Conditions for the Occurrence and Development and Utilization Potential Evaluation of Shallow Geothermal Energy in Yinchuan City, Ningxia
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摘要:
扩大浅层地温能这种可再生绿色能源的开发利用规模，对中国的节能减排和可持续发展具有重要的意义。本次通过银川市浅层地温能资源调查，查明了宁夏银川市浅层地温能蕴藏条件。本研究利用Arcgis软件使用层次分析法对研究区进行地埋管地源热泵适宜性分区，并进行浅层地温能资源潜力评价。研究认为，研究区范围无地埋管地源热泵不适宜区，适宜区面积分布最广为1767 km2，占比为56.04 %；较适宜区面积为1386 km2，占比为43.96 %；研究区地埋管地源热泵开采潜力较大，夏季开发潜力为42.7万 m2/km2，冬季开发潜力为36.0万 m2/km2。根据研究成果提出研究区浅层地温能资源开采和规划意见，为后续制定开发利用方案提供思路与依据。
Abstract:Expanding the scale of development and utilization of shallow geothermal energy is of great significance for energy conservation, emission reduction and sustainable development in China. The investigation and evaluation of shallow geothermal energy in Yinchuan started late. In order to avoid blind exploitation of shallow geothermal energy, the occurrence conditions of shallow geothermal energy and the evaluation of development and utilization potential are important technical support. By identifying the occurrence conditions of shallow geothermal energy in Yinchuan, the suitability zoning of ground source heat pump with buried pipe in the study area was carried out by using analytic hierarchy process (AHP) and Arcgis software. Finally, the potential of shallow geothermal energy resources was evaluated. The results show that there is no unsuitable area for ground source heat pump with buried pipe in the study area, the most suitable area which is most widely distributed is 1767 km2, accounting for 56.04 %. The comparatively area is 1386 km2, accounting for 43.96 %. The development potential of ground source heat pump with buried pipes in the study area is huge, the development potential in summer is 42.7 million m2/km2, and the development potential in winter is 36.0 million m2/km2. Based on the research results, the development and utilization giving suggestions of shallow geothermal energy in the study area were given to provide ideas and basis for the subsequent development and utilization plan.
