山東省魯北地區淺層地熱能資源評價

劉剛,楊亞賓,馬淑杰

(1.山東省魯北地質工程勘察院，山東 德州 253015；2.新疆地礦局第二區調大隊，新疆 昌吉 831100)

0 引言

在能源短缺和環境污染的雙層壓力下，淺層地熱能這一清潔可再生的新能源，日益受到國家和地方政府的重視，淺層地熱能的分布具有普遍性，不同的緯度都可以利用，但要從其開發角度來考慮的話，涉及當地的經濟條件、人口分布情況，還需要考慮當地地質條件[1]。通過開展山東省魯北地區淺層地熱能資源評價工作，了解開發利用現狀，查明區域內地熱能的分布規律，進行適宜性分區和資源評價，為下一步淺層地熱能開發利用規劃提供科學依據，使其更好地服務于當地社會經濟的發展。

魯北地區地處山東省北部，黃河下游，地形南高北低，南部為山區，北部為山前平原逐步過渡到黃泛平原。屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，四季分明，水系發育，全區面積6.76萬km2，包括聊城市、德州市、濱州市、東營市、濟南市、淄博市和濰坊市。

1 研究區淺層地熱能開發利用現狀

淺層地熱能的開發利用技術目前主要采用的是地源熱泵技術[2-3]。研究區內于2001年陸續開始應用地源熱泵技術開發利用淺層地熱能，如濟南市長清區新華書店辦公樓、德州建委辦公樓等用水源熱泵技術供暖與制冷，濟南奧體中心、淄博艾倫普利花園、長清園博園等使用地埋管地源熱泵技術供暖與制冷等，都取得了成功。

1.1 項目類別數量服務面積

目前，山東省魯北7地市淺層地熱能的利用方式主要為地下水式和地埋管式2種。截至2011年7月，不完全統計開發利用項目達到141個，服務面積已達7209331m2，其中利用地下水式地源熱泵項目45個，服務面積1732835m2，占總服務面積的24%；利用地埋管式地源熱泵項目95個，服務面積6430496m2，占總服務面積的76%(表1)。

1.2 項目分布及建筑類型

淺層地熱能開發利用項目在魯北7地市均有分布(圖1)，主要集中在城區內。從圖1中可以看出，項目主要分布在濰坊、淄博和濟南3地市，占服務面積總數的57.3%，其他4地市起步較晚，項目相對較少。

表1 淺層地熱能開發利用現狀統計

圖1 魯北7地市開發利用項目服務面積分布圖

淺層地熱能開發利用工程適用范圍較廣，建筑類型包括住宅、辦公樓、學校、醫院、賓館、車站等普通建筑物。其中：住宅(64%)、辦公樓(14%)、場館(6%)、商場(5%)、賓館(3%)、醫院(3%)等為淺層地熱能開發利用工程的主要使用方。

2 地質條件

區域地質發展造成地形地貌、地層巖性、地質構造和水文地質條件的不同，因此，將研究區分為魯西北平原區、魯中南中低山丘陵區和魯東低山丘陵區三部分分別予以論述(圖2)[4-6]。

2.1 魯西北平原區

根據水文地質條件及其成因，該區可分為山前沖洪積傾斜平原、黃河沖積平原、黃河三角洲及濱海海積平原。山前沖洪積平原含水層巖性以中粗砂為主，水質和富水性較好，單井出水量普遍大于1000m3/d，并在沖積扇上分布多個水源地。黃河沖積平原區一般分為淺、中、深3個含水層組，在水質上具有淡、咸、淡的垂直分帶規律。富水性主要受古河道帶的影響，古河道帶上，含水層巖性以中細砂為主，單井出水量一般在500～1000m3/d，古河道間帶，富水性弱，單井出水量一般小于500m3/d。黃河三角洲及濱海海積平原1000m以內未發現淡水。

不同成因類型的土體地質性質變化比較大，由山前平原到濱海平原，土體結構一般以上層粘性土多層結構為主，其次為上層粘性土雙層結構和單層結構，以及上層砂性土多層結構。區內存在有震害、淤泥類土、鹽漬土、粉砂液化等工程地質問題。

