張家口市崇禮區(qū)淺層地溫能賦存特征

摘要：本文以張家口市崇禮區(qū)為研究區(qū)，充分利用以往資料，分析地層結構、水文地質條件、巖土體熱物性特征和淺層地溫場特征，大致查明研究區(qū)淺層地溫能賦存條件。研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內主要巖性為變質巖和侵入巖，第四系分布范圍及厚度較小，各巖石的熱導率為1.68～5.27 W/（m·K），比熱容為0.709 5～0.883 7 kJ/（kg·K）；

地下水主要分布在河谷第四系和溝谷底部的風化帶中，地下水水化學類型以HCO3-Ca為主；地溫場的有利區(qū)分布在尚義-平泉深大斷裂及其次級斷裂附近。推薦采用高效換熱地源熱泵系統(tǒng)，為崇禮區(qū)的制冷和供暖提供能源。

關鍵詞：淺層地溫能；賦存特征；地溫場；地源熱泵；張家口市崇禮區(qū)

中圖分類號：P314 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）02-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.02.023

Occurrence Characteristics of shallow geothermal energy in Chongli District， Zhangjiakou City

ZHANG Jinyan， LIU Peixin， ZHANG Yidong

（The Fourth Geological Brigade of North China Geological Exploration Bureau， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： Taking Chongli District of Zhangjiakou City as the study area， this paper fully utilizes previous data to analyze the geological structure， hydrogeological conditions， thermal properties of rock and soil， and shallow geothermal field characteristics， roughly identifying the conditions for the occurrence of shallow geothermal energy in the research area. Research has found that the main rock types in the study area are metamorphic and intrusive rocks， with a relatively small distribution range and thickness of the Quaternary system， and the thermal conductivity of each rock is 1.68～5.27 W/（m·K）， and the specific heat capacity is 0.709 5～0.883 7 kJ/（kg·K）; groundwater is mainly distributed in the Quaternary system of river valleys and the weathering zone at the bottom of valleys， with HCO3-Ca being the main hydrochemical type of groundwater; the favorable areas of geothermal field are distributed near the Shangyi-Pingquan deep fault and its secondary faults. It is recommended to use an efficient heat exchange ground-source heat pump system to provide energy for cooling and heating in Chongli District.

Keywords： shallow geothermal energy; occurrence characteristics; geothermal field; ground-source heat pump; Chongli District， Zhangjiakou City

淺層地溫能是指地表以下一定深度范圍內（一般指恒溫帶至200 m埋深），溫度低于25 ℃，存在于巖石、包氣帶土壤及地下水等介質中，在當前技術經(jīng)濟條件下具備開發(fā)利用價值的熱能資源[1]。淺層地溫能開發(fā)利用的常見形式有3種，即土壤源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng)[2]。另有較少采用的高效換熱地源熱泵系統(tǒng)，該技術適用于巖石層離地面較近的地區(qū)，通過鉆入巖石的深孔，將水引入孔的最深處，水在巖石孔中循環(huán)，直接與周圍15～20 ℃

的淺層地熱能進行高效率的熱交換[3]。2022年冬季奧林匹克運動會（簡稱冬奧會）的舉辦為張家口市崇禮區(qū)帶來大量的旅游和體育資源，為當?shù)氐木频辍⒉惋嫼吐糜畏招袠I(yè)帶來巨大的商機。同時，崇禮區(qū)對清潔能源的需求也增長極快，淺層地溫能的開發(fā)利用可以緩解能源壓力。而查明淺層地溫能的賦存特征，是淺層地溫能開發(fā)利用的前提。

1 研究區(qū)概況

崇禮區(qū)隸屬于河北省張家口市，地處內蒙古高原與華北平原過渡的地帶，是2022年冬奧會雪上項目主要的競賽場地之一。如圖1所示，本次研究范圍北至和平森林公園，南至西坪村，東至太子城小鎮(zhèn)，西至西雙臺村，地理坐標介于115°10′00″E～115°28′10″E，40°51′30″N～41°01′30″N。

研究區(qū)地貌類型分為4種形態(tài)，即高中山區(qū)、中山區(qū)、低山區(qū)和河谷區(qū)。區(qū)內海拔在696～2 165 m，奧運場館區(qū)、滑雪場、村鎮(zhèn)等多位于河谷區(qū)與低山區(qū)。研究區(qū)屬東亞大陸性季風氣候中溫帶亞干旱區(qū)，年平均氣溫介于3.2～3.7 ℃，最冷月（1月）平均氣溫介于

-14.8～-14.7 ℃，最熱月（7月）平均氣溫介于18.0～

18.5 ℃。年平均降水量為469.7 mm（1956—2017年），年平均蒸發(fā)量為1 426.7 mm（1956—2017年）。

2 研究區(qū)淺層地溫能賦存條件

2.1 地層結構

研究區(qū)內褶皺不發(fā)育，主要發(fā)育東西向構造斷層，即尚義-平泉深大斷裂及其次級斷裂。研究區(qū)最主要地層為尚義-平泉深大斷裂兩側廣泛分布的中太古界崇禮群、古元古界紅旗營子群，巖性主要為片麻巖和變粒巖，厚度在3 500 m以上。沿河谷及兩岸地帶分布有第四系沖洪積物礫石、砂土等，厚度一般在25～50 m，下部地層多為變質巖、巖漿巖，約占研究區(qū)面積的10%。研究區(qū)中部、中南部分布有大面積侵入巖，主要為燕山早期酸性侵入巖、海西晚期二長巖雜巖體。

