河南省主要城市浅层地温能特征及开发利用建议

摘要：河南省浅层地温能资源具有分布广泛、资源量丰富、开发利用方便等特点，发展前景广阔。通过对河南省主要城市的地质、水文地质条件和岩土体结构特征等浅层地温能赋存特征的分析，采用数理统计和对比分析等综合研究的方法，对比研究了不同地貌类型城市200m以浅的岩土体热物性特征、浅层地温场分布特征和岩土热响应特征等的异同及其分布与变化规律。结果显示：河南省主要城市浅层地温能的赋存层位主要为第四系及新近系上部的各类松散堆積物，这些松散的堆积物和储存于其孔隙内的地下水为浅层地温能的载体;岩土导热系数会随着孔隙率的增加而减小，随岩性颗粒变粗而增大;城市地层综合导热系数和换热能力与地下水径流条件呈正相关;位于盆地和山前地带水文地质条件优越的城市或地段，浅层地温能开发利用宜采用地下水换热方式，松散堆积物厚度较大且以细粒相沉积为主的城市或地段，宜采用竖直地埋管换热方式。

关键词：浅层地温能;赋存条件;岩土体热物性;岩土热响应;开发利用;城市

中图分类号：P314 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）01-0040-08

0前言

随着经济的发展，城市化进程的加快，城市规模的不断扩大及人居环境的不断改善，人们对能源的需求越来越大。能源不仅成为制约核心城市化进程和经济可持续发展的瓶颈，而且在能源消费中，煤炭占据的比重过大，环境污染未得到根本遏制，节能减排任务还非常繁重，发展低碳经济势在必行。浅层地温能是清洁环保的新型可再生能源，资源储量大、分布广，具有清洁环保、可再生、稳定性好、利用系数高等特点（韩再生，2008），是国家鼓励大力发展和开发利用的新能源。浅层地温能受季节、气候、昼夜变化的影响较小，使得地热利用系统运行更加可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性（杨俊伟等，2011）。随着我国能源结构政策的调整和地源热泵技术的逐步提高完善，城市对浅层地温能需求不断加大，浅层地温能必将成为我国今后开发利用中的新型能源，建筑物供暖（或制冷）中，浅层地温能所占的比重也将愈来愈高。河南省地处华北平原，地域广阔、人口众多，是能源消费大省。全省浅层地温能资源具有分布广泛、资源量丰富、开发利用方便等特点。其开发利用发展前景广阔，市场潜力巨大。在整体规划、合理开发和有效利用的前提下，大力开发利用浅层地温能，在调整能源结构、缓解资源与环境压力、减少二氧化碳排放、促进节能减排战略目标的实现、促进生态文明建设与经济可持续发展等具有重要的现实意义和战略意义。

通过对河南省主要城市的地质、水文地质条件和岩土体结构特征等浅层地温能赋存特征的分析，对比研究不同地貌类型城市200m以浅的岩土体热物性特征、浅层地温场分布特征和岩土热响应特征等的异同及其分布与变化规律，可为河南省主要城市或类似地区的浅层地温能合理开发利用提供一定的参考和借鉴。

1自然地理与地质概况

1.1主要城市概况

河南省位于我国中部黄河中下游，地理坐标：东经110°21’～116°39’，北纬31°23’～36°22’。南北纵跨530km，东西横亘580km，总面积16.70×104km2，约占全国总面积的1.74%。全省辖18个地级城市，分别为郑州、洛阳、开封、新乡、许昌、漯河、周口、安阳、濮阳、焦作、南阳、平顶山、驻马店、信阳、三门峡、商丘、鹤壁和济源，城市规划区总面积为7936kmz。除地级城市以外，2013年，国务院批准成立了郑州航空港经济综合实验区，批准规划面积415km2。河南省主要城市分布见图1。

