祖秉新，孟凡利，張 丕，曹 葛，孫曉芳

吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長(zhǎng)春130042

淺層地?zé)崾强稍偕?、清潔、環(huán)保的新型能源，開發(fā)利用前景十分廣闊。隨著吉林省經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，在采暖、空調(diào)、生活、熱水等方面的熱能與制冷需求量越來越大。淺層地?zé)嶙鳛榉浅Ｖ匾男滦湍茉?，?duì)緩解我省能源壓力、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，尤其是減少二氧化碳的排放和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的和諧社會(huì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

吉林省在繼承中生代以前地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)展基礎(chǔ)上，由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使全省地形地貌、氣候水文、土壤植被等自然因素，自東南向西北出現(xiàn)明顯的梯度變化和分帶特征。地形地貌自東南向西北：由強(qiáng)烈上升切割劇烈的延邊通化玄武巖臺(tái)原臺(tái)地和基巖中低山 緩慢上升切割減弱的吉林遼源花崗巖低山丘陵 相對(duì)沉降挽近時(shí)期又有隆起的剝蝕堆積高平原 持續(xù)強(qiáng)烈沉降的扶余通榆堆積低平原 緩慢上升剝蝕強(qiáng)烈的洮安西部基巖丘陵低山。按地貌單元形態(tài)，全省劃分五個(gè)地質(zhì)及水文地質(zhì)帶。

1.1 臺(tái)原臺(tái)地中低山侵蝕帶

臺(tái)原臺(tái)地中低山侵蝕帶，位于輝南、敦化以東地區(qū)，為中等至強(qiáng)烈切割的臺(tái)原臺(tái)地和中低山。帶內(nèi)從第三紀(jì)中新世至第四紀(jì)全新世均有火山運(yùn)動(dòng)，以火山噴溢為主。臺(tái)原臺(tái)地由玄武巖、橄欖玄武巖和少量粗面玄武巖及凝灰角礫巖組成。中山低山由古生代以前的變質(zhì)巖、碳酸鹽巖及碎屑巖組成。地下水類型主要有玄武巖孔洞裂隙水、巖溶水、基巖裂隙水，局部地區(qū)在山間盆地和河谷有孔隙水。安圖、撫松、渾江一帶分布低溫或中高溫地?zé)崴虻V泉水，地下水和礦泉水均以重碳酸型水為主，礦化度低于0.5 g/L，pH 值為6～7。

1.2 低山丘陵剝蝕帶

低山丘陵剝蝕帶，位于長(zhǎng)大鐵路線東南的低山丘陵區(qū)，風(fēng)化殼發(fā)育。帶內(nèi)前震旦紀(jì)至中生代巖漿活動(dòng)頻繁，華力西期花崗巖分布廣泛，燕山期花崗巖零星分布，局部有古生代碳酸鹽巖分布，沿北東向斷陷形成的伊通—舒蘭盆地，沉積巨厚的第三系和第四系地層。地下水類型以花崗巖基巖裂隙水和風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙水為主，局部有碳酸鹽巖巖溶水、碎屑巖裂隙孔隙水、松散巖類孔隙水、硅酸礦泉水。一般地下水和礦泉水以重碳酸型為主，礦化度小于0.5 g/L，pH 值為6～7。

1.3 高平原相對(duì)隆起帶

高平原相對(duì)隆起帶，位于扶余、長(zhǎng)嶺以東廣大高平原地區(qū)。該帶中生代強(qiáng)烈沉降，新生代又相對(duì)隆起，是由白堊系為基座（軟巖層），局部分布10～20 m 厚的砂礫石，上覆黃土狀土剝蝕堆積，平原呈波狀起伏，切割明顯。地下水類型，河谷階地為松散巖類砂礫石孔隙水和隱狀斷裂的基巖裂隙水。此外，在大興安嶺山前傾斜平原的白城扇形地，含水層為中上更新統(tǒng)沖積礫卵石層，厚10～40 m，富水性較強(qiáng)，單井涌水量3 000～5 000 m3/d。還有松花江沿岸的高漫灘和一級(jí)階地前緣，含水層以礫卵石為主，厚15～20 m，單井涌水量1 000～3 000 m3/d。地下水化學(xué)類型均為重碳酸型，礦化度小于1.0 g/L，pH 值6～8。

