焦作市淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)利用潛力探析

，

(河南省地礦局環(huán)境一院，河南 鄭州 450045)

目前焦作市淺層地?zé)崮苜Y源的開(kāi)發(fā)利用處于起步階段，尚未對(duì)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用。焦作市淺層地?zé)崮苜Y源調(diào)查評(píng)價(jià)可以為焦作市淺層地?zé)崮芎侠黹_(kāi)發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)，對(duì)焦作市淺層地?zé)崮艿睦眉巴茝V具有十分重要的意義。

1 淺層地?zé)崮苜x存條件

1.1 地理位置

焦作市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)工作區(qū)包括中站區(qū)、解放區(qū)、山陽(yáng)區(qū)、馬村區(qū)、高新區(qū)五個(gè)規(guī)劃區(qū)。其范圍北到影視路，南到沙河南岸，東到馬村區(qū)東部的待王工業(yè)聚集區(qū)，西到中站區(qū)東側(cè)的新規(guī)劃區(qū)。工作區(qū)面積為240 km2。

焦作市位于河南省的西北部，北依太行山與山西省接壤，南與鄭州市、洛陽(yáng)市隔黃河相望，東臨新鄉(xiāng)市，東西狹長(zhǎng)。地理位置優(yōu)越，新焦鐵路、太焦鐵路、侯月鐵路及鄭焦高速、焦晉高速、焦?jié)咚俟芳笆〉拦反┻^(guò)本區(qū)，是晉煤南運(yùn)的通道。

1.2 淺層地?zé)崮苜x存條件

1.2.1 評(píng)價(jià)區(qū)巖土體的熱物性

評(píng)價(jià)區(qū)為太行山前沖洪積扇和山前傾斜平原，松散堆積物厚度由北向南逐漸加深，由西向東逐漸加深，在斷層附近厚度不一。主要巖土體巖性以粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)粘土、粘土為主，另有礫石零星分布。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，巖土體的熱物性參數(shù)與其含水量呈正相關(guān)關(guān)系，和密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)則有隨巖性顆粒變粗而增加的趨勢(shì)。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)淺層地?zé)崮艿亩x，結(jié)合工作區(qū)地下水含水介質(zhì)及孔隙類型、埋藏特征的實(shí)際狀況，本次工作界定：焦作市淺層地?zé)崮苜Y源是指埋藏于地表以下200 m以淺的松散巖類孔隙地下水資源及巖土體。

據(jù)其水力性質(zhì)、埋藏深度及開(kāi)采現(xiàn)狀等，在垂向上劃分為埋深40～60 m以淺的淺層孔隙含水層和埋深60～200 m之間的中深層孔隙含水層。

1.2.3 淺層地溫場(chǎng)特征

工作區(qū)200 m以淺沒(méi)有地溫異常區(qū)。

2 淺層地?zé)崮苓m宜性評(píng)價(jià)與區(qū)劃

2.1 淺層地?zé)崮芾矛F(xiàn)狀

工作區(qū)內(nèi)對(duì)淺層地?zé)崮艿睦弥饕堑叵滤礋岜孟到y(tǒng)，開(kāi)發(fā)利用較晚，總體水平較低。目前沒(méi)有使用地埋管換熱系統(tǒng)的工程。

從利用現(xiàn)狀來(lái)看，由于在利用階段沒(méi)有規(guī)劃指導(dǎo)，在開(kāi)發(fā)利用方式和開(kāi)發(fā)技術(shù)上存在一定的問(wèn)題。缺乏規(guī)劃與指導(dǎo)造成區(qū)域上對(duì)淺層地?zé)崮艿睦梅绞讲划?dāng)以及利用系統(tǒng)不匹配成功率低的不良后果。

2.2 淺層地?zé)崮苓m宜性評(píng)價(jià)與區(qū)劃

2.2.1 地下水換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)

地下水換熱方式適宜性分區(qū)綜合考慮單位涌水量、回灌條件(單位回灌量/單位涌水量)、地下水位年下降量以及水特殊地區(qū)來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 地下水換熱方式適宜性分區(qū)指標(biāo)

