3.2　浅层地热能资源调查评价实例

本节以上海市浅层地热能调查评价工作为例，具体介绍浅层地热能区域调查评价工作。

为实现国家节能减排目标，落实原国土资源部的有关文件精神，推进浅层地温能的开发利用工作，根据《国土资源部关于大力推进浅层地热能开发利用的通知》（国土资发〔2008〕249号）的精神，原上海市规划和国土资源管理局结合上海市实际情况，组织上海市地矿工程勘察院于2014年3月完成“上海市浅层地温能调查评价”项目。本次调查评价在充分收集利用已有地质、水文气象、城市规划等相关资料的基础上，通过野外调查、钻探、现场测试、室内测试等手段对调查区浅层地温能赋存条件进行了调查，在取得实测数据的基础上对调查区浅层地热能开发利用的适宜性、浅层地热容量、可开发利用资源量进行了研究和评价，取得的主要成果如下。

（1）通过野外钻探取得了调查区200m以浅的地层资料，丰富了调查区地质勘查研究成果，提高了调查区的地质勘查研究精度。

（2）首次通过取土室内试验和现场热响应试验方法取得地层热物性参数，基本查明了调查区岩土体热物性特征。

（3）通过对现场地温测试以及跟踪监测，首次取得调查深度内地温数据，查明了地温场特征及浅部地温动态。

（4）通过开展1∶50000水文地质补充调查，进一步查明了200m以浅的含水层结构及水文地质特性。

（5）依据取得的全区地层、原始地温、地层热物性参数等资料，建立了地埋管换热方式浅层地热能开发利用适宜性分区指标体系，并首次采用由模糊综合评价法、灰色综合评价法、模糊逼近理想点及RSR分类法、改进的逼近理想点法四种方法，引入组合评价思想，基于所使用的四种方法的分类评价结果，建立单一评价结果集成的最优组合评价模型，进行了浅层地热能开发利用适宜性分区，并得到理想的分区结果。

（6）在充分研究上海市地质、水文地质勘查和地下水人工回灌资料，地质环境监测资料，地面沉积资料的基础上，以水文地质条件为基础，地面沉降控制为约束条件，对地下水换热方式浅层地热能的开发利用进行了适宜性分区，其结果对未来浅层地热能的开发利用具有参考价值。

（7）依据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225—2009）和中国地质调查局《全国重点城市浅层地温能调查评价及编图技术要求》，首次在开发利用适宜性分区的基础上，对区域浅层地热容量，考虑土地利用系数条件下地埋管换热方式单孔换热功率、区域换热功率、开发利用潜力、可应用的建筑面积，地下水换热方式单井换热功率、区域换热功率和开发利用资源潜力等进行全面系统的评价，并得出可靠的评价结果。

（8）首次通过对勘查设计单位、地源热泵工程安装施工企业、热泵系统供应商等关联机构的走访调查，取得了较为丰富的地源热泵工程应用现状资料，并根据取得的调查资料，对上海地区浅层地热能开发利用现状、特点、存在的主要问题及开发利用前景进行了分析，为浅层地热能的开发利用管理提供了依据。

（9）上海是土地资源稀缺的城市之一，土地开发利用程度高。为充分利用浅层地热能资源，本项目依据取得的浅层地热能调查数据和工程监测成果，开展了地埋管换热器适宜埋管深度研究，并得出了明确结论。该项研究对上海市浅层地热能资源的合理开发利用来说具有重要意义。

（10）上海市是地下水资源丰富的地区，具有较复杂的水文地质结构，浅层地热能开发利用深度内不同含水层的水动力条件、水质特征差异显著。因此，地埋管回填料除应满足导热性要求外，还应满足抗渗性要求，而这方面的研究工作还很薄弱。本项目针对上海市地质、水文地质条件，开展了回填料试验研究工作，并得到翔实、可靠的试验数据和结论，该项研究成果为浅层地热能建筑应用系统工程设计和施工、浅层地热能的开发利用管理提供了依据。