1.4 低平原持續(xù)沉降帶

低平原持續(xù)沉降帶，位于扶余、長(zhǎng)嶺以西，白城以東廣大地區(qū)。該帶中，新生代以來持續(xù)沉降，堆積厚達(dá)300 m 左右的河湖相泥質(zhì)砂質(zhì)松散沉積層。地下水類型，主要為第三系砂礫巖裂隙孔隙水和第四系松散巖類孔隙水。地下水礦化度0.5～3.0 g/L，隨著礦化度增高，地下水化學(xué)類型由重碳酸硫酸型→重碳酸氯化物型→氯化物重碳酸型，造成了如鐵、錳、氟等元素過剩。帶內(nèi)沙漠化、鹽漬化、氟中毒現(xiàn)象廣泛。

1.5 丘陵剝蝕帶

丘陵剝蝕帶，位于白城以西，屬大興安嶺東麓的低山丘陵。帶中山勢(shì)和緩，山頂渾園，溝谷寬淺，河泉不多，地形完整，風(fēng)化殼發(fā)育。侏羅系中酸性火山碎屑巖廣泛分布，花崗巖零星出露。地下水類型，以侏羅系火山碎屑巖裂隙孔隙水和花崗巖風(fēng)化殼網(wǎng)狀裂隙水為主。地下水化學(xué)類型，均以礦化度低于0.5 g/L 的重碳酸型水。

2 地?zé)岱诸惣靶纬蓹C(jī)制

地?zé)崾翘烊恍纬傻牡責(zé)豳Y源，是能夠經(jīng)濟(jì)地被人類利用的地球內(nèi)部的地?zé)崮?、地?zé)崃黧w及其有用化學(xué)組分。目前可利用的地?zé)豳Y源分為深層地?zé)岷蜏\層地?zé)?。深層地?zé)岚ㄌ烊怀雎兜臏厝⑼ㄟ^人工鉆井直接開采利用的地?zé)崃黧w，還有干熱巖體中的地?zé)豳Y源。淺層地?zé)崾峭ㄟ^熱泵技術(shù)開采利用，它包括低溫的流體和巖土體，即水源熱泵技術(shù)（地下水、地表水）和地源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地?zé)崮堋?/p>

地?zé)崾艿刭|(zhì)、水文地質(zhì)和斷裂構(gòu)造等控制，是供給儲(chǔ)熱中巖石和地?zé)崃黧w的熱能來源，可以是現(xiàn)代巖漿活動(dòng)的巖漿房，也可以是來自地殼深部的熱傳導(dǎo)或來自溝通深部熱源的現(xiàn)代活動(dòng)性斷裂帶的熱對(duì)流。而淺層地?zé)崾翘N(yùn)藏在地表以下一定深度范圍（200 m）內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能。

3 淺層地?zé)岬奶攸c(diǎn)

淺層地?zé)崮軄碓从诘貧さ臏\部，由于接受太陽能的輻射、降雨滲入所攜帶的熱量和深部大地?zé)崃鞯纫蛩氐墓餐饔?，保持了一定的熱量，成為一種熱能儲(chǔ)量巨大的低焓熱源。淺層地?zé)豳Y源有以下特點(diǎn)：

（1）淺層地?zé)嵩偕芰?qiáng)∶淺層地?zé)嵊捎诖蟮責(zé)崃骱退h(huán)的補(bǔ)給，它與深層地?zé)嵯啾?，不僅再生能力強(qiáng)，而且開采成本低。

