武汉市可再生能源资源可利用潜力.docx

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武汉市可再生能源资源可利用潜力

童明德

1地下水资源量

1.1地下水资源量评价参数

地下水资源量评价主要采用地下水资源量、地下水可开采量和地下水开采资源模数三个参数。

（1）地下水资源量

地下水资源量是指有长期补给保证的地下水补给量的总量。

本区地下水资源量主要由大气降水入渗补给量、长江、汉江的渗入补给量、相邻含水岩组地下水的越流补给量和侧向径流补给量四种组成。

（2）地下水可开采量

地下水可开采量是指在经济合理的条件下，不发生因开采而造成地下水位持续下降，水质恶化、地面沉降等环境地质问题，不对生态环境造成不利影响的，有保证的可开采地下水量。

（3）地下水开采资源模数

地下水开采资源模数在不使开采条件恶化、不致引起严重环境地质问题的条件下，单位时间允许从单位面积含水层中抽出的最大水量，数值上等于地下水可开采量除以开采区面积。

1.2地下水水资源量

武汉市地下水资源量46234×104m3／a，各区资源量详见表1-1。

表1-1武汉市区地下水资源量分布表

行政区

含水岩组

面积（km2）

地质时代

位置

地下水资源量

104m3/a

武昌城区

209.31

徐家棚地区

1290

武钢—胡家墩

2587

白沙洲地区

875

C—T

白沙洲至武汉工程大学、中医学院—苏家墩

278

汉口城区

101.03

汉口城区

2981

汉阳城区

37.28

黄金口地区

560

鹦鹉洲地区

638

C—T

鹦鹉洲、太子湖

东西湖区

468.48

慈惠墩—走马岭—辛安渡

3997

东流港—三店农场

367

东流港—水岗

259

蔡甸区

（含汉南区）

764.6

蔡甸—柏林

1600

成功—汉南

9994

C—T

新农—军山

2059

江夏区

715.4

大新口

2357

C—T

纸坊

4480

黄陂区

1389.93

城关—五通口

1776

滠口—武湖农场

326

C—P

滠口—刘店

280

Ptq

黄古石—牛头山

330

蔡店—城关

1846

新洲区

687.33

滨江区

4311

举水、倒水、沙河流域

2965

合计

4373.36

46234

注：

碎屑岩类裂隙含水岩组富水性差，不参与计算；以主城区地域为主计算。

1.3地下水可开采量

武汉市地下水可开采量44179×104m3/a，各区分布见表1-2。

表1-2武汉市地下水可开采量、可开采模数一览表

行政区

位置

地下水可开采量

（104m3/a）

地下水开采资源模数

（104m3/km2.a）

武昌城区

徐家棚地区

1146

20.75

武钢—胡家墩

2505

28.64

白沙洲地区

378

17.34

白沙洲至武汉工程大学、

中医学院—苏家墩一带

278

7.38

汉口城区

2981

29.51

汉阳城区

黄金口地区

558

58.25

鹦鹉洲地区

237

36.02

鹦鹉洲、太子湖

7.38

东西湖

慈惠墩—走马岭—辛安渡一带

3692

12.26

东流港—三店农场一带

367

3.01

东流港—水岗一带

259

5.69

蔡甸区

（含汉南区）

蔡甸—柏林

1600

37.38

成功—汉南

9873

22.30

新农—军山

2059

7.38

江夏区

大新口

2223

20.51

纸坊

4480

7.38

黄陂区

城关—五通口

1642

11.79

滠口—武湖农场

326

2.26

滠口—刘店

280

7.38

黄古石—牛头山

330

36.13

蔡店—城关

1846

1.68

新洲区

滨江区

4237

18.37

举水、倒水、沙河流域

2804

6.14

合计

44179

1.4地下水开采资源模数

根据武汉市地下水资源计算成果，按本区地下水资源开采模数大小划分为五个区，即开采资源模数＞40×104m3／km2.a（A），开采资源模数30-40×104m3／km2.a（B），开采资源模数20~30×104m3／km2.a（C），开采资源模数10-20×104m3／km2.a（D），开采资源模数＜10×104m3／km2.a（E）。