（11）依托地源热泵工程建立跟踪监测场，对地温场、热泵系统运行参数进行跟踪监测，对换热区地温场变化特征进行研究，并依据取得的原始地温、地层及热物性参数、地源热泵系统运行参数、地温场监测资料建立换热区三维传热模型，进行冷热负荷不平衡条件下热影响程度、影响范围的研究，取得若干重要认识，为浅层地热能建筑应用系统设计、运行管理、工程建设管理提供了技术支撑。

此外，开展了地温恢复规律分析、常规物理性质指标与热物性参数关系研究等分析研究工作，研究工作成果对上海市浅层地热能的合理开发利用有促进作用。

3.2.1　浅层地热能资源赋存条件

上海地区150m以浅地层受古气候周期性变化的影响，沉积旋回明显、周期多，根据岩性、分布规律、成因和热物性特征，将地层划分为13层和分属于各层的亚层。

分布于西南部150m以浅深度内的火山碎屑岩富水性极弱，一般小于10m ² /d，不具有开发利用价值。150m以浅第四纪松散沉积物中分布有潜水含水层、微承压含水层（组）和第一、第二、第三承压含水层。微承压含水层为全新世早期（Qh ₁ ）溺谷相沉积物；呈透镜体状，零星分布于局部地段，无开发利用价值，故以下仅对潜水、第一至第三承压含水层的水文地质条件进行阐述 ^[2] 。

1.含水层分布

（1）潜水含水层为全新世中晚期（Qh _2-3 ）滨海相沉积，含水层岩性结构类型较为复杂，岩性一般由黏性土、砂质粉土、粉砂等组成；根据含水层岩性的组成一般可将潜水含水层概化成两种结构类型；一种为上部是黏性土，下部以砂质粉土、粉砂为主，有一定厚度的砂层（粉细砂夹砂质粉土）分布；另一种为以单一黏性土为介质，基本无成层的砂质粉土、粉砂层分布。

（2）微承压含水层为全新世早期（Qh ₁ ）溺谷相沉积物；呈透镜体状，零星分布于古河道分布区；浦东新区长江沿线外高桥、三甲港、浦东国际机场等区域零星分布，层顶标高为-30～-20m，局部为-40～-30m，厚度为5～15m；宝山区浏河、宝钢等地零星分布，层顶标高为-30～-20m，厚度为5～15m；市中心城区徐汇漕河泾、上海南站、滨江、浦东沿黄浦江后滩、三林、浦江等地区分布，层顶标高为-30～-10m，厚度一般为10～15m，局部为5～10m。微承压含水层岩性以砂质粉土为主，局部为粉砂。

（3）第一承压含水层。为晚更新世晚期（ ）滨海—潟湖相沉积；除西部、西南部基岩残丘及浅埋区外，沿现代长江河口岛屿（崇明岛、长兴岛、横沙岛），宝山区沿江地带，浦东新区高桥沿江地带，嘉定区外港—黄渡地区以及青浦区朱家角—莲塘—金泽等地区缺失外，其他地区普遍分布；中心城区南部普陀—静安—黄浦—徐汇、曹路—金桥—陆家嘴所在地区、奉贤区、松江城区东南侧—叶榭地区、浦东新区泥城—新场—航头—六灶—祝桥地区等与下部第二含水层呈沟通。

（4）第二承压含水层。为更新世早期（ ）河口—滨海相沉积；除西部、西南部基岩残丘及浅埋区外，其他地区普遍有分布；中心城区南部普陀—静安—黄浦—徐汇、曹路—金桥—陆家嘴所在地区、奉贤区、松江城区东南侧—叶榭地区、浦东新区泥城—新场—航头—六灶—祝桥地区等与上部第一含水层呈沟通，宝山月浦、中心城区大柏树—江湾地区、浦东新区三林—康桥以北、临港芦潮港、奉贤城区西南侧—星火农场一带、青浦赵屯—重固等地区与下部第三含水层呈沟通。

（5）第三承压含水层。为中更新世早期（ ）河口—滨海相沉积；除西部、西南部基岩残丘及浅埋区外，其他地区普遍有分布；宝山区月浦、中心城区大柏树—江湾地区、浦东新区三林—康桥以北、临港芦潮港、奉贤城区西南侧—星火农场一带、青浦赵屯—重固等地区与上部第二含水层呈沟通。

