孫景林,董培沖,馮學武
(山東省濰坊市水文局,山東 濰坊 261061)
濰坊市淺層地熱能資源評估與開發(fā)利用方式分析
孫景林,董培沖,馮學武
(山東省濰坊市水文局,山東 濰坊 261061)
濰坊市位于山東半島西部,淺層地熱能資源豐富、開采條件便利。為綜合利用資源,改善環(huán)境,建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會,對濰坊市淺層地熱適宜區(qū)進行劃分,并對淺層地下水熱儲量進行分析計算,得出濰坊市淺層地下水熱泵適宜區(qū)總計372.14 km2,淺層地熱能儲量為23.911×1013KJ。同時,根據(jù)區(qū)內(nèi)的淺層地熱特點及經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃,提出持續(xù)開發(fā)利用合理保護建議,加強地下水水質(zhì)保護,實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用。
淺層地熱能;資源評估;開發(fā)利用;濰坊市
濰坊市位于山東半島西部,南依泰沂臨朐山脈,北臨渤海萊州灣,東與青島、煙臺兩市相接,西與東營、淄博兩市為鄰,地扼山東內(nèi)陸腹地通往半島地區(qū)的咽喉。地勢自南向北由高到低,是山東省重要的區(qū)域中心城市和沿海開放城市,氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L氣候,具大陸性半干旱氣候特征,四季分明。年平均氣溫12.3℃,區(qū)內(nèi)低溫地熱資源豐富,地熱資源的合理開發(fā)利用,對改善能源結(jié)構(gòu),促進經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展具有重大意義。濰坊市所轄12個縣市區(qū),總面積約15 859 km2。其中:高密市城區(qū)地下全部為泥質(zhì)紅色碎屑巖,無地下水。昌樂縣城區(qū)在第四系地層中有少量粉細沙,基巖為玄武巖,單位涌水量很小。上述兩個縣市基本為淺層地下水熱泵非適宜區(qū),故未參與地下水地熱能資源評估。該文在充分收集濰坊市淺層地熱資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合濰坊市發(fā)展總體規(guī)劃,綜合分析研究發(fā)現(xiàn)濰坊市淺層地熱能資源豐富,潛力巨大,適宜應(yīng)用地下水源熱泵技術(shù)。
2.1 地下水源熱泵適宜區(qū)的確定原則
進行地下水源地能評估之前首先應(yīng)確定出地下水源熱泵的適宜區(qū)。根據(jù)濰坊的水文地質(zhì)條件,我們確定適宜區(qū)的原則有以下四個條件:
(1)單井出水量不小于每小時20 m3;
(2)從靜水位至含水層下伏的隔水底板的厚度不小于5 m;
(3)含水層以中砂以上的砂層為主,或是富水性較好的第三系玄武巖;
(4)含水層有較好的可灌性。當靜水位較淺時可以采用加壓回灌,回灌壓力一般不大于1 kg/cm2,即可實現(xiàn)全回灌。我們評價可灌性的標準是水位最大升降比B≥2
(1)
式中:hm水位最大升幅(m)。當采用自流回灌時,hm即為靜水位埋深hj(米),當采用加壓回灌時,hm=hj+hy,(hy為施加的最大壓力值,可按照10 m)。
(2)
(3)
(2)式為自流回灌可灌性標準。 (3)式為加壓回灌可灌性標準。
只要能滿足(2)或(3)式可灌性標準,回灌井與抽水井的井數(shù)之比可以滿足規(guī)范提出的回抽比不大于2:1的要求。
2.2 熱儲量計算方法
區(qū)域淺層地能評價要求計算評價地熱能的可開采量和熱能儲存量。
熱儲存量計算要求用熱儲法分別對包氣帶和飽水帶進行計算。我們認為計算包氣帶的熱儲量意義不大。(1)因為地下水源熱泵是直接從飽水帶取熱,而不是從包氣帶中取熱,如果因取熱造成地下水溫度發(fā)生了變化,包氣帶中的地溫很難隨之發(fā)生變化;(2)因為包氣帶是變溫帶,取用溫度難以確定;(3)包氣帶是太陽輻射及降雨向飽水帶補充傳遞熱量的必然途徑,如果在中途把包氣帶僅存留的熱量拿走了,必然會影響對飽水帶的熱量補充,故我們沒有計算包氣帶的熱儲量。
在飽水帶的含水層和相對隔水層中,熱儲量按下式計算:QR=QS+QW
(4)
式中:QR為地熱能儲存總量,KJ; QS為巖土體中的熱儲量,KJ;QW為巖土體所含水中的熱儲量,KJ。
QW=ρwCwφMd△T
(5)
QS=ρsCs(1-φ)Md△T
(6)
式中:ρw、ρs分別為水和巖土體密度,kg/m3; Cw、Cs分別為水和巖土體比熱容,KJ/kg·K℃; φ為巖土體孔隙率(裂隙率); M為計算面積,m2;d為靜水位至200 m之內(nèi)的含水層下限巖土體的厚度,m; △T為利用溫差,℃
2.2.1 關(guān)于ρw及ρc的取值
ρw=1 000 kg/m3;ρc應(yīng)為巖土體的干容重,土層砂層一般為1 300~1 800,由于地下的巖土體是密實的,根據(jù)經(jīng)驗土砂層ρc可取1 700 kg/m3;玄武巖ρc取2 400 kg/m3。
2.2.2 關(guān)于Cw及CS的取值
Key Memory Protection Based on Dynamic Binary Translation……………QIN Huanqing, LIU Min, MA Liujie(3·80)
