劉愛華，鄭 佳，李 娟，杜境然，李 富

（北京市地熱研究院淺層地溫能研究中心，北京 102218）

0 前言

地球內(nèi)部的熱能統(tǒng)稱為地熱能。傳統(tǒng)地熱能多是賦存于地球深部熱儲中的高品位熱能，一般深度大于200m，溫度高于25℃（徐世光等，2009），“淺層地溫能”不等同于淺部的傳統(tǒng)地熱能，在資源分布規(guī)律及對應的勘探開發(fā)方法等方面存在較大差異（王貴玲，2008；衛(wèi)萬順等，2010）。當前淺層地溫能勘查評價工作投入不足，如果盲目超前開發(fā)會導致資源的巨大浪費，甚至存在一定的風險。本文從地熱與淺層地溫能應用的角度出發(fā)，分析二者關(guān)系、對比資源賦存分布與勘查評價方法，討論淺層地溫能和地熱能的區(qū)別與聯(lián)系，科學指導淺層地溫能和地熱能勘查評價。

1 定義與范疇

淺層地溫能是蘊藏在巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的低品位熱能，一般開采深度小于200m，地溫低于25℃（衛(wèi)萬順等，2010）。正常地溫場中不存在傳統(tǒng)地熱，傳統(tǒng)地熱能只存在于地熱異常區(qū)。淺層地溫能是存在于正常地溫場中的位能，也是氣溫場與地層淺表溫度場之間存在可正-負雙向變化的勢能。

對淺層地溫能是否具有自然資源屬性存在爭議（戴傳山，2008）。在天然環(huán)境中存在的，可用于生產(chǎn)的自然物質(zhì)才是自然資源，自然資源可分為有形的自然資源和無形的自然資源，能源是提供人類所需能量的載能體資源（帕克，1992）。從能源和資源的定義來看，地熱資源為無形的自然資源；從“載能體”上來說，淺層地溫能和地熱能既有區(qū)別又有聯(lián)系。淺層地溫能應用的實質(zhì)是相對恒定的地溫場能夠貢獻多少能量來實現(xiàn)人類適宜生產(chǎn)生活條件的需求，這是與其他以物質(zhì)存在為特征的各種資源的本質(zhì)區(qū)別。綜合以上，淺層地溫能是一種無形自然資源中的新能源，具有資源屬性，是“熱源”和“熱匯”，同時也是一種“物質(zhì)運動形式”（衛(wèi)萬順等，2010）。

地熱資源分為常規(guī)地熱和非常規(guī)地熱，從地熱的熱傳輸方式和開發(fā)利用角度來看，淺層地溫能是地熱資源的一種類型（周總瑛等，2015；國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2010）。從多數(shù)文獻來看，淺層地溫能具有資源屬性，是地熱資源的組成部分、是地熱的一分支（徐世光，2009；王貴玲等，2011；中華人民共和國國土資源部，2009）。由于淺層地溫能熱量的主要生成來源與地熱相同，因而歸為特殊的“地熱能”。

2 資源賦存與分布

地熱能的主要開發(fā)利用對象是地熱流體，屬于水熱型地熱資源，包括地下熱水和地熱蒸汽（田廷山等，2006）。人們可以鉆孔直接獲取，也可以驅(qū)動冷水循壞攜帶巖石熱能開發(fā)地熱。熱流體開采帶來儲層流體壓力降低，當與其聯(lián)結(jié)的補給源補給后，會以較快速度恢復平衡；熱流體溫度擴散速度較之壓力傳播速度要慢的多，需要較長的恢復時間，因此地熱資源的可再生性取決于地熱開采速度，只有熱量補充速度較快時，儲層壓力和溫度速度才能夠快速恢復平衡，地熱資源是一定條件的可再生資源。

淺層地溫能賦存主要受淺層地溫場控制，地層熱來源與地形地貌、氣候條件等自然因素有關(guān)，同時也受地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、地下水分布、巖石熱物性等地質(zhì)條件制約，這些因素是淺層地溫能形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，共同構(gòu)成熱能存儲場所與運輸通道。

根據(jù)賦存地層深度可將淺層地溫能劃分為三類，第一種類型賦存于變溫層中，第二種類型賦存于恒溫層中，恒溫層以下為第三種類型，屬于增溫帶。變溫層由于太陽光輻射影響地溫呈周期性變化。至恒溫層，太陽輻射減弱，地球內(nèi)熱增強，太陽輻射與地球內(nèi)熱之間達到平衡，地溫年變幅接近于零。增溫帶中地溫場由地球內(nèi)熱所控制，地溫隨深度增加而逐漸升高。淺層地溫能較為經(jīng)濟的開采深度小于200m，一般可就地提取利用。淺層地溫能在一定開采強度下可連續(xù)提供穩(wěn)定的低溫熱源/熱匯，在季節(jié)性利用后可通過冬、夏兩季反向溫度補給基本保持地溫場動態(tài)平衡，從而長期循環(huán)利用，故在科學開采的情況下，淺層地溫能具有可再生性。