2.含水层富水性

上海地区含水层的富水性一般与含水层岩性、含水层厚度、含水层渗透系数有较大的关系；含水层富水性一般采用即定水位降深及井径（上海地区采用井径254mm、水位下降值5m）时单井涌水量（m ³ /d）来表征，可分为极弱富水性（＜100m ³ /d）、弱富水性（100～1000m ³ /d）、中等富水性（1000～3000m ³ /d）、较强富水性（3000～5000m ³ /d）、强富水性（＞5000m ³ /d）五个等级。

对于潜水含水层、微承压含水层岩性主要为黏性土及粉土，单井涌水量均小于10m ³ /d，为极弱富水性。对于第一承压含水层，岩性主要以砂质粉土及粉砂、细砂为主，除与第二承压含水层沟通区外，单井涌水量一般小于1000m ³ /d，弱富水性；沟通区单井涌水量一般为1000～3000m ³ /d，局部大于3000m ³ /d，中等至较强富水性。对于第二承压含水层岩性主要以细砂和含砾中、粗砂为主，富水性普遍较好，因岩性的颗粒组成有明显的不均匀性，导致其富水性有一定的差异；陆域除西部、西南部基岩残丘及浅埋区含水层较薄且岩性为细砂为主地区富水性极弱至弱，单井涌水量小于1000m ³ /d，其他大部分地段为中等至较强富水性；西部青浦朱家角—赵巷—松江泗泾—叶榭—金山亭林—漕泾—奉贤星火农场沿线、北部嘉定南翔，宝山刘行，市中心城区，浦东新区三林、北蔡、川沙、朱桥等地区富水性中等，单井用水量为1000～3000m ³ /d；嘉定安亭、华漕、华亭地区，宝山罗店、月浦地区，青浦城区、华新等地区，闵行莘庄地区、马桥、吴泾地区，奉贤区金汇、南桥，浦东新区周浦、新场、南汇、大团、书院东海农场等地区富水性较强，单井用水量为3000～5000m ³ /d；局部地段如奉贤区奉城—临港芦潮港地区以及青浦赵屯、嘉定徐行、宝山浏河等地区富水性强，单井涌水量大于5000m ³ /d。岛屿崇明岛北侧的新海农场—长征农场—东风农场—沿港镇一线以北地区、长兴岛南侧、横沙岛南侧等地区富水性中等，单井涌水量为1000～3000m ³ /d；崇明岛中部以及东滩地区、长兴岛北侧、横沙岛北侧等地区富水性较强，单井用水量为3000～5000m ³ /d；局部如崇明岛绿华镇—三星镇—南门等地区富水性强，单井涌水量大于5000m ³ /d。

对于第三承压含水层因含水层分布、厚度、岩性的影响，其富水性总体比第二承压含水层富水弱；陆域除西部松江佘山地区，西南部金山张堰、金山卫，奉贤海湾以及闵行七宝地区因基岩残丘或浅埋、层厚较薄地区富水性极弱至弱，单井涌水量小于1000m ³ /d；东部的宝山区宝钢、吴淞地区，中心城区杨浦区，浦东新区高桥、合庆、川沙地区，西部青浦赵屯地区，南部奉贤庄行、临港新城大团等地区为较强富水性，单井用水量为3000～5000m ³ /d；局部如临港新城芦潮港地区为强富水性，单井用水量大于5000m ³ /d；其他地区均为中等富水性，单井用水量为1000～3000m ³ /d。岛域崇明岛中部富水性较好，长江农场—港西镇—江口镇一线以及堡镇地区富水性较强，单井用水量为3000～5000m ³ /d；局部地段如崇明岛北侧的跃进农场、绿化镇等地区富水性强，单井用水量大于5000m ³ /d；崇明岛东滩地区、横沙岛以及长兴岛的东北侧等地区富水性弱，单井用水量为100～1000m ³ /d；崇明岛港沿镇、向化镇以及长兴到西侧等地区富水性中等，单井用水量为1000～3000m ³ /d。