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据中国地震台网，北京时间2023年12月18日23时59分甘肃省临夏州积石山县（震中E 102.79°，N 35.70°）发生Ms 6.2级地震，最高烈度达9度，震源深度10 km。次主震过后该地相继发生了13次震级超过3.0级的余震。截至当月22日8时，造成甘肃省和青海省共计148人遇难、979人受伤和3人失联。
强震造成饱和砂土或粉土液化的现场并非罕见。例如，1920年海原8.5级地震（白铭学等，1990）、1964年阿拉斯加9.2级地震（Plafker，1969）、1976年唐山7.8级地震（刘恢先，1989）、1999年集集7.6级地震（Ku et al.，2004）、2008年汶川8.0级地震（袁晓铭等，2009；万飞鹏等，2023）均造成了大面积的砂土液化。然而，在里氏震级相对较小的积石山地震却引发了与振动液化有关的大规模次生灾害–泥流，瞬间引起各界人士的关注（王运生等，2023；徐岳仁等，2023；陈博等，2024；铁永波等，2024；李为乐等，2024；许强等，2024）。该泥流发生于距震中约9 km的官厅盆地，造成青海省海东市中川乡金田村和草滩村大面积房屋被埋，死亡人数高达34人，受伤198人，掩埋房屋65栋，破坏农田近200亩，阻断道路数千米，损毁1座高压输电塔（图1），受灾面积高达6×104 m2。研究团队于灾后第一时间采用无人机航测、现场取样与室内试验等手段，从泥流基本特征调查和液化层物理力学特性等方面探讨本次泥流灾害的形成过程与成因机制，为今后黄河上游同类型沉积盆地的震前泥流灾害风险调查评价及防治提供理论依据。
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图 1 积石山地震诱发中川乡泥流灾害特征a. 堆积区房屋掩埋；b. 堆积区村道堆积；c. 堆积区大范围堆积体；d. 形成区高压输电塔倾倒折断Figure 1. Characteristics of mud flow dizaster in Zhongchuan township induced by Jishishan earthquake1. 泥流灾害特征
1.1 基本特征
此次泥流发生在黄河河流阶地和山前洪积扇交汇处，地形北高南低。平面形态典型，可明显区分形成区、流通区和堆积区（图2）。泥流发生前，沟脑（形成区）主要是农田且相对平缓；沟道（流通区）为季节性流水，冬季仅中上游洼地存在少量积水（池塘），紧邻池塘南侧的村道将沟道分为上下两段，沟道狭长；沟口（堆积区）主要为下游金田村、草滩村及下部农田（图2a）。泥流发生后，形成区物源物质一方面沿沟道向南流动形成泥流主体，一方面向东滑动（滑向95°），形成滑坡堆积于东侧农田；流通区基本沿原有沟道流动，但存在明显的底部和侧向铲刮效应，并且在沟中部池塘附近发生淤堵扩离，部分泥流堆积于此；堆积区主要淹没位于沟口的金田村和草滩村部分道路及居民房屋，最远处达下游农田（图2b）。
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图 2 泥流发生前后遥感影像a. 震前影像，2020年12月天地图；b. 震后影像，2023年12月天地图Figure 2. Remote sensing images before and after the occurrence of mudflows经无人机测量，本次泥流后缘高程约为1800 m，前缘高程约为1716 m，相对高差为84 m，小流域总长度约为2800 m，纵坡降为30‰。冬季因无农作物生长，植被覆盖度低，仅沟内生长乔灌木和矮草。形成区（图3a）近似呈扇形，总面积约为13×104 m2，泥流发生后，局部最大下错深度为15 m，平均下错深度为4.5 m，物源方量约为58.5×104 m3，坡降比为50‰，形成区发育的小型低角度滑坡堆积体（图2b、图3b）方量约为5×104 m3。流通区（图3c）形态狭长，长度为1.2 km，平均宽度为40 m，坡降比为25‰，受源区泥流的冲击，流通区沟道两侧相对松散层也被卷入泥流之中，并出现3处明显的流向转变（图2b），流通区堆积体（图2b、图3d）方量约为1.84×104 m3。堆积区（图2b、图3e）平面形状近似呈“纺锤形”，坡降比为10‰，面积约为20万m2，最大厚度约为5 m，多处淹没屋顶（图1a），平均厚度为3 m，堆积区土方量约为60×104 m3。
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图 3 泥流典型无人机照片a. 形成区；b. 形成区滑坡；c. 流通区；d. 流通区堆积体；e. 堆积区Figure 3. Typical UAV photos of the mudflow根据滑坡崩塌泥石流灾害调查规范（1∶50000）（DZ/T 0261-2014）（中华人民共和国国土资源部，2014），泥流规模为特大型。走访调查发现，地震发生后约10 min，有居民看到泥流到达村上方农田，由此估算泥流的平均流速为2～3 m/s。
1.2 地层岩性
