運(yùn)用“指標(biāo)法”進(jìn)行淺層地溫能適宜性分區(qū)可行性探討

李國政

吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長春

運(yùn)用“指標(biāo)法”進(jìn)行淺層地溫能適宜性分區(qū)可行性探討

李國政

吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長春

本文介紹了吉林省淺層地溫能利用現(xiàn)狀及存在的問題。從工作實(shí)際出發(fā)，在淺層地溫能調(diào)查評價(jià)中，運(yùn)用《淺層地溫能調(diào)查評價(jià)規(guī)范》的指標(biāo)法對水源熱泵的適宜性進(jìn)行評價(jià)不完全正確。在對水源熱泵應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查中發(fā)現(xiàn)僅用運(yùn)用指標(biāo)法中灌采比分類確定地下水源熱泵的適宜性欠妥當(dāng)。即使灌采比小于50%（不適宜區(qū)），但采用抽一灌二、或抽一灌三，回灌效果良好，基本上可以利用，這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)引起人們的重視。指標(biāo)法在有些地區(qū)應(yīng)用效果較好。

淺層地溫能；水源熱泵；指標(biāo)法；灌采比小于50%；抽灌試驗(yàn)

0　引言

近幾年來，淺層地溫能的開發(fā)利用在全國蓬勃興起。吉林省雖然發(fā)展滯后，但是在各級城市或多或少都在開發(fā)利用。而開發(fā)利用適宜性評價(jià)自然就落在具有勘查資質(zhì)的地質(zhì)勘查單位，吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所是其中之一。2010年以來，我們對集安、榆樹、松原等城市地下水源熱泵的適宜性進(jìn)行了評價(jià)，其結(jié)論都是不適宜，而現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)有些地方應(yīng)用效果很好。這樣就對規(guī)范中指標(biāo)法的應(yīng)用產(chǎn)生疑問，本文就是對此疑問進(jìn)行的初步探究。

潛層地溫能是一種新型的戰(zhàn)略資源，既可循環(huán)再生，又清潔環(huán)保，利用前景廣闊。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國的能源形式日趨嚴(yán)峻，所以開發(fā)利用淺層地溫能資源是保障國家能源安全和緩解環(huán)境能力的必然選擇，是確保我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需 要，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排戰(zhàn)略目標(biāo)的重要手段。

1　淺層地溫能資源特點(diǎn)

淺層地溫能是指溫藏在地表以下一定深度，（一般為恒溫帶200 m埋深）范圍內(nèi)的巖土和地下水中具有開發(fā)利用價(jià)值和低于25 ℃的熱能。淺層地溫能其熱量主要來源于地球內(nèi)部熱能，較經(jīng)濟(jì)的開采深度一般小于200 m，是低品位的地?zé)豳Y源，溫度略高于當(dāng)年平均氣溫1～2 ℃。相對穩(wěn)定，賦存面廣，一般可就地提取利用。

淺層地溫能分布廣泛，儲量巨大，據(jù)專家測算，我國每百平方千米（相當(dāng)于一個中等城市的面積）近百米深度內(nèi)的土壤每年可采集的低溫能量是1 560×104kw，而百米內(nèi)深度的地下水每年可采集的低溫能量也有21×104kw。

淺層地溫能在季節(jié)性利用后可通過自然和人工補(bǔ)給或冬、夏兩個季節(jié)的反向溫差基本保持地溫場的動態(tài)平衡，從而可長期再生，循環(huán)利用。同時在開發(fā)利用中通過消耗少量的電能，就能從淺層巖土體、地下水中提取大量的熱量或冷量，而地下水的水質(zhì)、水量不發(fā)生任何變化，不向大氣排放二氧化碳等氣體及灰塵，對外界環(huán)境影響極小。與傳統(tǒng)的鍋爐相比，地源熱泵系統(tǒng)對一次能源利用率可以達(dá)到90%，而中型鍋爐房則僅為65%左右，相對節(jié)能25%。因此，淺層地溫能資源的開利用，既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，又起到了減排的作用，一舉兩得。為解決建筑節(jié)能減排問題提供了一條重要途經(jīng)。

2　吉林省淺層地溫能利用現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代后期，淺層地溫能開發(fā)利用得到快速發(fā)展，我國北京、沈陽等大城市節(jié)能、減排工作突出，北京已有1 300×104m2，沈陽已超過2 000×104m2，帶動了全國范圍內(nèi)的淺層地溫能資源開發(fā)利用的熱潮。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國淺層地溫能服務(wù)面積超過了6 000×104m2。從地理?xiàng)l件看，淺層地溫能供暖既可用于海拔4 000 m以上的青藏高原，也可以用于氣候嚴(yán)寒的黑龍江流域。從建筑類型看，淺層地溫能供暖已廣泛應(yīng)用于辦公樓、賓館、學(xué)校、醫(yī)院、住宅，工廠等。

