张 海 永

(山西省地质调查院,山西 太原 030006)

山西断陷盆地浅层地温能开发适宜性分区方法

张 海 永

(山西省地质调查院,山西 太原 030006)

以大同市为例，介绍了山西断陷盆地平原区浅层地温能的分区原则和分区方法，通过分析大同市地层岩性、水文地质条件、地质构造和地裂缝地质环境问题，统筹考虑大同市区域地质条件、换热方式及建设成本，对大同市进行了浅层地温能的开发利用适宜性分区，以选择正确的开发利用方式。

浅层地温能，适应性，分区方法

0 引言

浅层地温能是指储存在地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200 m埋深)，温度低于25 ℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的热量。浅层地热能作为一种可再生的低温能源，广泛存在于地表表层中，具有绿色环保、取用方便、高效节能、运行费用低等优点，其开发利用对于改善能源结构、实现节能减排目标、构建环境友好型、资源节约型社会有着重要意义。浅层地热能储存在地下岩土体中，其储存、运移以及开发利用都严格受到区域地质、水文地质条件的制约。第四系岩性、厚度、颗粒度、含水层厚度、富水性、水位埋深、补给径流条件等是制约浅层地热能储存、分布以及可利用性的主要因素。只有在浅层地热能开发利用适宜性分区的基础上，才能进一步进行资源量计算和资源潜力评价，只有依据地质、水文条件进行适宜性分区，才能正确选择开发利用方式。

1 适宜性分区原则

浅层地热能开发利用适宜性分区原则是以地质条件为基础，水文地质条件为依托，开发利用方式为媒介，经济效益与环境效益并重，平面分区和垂向控制相结合。

1)地质条件是浅层地热能资源赋存的基础条件。岩土体的结构、物质组成、颗粒度和热导率等物理性质因素制约着形成浅层地热能的物质基础。

2)岩土体的含水率、含水层的分布、地下水的水动力条件、径流条件等对能量的运移创造了有利条件。

3)目前浅层地热能资源的开发利用方式主要为地下水地源热泵和地埋管地源热泵，热泵技术可实现资源的有效开发利用。

4)选择经济效益与环境效益都较好的开发利用方式。

5)平面上划分出适宜性区域，垂向上要控制取热的层位和深度。

2 适宜性分区依据

浅层地温能适宜性分区主要依据是地质、水文地质、环境地质条件调查成果资料和当地目前的技术经济条件资料。

1)地质条件调查成果资料。对于山西断陷盆地平原区浅层地热能资源来说，第四系松散堆积物的堆积特征、沉积特征、地层岩性特征、分层结构以及空间分布特征，对适宜性分区是至关重要的，是适宜性分区划分的关键依据。

2)水文地质条件调查成果资料。地下水的赋存空间条件、地下水的水动力特征，对浅层地热能量的运移、对流起着重要作用；特别是含水层颗粒的粗细，含水层的富水性，回灌能力等，对于地下水地源热泵适宜性来说更是起着决定作用，因此，水文地质条件调查成果资料也是浅层地热能开发利用适宜性分区的重要依据。

3)环境地质条件调查成果资料。地下水水源热泵开发利用适宜性分区必须了解地下水的水质分布状况，不同层位地下水的水质，防止地下水的污染。地面沉降、地裂缝可直接影响开发利用工程的安全,因此，环境地质条件调查成果资料也是浅层地热能开发利用适宜性分区的重要依据。

3 适宜性分区方法

浅层地温能开发利用适宜性分区主要采用指标法。根据区域地质条件、换热方式及建设成本，进行适宜性分区，分为：适宜区、较适宜区和不适宜区。

1)对于地下水换热方式，浅层地温能适宜性分区主要考虑200 m以浅含水层岩性、分布、埋深、厚度、富水性、渗透性，地下水温、水质、水位动态变化，水源地保护、地质灾害等因素。主要指标见表1。

表1 地下水地源热泵适宜性分区主要指标表

2)对于地埋管换热方式，浅层地温能适宜性分区主要考虑岩土体特性、地下水的分布和渗流情况等因素。竖直地埋管换热系统适宜性分区主要指标见表2。

表2 地埋管地源热泵适宜性分区主要指标表

4 大同市地质条件

1)地层岩性。大同市平原区200 m以浅地层主要为新生界新近系和第四系地层。新近系厚度最大可达900 m，岩性为粘土、粉质粘土、粉土、砂砾石层。第四系下更新统厚度120 m～180 m，岩性以亚砂土、亚粘土为主。第四系中更新统厚度50 m～120 m，岩性为亚砂土、亚粘土、砂砾卵石等。第四系上更新统厚度20 m～50 m，岩性为亚砂土、亚粘土。第四系全新统仅分布于御河、十里河、里八庄河河谷及低阶地区，厚度一般为10 m～20 m，岩性为亚砂土、薄层亚粘土。