3.地温场特征

浅层地温场的垂向分布特征受当地气候、地层结构、地层岩性、水文地质条件、第四纪覆盖层厚度、地质构造等多方面因素影响。通常可分为变温带、恒温带、增温带。调查孔测温曲线显示，不同区域变温带深度由于受浅部土层岩性等因素的影响略有差异，其底界在9.0～17.0m，平均值为13.3m。

变温带以下地温恒定，不受气温影响，为恒温带。恒温带以下地温随着深度的增加而增加，为增温带，如图3-5所示。

4.岩土热物性特征

上海地区第四系150m以浅平均导热系数为1.547～1.925W/（m·℃），东部和中部的导热性能较好，西南部（青浦区西南部、闵行区西部、金山区）的导热性能相对较差。上海地区第四系150m以浅平均比热容为1223～1433J/（kg·K），平均体积比热容为2378～2793kJ/（m ³ ·K），东部和中部的导热性能较低，西南部（青浦区西南部、闵行区西部、金山区）的导热性能相对较好。

5.地层热响应特征

150m换热孔的综合导热系数为1.762～2.160W/（m·℃），100m换热孔的综合导热系数为1.724～1.911W/（m·℃）；综合导热系数分布规律基本与含砂率分布规律一致。综合导热系数随着含砂率的增加而增大，当含砂率小于20%时，综合导热系数通常小于1.80W/（m·℃）；当含砂率大于50%时，综合导热系数通常大于1.950W/（m·℃）。

3.2.2　浅层地热能开发利用适宜性分区

1.地埋管地源热泵系统适宜性分区

上海市地处长江三角洲前缘，地域面积小，土地开发利用程度高，大部分地区200m以浅深度内为第四系松散沉积物，地表土层较为松散，潜水水位埋藏浅。浅部土层地温监测结果表明，5m以浅地温受气温影响波动较大，水平地埋管地源热泵系统换热效率较差。同时，由于浅部土层松散，潜水水位埋藏浅，水平地埋管施工开挖超过一定深度时，须采取相应的围护措施，增加了施工难度和工程成本。因此，从调查区土地资源状况、水平地埋管地源热泵系统的实际使用效果以及埋管施工成本和难易程度分析，水平埋管换热方式不适合于上海地区应用，故本次适宜性分区仅针对竖直地埋管换热方式。

分区方法依据《全国重点城市浅层地温能调查评价及编图技术要求》，综合考虑岩土体特性、地层的换热能力、地下水的分布和渗流、地下空间利用、经济成本等因素进行分区，见表3-4。

根据调查区200m深度内地质条件，结合不同地层地埋管地源热泵系统建设成本分析，采用指标法进行适宜性分区。

适宜区：总面积达6632.59km ² ，占上海市总面积的99.3%。

较适宜区：分布面积约为46.19km ² ，主要分布于青浦区中部淀山湖附近、松江区西北部、金山区南部、奉贤区中部。

不适宜区：分布面积约为1.82km ² ，主要分布于青浦区中部的淀山区域，松江区西北部（凤凰山、薛山、东佘山、西佘山、天马山、小昆山），金山区南部小部分区域。

2.地下水地源热泵系统适宜性分区

分区评价指标的选取主要从地质、水文地质指标和地质环境问题评价指标两个方面进行考虑。评价体系分为两级，如图3-6所示。第一级评价体系考虑地下水换热方式浅层地热能资源的赋存条件，即地质、水文地质方面；第二级评价体系主要考虑地面沉降地质环境问题制约因素与第一级评价体系的结果进行叠加后进行综合判别，进行地下水地源热泵系统适宜性分区评价。

分区结果：

（1）潜在适宜区（Ⅰ）。对于第二承压含水层，该区总面积约为1268km ² ，主要分布在崇明岛南侧的绿华镇—庙镇—城桥镇—新开河镇—堡镇—向化镇—陈家镇沿线等沿江地段、嘉定区华亭镇以及安亭—黄渡沿线南侧、青浦区赵屯—重固沿线、奉贤区南桥—奉城—星火农场沿线。对于第三承压含水层，该区总面积约为395.3km ² ，主要分布在崇明岛新海农场—跃进农场—绿华镇以及城桥—新开河镇沿线、青浦区赵屯镇以及奉贤区新寺镇等地段。