（2）淺層地?zé)岱植紡V泛∶地?zé)豳Y源儲(chǔ)存在地下水和巖土體中，地下水中的熱能，在地下水水位以下，地下水類型為潛水，其補(bǔ)給條件較好，水溫變化不大，開發(fā)成本最低，應(yīng)利用水源熱泵優(yōu)先開發(fā)利用；土體巖體中的淺層地?zé)?，受地質(zhì)條件的影響，開發(fā)利用具有一定的難度，其難易程度為：土體 軟巖層 堅(jiān)硬巖體，以吉林省地質(zhì)條件分析，低平原土體 高平原土體與軟巖層 丘陵山區(qū)堅(jiān)硬巖層。

（3）淺層地?zé)醿?chǔ)存量較大∶由于淺層地?zé)岱植驾^廣，不論地下水或巖土體中的地?zé)醿?chǔ)量可觀，應(yīng)盡早開發(fā)利用，緩解能源不足。

（4）淺層地?zé)衢_發(fā)利用方式∶淺層地?zé)岬臏囟绕停灰酥苯永闷淠芰?，只有采用熱泵技術(shù)將水中的熱量和巖土體中的熱量提取驟集，才能成為很好的熱源。

4 淺層地?zé)衢_發(fā)利用現(xiàn)狀

21 世紀(jì)以來，國(guó)家相繼出臺(tái)了支持可再生能源開發(fā)利用的方針政策，地源熱泵行業(yè)有了較快的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的65%，而地源熱泵具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括高效節(jié)能、綠色環(huán)保、可再生能源利用，符合國(guó)家目前節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。至2007 年底，全國(guó)有熱泵項(xiàng)目達(dá)4 800～5 000 個(gè)，其中以北京、河北、河南、山東、天津和遼寧為最多。受地質(zhì)和水文地質(zhì)條件所限，吉林省淺層地?zé)衢_發(fā)利用時(shí)間較晚。近幾年長(zhǎng)春、吉林、梅河、榆樹、集安、松原等地的局部地段有零星開發(fā)利用，主要以開發(fā)利用地下水熱能為主，有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有失敗的教訓(xùn)。如：梅河口市區(qū)的水源熱泵項(xiàng)目，由于抽出來的水無法回灌而停止供暖；榆樹市五棵樹鎮(zhèn)水源熱泵項(xiàng)目，抽出來的水不能全部回灌到含水層中，至使剩余的水排入松花江，造成水資源浪費(fèi)。因此，開發(fā)利用地下水淺層地?zé)崆?，必須進(jìn)行淺層地?zé)岬恼{(diào)查評(píng)價(jià)工作，然后再上淺層地?zé)犴?xiàng)目，提高地?zé)衢_發(fā)利用的保證程度。

5 淺層地?zé)衢_發(fā)利用適宜條件

淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用，主要根據(jù)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，選擇適宜區(qū)段進(jìn)行開發(fā)利用。應(yīng)堅(jiān)持降低成本和先易后難的原則進(jìn)行淺層地?zé)衢_發(fā)。開發(fā)利用方式有兩種，一是地下水源熱泵技術(shù)，二是地源熱泵技術(shù)（地堆管）。

5.1 水源熱泵適宜條件

根據(jù)吉林省水文地質(zhì)條件，水源熱泵適宜條件有限，僅在平原區(qū)的松花江兩岸的漫灘及一級(jí)階地前緣地帶和白城地區(qū)扇形地孔隙潛水，適合開發(fā)利用淺層地?zé)?。全省大部分的河谷階地含水層巖性為砂及砂礫石層，其滲透系數(shù)一般為10～30 m/d，熱泵抽出的地下水不易全部回灌到地下水中，淺層地?zé)衢_發(fā)受到限制。而松花江沿岸漫灘及一級(jí)階地前緣和白城扇形地含水層巖性以礫卵石為主，地下水滲透系數(shù)30～50 m/d，含水層滲透性較好，單井涌水量在1 000～3 000 m3/d 以上，滿足淺層地?zé)衢_發(fā)的灌采比要求。除此之外，我省較大的河流如：伊通河、飲馬河、嫩江等的河漫灘也具備開采淺層地?zé)釛l件。