2.2 水文地質條件

研究區(qū)內地下水類型主要包括松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水分布于溝谷內沖洪積、洪坡積含水層。第四系厚度為16.2～50.0 m，含水層厚度為3.0～22.3 m，水位埋深為0.50～15.24 m。涌水量一般在1 600 m3/d以上，最高可達3 953.38 m3/d，

太子城支溝涌水量不高，已知最高的為320.09 m3/d。基巖裂隙水分布于整個研究區(qū)內，儲水空間為破碎帶內的裂隙、區(qū)域構造節(jié)理裂隙、風化帶發(fā)育細小而密集的網(wǎng)狀風化裂隙，以風化裂隙最為普遍。風化帶厚度一般為10～30 m，最大可達50 m，水流量分布不均，一般為50～300 m3/d，最大可達496.5 m3/d。

從涌水量來看，研究區(qū)內地下水的分布嚴重不均，河谷內地下水資源量最大，次為溝谷底部的風化帶，其他區(qū)域的地下水資源量很小。而河谷內第四系與風化帶厚度不大，其中第四系最大厚度僅為60 m，

風化帶厚度為10～30 m，不利于土壤源與地下水地源熱泵的開發(fā)利用。研究區(qū)地下水水化學類型以HCO3-Ca為主，零星分布HCO3-Ca·Na型水。由于人類活動影響，區(qū)內零星分布HCO3·SO4-Ca和HCO3-Ca·Mg。礦化度一般在0.2～0.6 g/L，屬全淡水類型。

2.3 巖土體熱物性特征

本次熱物性特征測試的樣品主要取自巖石層，各巖石的熱導率在1.68～5.27 W/（m·K），一般在

2.13 W/（m·K）以上，熱擴散系數(shù)在0.774～1.572 m2/s，

一般在1.1 m2/s以上，巖石的熱導率和熱擴散系數(shù)普遍比第四系土壤高。比熱容相對較低，在0.709 5～

0.883 7 kJ/（kg·K），整體比較平均。巖土體熱物理參數(shù)測定結果如表1所示。

2.4 淺層地溫場特征

垂向上，淺層地溫場從上至下依次為變溫帶、恒溫帶和增溫帶[4]。研究區(qū)內恒溫帶深度為26～40 m，平均為35 m，恒溫帶溫度為6.0～7.8 ℃。隨著深度增加，地溫略有上升。太子城與下窩鋪村兩口井鉆深較淺，鉆遇地層屬于第四系和風化裂隙帶，受地下水運動影響，其地溫梯度較低，僅為0.89 ℃/100 m和

0.85 ℃/100 m，下兩間房與炭窯溝的鉆孔鉆遇地層主要為巖漿巖，且位于尚義-平泉深大斷裂的次級斷裂附近，其地溫梯度較高，最高可達4.5 ℃/100 m（見表2）。

研究區(qū)內地溫場的縱向變化與地層巖性及其完整性關系密切，隨著深度的增加，新生代地層的地溫呈直線增長，無異常變化，但其地溫梯度相對較低。在揭穿新生代地層進入基巖后，由于巖性的不均一，地溫梯度變化較大，尤其在巖石破碎帶內，受控于深部熱傳導，地溫呈現(xiàn)明顯升高的趨勢。研究區(qū)內地溫場的平面展布同樣受控于基巖地質構造格局，一般在斷層或巖漿巖分布區(qū)，深部熱能易向上傳導，形成局部高溫異常。

3 結語

研究區(qū)內主要巖性為尚義-平泉深大斷裂兩側分布的中太古界崇禮群與古元古界紅旗營子群變質巖和海西期、燕山期侵入巖，第四系分布范圍較小。各巖石的熱導率為1.68～5.27 W/（m·K），比熱容為0.709 5～0.883 7 kJ/（kg·K）。研究區(qū)內地下水的分布嚴重不均，主要分布在河谷第四系和溝谷底部的風化帶中，且厚度不超過60 m。地下水水化學類型以HCO3-Ca為主，礦化度一般在0.2～0.6 g/L，屬全淡水類型。研究區(qū)內地溫場的平面及縱向變化受構造斷層的影響較大，高溫異常一般分布在構造斷層附近，主要為尚義-平泉深大斷裂及其次級斷裂。受水資源量分布不均和第四系土壤厚度較小的限制，研究區(qū)內不適宜開發(fā)利用土壤源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng)；推薦在構造斷層附近基巖出露地區(qū)采用高效換熱地源熱泵系統(tǒng)，為崇禮區(qū)制冷和供暖提供能源。

參考文獻

1 丁宏偉，魏莉莉，尹 政，等.淺層地溫能系統(tǒng)的國內外研究與應用現(xiàn)狀綜述[J].甘肅地質，2016（4）：61-68.

2 衛(wèi)萬順，李寧波，冉偉彥，等.中國淺層地溫能資源[M].北京：中國大地出版社，2010：35-36.

3 楊豐國，杭力鈞，謝 峰，等.高效換熱地源熱泵系統(tǒng)在巖石地區(qū)的應用研究[J].建筑熱能通風空調，2004（6）：65-69.

4 胡圣標，何麗娟，汪集旸，等.中國大陸地區(qū)大地熱流數(shù)據(jù)匯編[J].地球物理學報，2001（5）：611-626.