2)地质构造。大同市位于山西省断陷盆地之一大同盆地的东北部，盆地西部为吕梁—太行断块中云岗坳的北部云岗向斜，东部为桑干河新裂陷。由于经受的构造变动频繁而复杂，其断裂与褶皱比较发育。区内主要构造线走向为北东—南西向，主要褶皱与断裂有：云岗向斜、泉寺头断裂、水峪断裂、白洞—杨家窑逆断层、青磁窑逆断层、口泉断裂等。

3)水文地质条件。大同市盆地区主要含水层为松散岩类孔隙水含水层，埋藏深度一般为100 m～150 m，局部达200 m以上，含水层岩性以第四系中、上更新统的洪积、冲积的砂砾石层为主。

靠近山前大断裂一侧的洪积扇是最富水地带之一，洪积扇的形态、结构完整，粗颗粒的卵石、砾石和砂层发育，厚度大，地下水补给源好，水量充沛，尤其是轴部富水性极强，单井出水量每天可达万立方米。雷公山—七峰山前洪积群由十里河、口泉河、鹅毛口河及大小峪口五个洪积扇组成，其中十里河洪积扇单井出水量1 000 m3/d左右，较富地区达1 500 m3/d～2 000 m3/d。鹅毛口洪积扇单井出水量1 500 m3/d～2 000 m3/d。大峪口、小峪口洪积扇单井出水量1 500 m3/d～2 000 m3/d。

十里河、口泉、御河河谷阶地区含水层为全新统山间河流相冲洪积砂砾石层。含水层厚度一般2 m～10 m，富水性中等～富，单井涌水量800 m3/d～1 400 m3/d。

4)环境地质条件。大同市环境地质问题主要表现为地下水降落漏斗和构造地裂缝。大同市出现的主要地下水降落漏斗有四个，分别是：城西漏斗、城南漏斗、城北古店—白马城漏斗和御河铁路桥漏斗。大同市地裂缝最早发现于1983年，当时长不足5 km，其后日益加剧，1990年已形成长10.5 km的地裂缝带，1994年发展到24 km，截止到2006年已发展到10条，总长度达34.5 km的地裂缝带。地裂缝分布的优势方位为NE向，与区域主构造线方向一致。地裂缝的分布影响地埋管工程的施工和工程的安全，是影响地埋管工程的因素之一。

5 分区结果

根据以上分区方法和指标，大同市地下水地源热泵的适宜区分布于北部的御河上游冲洪积扇区，含水层岩性主要为砂卵砾石，单位涌水量大于500 m3/(d·m)，能满足1抽1灌，面积为8.91 km2；较适宜区分布于御河河谷阶地及冲积平原区，含水层岩性主要为砂卵砾石，单位涌水量250 m3/(d·m)～500 m3/(d·m)，回灌能力较强，面积为25.53 km2；不适宜区主要分布于除上述区以外区域，含水层富水性差，回灌能力弱的地区，面积为470.70 km2。

地埋管地源热泵的适宜区分布于十里河河谷阶地中段区和御河西部古河道及东部冲积平原区，卵砾石层厚度小于5 m，面积为76.05 km2；较适宜区分布于御河、十里河河谷阶地区、冲积平原区、山前倾斜平原和工作区南部低阶地区、御河、十里河、口泉河山前洪积扇区及东部和北部黄土丘陵区，卵砾石层厚度除冲积平原区、山前洪积扇区大于10 m，局部5 m～10 m外，一般均小于5 m；含水层厚度除河谷阶地区、山前洪积扇区大于30 m，黄土丘陵区小于10 m外，其他区域为10 m～30 m，面积为429.20 km2；不适宜区主要分布于工作区中低山区和地裂缝两侧区域，面积为2.28 km2。

[1] 浅层地温能勘查评价规范[S].

[2] 马汉田,张宏民.山西省主要城市环境地质调查评价报告[R].太原:山西省地质调查院,2010：53-55.

[3] 卫万顺,郑桂森，冉伟彦，等.浅层地温能资源评价[M].北京：中国大地出版社，2010：4-63.

[4] 张海永，马汉田.山西省六大盆地重点地区浅层地热能调查评价[R].太原：山西省地质调查院，2014.

On shallow geothermal resource development adaptability partitioning methods at graben basin in Shanxi

ZHANG Hai-yong

(ShanxiGeologicalSurveyInstitute,Taiyuan030006,China)

Taking Datong as the example, the paper introduces the partition principle and methods for the shallow geothermal resource development adaptability partitioning methods at graben basin in Shanxi, and undertakes its development adaptability partition in Datong according to the analysis of formation lithology, hydrogeology conditions, geological structures, geological environment for ground fractures, general consideration about the geological condition, heat transfer approach, and construction cost in Datong, so as to select the correct development approaches.

shallow geothermal resource, adaptability, partition method

1009-6825(2014)34-0200-02

2014-09-24

张海永(1982- )，男，工程师

TK529

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