经现场调查，绘制沿沟道流向的剖面图（图4），由图可知，该地区主要出露岩性从上至下依次为耕植土、全新统（Q4pl）山前洪积物、全新统（Q4al）和上更新统（Q3al）河流冲积物及新近系泥岩（图4）。农田耕植土处于最上层，厚度为0～1 m，在泥流形成区分布广泛；山前洪积包含上下两层，上层为红黏土，厚度为1.5～2.0 m；下层为粉质黏土层，现场钻孔揭露其厚度不小于18 m，为此次泥流提供了主要的固体物源。调查结合官亭盆地河流阶地结构（张小虎等，2005），认为流通区和堆积区主要位于黄河二级阶地（T2）之上，形成区位于黄河三级阶地（T3）之上，二级阶地上部岩性主要为全新统（Q4al）水成黄土和卵石层，三级阶地上部岩性主要为上更新统（Q3al）水成黄土和卵石层，两个阶地下部岩性为新近系（N）泥岩。本次泥流的主要物源为位于三级阶地顶部的山前洪积层（下部黄色粉质黏土为主，夹带上层少量红黏土）。泥流所处的官亭盆地，在历史上曾发生过大规模地震诱发的灾难性事件，即4 000年前喇家遗址（夏正楷等，2003），与泥流仅相隔不到5 km，说明此处地层岩性特征易受地震影响，坡体稳定性对地震因素较为敏感。
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图 4 中川乡地震液化型黄土泥流剖面Figure 4. Seismic liquefaction type mudflow profile in Zhongchuan Township1.3 诱发因素
中川乡泥流与积石山Ms6.2级地震相隔仅数分钟，属同震次生灾害。积石山地震提供了震动来源，是该泥流的最直接诱发因素。调查发现，泥流形成区局部地下水位偏高，原因是降雪消融、农田冬灌造成了地下水补给增加，而低温冻结导致地下水向沟脑排泄通道受阻，即融雪和冬灌入渗、低温浅表层冻结是除地震之外的几大诱发因素。
2. 泥流液化层物理力学特性
泥流的固体物源位于黄河三级阶地之上，以振动液化的洪积饱和粉质黏土层为主，含少量上层红黏土（图5）。开展液化土层的粒径、塑性以及剪切参数测定，查清土质本身的物理力学性质，以为泥流形成机理分析提供数据基础。
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图 5 泥流形成区地层岩性及物源Figure 5. Stratigraphic lithology and material sources in mudflow formation areas2.1 液化层粒径特征
笔者分别在形成区、流通区和堆积区对液化土进行取样（图2b），编号分别为土样1、土样2、土样3，作为液化判别对照，在液化层上层红色粘土层中也进行取样（图5上层取样点），编号为土样4。采用Bettersize 3000激光粒度仪对上述4组土样进行粒组测定。测试结果见图6。
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图 6 泥流土样的粒径级配曲线a. 土样1；b. 土样2；c. 土样3；d. 土样4Figure 6. Particle size distribution curve of mud flow soil sample采用液、塑限联合测定仪测试液化层土壤的塑限和液限，得到塑限为19.24%、液限为30.48%，塑性指数为11.25。按照砂粒、粉粒、粘粒成分统计测试结果（表1）。根据岩土工程勘察规范（GB50021-2001）（中华人民共和国建设部，2001），结合土壤成因、颜色、粒径分布特征，进一步确定泥流形成区液化层（土样1）为粉质黏土，液化层上层红色土壤（土样4）为红黏土。特别需要注意，振动液化通常发生在饱和砂土或粉土层内，但粉粒含量高的粉质黏土同样存在发生液化的可能（辛鸿博等，2011；王兰民，2020）。
表 1 土样砂粒、粉粒和粘粒占比Table 1. The proportion of sand, silt, and clay particles in the soil sample土样编号 取样位置 砂粒含量
＞75 μm粉粒含量
5 ~75 μm粘粒含量
＜5 μm土样1 形成区液化土 7.90% 79.69% 12.41% 土样2 流通区液化土 9.35% 78.22% 12.43% 土样3 堆积区液化土 9.49% 77.98% 12.53% 土样4 形成区上层红色黏土 14.72% 59.00% 26.28% 对比土样2、土样3与土样1的粒径分布特征，可以看出，3组样品几乎同源，进一步佐证了物源主要源于形成区黄色粉质黏土。此外，土样2和土样3的砂粒、粉粒和粘粒含量处于土样1、土样4对应数据之间且更接近土样1，表明此次泥流物源还夹杂了少量的上层红黏土。
根据构筑物抗震设计规范（GB50191-2012）关于饱和土液化初判判据（中华人民共和国住房和城乡建设部，2012），结合该地区地震烈度VIII（王立朝等，2024），黄色粉质粘土粘粒含量（12.41%）略小于13%（该值为液化初判临界值，大于等于该值时，土层不液化），在饱水和地震作用下有发生液化的可能，而上层红粘土粘粒含量（26.28%）远大于13%，则不具备发生振动液化的条件。