吉林省淺層地溫能開發(fā)利用較北京、沈陽滯后，各地區(qū)的開展規(guī)模參差不齊。從吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所對吉林省主要城市淺層地溫能開發(fā)利用調(diào)查結(jié)果可以看出，有的地區(qū)在政府的資金的扶持下，開發(fā)利用較早，在2006年已相繼開發(fā)利用，有的地區(qū)從2010后才開始興起。

從利用效果上看，多數(shù)地區(qū)利用效果一般，有些地方如梅河口市應(yīng)用較早，但缺乏管理，缺乏前期合理的調(diào)查評價(jià)，應(yīng)用一年后因達(dá)不到供暖效果而停用，又改用供暖管網(wǎng)。有些地區(qū)比如吉林市因地下水的腐蝕性對水源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生的銹蝕，每年清洗費(fèi)用比燃煤供暖費(fèi)用還高，而相繼廢止。還有因回灌能力低，造成地下水流失和污染影響了地下水的水質(zhì)，同時會產(chǎn)生一些負(fù)面影響。

當(dāng)然也有地質(zhì)條件相對較好的地區(qū)，開發(fā)利用較好，比如白城市，其地下水豐富，埋深又淺，回灌能力較好，小規(guī)模的開發(fā)利用正在興起。

出現(xiàn)這些情況和原因是市場化推動造成的。由于淺層地溫能資源調(diào)查評價(jià)工作滯后，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和開發(fā)利用相關(guān)技術(shù)研究薄弱，雖然一些地方政府都以極大熱情和力度來推廣，但仍存在開發(fā)利用地區(qū)發(fā)展不平衡等問題。主要存在以下問題：

（1）開發(fā)利用超前，資源評價(jià)滯后，家底不清，造成城市專項(xiàng)規(guī)劃和管理工作較為被動。

（2）缺乏淺層地溫能源勘查的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測試技術(shù)。

（3）缺乏淺層地溫能資源開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境變化和長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)有大多數(shù)城市雖在開發(fā)利用淺層地溫能，但沒有制定科學(xué)的開發(fā)方案就盲目開發(fā)，工程設(shè)計(jì)不合理，施工不規(guī)范，致使地下水回灌情況不好，引發(fā)水資源浪費(fèi)和不同水質(zhì)層間的污染擴(kuò)散，地面沉降，熱污染等問題，有的甚至工程失敗或效能低下，達(dá)不到預(yù)期的節(jié)能目標(biāo)。目前各地政府對淺層地溫能資源的分布、資源量家底不清，使淺層地溫能開發(fā)利用受到很大限制并存在很大風(fēng)險(xiǎn)，目前淺層地溫能勘查評價(jià)滯后已成為淺層地溫能資源持續(xù)開發(fā)利用的阻礙。

3　結(jié)合工作實(shí)例對比談指標(biāo)法評價(jià)應(yīng)用

自2010年開始，吉林省投入財(cái)政資金對十個城市進(jìn)行了淺層地溫能的勘查工作。吉林省水文所分別對榆樹市、松原市、長春市、梅河口市、鎮(zhèn)賚市、集安市等城市進(jìn)行了淺層地溫能調(diào)查評價(jià)。

工作中依據(jù)的規(guī)范為《淺層地?zé)崮芸辈橐?guī)范》（DZ/T0225-2009）主要針對地下水換熱方式，用規(guī)范中的指標(biāo)法進(jìn)行適宜性評價(jià)（表1）。

3.1集安市地下水源熱系適宜性評價(jià)

2011至2012年吉林省集安市，集安城區(qū)7.9 km2的城區(qū)面積進(jìn)行了淺層地溫能評價(jià)，首先收集區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，進(jìn)行專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查，布置了三組抽灌試驗(yàn)場，分別進(jìn)行了現(xiàn)場抽水試驗(yàn)和抽灌試驗(yàn)。

工作區(qū)位于長白山脈中低山區(qū)及鴨綠江沿岸，區(qū)域內(nèi)地勢北高南低，向鴨綠江傾斜。地貌單元為低山丘陵、傾斜臺地，其中河谷階地份為二級階地、一級階地漫灘。而抽灌試驗(yàn)場均布置在一級階地漫灘之上，地下水較豐富。地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖積粉土、粉砂和卵石，第四系厚度6.0～10.0 m，含水層厚4.8～6.0 m。地下水類型為松散鹽類孔隙潛水，水量中等富水性100～500 m3/d，水溫10～11 ℃，礦化度0.524～0.886 g/L。