（2）潜在较适宜区（Ⅱ）。对于第二承压含水层，该区分布较广，总面积约为3765.3km ² 。主要在崇明岛中部呈南北向分布地段，长兴岛以及横沙岛西侧地段，宝山区外环线以北地段，嘉定区大部分地段，青浦区赵巷—徐泾地段，松江区泗泾—叶榭沿线地段，金山东北部的朱泾—亭林—漕泾地段，浦东新区大部分地段，闵行区大部分地区分布。对于第三承压含水层，该区总面积约为3477.2km ² ；主要在崇明岛中部，宝山区外环线以北地段，嘉定区华亭—徐行沿线地段，浦东新区外环线以外地区以及原南汇区等地区分布。

（3）不适宜区（Ⅲ）。对于第二承压含水层，该区总面积约为1709.3km ² ；主要分布在市中心外环以内地区，西南区域的青浦区金泽—莲塘镇、松江区新桥—松江城区—石湖荡等地段、金山区张堰—廊下—金山卫镇等地段以及崇明岛北侧的红星农场等地段；对于第三承压含水层，该区总面积约为2870km ² ；主要分布在北部嘉定安亭、马陆等地段，崇明岛陈家镇、东滩地区以及长兴岛、横沙岛，市中心外环以内、闵行区大部分地段，西部的青浦、松江大部分地区，南部的廊下—张堰金山卫地段以及奉贤区金汇、奉城以及海湾镇等地段。

3.2.3　浅层地热能资源评价 ^[3]

根据《全国重点城市浅层地温能调查评价及编图技术要求》和《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T 0225—2009），本次调查资源评价的主要内容有：适宜区浅层岩土热容量、换热功率、资源潜力。

浅层地热能资源计算仅针对适宜区进行，在地下水地源热泵系统适宜性分区评价中，我们将地下水地源热泵系统的适宜区和较适宜区定义为“潜在”适宜区和“潜在”较适宜区，故地下水地源热泵的计算资源量为“潜在资源量”。

1.热容量评价

指浅层岩土体、地下水中储藏的单位温差热量。根据调查取得的岩土物理性质指标（密度）和热物性参数（比热容）计算调查评价区内150m以浅土体热容量。经计算，上海地区150m以浅的浅层土体单位温差热容量为2.43×10 ¹⁵ kJ/℃。

2.可采资源量分析

根据《全国重点城市浅层地温能调查评价及编图技术要求》有关规定，利用冬季和夏季的换热功率，在测算上海地区建筑物冷热负荷的基础上进行计算，采用单位面积可利用量的供暖和制冷面积来表示资源潜力，进而计算可供冬季供暖和夏季制冷面积，并进行开发利用潜力评价。

（1）地埋管换热系统资源开发利用潜力分析

根据分区计算结果，以夏季制冷资源开发利用潜力为基准，将地埋管换热方式资源开发利用潜力分为5个等级，综合分区评价结果见表3-5。

（2）地下水换热系统资源开发利用潜力分析

根据第二、第三承压含水层浅层地热能资源分区计算的结果，按照夏季工况资源开发利用潜力计算结果进行综合评价，将资源开发利用潜力分为三个等级区，评价结果见表3-6。

3.2.4　浅层地热能开发利用效益分析

1.经济效益分析

首先通过上海地区不同建筑类型全年累计冷热负荷的估算，计算出地源热泵系统与常规供暖、供冷方式的节能量和节能率，对应用单位面积为10000m ² 地源热泵系统的节能效益进行分析，最后根据浅层地热能开发利用潜力，设置不同的开采模式，对调查区浅层地热能开发利用的节能量进行分析评价。

（1）上海地区建筑全年累计冷热负荷计算

公共建筑和住宅建筑空调系统运行特征有较大差别，建筑全年累计冷热负荷计算方法不同，因而分别对其进行计算。

①公共建筑累计冷热负荷计算

根据上海地区不同类型建筑物空调冷热负荷指标和设计参数，依据《公共建筑节能设计标准》第5.4.7条所规定的各个负荷段所占的运行时间比例（表3-7），分别计算办公、学校、商业和宾馆四种公共建筑的夏季制冷季、冬季供暖季累计负荷 ^[4] 。