2.2 液化层抗剪特性
采用四联直剪仪测定液化层原状粉质黏土在天然、饱和状态下的抗剪参数。法向应力分别施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，剪切速率为0.4 mm/min，试验结果见图7。通过曲线拟合，得到天然状态下粉质黏土的粘聚力为13.38 kPa，内摩擦角为7.3°；而在其饱和后粘聚力为7.07 kPa，内摩擦角为9.9°（表2）。天然粉质黏土饱水后，内摩擦角对于水的响应不敏感，而粘聚力下降了47.16%，抗剪强度显著降低。
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图 7 粉质黏土抗剪参数测试结果a. 天然状态剪切应力–剪切位移曲线；b. 天然状态剪切应力–法向应力拟合结果；c. 饱和状态剪切应力-剪切位移曲线；d. 饱和状态剪切应力–法向应力拟合结果Figure 7. Test results of shear parameters of silty clay表 2 粉质黏土粘聚力与内摩擦角Table 2. Cohesion and internal friction angle of the silty clay样品状态 粘聚力（kPa） 内摩擦角正切（°） 相关系数 天然 13.38 7.3 0.99486 饱和 7.07 9.9 0.97579 3. 泥流成因机制
3.1 形成原因
官亭盆地是位于黄河上游的一处小型沉积盆地，地势相对平坦，岩性以黄河一级至三级阶地冲积物和山前洪积物为主体。该泥流所处沟谷的平均坡降比仅为30‰（坡度＜2°），不具备发生泥流灾害的有利地形条件，然而却发生了大规模泥流灾害，说明其经历了历史级强降雨或者强震（于国强等，2014；陈秀清等，2014；王新刚等，2021；孙萍萍等，2022）。中国气象局气象资料（图8）显示，灾害发生前民和县半月内无明显降水（仅12月14日为小雪）。因而，积石山县Ms 6.2级地震（泥流位于地震烈度VIII度带内）则成为本次泥流的主要诱因。冬季降雪逐渐融化水、农田冬灌水优势入渗至地下结构性较差的洪积粉质黏土层，冬季结冰（泥流发生前5日气温均在0 ℃以下）引起沟脑处农田排泄区水流排泄不畅，造成局部地下水水位明显抬升，为土层饱和提供了重要的水源条件，是本次泥流的其他诱因。饱和粉质黏土在强震作用下存在液化可能且强度损失严重，以粉粒成分为主的粉质黏土是本次泥流的内因。虽然纵坡降较小的沟谷地形条件不利于泥流的大规模长距离运移，但地层岩性、水源及地震动力均促进了此次泥流的形成，进而导致同震次生灾害灾难性事件的发生。
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图 8 泥流发生前当月民和县气温与天气情况（数据源：中国气象局）Figure 8. Temperature and weather conditions in Minhe County in the month before the mud flow occurred (Data source: China Meteorological Administration)3.2 形成过程
积石山地震造成泥流沟脑位置埋深较浅的饱和粉质粘土层液化并且破坏浅表层冻土的完整性，土层内部产生超孔隙水压力，一方面诱发滑向向东的小型滑坡（图2b、图3b），该滑坡堆积体位于东侧低洼农田处，并未进入沟道；另一方面将沟脑处农田浅表部起封盖作用的冻土层破坏、冲溃，形成临空面，饱和粉质黏土层因液化强度骤减甚至丧失，沿沟脑冲溃缺口喷涌而出，构成泥流主要物源（图9）。形成区前部泥流流出牵引后部流态液化层向沟脑汇集，液化层流速快于上覆未液化土，形成反台阶状错坎（图9b）。沟脑处具有一定初速度的泥流在重力作用下顺沟道向下流动，沿路铲刮沟底，经历了3次明显转向、侧壁铲刮与局部堆积（图9c、图9d、图9e）后，快速进入下部村落，瞬间蔓延和掩埋逃生道路及房屋，造成灾难性事件的发生，泥流最远处流到金田村下游农田。
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图 9 中川乡泥流灾害形成过程示意图a. 泥流形成过程；b. 形成区反台阶错坎；c. 泥流首次转向和堆积位置；d. 泥流二次转向和堆积位置；e. 泥流三次转向和堆积位置Figure 9. Schematic diagram of the formation process of the Zhongchuan mudflow4. 讨论
官亭盆地面积约为20 km2，大小支沟有数十条。在地震烈度一样且都存在冰雪消融、农田冬灌、低温冻结的情况下，为何仅金田村和草滩村上游支沟发生了泥流，而其他支沟甚至紧邻支沟均未发生因饱和含水层振动液化导致的泥流。