表1　地下水換熱適宜性分區(qū)Table 1 Groundwater heat transfer suitability zoning

三個試驗(yàn)場分別布于實(shí)驗(yàn)小學(xué)5眼井，井深30～35 m，財(cái)政局5眼井，井深30 m，第二中學(xué)5眼井，井深26～30 m，均為完整井，按平行地下水流向和垂直地下水流向進(jìn)行布孔，按照規(guī)范進(jìn)行了成井、洗井、抽水試驗(yàn)和抽灌試驗(yàn)，獲得了水文地質(zhì)參數(shù)和灌采比見表2。

表2　一抽一灌試驗(yàn)成果表Table 2 One pumping one injection test results

根據(jù)規(guī)范指標(biāo)進(jìn)行對比，三個場地均為不適宜區(qū)。

而對集安市城區(qū)淺層地溫能現(xiàn)狀調(diào)查時，有多家在利用，其中夢景家園小區(qū)位于市中心左側(cè)，建筑面積5.6萬平方米，采用地下水源熱泵供暖，打井40眼，配泵出水量可達(dá)50 m3/h，效果較好。實(shí)驗(yàn)小學(xué)西側(cè)一賓館打兩眼井，一抽一灌，井深7 m，水量為5 m3/h，供熱面積500 m2，使用效果較好。調(diào)查表明，雖然該地區(qū)灌采比較低，但一抽一灌或一抽兩灌基本可以回灌，在小面積供暖情況下，進(jìn)行規(guī)范的勘查評價(jià)和指導(dǎo)，也是可以開發(fā)利用水源熱系的。

3.2白城市地下水源熱系適宜性評估

2014年對吉林省白城市白城師范學(xué)院0.81 km2范圍內(nèi)進(jìn)行淺層地溫能場地勘查評價(jià)。

白城市地處大興安嶺東側(cè)山前扇形地上，即松嫩平原洮兒河沖洪積扇上。地形平坦，地貌形態(tài)單元為洮兒河沖洪積扇。地層為第四系松散堆積物，經(jīng)鉆孔揭示地層為黃土狀亞砂土（厚0.7～1.0 m）、粉細(xì)砂（厚2.0～5.0 m）、砂礫石（厚33.8～35.0 m），與下部第三系泰康組泥巖呈不整合接觸。

其中砂礫石層厚33.8～35.0 m，水位7.14～7.84 m，動水位年變幅0.8 m，地下水富水性為豐富，同時布置了一組抽灌試驗(yàn)場。進(jìn)行了抽水試驗(yàn)和抽灌試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算灌采比為34.5%。該場地單位涌水量2 320.8 m3/d·m，單位回灌量801.82 m3/d· m，灌采比34.5%，滲透系數(shù)76.5 m/d，數(shù)位下降量＜0.8 m。與規(guī)范指標(biāo)對比，確定勘查區(qū)為地下水源熱系不適宜區(qū)。

而現(xiàn)狀調(diào)查后，白城市有十多家在利用水源熱泵，且效果較好，也有相對較差的，原因是多方面的。

（1）白城博大醫(yī)院：井深90 m，單井出水量220 m3/h，一眼抽水井，回灌井3～4眼，已運(yùn)行兩年，效果較好。

（2）白城吉福家園，應(yīng)用一眼抽水井，單井出水量為160 m3/h，一眼井回灌，供暖面積小，剛運(yùn)行回灌效果好，兩年后，由于未及時洗井等原因，回灌效果一般。

（3）白城旭東賓館：應(yīng)用一抽三灌，單井出水量160 m3/h，運(yùn)行效果較好。

調(diào)查表明，以上應(yīng)用單位或個體未進(jìn)行合理勘查評價(jià)，但有些應(yīng)用尚可以，而根據(jù)規(guī)范評價(jià)，用灌采比指標(biāo)評價(jià)結(jié)論不適宜，實(shí)際上在合理開發(fā)正確規(guī)劃的情況下，白城市地下水很豐富，在合理布置井距和控制回灌井?dāng)?shù)量的情況下，是可以利用水源熱系進(jìn)行供暖和制冷的。

當(dāng)然這些年還做過榆樹市、鎮(zhèn)賚市、松源市等地的淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價(jià)工作，還有吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站做過的幾個地區(qū)的淺層地?zé)崮茉u價(jià)工作，皆因規(guī)范中灌采比數(shù)低而做出不適宜開發(fā)利用的結(jié)論。

2014年至今又擔(dān)了吉林省主要城市地層地溫能開發(fā)區(qū)1.5萬水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，在對各地級市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)了類似情況，有些地區(qū)地下水源熱系開發(fā)利用效果也很好，而用指標(biāo)法評價(jià)結(jié)果也不適宜，如白城市，已有幾十家在用，分別是醫(yī)院、學(xué)校、賓館、洗浴。電視臺、政府辦公樓等。白城市地下水很豐富，但灌采比也不大于50%，但采用抽一灌二、或抽一灌三，回灌效果良好，基本上可以利用。