1.2气象与水文

河南省处于暖温带和亚热带气候过渡地区，气候具有明显的过渡性特征。以秦岭至淮河一线为界，以南的信阳、南阳属亚热带湿润、半湿润季风气候区，以北的其它城市均属暖温带干旱、半干旱季风气候区。全省年平均降水量在600～1200mm左右，南部达1000～1200mm，黄淮之间为700～900mm，北部及西部仅600～700mm。全省年平均气温12.8°C～15.5°C。7月份气温最高，月平均气温27°C～28°C;1月份最低，月平均气温为-2°C～2°C。全年无霜期在180～240天之间。夏季空调利用时间为6-9月份，冬季供暖时间一般为11月15日一次年的3月15日，供暖与制冷时间相当。

河南省河流众多，由西向北、东、南呈放射状分流，分属海河、黄河、淮河、长江四大流域。洛阳、三门峡、济源属黄河流域，南阳属长江流域，安阳、新乡、焦作、濮阳、鹤壁属海河流域，郑州（含郑州航空港区）、开封、许昌、漯河、周口、平顶山、驻马店、信阳、商丘属淮河流域。

1.3地形地貌

河南省北、西、南三面为山地、丘陵和台地，东部为平原。其地势西高东低，从西向东呈阶梯状下降。按城市所处的地貌部位，可将18个主要城市和郑州航空港综合试验区归类于冲积平原型城市（包括郑州、开封、新乡、濮阳、许昌、漯河、商丘、周口、驻马店和郑州航空港综合试验区10个城市）、内陆河谷盆地型城市（洛阳、三门峡、南阳、济源4个城市）和山前冲洪积倾斜平原型城市（平顶山、焦作、信阳、鹤壁、安阳5个城市）。

1.4地质概况

河南省18个主要城市及航空港综合试验区地质特征见表1。

2浅层地温能赋存特征

2.1岩土体结构特征

河南省主要城市浅层地温能的赋存层位主要为第四系及新近系上部的各类松散堆积物，这些松散的堆积物和储存于其孔隙内的地下水为浅层地温能的载体，广泛分布于洪积平原区、山前冲洪积倾斜平原区及山间盆地区。18个地级市和航空港综合试验区具有河流冲积成因的松散堆积物的共同的特点。冲积平原型城市地处黄淮冲积的广阔平原之上，普遍分布有厚度较大的第四纪冲积、冲洪积、湖积松散层;由于第四纪以来，该类城市地处缓慢沉降过程中，河流历经频繁变迁，形成了新近系岩土性质变化显著，广泛分布着中细砂、粉细砂、粉土、粘性土及软土等土体特征。内陆河谷盆地型城市地处河流阶地或山前丘陵状斜坡，其岩土体分布多以冲洪积相的卵砾石和砂层为主。山前冲洪积倾斜平原型城市地处山前冲洪积扇地貌单元之上，自扇顶部或轴部至扇前缘或边缘地带，岩性由卵砾石变化为粉土、粘性土与粉、细砂互层。

2.2水文地质特征

（1）内陆河谷盆地型城市。含水层岩性以冲洪积的卵砾石、砂砾石为主，分布特征受河谷或盆地周边高地形的控制，底板深度、厚度表现为河谷中部大，向远离河谷地带变浅、变薄，直至尖灭;含水层富水性极强，单井出水量一般大于3000m3/d，水平渗透能力强，地下水与地表水联系密切，天然条件下，河水以排泄地下水为主，地下水沿河水流向存在潜流;现状条件下，受人为开采的影响，在城市地段及其一定范围内，地下水位明显低于河水位，河水的侧渗或渗漏成为地下水的主要补给源。

（2）山前冲洪积倾斜平原型城市。含水层岩性变化较大，具有由扇顶部和轴部向扇前缘与边缘，岩性颗粒由粗明显变细特征。扇轴部及中上部岩性粗，分选性、磨圆度差，以卵砾石、砂砾石为主，厚度大，一般超过堆积厚度的60%，含水层富水性极强，单井出水量可达5000m3/d以上。至冲洪积扇前缘和边缘，含水层岩性变为细砂、粉砂，单层厚度薄，与粘性土呈互层或夹层，含水层富水性弱，单井出水量小于1000m3/d。由冲洪积扇上部至下部，地下水位埋深由深变浅，扇前缘地带埋深小于2m，天然条件下，为扇区地下水的溢出排泄带。河水或雨季河流洪水为扇区地下水的主要补给源。

