潍坊市中心城区浅层地热能资源评价

2022-07-26侯志强

黄河水利职业技术学院学报 2022年3期

侯志强

（潍坊市水文中心，山东潍坊 261061）

0 引言

浅层地热能广泛存在于地下浅层恒温带中的土壤、岩石和地下水中，是可再生能源家族中的新成员。作为清洁、新型、可再生的绿色能源，浅层地热能对推动城市节能、减排等有很大帮助［1］。近年来，随着经济社会的发展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调已成为普遍的需求［2］，特别是在全国可再生能源建筑应用政策的大力推动下，许多地区已经陆续建设地热能资源系统，并收到了较好的应用效果［3］。

潍坊位于山东半岛中部，是著名的世界风筝之都。作为高水平的现代制造业基地和新产品研发转化基地、中国优秀创新型城市，潍坊在经济快速增长过程中，对能源需求将保持较快增长趋势，节能减排的任务日益加重［4］。潍坊市中心城区浅层地热能资源丰富，地热能资源的合理开发利用，对改善能源结构，促进经济社会可持续发展具有重大意义［5］。笔者在充分收集潍坊市中心城区浅层地热能资料的基础上，结合潍坊市中心城区发展总体规划，对浅层地下水热能资源可利用量进行分析，并对如何利用地下水热能资源提出建议。

1 潍坊市中心城区浅层地热能储量计算

潍坊市中心城区包括奎文区、潍城区、寒亭区、高新技术开发区、经济技术开发区、坊子区6 个区，其中经济技术开发区地下水资源贫乏，含水层全部为粉沙和细沙，回灌的可灌性不好，不适宜建设地下水热泵工程。

1.1 水文地质条件

潍坊市中心城区坐落在白浪河冲积扇的上中部。冲积扇顶部基岩埋深约为10 m，北部基岩埋深可达100～150 m，单井出水量在北部可达100 m3／h以上，南部大多数为40～50 m3／h，静水位埋深大多15 m 左右，降深为3～5 m。冲积扇主体部分以西沙层分布不普遍，第四系地层水量较好，有的地方无沙层，打井以取基岩水为主。中心城区的南部边缘第四系地层之下的基岩为白垩系青山组火山岩系，地下水贫乏，其他部分第四系地层之下全部为第三系玄武岩，普遍有水，但水量极不均匀。

上河园小区机井深为80 m，沙层为6 层，总厚度为15 m，静水位为16 m，降深为14 m，出水量为130 m3／h。该区代表性较强，可以反映白浪河冲积扇的地层结构，具体如图1 和图2 所示。

图1 中心城区东浩上河园机井综合柱状图Fig.1 Comprehensive driven well histogram of Donghaoshanghe garden in central urban area

图2 中心城区试2 号井Q-S 理论关系曲线Fig.2 Q-S theoretical relationship curve of No.2 well in central urban area

1.2 适宜区划分

1.2.1 划分原则

适宜性分区作为浅层地热能开发利用的首要工作，对资源量的评价和指导浅层地热能开发起着至关重要作用［6］。根据中心城区的水文地质条件，我们确定适宜区划分应遵循以下4 个原则：（1）单井出水量不小于20 m3／h；（2）从静水位至含水层下伏的隔水底板的厚度不小于5 m；（3）含水层以中沙以上的沙层为主，其次是富水性较好的第三系玄武岩；（4）含水层有较好的可灌性。

1.2.2 划分结果

中心城区的地下水热泵适宜区主要分布在奎文区和潍城区东部、寒亭区西部、坊子区西北部、高新技术开发区西部、经济技术开发区东部。根据适宜区的地层结构及含水层状况分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3 个大区，又细分为10 个亚区。

适宜Ⅰ区位于适宜区的中部，即白浪河冲积扇的主体部位，以开采第四系含水层为主，沙层分布广泛，普遍可以成井。适宜Ⅱ区位于Ⅰ区东侧，第四系地层较薄，无含水层，以取用第三系玄武岩中的裂隙水及其底部松散岩石中的孔隙水为主，玄武岩厚度不大，风化较好，各亚区的富水性差异较大。适宜Ⅲ区位于Ⅰ区西侧，第四系沙层零星分布，第三系玄武岩厚度较大，各亚区的富水性也有较大差异。各亚区的面积、含水层计算厚度如表1 所示。

1.3 浅层地热能储存量计算

热储法（又称体积法）是计算地热能储存量的一种常用方法。用热储法计算地热能储存量需要对包气带和包水带分别进行计算，笔者认为计算包气带的热储量意义不大，故本文仅计算包水带的热储量，未计算包气带的热储量，计算式为式（1）。