亚区则根据同一区内地下水开采资源模数的大小，并结合不同地质类型来划分。

将本区地下水开采资源模数＜10×104m3／km2.a（E）区内又划分为五个亚区，即E1，E2，E3，E4，E5。

分区情况见表1-3。

表1-3武汉市区地下水开采资源模数分区表

区

亚区

开采资源模数104m3／km2.a

地貌单元

含水岩组

代号

分布位置

＞40

河谷平原

[Q4]

主要分布在长江、汉江一级阶地前缘、心滩，东西湖新沟镇至市政府沿江一级阶地前缘、汉阳水源地黄金口地段，徐家棚及武钢水源地一级阶地前缘。

30-40

[Q4]

主要分布在白沙洲水源地前缘，汉口中心城区一级阶地中部。

20-30

[Q4]

主要分布在汉阳水源地鹦鹉洲地段，徐家棚、武钢水源地中心地段及汉口水源地后湖地段及东西湖区吴家山以南地段。

10-20

[Q4]

主要分布于东西湖走马岭地区,汉口、武钢水源地一级阶地后缘。

＜10

河谷平原

[Q4]

长江、汉江一级阶地东西湖区中心地段

河谷平原

[Q3]

长江、汉江二级阶地东西湖区径河农场、金口、东西湖养殖场等。

河谷平原

[N]

分布于东西湖区柏泉农场。

丘陵

[C2-T1]

主要分布在鹦鹉洲、太子湖-白沙洲、武汉工程大学、中医学院-苏家墩一带呈多条狭窄条带隐伏碳酸盐岩分布区

河谷平原

[Q3-Q4]

东西湖区辛安渡农场及东山农场。

1.5地下水开发利用分区

武汉市地下水开采可分为2个地下水禁采区，面积25.85km2；8个地下水限采区，面积1244.24km2；15个地下水开采区，面积3103.27km2，如表1-4所示。