2010 年至2012 年通過長(zhǎng)春、松原、榆樹、梅河、集安和鎮(zhèn)賚等市縣城區(qū)淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告結(jié)果表明，只有靠近松花江的鎮(zhèn)賚縣城區(qū)開采淺層地?zé)彷^適宜，其它縣（市）城區(qū)均不適宜淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用。如：山區(qū)內(nèi)的集安市城區(qū)， 座落于鴨綠江畔，含水層以卵石為主，地下水滲透系數(shù)大于30 m/d。單井涌水量較小，僅165.28 m3/d（降深2.00 m），不適宜淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用。因此淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用，一是單井涌水量應(yīng)大于1 000～3 000 m3/d 的水量豐富區(qū)，二是含水層顆粒粗、滲透性強(qiáng)，抽出來的地下水能100%的回灌到統(tǒng)一含水層中，才能滿足抽灌要求。

5.2 地源熱泵適宜條件

依據(jù)吉林省的地貌形態(tài)和地質(zhì)條件，利用地源熱泵開采淺層地?zé)徇m宜性比較廣泛。結(jié)合降低成本和先易后難的原則，可先從土體和軟巖層開發(fā)利用地?zé)幔雌皆瓍^(qū)的低平原土體、高平原的土體與軟巖層（包括河谷階地、黃土臺(tái)地的土體與軟巖層）綜合開發(fā)利用，最終達(dá)到開發(fā)利用淺層地?zé)岬哪康模灰潦媾璧貐^(qū)，以第四系土體與第三系軟巖層為主，也適合淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用；中低山、丘陵和大興安嶺山地因地質(zhì)條件為堅(jiān)硬巖石，淺層地?zé)衢_發(fā)，一是難度大，二是成本高，因此適宜尋找深層地?zé)衢_發(fā)利用。

6 淺層地?zé)衢_發(fā)利用注意事項(xiàng)

（1）水源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地?zé)?，其單位涌水量、灌采比、地下水位年下降量?yīng)滿足淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范的要求。

（2）淺層地?zé)衢_發(fā)時(shí)，應(yīng)有回灌保證，并保證水質(zhì)不遭受污染。

（3）避免抽出來的地下水無組織的排放，應(yīng)節(jié)約用水，保護(hù)水資源。

（4）加強(qiáng)水資源的管理和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決或處理。

（5）受地域和緯度的影響，我省地表水在冬季溫度偏低，不易開發(fā)利用其熱能。

7 結(jié)論

淺層地?zé)崾菍氋F、環(huán)保、可再生的新型能源，應(yīng)結(jié)合我省地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的實(shí)際情況，堅(jiān)持降低成本和先易后難的原則，更好地開發(fā)利用淺層地?zé)豳Y源。

為了保證淺層地?zé)衢_發(fā)利用的質(zhì)量和連續(xù)性，采用水源熱泵技術(shù)應(yīng)有選擇性的對(duì)平原區(qū)大江、大河兩側(cè)的河漫灘、一級(jí)階地前緣含水層以礫卵石為主的地段和白城地區(qū)的扇形地等孔隙潛水，進(jìn)行淺層地?zé)衢_發(fā)利用是較適宜的。

地源熱泵技術(shù)應(yīng)選擇在低平原土體、高平原土體與軟巖層（包括河谷階地、黃土臺(tái)地土體與軟巖層）、伊舒盆地的土體與第三系巖層，進(jìn)行淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用。

通過淺層地?zé)岬拈_發(fā)利用，可減少二氧化碳的排放，使環(huán)境質(zhì)量得到提高，并降低能源成本的消耗，為振興吉林省經(jīng)濟(jì)發(fā)揮重要作用。

[1] 王鳳生.吉林地下水[M].長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[3] 吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局.吉林省區(qū)域地質(zhì)志[M].北京：地質(zhì)出版社，1989.

[2] 吉林省志·卷二十二/地質(zhì)礦產(chǎn)志[M].長(zhǎng)春：吉林省人民出版社,2001.