我國以中低溫地熱資源為主，同時高溫地熱資源分布廣泛（周總瑛等，2015）。熱田邊界主要由熱儲層溫度與構(gòu)造及埋藏深度、埋深與開發(fā)利用等多因素綜合決定。淺層地溫能資源分布邊界依據(jù)地質(zhì)條件、地理分布和應用目的而相應變化，具有不確定性。淺層地溫能地質(zhì)條件、氣象氣候、地形地貌決定了淺層地溫能的分布，因而它具有顯著的區(qū)域特征。地理緯度是淺層地溫能能否開發(fā)利用的區(qū)域指征，一般淺層地溫能的開發(fā)利用區(qū)集中在中緯度地帶，在該區(qū)域，冬季采取地下熱能，地層溫度下降，夏季用戶端將熱量排入地下，地層溫度升高，長期來看，由于存在反向溫度補給，總熱負荷和總冷負荷基本保持平衡?？梢灶A見，隨著淺層地溫能開采技術(shù)手段的日益提升，難以通過自然恢復達到平衡的地區(qū)，如赤道和高緯度地區(qū)或許也會實現(xiàn)淺層地溫能的開發(fā)利用。表1中總結(jié)了兩類資源在清潔性、賦存分布特征及工程應用本質(zhì)等方面的對比，可較為直觀的發(fā)現(xiàn)兩類資源的異同。

表1 淺層地溫能和地熱對比匯總Tab.1 Comparison of shallow geothermal energy and geothermal energy

3 資源賦存條件評價

地熱勘查的根本目的是圈定地熱異常區(qū)（朱家玲，2006）。淺層地溫能是低品位熱源，同時受到季節(jié)和可再生周期限制，開采強度有一定限制。因而為了確保淺層地溫能合理開發(fā)利用，必須開展資源勘查評價，它是資源合理和安全利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有先決作用。淺層地溫能資源評價是新興資源的評價工作，目前還沒有勘查評價的通行做法和固定程式可以參考。

淺層地溫能資源賦存條件評價雖然沿用了部分傳統(tǒng)地熱地質(zhì)調(diào)查方法，但資源賦存地質(zhì)條件評價的目的和任務發(fā)生了根本變化，對不同因素的評價目的和方法也不盡相同。對基礎(chǔ)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件中的巖石、構(gòu)造、水文地質(zhì)參數(shù)可采用多項地質(zhì)調(diào)查研究方法開展實地調(diào)查評價，對淺層地溫場特征則需采用實地調(diào)查、鉆探、取樣并測試巖石熱導率、測定地層綜合傳熱系數(shù)等方法進行評價。

地溫場調(diào)查評價是對一個區(qū)域內(nèi)地溫場特征的形象描述，其在淺部地溫資源和深部地熱資源評價與預測均有重要作用。資源評價工作的主要方法有實地調(diào)查、鉆探和室內(nèi)外試驗測試等，雖然如此，地熱與淺層地溫能資源在具體評價工作中仍存在較多不同。第一，地熱鉆探手段是查明資源分布的最常用、最直接手段。地熱鉆井成功后進行產(chǎn)能測試以確定熱流體及熱儲的物理參數(shù)和產(chǎn)量等。而淺層地溫能鉆孔結(jié)束后需通過測試設(shè)備對地下巖土開展熱響應測試，獲得單孔換熱量、地層綜合傳熱系數(shù)、平均導熱系數(shù)等參數(shù)，確定地埋管換熱器延米換熱能力。地下水熱泵項目需在鉆完井后開展抽水回灌試驗，分析回灌井影響半徑，確定合理灌采比及回灌溫度。第二，在室內(nèi)測試方面，地熱流體、巖土分析包括化學成分（含同位素）及物理性質(zhì)分析。從水化學及巖石的細微差異變化中，確定地熱異常區(qū)，為地熱地質(zhì)條件分析、資源評價與開發(fā)利用提供依據(jù)。淺層地溫能室內(nèi)相關(guān)測試包括對巖土樣品開展熱物性測試和土工試驗，同時還需開展淺層地溫能開發(fā)利用中的水質(zhì)變化分析，確定地層導熱和儲熱性能和開發(fā)利用中的地質(zhì)環(huán)境影響，分析其可開采強度特征。