圖2 研究區地質條件分區圖

2.2 魯中南中低山丘陵區

該區的主要特點就是分布大面積的碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，具有大面積降水直接或間接補給，小面積富集和集中排泄的特點。一般在山前及山間盆地、谷地中隱伏灰巖分布區，形成巖溶水的富集帶，單井出水量一般3000m3/d，局部達到5000～10000m3/d，為魯中南地區的主要供水水源，如濟南、淄博、明水等地。

該區屬構造侵蝕為主的中低山丘陵，山勢陡峻，主要分布泰山巖群變質巖類和寒武-奧陶紀碳酸鹽巖類，局部出露侵入巖。在沉陷盆地多被較薄第四系覆蓋。巖體結構以塊狀及層狀為主。存在有震害、濕陷性黃土、膨脹土、砂土液化等工程地質問題。

2.3 魯東低山丘陵區

該區分布變質巖類、巖漿巖類、碎屑巖類和松散巖類含水層組，以賦存裂隙水和孔隙水為主。裂隙水富水性很弱，一般單井出水量小于100m3/d，且連續性差，很難形成富水地段。孔隙水主要分布在山間平原和谷地的砂層中，富水性和水質較好，單井出水量一般1000m3/d左右。

該區屬構造侵蝕為主的低山丘陵，廣泛分布老變質巖系及中生代巖漿巖。準平原區大面積出露粉子山群、蓬萊群片巖、板巖、大理巖，早白堊世噴出巖，以及侏羅—白堊紀碎屑巖等。山間平原和谷地分布第四紀松散堆積物，土體結構以上層為粘性土多層、單層結構為主。

3 淺層地熱能開發利用適宜性分區

淺層地熱能的產生、形成和開發利用受到地層結構、巖性、巖土體的熱物性、巖土體的溫度、含水層富水性、地下水類型、地下水水力坡度、水溫等因素的影響，因此開發利用淺層地熱能資源必須要進行地質條件研究并劃分不同的區域[7-9]。

3.1 分區類型及方法

分區類型分為地下水換熱方式地源熱泵適宜性分區和地埋管換熱方式地源熱泵適宜性分區2類。地下水式熱泵適宜性分為適宜區、較適宜區和不適宜區；地埋管式熱泵適宜性分為適宜區、較適宜區和較不適宜區。

分區方法采用層次分析法(AHP)，是一種定性和定量相結合、系統化、層次化的分析方法。共分4個基本步驟：①建立層次結構模型；②構造成對比較矩陣；③計算權向量并做一致性檢驗；④計算組合權向量并做組合一致性檢驗。

3.2 分區指標

地下水換熱方式分區指標包括含水層巖性、含水層厚度、出水能力、回灌能力、水位埋深、補給模數、滲透系數、地下水的水質和100m以淺的混合水水溫。

地埋管換熱方式分區指標包括巖土層的巖性、結構、分層水質、施工的難度、投資成本、巖土層導熱性能和換熱效率。

3.3 分區結果

(1)魯北地區地下水換熱方式地源熱泵適宜性可劃分為3個區(圖3)。

圖3 魯北地區地下水換熱方式地源熱泵適宜性分區圖

適宜區：主要分布于山前地帶，這些地區水資源豐富，具體位置為平陰—長清—濟南—章丘一帶，鄒平東長山鎮和博興曹王一帶，周村—張店—臨淄—青州以北地帶和濰坊城區—昌邑一帶，另外還有聊城的東古城、冠縣—梁堂一帶，面積5382.7km2。

較適宜區：主要分布于適宜區的外圍和巖溶發育區，具體位置為莘縣西以南地區，聊城—茌平西北地區，東阿—齊河南祝阿—焦廟—濟陽沿黃一帶和章丘北部地區，高青沿黃一帶，桓臺城區附近，壽光—昌邑一帶，臨邑城區東部，商河韓廟北部，平陰—張夏—仲宮—文祖一帶，張店南—博山，沂源南部一帶，青州南部，坊子區—安丘一帶和高密北部等地，面積為17117.5km2。