式中：QR为地热能储存总量，kJ；QS为岩土体中的热储量，kJ，按式（2）计算；QW为岩土体所含水中的热储量，kJ，按式（3）计算。

式中：ρs为水的密度，kg／m3；Cs为水的比热容，kJ／（kg·℃）；φ 为岩土体孔隙率（裂隙率）；M 为计算面积，m2；d 为静水位至200 m 之内的含水层下限岩土体的厚度，m；△T 为利用温差，℃。

式中：ρw为水和岩土体的密度，kg／m3；Cw为水和岩土体比热容，kJ／（kg·℃），其他符号同前。

经计算，潍坊市中心城区浅层地热能储量如表1 所示。

由表1 可知，中心城区适宜区面积共计196.846 km2，地热能储存量为17.14×1013kJ，相当于585 万t标准煤的总发热量。

表1 潍坊市中心城区地下水热泵适宜区热储量计算表Tab.1 Heat storage calculation of groundwater heat pump in central urban area of Weifang city

2 潍坊市中心城区浅层地热能可利用量计算

浅层地热能的可利用量也就是年补给量，补给量主要来源于大地热流、降雨入渗、地下水侧渗、太阳辐射补给。

2.1 大地热流对浅层地热能补给量计算

在理论上，大地热流值应采用恒温带以下的地温数据和热导率数据进行计算。浅层地热能可利用量采用式（4）计算。

式中：Qh为浅层地热能可利用量，kW；a 为利用系数，取1；q 为大地热流值，MW／m2；M 为计算面积，km2；

全国不同地区的q 取值如下：西南地区为70～85 MW／m2；西北地区为43～47 MW／m2；华北和东北地区为59～63 MW／m2；华南地区为66～70 MW／m2［7］。潍坊市中心城区受沂沭断裂的影响，大小断层众多，地层支离破碎，经综合考虑，其大地热流值应该偏大，取q ＝63 MW／m2。所以，大地热流在常态下的正常补给量Qh＝63 M＝63×196.846＝12 401.3 kW。当区域地下水温度平均下降4℃之后，地温梯度变大了，补给量还会更大。

2.2 降雨入渗对浅层地热能补给量计算

潍坊市多年平均降雨量为661.9 mm，其中6～9月的降雨量占全年降雨量的72.2%，且雨水温度高，对地下水的补给量大，是浅层地热能十分重要的补给来源。其他月份的降雨温度低，但数量少，对地下水的补给作用不大。根据潍坊市的气象资料，以降雨量为权重加权平均得出全年雨水温度为20.7℃，它与区域地热储存量下限水温12.3℃相差8.4℃，以此作为降雨入渗补热的温差△T。

降雨入渗对浅层地热能的年补给量可用式（5）计算。

式中：Qy为降雨入渗对区域地热能的年补给量，kW·h；ρw为水的密度，取1 000 kg／m3；Cw为水的比热容，取4.18 kJ／（kg·℃）；Py为平均年降雨量，取用0.662 m；αy为年降雨入渗系数（取用0.15）；△T 为雨水与地下水温差，取用8.4 ℃；M 为计算面积，km2。

根据降雨入渗对地下水热能的年补给量计算公式可得，Qy＝0.968×106·M＝1.905×108kW·h。

2.3 地下水侧渗补给对浅层地热能补给量计算

与降雨入渗一样，从周边地区向中心城区侧向补给的地下水也会把一定的热量补充到中心城区浅层地热能之中。

周边地下水对区域浅层地热能的年补给量计算公式为式（6）。

式中：Qy为周边地下水年补热量，kW·h；K 为沙层渗透系数，取1.58 m／d；I 为地下水渗透比降（无因次），取1.15；L 为计算断面长度，取上游侧向补给边界在垂直于地下水流向断面上的投影，即适宜区的最大宽度，为18 km；H 为沙层累计厚度，根据已知井的平均沙层厚度与孔深之比确定，为85 m；△T为取水温差，取4 ℃。

经计算，Qy＝47.1×108kW·h。

2.4 太阳辐射对浅层地热能补给量计算

由于包气带是一种多孔介质，导热系数很小，浅表层地温的少量变化要传递到地下水中更是十分困难。根据潍坊气象台资料分析，每年的3 月和9 月，地温与气温相差不大，为蓄热与散热平衡期；4 至8月为地热增温期；10 月至翌年2 月为地热降温期。增温期的20 cm 月平均地温为22.48 ℃，与20 cm 年平均地温相差8.08 ℃。降温期的20 cm 月平均地温为6.04 ℃，与20 cm 年平均地温相差8.36 ℃，即月均增温值与月均降温值基本一致。这说明，太阳辐射对土壤热量的补给与热量的消耗是相互抵消的。因此，太阳辐射对浅层地热能的补给量可以不予计算。