工作區(qū)地下水源熱泵分為較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。

(1)較適宜區(qū)(Ⅰ區(qū))。主要分布在工作區(qū)中北部地區(qū)，自西向東呈條帶狀，包括嘉禾屯、王褚以及馬村區(qū)的大部分地區(qū)，面積82.05 km2，本區(qū)內(nèi)可進(jìn)行小型地下水換熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用。靜水位埋深大于5 m，200 m深度以內(nèi)，松散巖類孔隙水有效含水層累計(jì)厚度>30 m，含水層巖性顆粒等級(jí)在中砂以上。

(2)不適宜區(qū)(Ⅱ)。在本區(qū)內(nèi)不允許進(jìn)行地下水換熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用。分布在較適宜區(qū)外的地區(qū)，面積157.04 km2。靜水位埋深小于5 m，含水層顆粒細(xì)，徑流不好的區(qū)域，分布在龍?jiān)春阅侠钊f(wàn)附近的區(qū)域；工作區(qū)西北部第四系厚度小，含水層疏干區(qū)；工作區(qū)內(nèi)的地下水源保護(hù)區(qū)、塌陷區(qū)、南水北調(diào)中線主干渠水源保護(hù)區(qū)內(nèi)。

2.2.2 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)

地埋管熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)分別選擇第四系厚度、卵石層總厚度以及含水層總厚度來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表2)。

表2 (豎直)地理管換熱適宜性分區(qū)指標(biāo) m

將各方面因素進(jìn)行綜合分析后，工作區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)共分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。

(1)適宜區(qū)(Ⅰ區(qū))。工作區(qū)南部的李萬(wàn)一帶，面積53.08 km2，其第四系厚度大于200 m，含水層厚度大于30 m，卵石層厚度小于5 m，且在現(xiàn)狀條件下，該地區(qū)沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模的開(kāi)發(fā)建設(shè)，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)可考慮利用綠地或建筑基礎(chǔ)進(jìn)行地埋管換熱系統(tǒng)的建設(shè)，進(jìn)行大面積供暖制冷。

(2)較適宜區(qū)(Ⅱ區(qū))。工作區(qū)中部的地區(qū)，面積106.40 km2，其第四系厚度大于100 m，含水層厚度大于30 m，卵石層厚度5～10 m，目前該區(qū)已經(jīng)進(jìn)行了不同程度的開(kāi)發(fā)建設(shè)，受建設(shè)場(chǎng)地的制約，不適宜進(jìn)行大規(guī)模的地埋管換熱系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，但在場(chǎng)地允許的地區(qū)，可以進(jìn)行小規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。

(3)不適宜區(qū)(Ⅲ區(qū))。工作區(qū)西北部，森林公園以北王封一帶，面積25.61 km2，其第四系厚度小于70 m，含水層厚度小于10 m，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)不能進(jìn)行地埋管換熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，為不適宜區(qū)。

3 淺層地?zé)崮苜Y源量評(píng)價(jià)

區(qū)域淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)的內(nèi)容包括淺層地?zé)崛萘?、?jì)算換熱功率，采暖期取熱量和制冷期排熱量及其保證程度評(píng)價(jià)。

3.1 淺層地?zé)崛萘坑?jì)算評(píng)價(jià)

采用體積法計(jì)算淺層地?zé)崛萘浚謩e計(jì)算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲(chǔ)藏的熱量。

1)包氣帶地?zé)崛萘坑?jì)算。在包氣帶中，淺層地?zé)崛萘繛榘鼩鈳е袔r土體的熱容量、巖土體所含水中的熱容量和巖土體所含空氣中的熱容量的和。通過(guò)計(jì)算工作區(qū)總的包氣帶淺層地?zé)崛萘繛?.672×1012KJ/℃。

2)飽水帶地?zé)崛萘坑?jì)算。在飽水帶中，淺層地?zé)崛萘繛閹r土體骨架的熱容量和巖土體中所含水的熱容量之和。經(jīng)計(jì)算飽水帶淺層地?zé)崛萘繛?.895×1013KJ/℃。