不適宜區：除適宜區和較適宜區以外的廣大地區，面積為45099.8km2。

(2)魯北地區地埋管換熱方式地源熱泵適宜性可劃分為3個區(圖4)。

圖4 魯北地區地埋管換熱方式地源熱泵適宜性分區圖

適宜區：主要分布于陽谷—聊城—茌平—禹城倫鎮—濟陽高官寨—高青高城—廣饒李鵲—大碼頭—壽光的羊口一線以北的廣大地區，面積為34423.9km2。

較適宜區：適宜區和較不適宜區之間的地區和南部基巖山區，面積為25930.7km2。

較不適宜區：主要分布于陽谷—濟南城區—章丘—鄒平—張店—臨淄—青州—壽光—濰坊城區—昌邑一線，成條帶狀分布，面積為7245.4km2。

4 淺層地熱能資源評價

淺層地熱能計算是在適宜性分區的基礎上進行的，淺層地熱能計算內容包括淺層地熱容量和可利用量[7]。

4.1 研究區淺層地熱容量

淺層地熱容量采用熱儲量體積法計算，計算公式為：

QR=QS+QW+QA

式中：QR為淺層地熱容量；QS為巖土體中的熱容量；QW為巖土體所含水中的熱容量；QA為巖土體中所含空氣中的熱容量。

經計算，魯北地區淺層地熱容量為29.386×1015kJ/℃。

4.2 地下水式地源熱泵可利用換熱量

地下水式地源熱泵適宜區、較適宜區可利用換熱量的計算采用水量折算法，其計算公式為：

Qq=Qh·n·ι·t

式中：Qq為評價區可利用的換熱量(kW·h)；Qh為單井換熱功率(kW)；n為可鉆抽水井數；ι為土地利用系數；t為時間(h)。

經計算，在地下水式地源熱泵適宜區、較適宜區內200m以淺的范圍內可利用換熱量為0.849×1010kW·h。其中冬季換熱量0.463×1010kW·h，可供暖0.402億m2的建筑面積；夏季換熱量0.386×1010kW·h，可制冷0.268億m2的建筑面積。

4.3 地埋管式地源熱泵可利用換熱量

地埋管式地源熱泵適宜區、較適宜區可利用換熱量的計算采用熱傳導法，其計算公式：

Qh=D·n·ι·t·10-3

式中：Qh為評價區可利用的換熱量(kW·h)；D為單孔換熱功率(kW)；n為計算面積內換熱孔數；ι為土地利用系數；t為時間(h)。

經計算，在地埋管式地源熱泵適宜區、較適宜區內200m以淺的范圍內可利用換熱量為6.526×1012kW·h，其中冬季換熱量3.559×1012kW·h，可供暖309.03億m2的建筑面積；夏季換熱量2.966×1012kWh，可制冷205.97億m2的建筑面積。

5 結論

(1)淺層地熱能這一清潔可再生的新能源，日益受到重視，魯北地區主要城市一般都處于平原區，第四紀堆積層普遍較大，開發利用前景較大。

(2)2006年以后，魯北地區淺層地熱能開發利用發展迅速，建成的利用面積超過了700萬m2，利用量最大為濰坊，其次是淄博和濟南，然后是德州、濱州、東營和聊城。利用方式主要為地下水式和地埋管式。

(3)將研究區分為地下水式地源熱泵適宜區、較適宜區和不適宜區，地埋管式地源熱泵適宜區、較適宜區和較不適宜區。

(4)鼓勵新建或改建的公共建筑、居民樓、農村集中建設的住宅采用淺層地熱能，政府投資的公益性項目應優先利用淺層地熱能[10]。

(5)淺層地熱能的利用注重環境與效益雙贏，開發與保護并重，注重熱泵、自動控制、變頻調速等新技術在工程中的應用，并擴大淺層地熱能的利用范圍[11]。

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