郑州市浅层地热能开发利用研究

呈吸热状态，冬季呈散热状态。地壳浅部的温度场，从地表向下可分为三带：变温带（外热带）、
恒温带（中性带）和增温带（内热带）。 据有关资料估算，以传导方式来自地球内部，而后通过其表面散发到太空中的总热量为
２．４５Ｘ
１０∞卡／年，而地球表面接受太阳辐射的总能量为５．６×１０２３卡／年。因此地壳最表层
的温度场，主要是受太阳辐射的影响而发生日变化、月变化、年变化和多年变化，故变温带 可分为日变温带、月变温带、年变温带，多年变温带。 地下某一深度，地球内热与太阳辐射热相互达到平衡时，这个带就是恒温带，其受太阳 辐射热的影响逐渐减弱，温度相对保持恒定，地温变幅接近零。郑州市多年平均气温１４＂Ｃ， 年恒温带深度２０－－一２５ｍ，年恒温带温度１６℃左右。 增温带的温度场，主要受制于地球内热，随深度增加，地温增高。郑州市位于荥巩复背 斜东段倾覆端的北翼斜坡带，受Ｎｗ向和近Ｅｗ向正断层影响，基岩面自西南向东北呈阶梯状 下降，新生界厚度增加，由西南郊的５００ｍ到东北郊的１６００ｍ左右。基岩面之下为巨厚的中 生界和上古生界碎屑岩沉积，而基岩面之上为新生界碎屑岩及松散层堆积，这种阶梯状构造 格局对地温的分布有一定的影响。大量资料表明，地壳浅部地温分布与基岩面的起伏呈正相 关的关系，正向构造的地温高，地温梯度大；负 向构造的地温低，地温梯度小。在构造形态大致 相同的情况下，由于高的或较高热导率的岩层之 上覆盖着不同厚度低热导率的新生界盖层地壳 浅部地温和地温梯度也有相当大的差异（中国科 学院地质研究所地热室，１９８１）。由于郑州地区 松散层之下基岩均为三叠系砂页岩，其热导率高 于上覆松散层，因此，郑州市松散层中相同深度 地温和地温增温率西郊高于东郊。如东北郊黄庄 一带２００ｍ以上的地温增温率只有１～２℃／１００ｍ （图１），而西郊的地温增温率为２＂－－３℃／ｌＯＯｍ。 西南部三李一带地温较高，属地热异常区，浅层 地下水温度达３０＂－－４０℃。
东北及东、东南方向径流，水力坡度０．９‰～６．９％０。水位降落漏斗区，水力坡度８‰－－２２．２‰。
地下水的排泄主要为人工开采。
中深层地下水的水化学类型主要为重碳酸钙型和重碳酸钙镁型水。矿化度５００ ７００ｍｇ／ｌ，总硬度１５０～３００ｍｇ／ｌ。
３地温场特征 ３．１年恒温带的深度、温度及地温增温率
地球是一个庞大的热库，其散热和吸热之间的平衡关系，决定了地壳浅部的温度场，夏季
地貌上属塬前冲洪积平原区，ｌＯＯｍ以上含水层为上更新统、中更新统及下更新统上部
的砂层，富水性较强，单井出水量１０００－－－，２０００ｍ３／ｄ，地下水水温１７～１８。Ｃ。浅层水水位埋 深ｌＯ～３０ｍ，中深层水水头埋深３０～６０ｍ。由于生产井密集，且长期大量集中开采，已形成 地下水降落漏斗。近几年，由于采取封闭自备井措施，地下水位得到较大幅度回升，已出现 部分人防工程充水。 空调井一般采用“一采两回”或“两采三回＂的布井方案，井间距２０～３０ｍ。空调井施 工中，宜采用泥浆回转钻进，地下水浅埋区可采用泵吸反循环钻进，填砾厚度不得小于７５ｍｍ， 滤水管可采用缠丝管或桥式管，彻底洗井。棉纺区为地下水降落漏斗中心，水位埋深较大， 且多年来一直采用冬灌夏用方法利用浅层地温资源，积累的经验可供借鉴。