表1-4武汉市区地下水开采分区表

开采

分区

行政区

名称

编号

面积

（km2）

开采

层位

地下水可开采量（104m3/a）

地下水限制开采量

（104m3/a）

限采原因

地下水

禁采区

武昌

陆家街—毛坦港

Ⅰ1

15.34

禁采

岩溶地面塌陷

汉阳区

中南轧钢厂

Ⅰ2

10.51

C—T

禁采

岩溶地面塌陷

地下水

限采区

东西湖区

东流港—三店农场

Ⅱ1

122

367

122

地下水位降落漏斗；液体矿产

东流港—水岗

Ⅱ2

45.48

259

液体矿产

武昌

白沙洲—武汉工程大学、中医学院—苏家墩

Ⅱ3

37.66

C—T

278

开采潜力小

汉阳区

鹦鹉洲、太子湖—南湖

Ⅱ4

10.60

C—T

开采潜力小

蔡甸区

新农—军山

Ⅱ5

279

C—T

2059

686

开采潜力小

江夏区

纸坊

Ⅱ6

607

C—T

4480

1493

开采潜力小

黄陂区

滠口—武湖农场

Ⅱ7

104.50

326

109

地下水位降落漏斗；开采潜力小

滠口—刘店

Ⅱ8

C—P

280

地下水位降落漏斗；开采潜力小

地下水

开采区

武昌

武钢—胡家墩

Ⅲ1

87.48

2505

徐家棚

Ⅲ2

47.02

1146

白沙洲

Ⅲ3

21.81

378

汉口

汉口城区

Ⅲ4

101.03

2981

汉阳区

鹦鹉洲

Ⅲ5

6.59

237

黄金口

Ⅲ6

9.58

558

东西湖区

慈惠墩—走马岭—辛安渡

Ⅲ7

301

3692

蔡甸区

（含汉南区）

蔡甸—柏林

Ⅲ8

42.8

1600

成功—汉南

Ⅲ9

442.8

9873

江夏区

大新口

Ⅲ10

108.4

2223

黄陂区

城关—五通口

Ⅲ11

139.3

1642

黄古石—牛头山

Ⅲ12

9.13

Ptq

330

蔡店—城关

Ⅲ13

1099

1846

新洲区

滨江区

Ⅲ14

230.56

4237

举水、倒水、沙河流域

Ⅲ15

456.77

2804

1.6地下水热能可利用程度

1.6.1可利用程度分析方法

地下水中赋存的大量热能，根据能量守恒原理，其可利用程度采取下面公式进行计算。

（1-1）

式中，Q—地下水中赋存的热（冷）量，kJ/a；

G—地下水流量，kg/a；

△T—地下水进出口温差，℃。

（1-2）

式中，Qc—地下水中赋存的可利用冷量，kJ/a；

COPc—制冷系数。

（1-3）

式中，Qh—地下水中赋存的可利用热量，kJ/a；COPh—制热系数。

1.6.2地下水热能利用潜力分析

根据表3-5所列武汉市区地下水开采分区表统计数据，除掉两个禁采区的可开采水量、可开采区的地下水可开采总量加上限采区总量，武汉市城区每年可开采利用的地下水总量为38760×104m3/a，如果全部作为建筑物地源热泵集中空调系统冷热源利用，按一年平均使用180天、一天使用10个小时，每万米建筑面积需要80m3/h的热源井流量进行预估，则在完全不回灌的条件下，武汉市每年靠地下水中储藏的浅层地温能可供2691.67万平方米建筑制冷供暖；如果平均回灌率在80%（实际消耗地下水量20%），则可供13458.35万平方米制冷供暖；如果达到100%回灌，理论上不存在可采用建筑面积的限制，而是受地下水地源热泵项目的间距、项目所在地地下水资源条件的影响为主。

上述估算，是对可利用总量的预估，实际开发利用过程中，考虑到道路、建筑物分布、沿江地带的限制等，可应用规模可能会有适当减少。

1.7地下水地源热泵开发利用原则

针对地下水地源热泵技术在利用地下水时需取水和回灌，在此过程中可能引发诸如水质下降、地下水污染、地面沉降或塌陷的环境地质问题以及热源井的热干扰问题，依据“在保护中开发，在开发中保护”的方针，应严格执行“统一规划，合理布局，严格审批，适度发展”的开发利用原则，减少地源热泵技术应用对地质环境的影响。

2地表水资源量

武汉市位于长江、汉江交汇处，区内江河纵横，湖泊密布，地表水资源丰富。

全市共有大小湖泊166个，合计面积780平方公里左右，湖泊中地表水资源19.5亿立方米.。

从武汉市过境的水资源则更加丰富，年平均水资源总量可达7122亿立方米，是武汉市本地区湖泊水资源总量的365倍，其中从长江、汉江过境的水资源总量年平均7047亿立方米，从府河过境的水资源总量年平均36.36亿立方米。

水资源在年际和季节上分布也是很不均匀，以从长江过境的水资源为例，丰水年过境的水资源总量可达9045亿立方米，枯水年只有5659亿立方米，夏、秋季占70%，冬、春季只占30%。