夏季制冷季累计冷负荷：

冬季供暖季累计热负荷：

式中， Q _c 为夏季制冷季单位空调面积累计冷负荷，kW·h； Q _h 为冬季供暖季单位空调面积累计热负荷，kW·h； q _c 为夏季制冷单位空调面积冷负荷指标，W/m ² ； q _h 为冬季制热单位空调面积热负荷指标，W/m ² ； T _c 为夏季制冷运行时间，h； T _h 为冬季制热运行时间，h。

②住宅建筑累计冷热负荷计算 ^[5]

住宅建筑的制冷和供暖属于居民的个体行为，个体之间差异较大，累计负荷参照《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》计算。住宅建筑夏季平均冷负荷指标取26.08W/m ² ，运行时间为6月15日至8月31日，每天运行24h；冬季平均热负荷指标取17.4W/m ² ，运行时间为12月1日至2月28日，每天运行24h。

③不同建筑类型累计冷热负荷计算结果

以10000m ² 空调面积为例，累计冷热负荷估算结果见表3-8。不同建筑类型的累计冷负荷差异较大，每万平方米为475700～2039040kW·h。其中办公建筑夏季每万平方米冷负荷为690300kW·h，冬季每万平方米热负荷为424800kW·h。

（2）浅层地热能开发利用节能量及经济效益估算

浅层地热能开发利用节能量估算的假设设计模式为：根据上海地区浅层地热能条件和负荷参数，以冬季供暖工况设计地下换热器，夏季采用辅助冷源进行调峰，使冬季向地下取热量与夏季向地下放热量基本平衡，采用浅层地热能冬季供暖可供面积进行节能量的估算；考虑到地埋管、地下水两者开采方式的相互影响，按照相关要求对于地埋管和地下水换热方式共同适宜区，采用2/3地埋管与1/3地下水可供面积之和的方式计算面积，分别设定开采的强度为10%、20%、40%、80%时对节能量进行估算，结果见表3-9和表3-10。

2.环境效益分析

浅层地热能开发利用的社会效益体现在环境效益方面，以下从二氧化碳减排量、二氧化硫减排量和粉尘减排量三个方面进行分析。

（1）二氧化碳减排量

式中， 为二氧化碳减排量，吨/年； Q _bm 为标准煤节约量，吨/年；2.47为标准煤的二氧化碳排放因子，量纲为1。

（2）二氧化硫减排量

式中， 为二氧化硫减排量，吨/年； Q _bm 为标准煤节约量，吨/年；0.02为标准煤的二氧化硫排放因子，量纲为1。

（3）粉尘减排量

式中， Q _FC 为粉尘减排量，吨/年； Q _bm 为标准煤节约量，吨/年；0.01为标准煤的粉尘排放因子，量纲为1。

二氧化碳减排量、二氧化硫减排量和粉尘减排量估算结果见表3-11。

3.2.5　信息系统

上海市地热能资源开发利用信息平台的建设，包括上海市政府管理应用服务、政府决策支持服务、专业应用研究服务和社会公众信息服务，提升了面向政府决策、政府管理、专业应用、公众服务的浅层地热能资源信息服务能力。

上海市浅层地热能资源调查评价获得数据全部纳入上海市地热能资源开发利用信息平台，实现地热资源调查、综合研究等数据的统一存储、管理和共享。通过信息平台，可对全市岩土体热物性参数、地层温度、适宜性分区、资源评价和潜力评价等资源条件空间分布情况进行展示，对资源调查过程中获取的钻孔信息、地层状况、土工试验、热响应和地温测试数据进行查询、统计与分析。实现地热资源调查、勘查、综合研究等数据的统一存储和管理，具有对地热资源基础空间数据、专业属性和空间数据的统一管理、上载、入库、维护、查询等功能。通过平台功能，还可实现利用资源普查的综合分析成果，如开发利用适宜性分区，资源储量、利用潜力等要素，进行新建项目的开发利用效益评估。 Mk6CPegLGBZW9zoklkmqhFN1a8BlDN+VORFJnS94XJKsSZOZxM7givJFD8G5NLS9