4 資源潛力評價

資源潛力評價是對確定地區(qū)的資源量評估，它建立在資源賦存規(guī)律調(diào)查和一定模式下資源量的計算基礎(chǔ)之上（圖1）。地熱資源/儲量計算應以已有地熱地質(zhì)勘查資料為依據(jù)，在綜合分析地質(zhì)、地溫場、地熱流體和熱儲構(gòu)造基礎(chǔ)上，建立地熱系統(tǒng)概念模型，計算地熱資源/儲量及可開采量。資源量/儲量計算方法依據(jù)不同地熱地質(zhì)條件及地熱田勘查研究程度進行選擇。一般采用熱儲體積法開展地熱資源計算。熱儲體積法把地熱能和一般固體礦產(chǎn)資源相等同，基本上視為不可再生資源，是一種靜儲量計算方法。依據(jù)資源量計算結(jié)果，開展地熱開采適宜區(qū)劃分，根據(jù)資源分布及開采的經(jīng)濟性，可分為地熱開采適宜區(qū)、地熱開采較適宜區(qū)和地熱開采不適宜區(qū)。

圖1 地熱資源勘查評價過程簡圖Fig.1 Geothermal resource exploration and evaluation process

淺層地溫能資源的計算實際是對地球淺表熱量調(diào)蓄能力的評價，資源潛力則是單位面積淺層地溫能可采取熱量的供暖/制冷面積（王貴玲，2006）。根據(jù)資源評價目的不同，淺層地溫能勘查分為淺層地溫能區(qū)域調(diào)查和場地勘查，其中區(qū)域淺層地溫能勘查評價簡要過程如圖2所示。對比圖1和圖2資源勘查評價過程可以發(fā)現(xiàn)，淺層地溫能資源評價與傳統(tǒng)地熱評價過程不一致，開發(fā)利用適宜區(qū)劃分的順序恰恰相反。資源賦存條件是分區(qū)的前提條件，在確定開發(fā)利用方式后才能進一步選擇合理的評價方法。需要注意的是在資源條件滿足時，某些區(qū)域可既適宜地下水地源熱泵又適宜地埋管地源熱泵的建設(shè)。近年來，研究中還加入了再生水熱泵系統(tǒng)，一般依再生水廠建設(shè)。

淺層地溫能資源熱容量是地表以下一定深度范圍內(nèi)的巖土體和地下水中每度溫差所蘊藏的熱量，與傳統(tǒng)地熱資源量一樣，常用靜態(tài)方法如熱儲法開展計算。資源潛力計算方法是目前仍在探索和需要不斷創(chuàng)新和擴充的方法，已有計算方法和計算過程可參見相關(guān)文獻（衛(wèi)萬順等，2010）。再生水熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)可利用資源量則受可利用溫差、輸送能耗和輸送成本的影響，根據(jù)污水處理廠日最低流量的小時平均值確定資源量。

圖2 區(qū)域淺層地溫能資源調(diào)查評價過程簡圖Fig.2 Regional shallow geothermal resource exploration and evaluation process

淺層地溫能調(diào)查中第四系結(jié)構(gòu)特征調(diào)查和恒溫帶深度和溫度的確定是區(qū)別于地熱勘查的兩項重要內(nèi)容。具體表現(xiàn)在三個方面：第一，傳統(tǒng)地熱和淺層地溫能目的研究層不同，淺層地溫能關(guān)注第四系，而地熱關(guān)注儲層以及蓋層地層情況，不止包括第四系，研究深度和層位更廣。第二，地熱流體和熱儲賦存于恒溫層以下的變溫層中，恒溫層能夠預測深部地溫場，指導地熱資源勘探。恒溫層溫度是淺層地溫場的重要指標，基本表征淺層地溫能能夠開發(fā)利用的溫度范圍，恒溫層深度是淺層地溫能開采深度和經(jīng)濟性的指標。第三，地熱和淺層地溫能的熱源不同，地熱較多關(guān)注地熱流體，熱流體不僅有地下熱水，還包括地熱氣體和載熱蒸汽等，淺層地溫能關(guān)注地層結(jié)構(gòu)和含水層分布等靜態(tài)特征，也研究水質(zhì)、水量及其開發(fā)利用動態(tài)變化。

5 結(jié)論

（1）淺層地溫能賦存條件不僅受地質(zhì)條件影響，還受自然因素制約，其資源分布規(guī)律與地溫場密切相關(guān)，無固定形態(tài)。淺層地溫能形成因素具有特殊性，是一種特殊的“地熱”。

（2）淺層地溫能資源評價方法沿用了部分傳統(tǒng)地熱地質(zhì)調(diào)查方法，但調(diào)查目的和調(diào)查任務發(fā)生了根本變化，仍需不斷創(chuàng)新、擴充新的方法，以完善淺層地溫能資源評價體系。