包氣帶與飽水帶地?zé)崮軒r土體地?zé)崛萘靠偤图礊闇\層地?zé)崮軒r土體地?zé)崛萘?。?jīng)計(jì)算，工作區(qū)淺層地?zé)崛萘繛?.16×1013KJ/℃。

3.2 換熱功率的計(jì)算與評(píng)價(jià)

地下水熱泵系統(tǒng)采用地下水量折算法計(jì)算，地埋管熱泵系統(tǒng)采用換熱量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法計(jì)算。

1)地下水換熱系統(tǒng)換熱功率的計(jì)算。地下水量折算法計(jì)算公式:

Qh=qwΔTρwCw×1.16×10-5

參數(shù)選取：取單井出水量為50 m3/h；確定工作區(qū)1 km2范圍內(nèi)可布置抽水井25眼；冬、夏取地下水可利用溫差平均為10℃；根據(jù)焦作市規(guī)劃及其他地區(qū)類似項(xiàng)目取值，確定工作區(qū)地下水換熱系統(tǒng)土地利用系數(shù)為0.25；本次參與計(jì)算評(píng)價(jià)地下水換熱系統(tǒng)換熱功率的面積為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用分區(qū)中的較適宜區(qū)，面積82.05 km2。

按制冷季運(yùn)行90 d，采暖季運(yùn)行120 d計(jì)算，換熱系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行取利用率為65%。在一個(gè)完整運(yùn)行年內(nèi)地下水換熱系統(tǒng)可從地下巖土體提取和排放的熱量共為：

286 447.7×3 600×24×210×0.65=3.38×1012KJ

折合標(biāo)準(zhǔn)煤11.55×107kg。

2)地埋管換熱系統(tǒng)換熱功率的計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)取得的熱導(dǎo)率或地埋管換熱器傳熱系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算單孔換熱功率。在淺層地?zé)崮軛l件相同或相近的區(qū)域，根據(jù)單孔換熱功率和淺層地?zé)崮苡?jì)算面積，計(jì)算地埋管換熱功率。計(jì)算公式為：

表3 地埋管換熱系統(tǒng)開(kāi)采資源計(jì)算表 kw

根據(jù)地下水換熱系統(tǒng)及地埋管換熱系統(tǒng)的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。工作區(qū)一個(gè)完整運(yùn)行年內(nèi)換熱系統(tǒng)可從地下巖土體提取和排放的熱量共為7.97×1013KJ，折合標(biāo)準(zhǔn)煤2.71×109Kg。

3)環(huán)境效益分析。在對(duì)大氣環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)的時(shí)候，計(jì)算單位燃料產(chǎn)生的污染物，即計(jì)算出燃燒每噸煤或者油產(chǎn)生的污染物數(shù)量。

根據(jù)上述焦作市淺層地?zé)崮苷酆系臉?biāo)準(zhǔn)煤的數(shù)量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 環(huán)境效益分析表

4 結(jié)語(yǔ)

初步查明了焦作市淺層地?zé)崮艿馁x存條件和分布規(guī)律，評(píng)價(jià)了淺層地?zé)崮苜Y源量，進(jìn)行了淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜區(qū)劃分。為促進(jìn)淺層地?zé)崮苜Y源的合理開(kāi)發(fā)利用，做好淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用工作，在地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)過(guò)程中，要重視地源熱泵換熱系統(tǒng)，使用前要進(jìn)行勘查評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選擇合適換熱方式，減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研究及監(jiān)測(cè)，建立淺層地?zé)崮軘?shù)據(jù)庫(kù)。加強(qiáng)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的管理與資源的保護(hù)，建立淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用工程的數(shù)據(jù)庫(kù)及信息系統(tǒng)。

[1]陶友良，等.河南省焦作地區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)報(bào)告.河南省地礦局水文地質(zhì)一隊(duì).焦作礦務(wù)局.1984.12.

[2]翁金桃，陶友良，等. 焦作地區(qū)巖溶發(fā)育特征及含水層劃分.河南省地礦局水文地質(zhì)一隊(duì).地質(zhì)礦產(chǎn)部巖溶地質(zhì)研究所.1989.12.

[3]朱軍濤 馬沛森，等.焦作市中深層地下水資源及其開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告.河南省地礦局水文一隊(duì).2007.12.