４５－５５ｍ，局部大于６０ｍ，含水层岩性以细砂、中细砂、中粗砂、粉细砂为主，厚度一般２０～ ４５ｍ。水力性质属潜水或微承压水，市区范围内单井出水量１０００～３０００ｍ３／ｄ，水位埋深１０～ ３０ｍ，易于开采。 降水入渗是浅层地下水的主要补给来源之一，其补给量一般东部大于西部，平原区大于 台塬区，市郊大于城区。另外，地下水补给源还有黄河的侧渗补给、灌溉回渗补给、渠系入 渗补给、地下水侧向径流补给等。地下水总体流向由西、西南向东及东北径流。西部、西南 部水力坡度４‰一８‰之间，径流条件好：市区以东，地下水自北西向南东径流，水力坡度 Ｏ．５‰，径流条件稍差。在郑州市区浅层水已形成降落漏斗，漏斗区内地下水从四周向中心 径流。浅层地下水的排泄，主要有开采排泄、蒸发排泄、越流排泄和径流排泄等形式。 浅层地下水的水化学类型主要为重碳酸钙镁型和重碳酸钙型水，矿化度一般０．４ｌ～ １．ＯＯｇ／１，ＰＨ值７．４５～８．２２，总硬度２３０．６＂－－＇６３０．６ｍｇ／１，属低矿化弱碱性淡水。
４．１．２东市区
地貌上属冲积平原区，ｌＯＯｍ以上含水层为全新统、上更新统及中更新统的细砂及中细
砂层。浅层地下水水位埋深３～２０ｍ，单井出水量１０００～２０００ｍ３／ｄ；中深层水水头埋深３０～
７０ｍ，单井出水量１０００－－－３０００ｍ３／ｄ。东南部生产井密集，且长期大量集中开采，已成为郑州 市地下水降落漏斗的中心。近几年，由于限采地下水，浅层及中深层地下水水位回升。
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３．２浅层地温场特征
这里所指的浅层地温场为１５０～２００ｍ以上 松散层地温的综合反映，用浅层地下水和中深层 地下水上段混合水的温度来表征。郑州市城区及附近，除棉纺区受冬季灌水影响地温较低外， 其它地区浅层地温场的温度变化较小。地下水水温，西郊１７－－一２０＂Ｃ，东郊１６～１８。Ｃ，其变
郑州市浅层地热能开发利用研究
闰震鹏刘新号 田良河
河南省地质调查院
浅层地热能是一种环保、清洁、可循环利用的可再生能源。开发利用浅层地热能，不仅 能改善人居环境，而且还使地下水资源得到有效利用而不浪费。地热能的开发利用是随着人 们环境保护意识的日益提高，节能意识的导入而快速发展起来的新兴产业。
１浅层地热能开发利用概况
图１井中测温曲线图
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化主要与覆盖层的厚度及地温梯度有关。
４浅层地热能开发利用区划
根据郑州市城市地下水资源及浅层地热能资源开发利用现状，将城市建成区内的浅层地
热能资源开发利用划分两个大区四个亚区。
４．１城市中心区
位于三环以内，面积约８０ｋｉｎ２。以京广铁路为界划分为东、西两个亚区。
４．１．１西市区
５浅层地热能开发利用前景
郑州市浅层水文地质条件良好，地下水水温、水质均十分适合浅层地热能的开发应用， 为水源热泵技术及地温中央空调的发展提供了有利的自然条件。地能中央空调系统可一机多 用，既可冬季取暖，又可夏季制冷，同时可提供生活热水，降低了设备的前期投资费用，满 足了社会文明发展和人们对高品位生活质量的需求，同时比现有集中供热系统节能５０％， 比安装分户计量后的集中供热系统仍可节能２０％以上，节能效果显著；其无污染、环保、 节能的优势，符合国家对能源开发和节约并举的基本国策，符合国家对环保及美化环境的要 求，既提高了城市品位和市民的生活品质，同时又将产生很好的经济效益和环境效益。 地能空调系统相对于燃煤、燃油、燃气空调系统而言不使用燃料，无“三废污染”、体 积小、噪音小，对环境影响小，且不消耗大量地下水资源，空调设备可以安装在地下室，不 占用地表空间。该系统绿色环保，且运行成本较低。 浅层地热能是一种具有环保、清洁、可循环利用的可再生能源。郑州市开发利用浅层地 热能，不仅能改善人居环境，而且还使浅层地下水资源得到有效利用而不浪费。浅层地热能 的利用是随着人们环境保护意识的日益提高，有形能源的日益枯竭，节能意识的导入而快速