Cw=4.18 KJ/kg·K℃; CS為巖土的比熱容,土砂顆粒CS取1.01 KJ/kg·K℃;玄武巖CS取0.79 KJ/kg·K℃。
2.2.3 關(guān)于φ的取值
我們認為公式中的φ值應(yīng)取巖土層的飽和含水量,而不是孔隙率。飽和含水量既包括土體中的重力水和毛管水,也包括土粒表面的結(jié)核水和薄膜水,它略大于孔隙率,更大于給水度。
關(guān)于粘性土的φ值:第四系地層中的相對隔水層一般以砂質(zhì)粘土和粘質(zhì)砂土為主,也有一部分粘土和粉土,一般都沒有固結(jié),屬于松散沉積。它的給水度很小,但飽和含水量很大。例如黃土,飽和含水量可達47%,淤泥達60%,一般粘性土可達30%~40%,我們認為平均可取35%。
關(guān)于砂類土的φ值:砂類土的顆粒越粗,給水度越大,越接近其飽和含水量,例如礫卵石給水度可達35%~40%。顆粒越細,給水度越小,越比其飽水含水量小得多。例如粉砂的給水度僅為0.1~0.15,而根據(jù)孔隙度的資料,密實的粉細砂孔隙度為0.3~0.358,密實的中粗砂為0.35~0.4,可見其飽和含水量還要更大些。
根據(jù)上述分析,在飽水帶中不論是含水層(砂類土)還是相對隔水層(粘性土),φ值皆取0.35是比較適宜的。
關(guān)于玄武巖的φ值:濰坊地區(qū)的第三系玄武巖分布范圍較大,大部分有氣孔或成巖裂隙,如果風化較好,可成為含水層,其飽和含水量接近于給水度。表1是我們用坑測法在昌樂縣實測的給水度,其最大值為0.097,故玄武巖的φ值我們?nèi)∮?.1。
2.2.4 關(guān)于△T的取值
我市的多年平均氣溫12.3℃,地下水的溫度一般為16.0℃~16.5℃,高于平均氣溫4℃,故我們?nèi) 鱐為4℃參與計算。
我們?nèi)∮?℃的理由,(1)取用4℃之后,可以增加4℃的地溫梯度,有利于大地熱流的補給,同時也有利于太陽輻射的傳導并減少地熱向大氣的散失。從這個意義講,△T越大越好;(2)取用4℃之后,區(qū)域水溫不致于太低,對使用地源熱泵系統(tǒng)的小區(qū)的運行不會造成過大的影響。從這個意義講,△T越小越好。我們認為評價區(qū)域地能用熱儲法的取用溫差以當?shù)氐钠骄鶜鉁嘏c水溫之差較為合理。
綜上所述,將(5)、(6)式中各項的取值代入后并加以整理可得:
第四系地層地下水熱能儲存量計算公式為:
(7)
第三系地層地下水地熱能儲存量計算公式為:
(8)
按上述(7)式和(8)式對各計算區(qū)的熱量進行計算。
各縣市城區(qū)淺層地下水熱泵適宜區(qū)總計372.14 km2,淺層地能儲熱量總計23.911×1013KJ。相當于816.41萬 t標準煤的總發(fā)熱量(表1)。
表1 各縣市城區(qū)淺層地下水地能熱儲量計算成果表
根據(jù)濰坊市淺層地熱能資源的特點、能源消耗結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟技術(shù)等社會要素進行系統(tǒng)規(guī)劃,濰坊淺層地熱能的開發(fā)利用主要有兩個方面:
4.1 地熱空調(diào)
濰坊市淺層地熱能資源開發(fā)利用主要以冬季供暖和夏季供冷為主。開發(fā)利用適用范圍較廣,包括企事業(yè)單位辦公樓、學校、住宅、別墅、敬老院、商場、廠房、高檔賓館、度假村以及車站、體育場館等。在國家節(jié)能減排政策的指導下,許多新建工程項目紛紛采用地熱空調(diào)系統(tǒng),應(yīng)用規(guī)模得到快速的發(fā)展。
4.2 高科技生態(tài)農(nóng)業(yè)
濰坊市冬暖式蔬菜大棚發(fā)展歷史已久,建立適度規(guī)模的現(xiàn)代化地熱溫室大棚,種植高檔蔬菜,可延長坐果期,提升產(chǎn)量,促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。地熱資源由于其節(jié)能、環(huán)保、運行費用低等優(yōu)點,也是現(xiàn)代化高效科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。
(1)濰坊市的淺層地熱能資源豐富,分布廣泛,是一種很好的替代能源和清潔能源,具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑOM嘘P(guān)部門加強對淺層地熱能開發(fā)利用的重視,并提供必要的政策和財政扶持。
(2)要搞好地源熱泵工程的總體規(guī)劃,在適宜區(qū)內(nèi)盡量合理布局、均衡布局。防止一轟而上,盲目發(fā)展,過度開發(fā),避免工程項目過于集中,相互影響。
(3)有關(guān)部門加強對地下水資源的管理,搞好技術(shù)服務(wù),要做到100%回灌,防止地質(zhì)問題的發(fā)生,同時要加強地下水水質(zhì)保護,以實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。
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2017-02-27
孫景林(1964-),男,山東青州人,工程師,主要從事水文水資源研究工作。
P314.1
B
1004-1184(2017)04-0071-02