2.1可利用程度分析方法

地表水中赋存的大量热能，根据能量守恒原理，其可利用程度采取下面公式进行计算。

（2-1）

式中，Q—地表水中赋存的热（冷）量，kJ/a；

G—地表水流量，kg/a；

△T—地表水进出口温差，℃。

（2-2）

式中，Qc—地表水中赋存的可利用冷量，kJ/a；

COPc—制冷系数。

（2-3）

式中，Qh—地表水中赋存的可利用热量，kJ/a；

COPh—制热系数。

2.2地表水热能利用潜力分析

武汉市年平均地表水资源19.5亿立方米，从武汉市过境的水资源比较丰富，年平均水资源总量可达7122亿立方米，两项共计7141.5亿立方米。

境内地表水冬季可利用温差2℃，夏季可利用温差为4℃，过境地表水冬季可利用温差2℃，夏季可利用温差为5℃，地表水热能可利用潜力如表4-4所示。

表2-1武汉市地表水热能可利用潜力

名称

水流量

/亿立方米

可利用冷量

/千焦/年

可利用热量

/千焦/年

标准煤/万吨/年

境内地表水

19.5

3.27E+13

1.63E+13

111.2/55.6

过境地表水

7122

14.9E+15

5.96E+15

50701.8/20280.7

2.3地表水地源热泵开发利用原则

为充分发挥地表水地源热泵技术的优势，可采取“因地制宜，合理布局，综合利用，稳步推进”的开发利用原则，以减少地表水地源热泵技术应用对防洪和水体生态环境的影响。

3浅层地能资源量

3.1岩土体应用适宜性

如前所述，武汉地区大部分地层颗粒较细，土石类别主要为松土—普通土—硬土，土石等级为I—II—III级，地埋管钻井施工难度小，成本低。

武汉市陆地面积很大，一般来讲，大部分地区都可以考虑采用岩土体作为地埋管地源热泵系统冷热源，对于II、III级阶地，如水果湖地区，地下水资源相对不太丰富，地表水资源又不太适合作为热泵系统的冷热源，采用岩土体源作为地埋管地源热泵系统的冷热源将是较适宜的选择。

但是在岩溶地面塌陷潜在危险区特别是砂层埋藏较浅的地区不宜采用地埋管地源热泵系统；在淤泥层深厚区，由于钻孔深度较大，在基岩裸露区或砾卵石深厚区，由于钻孔难度大，都会增加地埋管热泵系统的成本，设计时应综合考虑。

由于基岩的热传导性能最好，而地源热泵系统的成孔工艺有别于传统的工程勘察成孔工艺，若能研发专门用于地源热泵系统的成孔设备，大大降低成孔成本，从而可以大大降低地源热泵系统的初投入。

3.2岩土体地能资源量

3.2.1可利用程度分析法

对于如何评价浅层岩土体地能资源量，由于地埋管地源热泵最主要的是利用地层进行热量的储存和释放，也就是作为一个调节作用，所以首先要评价地下一定深度范围里地能的储存量，同时要评价区域的地能的可开采量。

采用合理的开采利用方案，经过非取热期地温能够恢复，包括自然的补给热量的恢复和制冷期的存热，能够达到多年热均衡的浅层地能的在取热期可开采的热量，区域评价是为宏观管理服务，要算一个平均量。