（3）冲积平原型城市。含水层岩性以中砂、细砂为主。受沉积环境的控制，黄河冲积平原区的黄河古河道带，含水层岩性颗粒粗，单层厚度较大，含水层富水性较好，单井出水量一般1000～3000m3/d，泛流平地和背河洼地区，含水层颗粒相对较细，厚度较薄，单井出水量一般500～1000m3/d;南部的淮河冲积区含水层以细砂、粉细砂为主，单井出水量一般1000m3/d左右。受开采的影响，城市区水位埋深一般较大，形成水位降落漏斗，为地下水回灌提供了有利条件。

3岩土体热物性特征

3.1不同城市岩土体热物性参数

根据主要城市3199组岩土样的热物性测试结果，按照岩土体的岩性、物理性质分类，对各种热物性参数进行数理统计分析，然后进行加权平均，得出了各主要城市浅层地温能赋存层位的岩土体平均含水量（w）、密度（O）、导热系数（λ）和比热容（c）等热物性参数，结果图2。

3.2不同岩性热物性参数

河南省主要城市浅层地温能赋存层位不同岩性热物性有以下规律：

卵砾石的导热系数最大为1.95W/（m·K），砂质粘土最小1.41W/（m·K），其导热系数从大到小排序大致为：卵砾石>粗砂>中砂>粉细砂>粉砂>粉质粘土>砂岩>粘土>泥岩>粉土>细砂>中细砂>砂质粘土。

粘土的比热容最大1.48 kJ/（kg·°C），卵砾石的比热容最小0.95 kJ/（kg·°C），其比热容从大到小排序大致为：粘土>砂质粘土>细砂>中砂>泥岩>砂岩>砂岩>砂砾石>中细砂>粗砂>卵砾石。

随岩性颗粒变粗，导热系数λ有增大的趋势，比热容c则呈减小的趋势。

不同岩性主要热物性参数平均值见表2、图3。

综上，由于水和空气的导热系数比矿物质小，所以岩土导热系数会随着孔隙率的增加而减小（管昌生等，2010）。土壤容重的增加可降低孔隙率，并改善固体颗粒间的热接触。导热能力低的空气量的减小，总导热率增加。另一方面，由于水的比热容较大，因此当含水量增加时，岩土的比热容也将增加（刁乃仁等，2006）。如果岩土的孔隙率很低，则其热物性主要由其中的矿物质决定。如果岩土孔隙率较高，则岩土的含水量对其热物性產生很重要的影响。水渗透到土壤中使其容重变大所造成的导热率的增加，比容重大的密实土壤所造成的影响大得多。这是因为颗粒间接触点上出现的水膜不仅减少了颗粒间的接触热阻，而且水分（导热系数是空气的20多倍）取代了土壤孔隙间的空气，同时潮湿土壤中热湿迁移的作用大大增强，这些使其传热能力远大于相同密度下的干燥的土壤（俞亚南等，2010）。

4岩土热响应特征

4.1主要城市热响应试验特征

从所处不同城市现场热响应试验热物性参数对比结果可以看出（图4），山前冲洪积倾斜平原型城市地下水径流条件相对较好，平均导热系数最大，内陆河谷盆地型城市一般位于盆地中心部位地下水径流条件相对较差平均导热系数最小，位于冲积平原区则两个参数值均居中。

4.2主要城市地层每延米换热量

河南省主要城市每延米换热量以40～80W/m为主，最小为安阳26.70W/m，最大为平顶山84.49W/m，平均为51.14W/m（表3）。三门峡、洛阳、济源、开封、郑州航空港、许昌等城市每延米换热量60～80W/m;郑州、漯河、商丘、驻马店、信阳等城市每延米换热量40～60W/m;南阳、新乡、焦作、周口、安阳等城市每延米换热量20～40W/m。