除局部微地形地貌的差异外，与颗粒组成、塑性指数以及天然强度不无关系。根据本次泥流形成区下部粉质黏土的液化初判结果，其粘粒含量处于液化临界值附近，说明该粉质黏土存在发生液化的可能性，但并非很容易液化，即对振动液化的条件要求相对苛刻，后续研究可结合动力触探进一步判断该层粉质黏土的液化等级，进一步验证这一猜想。同时，该层粉质黏土的原状抗剪参数明显偏低，说明液化土并非原状黄土，多是全新世（1.17万年至今）以来山前洪积物，它不具备典型原状黄土的结构性和强度，后续研究可结合微观观测试验对该猜想展开进一步验证。
需要指出的是，尽管该泥流沟脑处粉质黏土液化等级可能不高，但在官厅盆地乃至整个黄河上游盆地地震液化评价中，应当加大对粉质黏土液化可能性的重视程度，以避免类似灾难的发生。
已有媒体和研究学者将本次积石山地震诱发的次生灾害定义为“砂涌”、“滑坡–泥流”（赵丽梅等，2023；许强等，2024），这与文中定义的“泥流”其实并无冲突。“砂涌”源于当地居民第一反应，因其发生时，下游村庄夜黑地平，所以公众惯性将其定义为砂涌；“滑坡–泥流”是从灾害类型转化角度对本次灾害进行定义；笔者主要考虑灾害体的运动、运移方式，以有效区分区内1处典型滑坡和该典型泥流。
5. 结论
（1）中川乡泥流具有典型的沟谷型泥石流平面特征，形成区、流通区、堆积区三区界限分明。形成区东侧发育1处小型滑坡，其余均顺沟而下形成泥流。液化层岩性为官亭盆地山前全新世以来覆盖于黄河三级阶地之上的洪积粉质黏土，天然强度较低、饱和强度下降显著。
（2）中川乡泥流灾害是地震、局部高地下水位、气温、地形地貌、土层物质组成等内外因素共同作用的结果。外因是积石山地震在此处形成的VIII级烈度给泥流的发生提供了强大的振动力，降雨消融和农田冬灌入渗补给以及冻结造成排泄不畅抬升了局部地下水位。内因是泥流原始沟道具有一定的纵向坡降，为泥流的运移提供了重力势能，沟脑农田下部存在可发生液化的粉质黏土层。
（3）泥流地震液化后，液化土内部孔隙水压力突增、强度损失严重，超孔隙水压力将沟脑处表层冻结土层冲溃，液化土压力向临空面释放，前部液化土流向沟内并牵引后部液化土层向前流动。结构和强度几乎丧失的液化土夹带上覆未液化粉质黏土及少量红黏土沿落差较小的沟道水流而下，经过持续底部铲刮和3次明显侧向铲刮后堆积于沟口，掩埋金田村和草滩村部分房屋，造成本次灾难性事件。
（4）黄河盆地冲洪积物中砂粒、粉粒含量较多，饱和粉质黏土发生地震液化并诱发次生灾害并非偶然，粉粒含量较高的粉质粘土液化问题仍需加强关注。建议进一步探索此次泥流与官亭盆地其余未发生泥流沟道在地形地貌、地层岩性、地下水位等方面的对比研究，揭示泥流在此沟而非彼沟发生的深层原因，为该盆地乃至整个黄河上游沉积盆地地震次生灾害的调查与研究提供理论依据。并持续开展黄河上游盆地各流域发生地震次生灾害的风险评估工作，及时提出防治建议，以最大限度减少灾难性事件的发生。
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图 6 典型钻孔的热响应测试图
a. 大功率8.300 kW，流量1.411 m3/h测试；b. 冬季恒温测试，供水温度7.95 ℃，流量1.374 m3/h
Figure 6. Thermal response test of a typical borehole
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图 7 地埋管地源热泵适宜性分区层次结构图
Figure 7. Hierarchical structure diagram of the suitability of underground ground–source heat pumps
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图 9 地埋管地源热泵适宜性分区图
Figure 9. The suitability zoning map of underground pipe ground source heat pump
表 1 第四系成因类型及时代描述表
Table 1 Genesis type and era description of Quaternary
