大青山南麓浅层地热能赋存条件浅析

李吉红 张欣

摘要：大青山南麓的“呼包平原”是内蒙古自治区主要城市圈聚集地，绿色能源“浅层地热能”的开发利用有助于地方发展迎来绿水青山。近年来在呼包二市相继开展了浅层地热能勘查试验取得了一定成效，本文依据两地试验数据结果，分析大青山南麓浅层地热能赋存条件。

关键词：大青山南麓;呼包平原;浅层地热能;赋存条件

浅层地热能是目前赋存在地表以下一定深度范围内（一般为恒温带至200m埋深），温度低于25°C，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。其能量主要来源于太阳辐射与地球梯度增温。浅层地热能分布广，储量大，再生迅速，利用价值大，越来越受到人们的高度重视与关注，它是地热资源的一部分，也是一种特殊的矿产资源。

目前，浅层地热能的开发利用是通过“地埋管热泵技术”和“地下水地源热泵技术”以传热介质（水或加入防冻剂的水）通过在密闭的垂直或水平埋管中循环，利用传热介质与地下岩土体、地下水之间的温差进行热交换，达到利用浅层地热能的目的，并进而通过热泵技术可以为建筑物供暖或制冷。

浅层地热能宏观上受控于大型地质地貌单元、水文地质单元，赋存在不同沉积岩相堆积的松散或半胶结沉积岩土体，与岩土体物性、热物性特征、地层热响应特征及浅层地温场特征关系密切，大青山南麓呼包平原具备良好的浅层地热能赋存条件要素。

1.地形地貌、水文地质单元

呼和浩特市、包头市位于大青山南麓呼包平原，为中生代断陷盆地，盆地中沉积了巨厚的第四系松散堆积物。构成的地貌单元主要为山前倾斜平原、冲积平原和冲湖积平原。呼和浩特市中心城区地处大青山山前倾斜平原的中下部，北以阴山山脉大青山段为天然屏障，南有大黑河冲湖积平原。总体地势北高南低，微向西南倾斜，坡度在3‰～5‰之间，海拔高程1000m～1200m。包头市辖区总体地势北部高，南部低。主要由山前倾斜冲洪积平原和黄河冲积平原组成，山前倾斜冲洪积平原海拔高程1020m～1040m，平均坡度为8‰;黄河冲积平原东西呈条带状沿黄河分布，地势平坦，平均坡度1.5‰，海拔高程1000m～1020m。

呼包平原赋存的地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水及承压水，主要分布于山前倾斜平原，冲湖积平原及现代河谷内。松散岩类孔隙潜水分布规律较明显，大青山山前冲洪积平原扇群带及河谷地带，孔隙水单井涌水量500m3/d～1000m3/d，古湖滨三角洲地带最大，单井涌水量大于1000m3/d，其余地段一般水量100m3/d～500m3/d。含水层岩性主要为更新统、全新统冲洪积砂、砂砾石，含水层厚度30m～60m，水位埋深在10m～20m，水质较好，地形地貌、水文地质特征适合浅层地热能开发利用。呼包平原所属水系、地貌、地质和水文地质单元基本特征（表1）。

2.岩土体物性、热物性特征

岩土體物性、热物性特征包括密度、孔隙率、含水率、比重、比热容、导热系数、热扩散系数等参数，反映了岩土体的蓄热和导热能力，是影响浅层地热能资源赋存的重要因素。

在大青山南麓呼包平原的呼和浩特市、包头市辖区进行过第四系岩土体物性、热物性测试工作。不同岩性物性、热物性参数测试结果表明：不同地点相同土质的自然密度、含水率、比重、孔隙度、饱和度和导热系数等参数变化不大;无论是粘性土、砂性土其热导率随岩土体自然密度和饱和度的增加而减小，即岩土体的热导率与岩土体的自然密度和饱和度呈负向相关性;其岩土体的比热容随岩土体的孔隙率增加而增大，即比热容与岩土体的孔隙率呈正向相关性（表2）。

3.浅层地温场特征

3.1浅层地温场温度

指浅层地热资源可开发利用深度范围内的温度场，一般为埋深0～200m地层地温的综合反映，用深度范围内混合水的温度来表征。一般受地质构造、地层结构及水文地质环境等因素影响，其中恒温带、地温梯度两项指标对浅层地温场温度的高低影响较大，各地区需通过长期观测试验才能确定，前人工作在呼包平原进行了大量的试验，取得可靠的数据综合考虑其他因素而确定。

根据恒温带温度、恒温带深度、浅层地温能底界深度与地温梯度，利用公式：

T=G/100×（S-S0）/2+T0

计算浅层地温场温度（T）。

公式中：G为地温梯度，单位为°C/100m;S为浅层地温场底界深度，单位为m;S0为恒温带深度，单位为m;T0为恒温带温度，单位为°C。

浅层地温场温度计算结果见表3。

3.2地层热响应参数

地层热响应值是在现场利用地埋管换热采用二冷热源向岩土体中连续加热并记录传热介质的温度变化和循环量来测定，试验取得相关数据后经大量计算而确定。它与地层岩性、地层结构、所处沉积环境及地下水渗透速率等因素关系密切，以往工作在呼包平原的呼和浩特市、包头市开展过现场热响应试验，经多数钻孔试验取得地层热响应特征值见表4。

以上从三个方面阐述了呼包二市所处地质地貌、水文地质单元;岩土体物性、热物性特征及浅层地温场特征，可作为背景值抑或参考值，将地热能赋存条件普遍性推广应用至呼和浩特与包头两市之间的大青山南麓山前呼包平原。

4.结束语

环境地质条件是决定浅层地热能开发利用的重要因素，地下水环境质量优劣直接影响浅层地热能开发利用的效果。浅层地热能作为清洁能源，它的开发利用是以不破坏地质环境为前提条件。

当前浅层地热能资源开发利用还缺乏可靠的技术、经济支撑。首先，浅层地温能属于边缘学科，仍有许多机理、条件认识不清，如饱水砂岩在弱水动力条件下导热能力、地层结构和岩性组合对蓄热、导热能力的影响、垂向平均温度大小对系统的经济性影响。其次，地下水回灌技术不够完善，成井工艺有待提高，比如地下水地源井成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用对回灌量均有较大影响，特别是成井口径、填砾层厚度、滤水管类型及滤料的选用不当，会导致许多井不能正常回灌。第三，当前技术、经济条件下，前期投入大，成本高，周期长，经济效益不明显。因此全面评价地质环境影响和节能减排的社会和经济效益，这些都需要进一步研究和探索。

浅层地热能资源有明显的节能减排优势，适宜在大青山南麓平原地域城镇推广应用。

参考文献：

[1]1985年由内蒙古第一水勘院出版的1∶10万内蒙古呼包平原水文地质工程地质环境水文地质综合勘察报告.

[2]1985年由内蒙古水文地质队出版的1∶100万内蒙古自治区地下水资源评价.

[3]内蒙古自治区主要城市浅层地温能开发区1∶5万水文地质调查报告.

[4]DZ/T0225—2009浅层地热能勘查评价规范.