié)合降低成本和先易后難的原則，可先從土體和軟巖層開發(fā)利用地?zé)?，即平原區(qū)的低平原土體、高平原的土體與軟巖層（包括河谷階地、黃土臺地的土體與軟巖層）綜合開發(fā)利用，最終達到開發(fā)利用淺層地?zé)岬哪康?；伊舒盆地區(qū)，以第四系土體與第三系軟巖層為主，也適合淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用；中低山、丘陵和大興安嶺山地因地質(zhì)條件為堅硬巖石，淺層地?zé)衢_發(fā)，一是難度大，二是成本高，因此適宜尋找深層地?zé)衢_發(fā)利用。

6 淺層地?zé)衢_發(fā)利用注意事項

（1）水源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地?zé)?，其單位涌水量、灌采比、地下水位年下降量?yīng)滿足淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范的要求。

（2）淺層地?zé)衢_發(fā)時，應(yīng)有回灌保證，并保證水質(zhì)不遭受污染。

（3）避免抽出來的地下水無組織的排放，應(yīng)節(jié)約用水，保護水資源。

（4）加強水資源的管理和動態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時解決或處理。

（5）受地域和緯度的影響，我省地表水在冬季溫度偏低，不易開發(fā)利用其熱能。

7 結(jié)論

淺層地?zé)崾菍氋F、環(huán)保、可再生的新型能源，應(yīng)結(jié)合我省地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的實際情況，堅持降低成本和先易后難的原則，更好地開發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源。

為了保證淺層地?zé)衢_發(fā)利用的質(zhì)量和連續(xù)性，采用水源熱泵技術(shù)應(yīng)有選擇性的對平原區(qū)大江、大河兩側(cè)的河漫灘、一級階地前緣含水層以礫卵石為主的地段和白城地區(qū)的扇形地等孔隙潛水，進行淺層地?zé)衢_發(fā)利用是較適宜的。

地源熱泵技術(shù)應(yīng)選擇在低平原土體、高平原土體與軟巖層（包括河谷階地、黃土臺地土體與軟巖層）、伊舒盆地的土體與第三系巖層，進行淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用。

通過淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用，可減少二氧化碳的排放，使環(huán)境質(zhì)量得到提高，并降低能源成本的消耗，為振興吉林省經(jīng)濟發(fā)揮重要作用。

[1] 王鳳生.吉林地下水[M].長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[3] 吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局.吉林省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：地質(zhì)出版社，1989.

[2] 吉林省志·卷二十二/地質(zhì)礦產(chǎn)志[M].長春：吉林省人民出版社,2001.