5开发利用建议

河南省主要城市浅层地温能的赋存层位主要为第四系及新近系上部的各类松散堆积物，其所含地下水为松散岩类孔隙水，含水层分布广，厚度大，水量较丰富，易开采，可恢复性强。平原区人口密集，城镇密布，地质、水文地质和浅层地温能开发利用条件优越，是浅层地热能开发利用的重点地区（图5）。河南省18个省辖市，有3个城市位于盆地（河谷平原），其他15个城市均位于山前冲洪积倾斜平原和河流冲积平原上，利于浅层地温能的开发利用。尤其是位于盆地的洛阳、南阳、三门峡和山前地带的安阳、鹤壁、新乡、焦作、济源、郑州、信阳、平顶山等水文地质条件优越的城市或地段，开发利用浅层地温能时，宜采用地下水换热方式。西部山间盆地及山前丘陵区，第四系下更新统为冲、湖积砂及砂砾石、粘土等，厚度大于100m。东部平原区第四系松散堆积物厚度约100～400m。河南多数城市区分布的地层岩性以冲积、冲湖积、湖沼相等细粒相沉积为主的松散地层，适宜于竖直地埋管换热系统。城市区分布的地层岩性以冲积、冲洪积为主的松散地层，且沉积物以粗粒相的砂卵石、砂砾石、粗砂、中砂为主或厚度较大时，考虑地下水的影响，适宜于地下水换热方式。

《河南省“十三五”能源发展规划》指出，目前河南省一次能源消费中非化石能源仅占比5.8%，煤炭消费量占全省能源消费总量的76%左右，规划到2020年，非化石能源消费占比要大于7%，重点发展浅层地热能，规范发展中深层地热能，鼓励在新建公共建筑和住宅小区开展地源热泵供暖制冷，新增地热供暖制冷面积3000万m2，累计达到5500万m2，能源结构调整的任务十分艰巨。因此，浅层地温能开发利用时可以与中深层地热资源、风能、太阳能等其它新型清洁能源及其它能源互相配合利用。河南省地热资源主要集中在郑州、开封、新乡、周口等平原地带，温度40°C～60°C，属于中低温地热资源，可以在“取热不取水”的前提下，将中深层地热资源与浅层地温能资源相结合，充分发挥资源优势。此外，在资源条件具备的地区，也可以考虑浅层地温能与太阳能、风能的结合。近些年出现的多源复合系统方式也拓展了浅层地温能的开发利用，通过以浅层地温能资源利用为主，中深层地热资源作为补充，其他能源（如燃气、燃油）进行调峰，有效降低初投资。同时也可以利用峰谷电价进行蓄能，降低运行成本。

6结论

（1）河南省主要城市浅层地温能的赋存层位主要为第四系及新近系上部的河流冲积成因的各类松散堆积物。

（2）河南省主要城市浅层地温能赋存层位不同岩性热物性有较大差异，岩土导热系数会随着孔隙率的增加而减小，随岩性颗粒变粗而增大。

（3）河南省主要城市地层综合导热系数和换热能力与地下水径流条件密切相关，地下水径流条件相对较好的山前冲洪积倾斜平原型城市，地层平均导热系数最大，地下水径流条件相对较差的内陆河谷盆地型城市，地层平均导热系数最小。

（4）河南省主要城市的地质、水文地质条件、岩土体结构等浅层地温能赋存条件整体较好，利于浅层地温能的开发利用，位于盆地和山前地带水文地质条件优越的城市或地段，浅层地温能开发利用宜采用地下水换热方式，松散堆积物厚度较大且以细粒相沉积为主的城市或地段，宜采用竖直地埋管换热方式。

（5）浅层地温能开发利用时可以与中深层地热资源、风能、太阳能等其它新型清洁能源及其它能源互相配合利用，同时也可以利用峰谷电价进行蓄能，降低运行成本。