劉 徽， 沈 軍， 楊偉衛(wèi)， 蔡恒安， 黃 慧， 王胡杰

(湖北省地質(zhì)局 第一地質(zhì)大隊(duì)，湖北 大冶 435100)

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度范圍的巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能。淺層地溫能以其分布廣、儲(chǔ)量大、高效無(wú)污染的特點(diǎn)，越來越多地被用于城市建筑供暖與制冷。但在淺層地溫能開發(fā)應(yīng)用中有許多制約因素,主要有地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖土體熱物理性質(zhì)以及施工條件等。盲目開展地源熱泵項(xiàng)目容易帶來資源利用率不高、工程經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)等問題，部分工程甚至出現(xiàn)環(huán)境安全隱患。因此，開展淺層地溫能賦存條件及開發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)十分必要，這是能夠最大程度獲取社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的重要前提[1-3]。

目前黃石市淺層地溫能開發(fā)利用激勵(lì)政策和指導(dǎo)規(guī)劃尚未出臺(tái)，淺層地溫能處于無(wú)序開發(fā)狀態(tài)，在應(yīng)用規(guī)模和水平上有非常大的提升空間。由于未系統(tǒng)評(píng)價(jià)黃石城市規(guī)劃區(qū)的淺層地溫能賦存條件及資源量，給城市規(guī)劃建設(shè)、綠色發(fā)展和節(jié)能減排帶來一定不確定性。查明研究區(qū)淺層地溫能潛力，建立黃石市淺層地溫能資源科學(xué)利用綜合管理平臺(tái)，將為黃石市的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展發(fā)揮應(yīng)有的作用。

以“黃石城市自然資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目成果為基礎(chǔ)，系統(tǒng)闡述研究區(qū)淺層地溫能賦存條件及影響開發(fā)利用的主要因素，在此基礎(chǔ)上分別建立地下水、地埋管開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)體系并開展適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算淺層地溫能資源量及開發(fā)利用潛力。研究成果對(duì)評(píng)價(jià)淺層地溫能資源的開發(fā)利用方式是否合理和利用效率高低都具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于長(zhǎng)江中下游南岸，湖北省的東南部。研究區(qū)范圍即黃石市城市規(guī)劃區(qū)，包括黃石港區(qū)、西塞山區(qū)、下陸區(qū)、鐵山區(qū)的全部，大冶市金山街道托管部分、汪仁鎮(zhèn)的全部，陽(yáng)新縣韋源口鎮(zhèn)、大王鎮(zhèn)與太子鎮(zhèn)的全部，總面積為701 km2。

1.2 氣象與水文

研究區(qū)地處亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有冬冷夏熱、四季分明的特點(diǎn)。年平均氣溫為17 ℃，最熱月份(7月)平均29.2 ℃，最冷月份(1月)平均3.9 ℃；極端最高氣溫為40.3 ℃，極端最低氣溫為-11 ℃。無(wú)霜期年平均264 d，年平均降雨量1 382.6 mm，年平均降雨日132 d，年日照時(shí)間1 666.4—2 280.9 h。多東南風(fēng)，年平均風(fēng)速為2.17 m/s。

區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育，最大的是長(zhǎng)江，其次為湖泊。長(zhǎng)江自西北向東南流經(jīng)研究區(qū)東北緣，北起鄂州市楊葉鄉(xiāng)艾家灣，下至陽(yáng)新縣韋源口鎮(zhèn)。大冶湖水系、保安湖水系及若干干流、支流和數(shù)百個(gè)大小湖泊組成本區(qū)湖泊水系。

1.3 地形地貌

研究區(qū)北鄰鄂州花家湖，南界為NWW走向的父子山，黃石中心城區(qū)與大冶湖生態(tài)新區(qū)之間為近EW走向的黃荊山，地勢(shì)高低起伏不定，海拔標(biāo)高多在200～500 m。黃荊山與父子山之間主要為地勢(shì)平緩的環(huán)大冶湖平原區(qū)，海拔標(biāo)高多在10～50 m。按相對(duì)高度及地貌成因的不同，可分為低山—丘陵區(qū)、湖盆區(qū)和河谷沖積區(qū)。

1.4 地質(zhì)概況

區(qū)內(nèi)地層主要屬揚(yáng)子區(qū)下?lián)P子分區(qū)大冶小區(qū)，北東角為昆侖—秦嶺區(qū)大別山分區(qū)南部小區(qū)。地層出露較全，除下泥盆統(tǒng)及下石炭統(tǒng)缺失外，自寒武系至第四系均有出露。寒武系—下三疊統(tǒng)主要為海相碳酸鹽巖，其次為碎屑巖。中三疊統(tǒng)及以上地層以陸相碎屑巖為主，局部為火山巖，分布于大冶—富池口以北地區(qū)。