浅层地能资源的评价宜选择采用热储法进行浅层地能资源评价。

对于不同的岩土类型，热储法计算地能储存量具有不同的表达式。

（1）无含水层岩土体

（3-1）

式中，Qs—岩土体地能储存量，kJ；

ρs—岩土体密度，kg/m3；

cs—岩土体比热，kJ／kg·℃

M—计算面积，m2；

d—计算厚度，m；

ΔT—利用温差，℃。

（2）含水层岩土体

热储法在包气带和含水层中，计算公式如下：

（3-2）

（3-3）

式中，Qs—岩土体地能储存量，kJ；

ρs—岩土体密度，kg/m3；

cs—岩土体比热，kJ／kg·℃；

φ—岩土体的孔隙率（或裂隙率）；

M—计算面积，m2；

d—计算厚度，m；

ΔT—利用温差，℃。

（3-4）

式中，Qw—岩土体地能储存量，kJ；

ρw—水体密度，kg/m3；

cw—水体比热，kJ／kg·℃；

d—水体厚度，包括需要计算含水层和相对隔水层，m。

3.2.2岩土体地能利用潜力分析

武汉市土地面积8467.1平方公里，其中水域面积为2143.6平方公里，水域占土地总面积的1/4。

地形上是北高南低，属残丘性河湖冲积平原，北部为山地丘陵，其余均属沃野千里的江汉平原，地势平坦。

其中，平坦平原、垄岗平原、丘陵、低山所占比例分别为39.25％、42.56％、12.32％、5.85％。

根据热储法计算可得：

可利用面积按（8467.1－2143.6）×（1－12.32％－5.85％）=5174.5平方公里（去除低山、丘陵），地下200m以内深度，由于地下岩石量较多，比热取1400J/kg·℃，武汉市地下常年平均温度为17.5℃，可利用温差2℃；浅层地能容量为5.57×1015kJ，其热量可折合18973万吨标准煤，相当于武汉市每年每平方公里有2.24万吨标准煤的浅层地温远景资源量。

依据武汉市水文地质条件，地埋管埋设所需地表面积约为建筑空调面积的1/3~1/5，可利用潜力较大。

3.3地埋管地源热泵开发利用原则

地埋管地源热泵技术总体来说适用性较强，但不同地域不同地质条件下的应用具备不同的特点，有其自身的技术原则。

为避免地埋管地源热泵运行过程中地埋管换热器出力不足，应执行“因地制宜，合理配置，兼顾平衡，积极发展”的开发利用原则，消除地埋管地源热泵技术应用所产生的热失衡问题。

4污水资源量

4.1水文地质勘察

污水源热泵系统勘察应包括下列内容：

①原生污水、污水处理厂水量，年水量变化；

②水温、水质；

③周围建筑规划。

4.2污水资源量

截至2009年，武汉市主城区已建成并投入运行的有13个集中污水处理厂，总设计处理污水能力达到188.5万吨/日，另设置17处小型生活污水处理设施，设计处理能力2.21万吨/日。

武汉市共有180家工业企业建有废水处理设施，总处理能力达到263.5万吨/日。

其中，日处理能力1000吨/日以上的有53家，处理能力共260.3万吨/日，占98.8%，日处理能力2000吨/日以上的有25家，处理能力共256.8万吨/日，占97.4%，武汉钢铁集团公司废水处理能力达到232.4万吨/日，占全市工业废水处理能力的88.2%。

远城区污水处理厂设计污水处理量能力30.5万吨/日。

主城区远期2020年规划污水处理处理能力为285吨/日。

4.3污水热能可利用程度

4.3.1可利用程度分析方法

污水中赋存的大量热能，根据能量守恒原理，其可利用程度采取下面公式进行计算。

（4-1）

式中，Q—污水中赋存的热（冷）量，kJ/a；

G—污水流量，kg/a；

△T—污水进出口温差，℃。

（4-2）

式中，Qc—污水中赋存的可利用冷量，kJ/a；

COPc—制冷系数。

（4-3）

式中，Qh—污水中赋存的可利用热量，kJ/a；

COPh—制热系数。

4.3.2污水热能利用潜力分析

武汉市主城区设计污水处理能力188.5万吨/日，按照温度升高或降低5℃计算，若全部应用污水源热泵可提供冷热量187MJ，这部分冷热量可供3650万平方米建筑供热制冷，可节省供暖用煤40.7万吨左右，同时每年可减少CO2排放量116.3万吨。

如果加上小型污水处理量，则可提供冷热量189.3MJ，这部分冷热量可供3720万平方米建筑供热制冷，可节省供暖用煤41.1万吨左右，同时每年可减少CO2排放量117.7万吨。

工业废水出水温度一般较高，可用于冬季供暖，将全市每日263.5万吨的工业废热用于供暖，则可提供冷热量261.5MJ，这部分冷热量可供5100万平方米建筑供热制冷，可节省供暖用煤17.1万吨左右，同时每年可减少CO2排放量48.7万吨。

远期规划的主城区污水处理量可提供冷热量282.8MJ，这部分冷热量可供5600万平方米建筑供热制冷，可节省供暖用煤61.5万吨左右，同时每年可减少CO2排放量175.8万吨。