第四系 沉积类型 厚度 埋藏深度 主要岩性及分布规律 下更新统 冲湖积层 – 大于190～200 m 灰黑色、灰褐色细砂夹棕褐、灰褐、灰白色黏性土、灰褐色砂砾石及卵砾石 中更新统 冲湖积层 – 80～120 m 灰黑色、灰色及褐灰色细砂夹灰色、棕灰、灰白黏性土，并有泥砾存在与部分细砂 冲洪积层 约为60 m 130～150 m 岩性以青灰色粉细砂和灰黄色、暗灰色细砂为主，夹带黏性土，洪积平原的西侧下部细砂内有砾石 上更新统 冲湖积层 60～100 m 2～30 m 黏土质砂、砂质黏土、中细砂 冲洪积层 50～90 m 60～80 m 岩性为灰色细砂夹砂黏土，在山前洪积斜平原附近有些部分细砂中含砾石 洪积层 – – 岩性为砂质黏土、黏质砂土、砂、砂砾石、漂砾及块石，由洪积平原前缘变为细粒带，自东向西颗粒逐渐变粗，分布在贺兰山东麓洪积斜平原 全新统 冲洪积层 厚度小于20 m – 黏性土、粉细砂夹砂砾石 冲湖积层 – – 黏性土、细砂及粉细砂，主要分布在冲湖积平原的一级阶地 风积层 最大厚度为20～30 m – 粉细砂和中细砂 湖沼沉积层 厚度小于3 m – 岩性以黏性土、粉细砂为主，主要分布在河湖积平原的一、二级阶地 洪积层 – – 岩性为含砾砂、碎石、砂砾石夹黏性土，银川市新市区以西是洪积层的主要分布地带 冲积层 厚度小于10 m – 岩性为粉细砂、砂砾石夹黏性土，大都位于河漫滩和黄河河床中 
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表 2 浅层地温能热响应测试结果表
Table 2 Thermal response test results of shallow geothermal energy
编号 埋管深度（m） 埋管类型 初始温度（℃） 综合热导率
[W/（m·℃）]夏季每延米
排热量（W/m）冬季每延米
取热量（W/m）MD-01 200 双U 16.46 2.43 56.20 43.80 MD-02 200 双U 15.58 2.26 38.70 25.00 MD-03 200 双U 14.63 2.68 56.90 32.00 YR01 90 单U 13.35 1.97 46.27 25.74 YR02 200 单U 14.31 2.32 54.40 – YR03 90 双U 13.46 2.30 53.33 – YR04 200 单U 13.39 2.18 – 21.81 YR05 125 双U 16.04 2.10 56.01 – YR06 90 双U 12.96 2.32 76.95 – YR07 90 双U 13.40 2.00 65.11 25.84 YR08 90 双U 13.07 1.84 74.84 – YR09 125 双U 13.95 1.98 – 30.02 注：–表示为做相应工况测试。
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表 3 评价因子权重计算结果一览表
Table 3 List of calculation results of evaluation factor weights
目标层（对象层） B1 B2 B3 B4 指标层 水文地质条件 热物理性质 水质条件 地质环境条件 组合权重 0.338 0.338 0.162 0.162 C1潜水富水性 0.417 0.141 C2承压水富水性 0.272 0.092 C3潜水位埋深 0.188 0.064 C4含水岩组厚度 0.123 0.042 C5热综合热传导系数 0.5 0.169 C6平均比热容 0.5 0.169 C7地下水水质 1.000 0.162 C8地层结构 0.333 0.054 C9地形地貌 0.333 0.054 C10砂黏土厚度比值 0.333 0.054
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表 4 地埋管地源热泵换热功率
Table 4 Heat transfer power of ground source heat pump with buried
工况 单孔换热功率
（w）面积
（km2）总的孔数n
（考虑土地利用系数）总的功率
（kw）夏季（按理论计算） 9183.94 3154 10131537.22 9.30×107 夏季（按试验平均值） 10120.00 3154 10131537.22 1.03×108 冬季（按理论计算） 5268.53 3154 10131537.22 5.34×107 冬季（按试验平均值） 6720.00 3154 10131537.22 6.81×107
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表 5 地源热泵可供暖面积计算
Table 5 Calculation of heating area of ground source heat pump
工况 负荷q
（w/m2）可供面积
（m2）资源潜力Qz
（m2/km2）夏季 69 1.35×109 427339 冬季 47 1.14×109 360232
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期刊类型引用(1)
1. 王乃昂，李小强，叶豪，赵力强，赵晓阳，鲁荣珠，王宇晨. 甘肃积石山M_S6.2级地震同震高速泥流研究. 地理科学. 2024(11): 2015-2028 . 
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