2 淺層地溫能賦存條件

2.1 巖土體結(jié)構(gòu)特征

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層淺部為剝蝕堆積、沖洪積、湖積成因的第四系粘性土、砂層，深部為古生界—新生界基巖，巖性包括砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、頁(yè)巖等。

2.2 巖土體熱物性特征

野外現(xiàn)場(chǎng)開展了10組/10孔熱響應(yīng)試驗(yàn)，每孔均采用埋設(shè)傳感器法和無(wú)功循環(huán)法測(cè)試，獲取了巖土體初始地溫特征。采集了370組巖土體進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，獲取了巖土層物理參數(shù)及熱物性參數(shù)(表1)。

表1 巖土體熱物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果表Table 1 Test results of thermal physical parameters of rock and soil mass

土體比熱容高于巖石，一般>1.18 kJ/(kg·℃)，且土體粒徑越小，含水量越高，比熱容一般越大。本區(qū)廣泛分布的粉砂巖比熱容在1.0 kJ/(kg·℃)左右；灰?guī)r、頁(yè)巖、角礫巖比熱容相對(duì)較小，一般為0.87～0.98 kJ/(kg·℃)。

導(dǎo)熱系數(shù)方面，粘性土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，一般<1.5 W/(m·℃)；灰?guī)r、頁(yè)巖的導(dǎo)熱系數(shù)較大，一般>2.0 W/(m·℃)；粉砂巖居中，一般為1.68～2.01 W/(m·℃)。

2.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地處構(gòu)造活動(dòng)帶，其含水巖組的分布除受地形、地貌條件影響外，也明顯地受地質(zhì)構(gòu)造的控制。根據(jù)地下水賦存條件、巖石水理性質(zhì)及地下水水力特征，將地下水含水巖類劃分為碳酸鹽巖含水巖類、巖漿巖類風(fēng)化裂隙含水巖類、碎屑巖裂隙孔隙含水巖類和第四系松散巖類孔隙含水巖類四個(gè)大類。

2.4 地溫場(chǎng)特征

研究區(qū)由地表至地下100 m深度，地溫由低到高，溫度變化范圍為18.6～20.1 ℃。地下約15 m至地表范圍內(nèi)溫度變幅較大，其中0～-5 m段溫度變幅最大，-5～-15 m段溫度變幅逐漸減小，-15 m以下受季節(jié)氣候影響相對(duì)較小。

3 開發(fā)利用適宜性分區(qū)及資源量評(píng)價(jià)

3.1 開發(fā)利用適宜性分區(qū)

采用層次分析法分別對(duì)地下水、地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行分區(qū)評(píng)價(jià)。地下水地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)的目標(biāo)層為地下水地源熱泵適宜性分區(qū)；屬性層由地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力條件、地下水化學(xué)特征、開采能力及環(huán)境影響和施工成本組成；要素指標(biāo)層包括含水層出水能力、含水層回灌能力、地下水位埋深、地下水位動(dòng)態(tài)變化、地下水水質(zhì)、地下水開采能力、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、成井條件等8個(gè)要素[4]。地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)的目標(biāo)層為地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)；屬性層由地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地層換熱能力和施工成本組成；要素指標(biāo)層包括第四系厚度、淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)、有效含水層厚度、分層地下水水質(zhì)、地層熱擴(kuò)散系數(shù)、地層每延米換熱量和鉆進(jìn)條件等7個(gè)要素[5]。研究區(qū)開發(fā)利用適宜性分區(qū)結(jié)果見圖1。

圖1 黃石城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖Fig.1 Suitability zoning map of shallow geothermal energy development and utilization in Huangshi urban planning area1.地埋管適宜區(qū)；2.地埋管較適宜區(qū)；3.地埋管適宜性差區(qū)；4.地下水較適宜區(qū)；5.地下水適宜性差區(qū)。

由圖1可看出，地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用較適宜區(qū)主要為團(tuán)城山—下陸一帶，分布面積約6.94 km2，其特點(diǎn)為可利用的地下水資源量較豐富且含水層出水、回灌能力較強(qiáng)；其它區(qū)域含水層出水能力弱，地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性差。區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域均適宜或較適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)，分布面積約為367.11 km2，其主要特點(diǎn)為覆蓋層厚度相對(duì)較薄，地埋管換熱孔的施工成本較低，同時(shí)換熱孔內(nèi)基巖段所占比例較高，換熱功率整體較好。