4.4污水源热泵开发利用原则

针对污水源热泵技术在利用污水时需根据污水集中收集和处理系统进行设置，应推行“因地制宜，统一规划，综合配置，协调发展”的开发利用原则，以充分发挥污水源热泵技术节能和、环保和资源再利用优势。

5太阳能资源量

5.1太阳能资源分布特点

5.1.1影响太阳辐射强度的因素

①太阳高度角：

太阳高度角越大，穿越大气的路径就越短，大气对太阳辐射的削弱作用越小，则到达地面的太阳辐射越强。

例如，中午的太阳辐射强度比早晚的强。

②纬度高低:

太阳直射纬度的变化，以南北回归线为界，回归线以内的部分，为地球上天文辐射最强的地带，在回归线以外，纬度越高，太阳辐射量越低。

③海拔高度：

海拔越高空气越稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用越小，则到达地面的太阳辐射越强。

例如，青藏高原是我国太阳辐射最强的地区。

④天气状况：

晴天云少，对太阳辐射的削弱作用小，到达地面的太阳辐射强。

⑤大气透明度：

大气透明度高则对太阳辐射的削弱作用小，透明度高,便于阳光穿过。

使到达地面的太阳辐射强，大气透明度的主要影响因素是空气质量。

⑥太阳活动的强度：

太阳活动周期为11年，活动强烈时，辐射量大，活动减弱时，辐射量小，但影响不大。

5.1.2武汉市太阳能分布特征

武汉市太阳能资源受地形和气候影响有以下两个显著特点，其分布图如图5-1、图5-2所示。

①太阳能资源较丰富。

武汉市年日照总时数为1810～2100小时，年太阳总辐射在4354～44731兆焦耳/平方米之间，太阳能资源相对丰富。

目前开发利用太阳能最先进的国家包括德国、英国，德国2007年太阳能电厂装机达到30万千瓦，但从太阳年总辐射来看，德国汉堡为3979兆焦耳/平方米，英国伦敦4226为兆焦耳/平方米，与武汉市水平相当。

②太阳能资源季节上集中：

武汉市太阳总辐射主要集中在7、8月份，为930～1100兆焦耳/平方米，占全年总辐射和日照时数25%左右。

在7、8月的武汉市全年用电的高峰，也是太阳能利用的最佳季节，可通过使用季节性太阳能空调技术合理适用太阳能资源。

图5-1湖北省太阳能资源区划图

上图注释：

一级可利用区：

日照时数在1900小时－2100小时之间，年晴天日数在155天－180天之间。

二级可利用区：

日照时数在1400－1900小时之间，年晴天日数在130天－155天之间。

光能贫乏区：

年太阳总辐射低，日照少，除8月晴天较多外，其它月份很少，如恩施全年晴天日数不足90天。

图5-2湖北省年太阳总辐射分布图

5.2太阳能资源资源评估方法

太阳能资源的数量一般以到达地面的太阳总辐射量来表示。

太阳总辐射量与天文因子、物理因子、气象因子等关系密切，在实际工作中通常利用半经验、半理论的方法，建立各月太阳总辐射量与相关因子之间的经验公式，计算各月太阳总辐射量，从而得到每年太阳能资源的数量。

太阳赤纬、日地相对距离、可照时数、时差、真太阳时、月日照百分率的计算、日天文总辐射量的计算、月太阳总辐射量计算等参数的具体计算方法和计算公式具体见《太阳能资源评估方法》（QX/T89-2008）。

5.3武汉太阳能资源的评估

为了更充分地开发和利用武汉市太阳能资源，根据相关国家标准进行太阳能资源进行的评估是十分必要的。

5.3.1相关气象数据

根据《太阳能资源评估方法》的计算办法，下面列出了从相关数据库摘录的武汉市太阳能资源评估相关数据，从1961年1月到2009年12月，共49年的日值数据。

表5-1武汉市太阳能资源月均数据

参数

月份

月日照

辐射量

月日照散

射辐射量

水平面直

接辐射

日照

时数

日照率

大于6小

时天数

单位

MJ/m2

一月

218.89

130.86

87.80

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