鑒于幾年來的工作實(shí)踐，認(rèn)為勘查規(guī)范中采用指標(biāo)法評價(jià)地下水源熱泵的適宜性不全面，僅用灌采比分類確定地下水源熱泵的適宜性欠妥當(dāng)。

4　實(shí)踐中的認(rèn)識

吉林省對十個城市地下水源熱泵適宜性的評價(jià)報(bào)告皆采用指標(biāo)法，因灌采比小于50%，而結(jié)論為開發(fā)利用不適宜區(qū)。

幾年來淺層地?zé)崮芸辈楣ぷ髦?，一直對這種結(jié)論產(chǎn)生疑惑，通過2014年吉林省主要城市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查，部分城市地下水源熱泵運(yùn)行良好，有的已利用6～8年，而片面的用指標(biāo)法給予否定，對政府指導(dǎo)工作是一個誤導(dǎo)，對該地區(qū)的淺層地溫能開發(fā)利用時一種制約和埋沒。

因此建議規(guī)范編制部門，在基層大量實(shí)踐工作的基礎(chǔ)對此進(jìn)行修訂和擴(kuò)充，以待一部完整的，符合實(shí)際的淺層地溫能勘查評價(jià)規(guī)范產(chǎn)生。

現(xiàn)在已有專家呼吁，在淺層地溫能調(diào)查評價(jià)中慎用指標(biāo)法，說明專家也認(rèn)識到了規(guī)范中指標(biāo)法評價(jià)的片面性，應(yīng)結(jié)合實(shí)際，綜合各方面地質(zhì)、水文地質(zhì)情況，地下水質(zhì)情況采用層次法進(jìn)行評價(jià)，得出符合實(shí)際，有指導(dǎo)意義的評價(jià)結(jié)論來。

因此，淺層地溫能調(diào)查評價(jià)工作中，首先要充分收集已有地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，對地層、地下水有詳細(xì)深入了解，確定工作試驗(yàn)場地，布置合理試驗(yàn)鉆孔，進(jìn)行抽灌試驗(yàn)。

其次，水文地質(zhì)鉆探成井是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鉆探工作前先了解地層情況，確定合理鉆探工藝和成井方法，確定放置過濾器位置，并徹底洗井，最大限度地得出符合實(shí)際的水文地質(zhì)參數(shù)。

再就是進(jìn)行淺層地溫能資源評價(jià)，即資源賦存條件評價(jià)，資源潛力評價(jià)和開發(fā)利用評價(jià)。

最后，吉林省淺層地溫能開發(fā)利用正在興起，目前急需勘查評價(jià)對各市縣進(jìn)行合理的規(guī)范化的勘查評價(jià)。為避免投資浪費(fèi)，或達(dá)不到預(yù)期開發(fā)利用效果，因此，必經(jīng)做好前期科學(xué)的開發(fā)利用方案，而方案的確定要用規(guī)范做依托，編制修改淺層地?zé)崮芸辈樵u價(jià)規(guī)范更具現(xiàn)實(shí)意義，迫切希望一部更具指導(dǎo)意義的完整而全面的技術(shù)規(guī)范誕生。

［1］ DZ/T0225-2009，淺層地溫能勘查評價(jià)規(guī)范［S］.

［2］ GB50027-2005，供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范［S］.

［3］ 《工程地質(zhì)手冊》編委會.工程地質(zhì)手冊》（第四版）［M］.北京： 中國建筑工業(yè)出版社.

Using the index method to carry out the suitability partition of shallow geothermal energy

LI Guo-zheng
Hydrogeologic Survey of Jilin Province， Changchun 130012， Jilin， China

In this paper， the writer introduces the present situation and problems of shallow geothermal energy utilization in Jilin Province.On the basis of working practice， in the evaluation of shallow geothermal energy， to evaluate the suitability of the water source heat pump by using Index method of evaluation criterion of shallow geothermal energy survey is not entirely correct.In the application investigation of water source heat pump， it is found improper that the suitability of the underground water source heat pump is determined by using injection pumping ratio classify of the index method.Even if the injection pumping ratio is less than 50% （unsuitable area）， to use pumping one injection two，or pumping one injection three， the effect is good， can be used， which should be paid attention to.The index method is effective in some areas.

shallow geothermal energy； water source heat pump； index method； injection and pumping ratio is less than 50%； pumping and injection test

TK521+.38

B

1001—2427（2015）04 - 107 -4

2015-08-05；

2015-12-20

李國政（1964—），男，河南駐馬店人，吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所高級工程師.