钻进，填砾厚度不小于７５ｍｍ，滤水管可采用缠丝管或桥式管，彻底洗井。
４．２．２郑东新区、经济技术开发区和桥南新区
地貌上属黄河冲积平原区，８０ｍ以上含水层为全新统、上更新统及中更新统上部的细砂 及中细砂层，地下水水温１５～１６℃。浅层地下水水位埋深２～ｌＯｍ，单井出水量１０００～ ３０００ｍ３／ｄ；中深层水水头埋深ｌＯ－＇－＇３０ｍ，单井出水量１０００，－－，３０００ｍ３／ｄ。 本区位于市区地下水降落漏斗的边缘和外围，空调井井深以６０～８０ｍ为宜，单井合理开 采量５０＂－－－６０ｍ３／ｈ，单井回灌量２０，－－，３０ｍ３／ｈ。空调井可采用“一采两回”的布井方案，井间 距２０～３０ｍ。空调井施工中，宜采用大孔径泵吸反循环钻进或泥浆回转钻进，孔径一般不小 于６００ｍｍ，填砾厚度不小于１５０ｒａｍ，滤水管可采用缠丝管或桥式管，彻底洗井。
位于三环以外的城市建成区和规划区。主要包括高新区、桥南新区、郑东新区和经济技
术开发区，面积约２３０ｋｍ２。
４．２．１高新区
地貌上属塬前冲洪积平原区，ｌＯＯｍ以上含水层为上更新统、中更新统砂层。浅层水位
埋深ｌＯ＇－－，２０ｍ，富水性较强，单井出水量１０００～２０００ｍ３／ｄ；中深层水水头埋深３０－－＇４０ｍ，单 井出水量１０００＂－，３０００ｍＶｄ。 空调井井深以８０＂－，１００ｍ为宜，开采量４０～５０ｍ３／ｈ，水温１６。Ｃ左右。空调井一般采用“一 采两回”的布井方案，井间距２０一－，３０ｍ。空调井施工中，宜采用泥浆回转钻进或泵吸反循环
（２）受水文地质条件和回灌井施工、成井工艺的影响，存在严重的回灌困难、井管淤塞
等问题，造成水资源浪费，严重制约郑州市浅层地热能资源的开发利用。
２水文地质条件
郑州市地下水主要赋存于第四系及新近系松散沉积物中。具有含水层分布广，厚度大， 补给、径流条件优越，水量丰富，易于开采等特点。根据地下水的埋藏条件、水理性质、含 水层的组合特征及开采条件等，将地下水划分为浅层地下水、中深层地下水、深层地下水、 超深层地下水。而浅层地热能利用的是浅层水和中深层水。 ２．１浅层地下水 浅层含水层组主要由第四系全新统和上更新统冲积物组成，埋藏浅，底板埋深一般在
浅层地热能，是指地表以下２５０ｍ以内的土壤、砂石和地下水中所蕴藏的低温可再生能 源，其能量主要来源于地球内部的热源体和太阳辐射，是地球内部地热能和地表太阳辐射能 共同作用的结果。浅层地热能是一种低温热能，尤其适用于住宅和办公楼房以及其他公共场 所的供热和制冷。较之深层地热，浅层地热能分布广泛，储量巨大，再生迅速，采集方便， 投资和风险较少，开发利用价值非常大。 浅层地热能的研究与开发利用是随着热泵技术的研究与开发而兴起的。目前，在我国利 用较多的主要是地下水源热泵，就是以地下水作为冷、热源体，水源热泵系统只是通过与地 下水的热交换来完成制冷或制热的效果，利用巨大的浅层地热储存资源为地能空调设备储 存、传递能量。在冬季利用热泵将水中的热量释放出来向建筑物供暖，水温降低后回灌入地 下；在夏季利用热泵将空气中的热量吸收，室温降低，使水温升高后又回灌入地下，实现地 下水资源量的等量抽、灌。 目前浅层地热能中央空调系统在全国推广达２０００万ｍ２。应用范围包括宾馆、住宅、商 场、写字楼、学校、体育场馆、医院、展览馆、军队营房、别墅、厂房等。在人们日益关注