3.2 淺層地溫能資源量評(píng)價(jià)

3.2.1淺層地溫能熱容量計(jì)算

根據(jù)目前黃石市地源熱泵系統(tǒng)施工鉆孔深度為100 m左右的現(xiàn)狀，本次研究計(jì)算了100 m深度范圍內(nèi)的淺層地溫能資源熱容量。

根據(jù)本區(qū)的實(shí)際情況，本次淺層地溫容量評(píng)價(jià)按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[6]，采用體積法分別計(jì)算包氣帶和飽水帶中單位溫差儲(chǔ)藏的熱量，然后合并計(jì)算評(píng)價(jià)范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲(chǔ)熱量。

研究區(qū)100 m以淺淺層地溫能熱容量計(jì)算分區(qū)是根據(jù)項(xiàng)目施工的鉆孔資料，結(jié)合區(qū)內(nèi)巖土體物理、熱物性質(zhì)參數(shù)綜合計(jì)算所得。按各分區(qū)面積分別計(jì)算即可得出該區(qū)總熱容量。需要說明的是，本次熱容量計(jì)算評(píng)價(jià)不包括地表水區(qū)和適宜性差區(qū)。

研究區(qū)100 m以淺淺層地溫能熱容量分區(qū)計(jì)算結(jié)果見表2，100 m以淺的淺層地溫能總?cè)萘繛?.40×1013kJ/℃，約合每攝氏度539.94萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤。

表2 黃石城市規(guī)劃區(qū)100 m以淺淺層地溫能熱容量分區(qū)計(jì)算表Table 2 Calculation table of geothermal energy and heat capacity ofshallow layer above 100 m in Huangshi urban planning area

3.2.2淺層地溫能換熱功率計(jì)算

根據(jù)黃石市地埋管地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，換熱孔均按照網(wǎng)格狀分布，孔間距為5 m，在1 km2范圍內(nèi)均勻布孔的鉆孔數(shù)為4萬(wàn)個(gè)。黃石城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè)用地綜合土地利用系數(shù)為31.11%。綜合考慮土地利用系數(shù)，則在平均1 km2適宜區(qū)和較適宜區(qū)內(nèi)可布置換熱孔數(shù)量為12 444個(gè)。

研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積為367.11 km2，夏季制冷工況下?lián)Q熱功率為2.97×107kW，冬季供暖工況下?lián)Q熱功率為2.78×107kW，則一個(gè)制冷季(120 d)可向地下排放的熱量為1.54×1014kJ，一個(gè)采暖季(90 d)可從地下提取的熱量為1.08×1014kJ，則黃石城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)可利用資源量為2.62×1014kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1 495.47萬(wàn)t。若不考慮土地利用系數(shù)，則可利用資源量為8.42×1014kJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4 807.06萬(wàn)t。

3.2.3淺層地溫能資源潛力評(píng)價(jià)

根據(jù)單位面積地埋管淺層地溫能可利用資源量與制冷、供暖負(fù)荷值，可求得單位面積地埋管淺層地溫能資源可制冷、供暖面積。計(jì)算可得，研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)單位面積(1 km2)夏季可制冷面積為9.02×105～1.15×106m2(圖2)，總面積為3.71×108m2;單位面積(1 km2)冬季可供暖面積為1.19×106～1.52×106m2(圖3)，總面積為4.79×108m2。

圖2 黃石城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)潛力評(píng)價(jià)圖(制冷期)Fig.2 Potential evaluation of ground source heat pump system in Huangshi urban planning area (cooling period)

圖3 黃石城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)潛力評(píng)價(jià)圖(供暖期)Fig.3 Potential evaluation of ground source heat pump system in Huangshi urban planning area(heating period)

4 結(jié)論

(1) 從淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件、巖土體熱物性特征、淺層地溫場(chǎng)特征等方面系統(tǒng)分析了研究區(qū)淺層地溫能賦存條件，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)淺層巖土體地溫為18～22 ℃，適宜開發(fā)利用淺層地溫能。

(2)采用層次分析法評(píng)價(jià)了研究區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性，發(fā)現(xiàn)地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用較適宜區(qū)主要分布于團(tuán)城山—下陸一帶，分布面積約6.94 km2,其余地區(qū)為不適宜區(qū)和地表水分布區(qū)；地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用較適宜區(qū)和適宜區(qū)在全區(qū)均有分布，分布面積約367.11 km2。

(3) 計(jì)算得出研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)可利用資源量為2.62×1014kJ,資源利用總潛力為夏季可制冷面積3.71×108m2,冬季可供暖面積4.79×108m2。