五莲县浅层地温能开发利用适宜性分区评价

李 峰

1 研究背景

山东省浅层地温能资源丰富，当前山东正处在新旧动能转换关键时期，能源需求巨大，开发利用好浅层地温能对保障能源安全、改善能源结构、促进经济高质量发展有重要推动作用。本文对五莲县浅层地温能开发利用潜力进行了初步评价，对进一步浅层地温能适宜性评价和浅层地温能的开发利用提供依据和建议。

2 研究区概况

2.1 地质概况

五莲县地处沂沭断裂带东侧，胶南隆起中北部，胶莱盆地西南缘。出露地层自下而上可划分为：古元古代粉子山群，中生代白垩纪莱阳群、青山群、大盛群、王氏群，新生代第四纪更新统、全新统（图1）。

图1 五莲县研究区地质图

2.2 水文地质概况

研究区地质构造复杂，地层岩性多样，其含水岩组的分布受地层、岩性、地形地貌、气象和水文等多种因素影响和控制。根据地下水的赋存条件、埋藏规律及各含水层间的水力联系，将研究区地下水划分为三种类型：松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水及基岩裂隙水（图2）。

图2 五莲县研究区水文地质图

3 研究区浅层地温能开发地质条件分析

3.1 岩土体结构及热物性参数

在200m 深度内，研究区北部及南部洪凝镇附近主要分布白垩系砂岩，以龙旺庄组为主；中部主要分布斜长角闪岩。

通过测试，获取研究区砂岩、岩浆岩、变质岩的物理性质（含水率、孔隙率、密度）和热物理性质（比热容、热导率）等，为浅层地温能资源量计算和浅层地温能开发利用适宜性评价提供依据。岩土样物理性质及热物性参数见表1。

表1 岩样测试所得研究区热物性参数

3.2 浅层地温场及岩土体热响应特征

（1）平面地温特征

通过地温动态监测，地温最高区位于五莲县东北部郭村店子—高泽镇一带，地温大于16.5℃；地温最低区位于高泽镇焦家庄东北部及东官庄东部附近，地温小于15.59℃。

平面上地温的高低主要与所在地测量深度内的地层岩性、第四系厚度、地下水水位埋深、岩溶裂隙发育程度等因素密切相关。从地层分布情况看，第四系由粘土、粉质粘土及含水层砂层组成，保温效果较好。监测深度内在第四系厚度较大区，地温相对较高，一般高于15.0℃。

（2）垂向地温特征

垂向上地温变化特征与地层岩性、岩溶裂隙发育程度、含水层富水性及上覆第四系厚度等因素有关。表现在地温梯度上（120m 测温深度内）白垩系以及新近系的火山碎屑岩是以碎屑岩类孔隙水为主要含水层，富水性一般，地温梯度一般大于2.0℃/100m；区内中元古带四堡期的变质岩和晚元古代晋宁期的岩浆岩由于裂隙不发育，富水性较差，地温梯度一般小于1.5℃/100m。

在五莲地区，岩性以花岗岩、变质岩、碎屑岩类为主，恒温带深度16 ～22m，温度14.5℃左右，地温梯度1.07 ～1.21℃/100m（图3、图4）。

图3 碎屑岩类深度-地温曲线图

图4 岩浆岩、变质岩类深度-地温曲线图

在研究区施工的地质钻孔中开展现场热响应试验，根据具体孔深下入相应深度的地埋管。获取地层综合热导率、平均孔深换热量、初始平均地温等参数，为垂直地埋管热泵的设计和区域浅层地温能评价提供依据。热响应试验结果见表2。

表2 热响应试验结果

4 浅层地温能开发利用适宜性分区

本次浅层地温能资源量计算主要为浅层地温能热容量计算，计算范围为研究区范围。用体积法计算浅层地温能热容量，计算地表以下200m 和120m深度浅层地温能热容量，为后期浅层地温能开发利用提供依据。

4.1 浅层地温能热容量计算

整个研究区共划分计算区域52 个。依据前期获得的资料，对研究区每一计算区域的面积、各地层厚度、地下水埋深详细划分，确定包气带及饱水带厚度。然后根据相应公式分别计算120m 和200m各层热容量，累加获得研究区总热容量。计算成果见表3。

4.2 分区方法

采用指标法对研究区进行浅层地温能适宜性分区。对于地埋管热泵，采用指标法进行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、岩土体导热性能等因素。地埋管换热系统适宜分区主要指标见表4。

表4 地埋管换热方式适宜性分区

4.3 适宜性分区

经指标法浅层地温能适宜性分析，研究区浅层地温能适宜性中等面积21.38，占比61%，此部分覆盖薄层第四系，松散岩土体厚度较厚；适宜性差13.66，占比39%，主要位于河流、湖泊、水库所在位置，地形起伏较大，有地质灾害发育，地质环境较差。分区结果如图5 所示。

图5 研究区浅层地温能适宜性分区图（指标法）

5 结论

（1）对五莲县浅层地温能适宜性调查项目的成果资料进行整理分析，取得浅层地温能适宜性评价的相关参数。

（2）依据野外调查成果所得水文地质条件和室内试验所得的岩土体物理及热物性参数等，对饱水带和包气带按相应公式分别计算得出研究区浅层地温能热容量。

（3）采用指标法对研究区进行浅层地温能适宜性分区，将五莲县研究区划分为：地埋管地源热泵适宜性中等区和适宜性差等区。

（4）通过野外调查结果及浅层地温能适宜性分区结果，对五莲县研究区浅层地温能适宜性进行初步评价：

① 研究区地下水资源分布面积较小，在河谷地带远离河床的区域虽然富水性稍好但是第四系厚度很薄，最厚也不足10m，含水层水源多为季节性河流的侧向补给和大气降水补给，地下水位受季节性丰枯水期影响较大，因此不适宜发展地下水源热泵。

② 从第四系厚度、枯、丰水期地下水位埋深、地层岩性等方面综合来看大部分地区适合发展地源热泵工程建设。