肥城市城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價

崔慶崗，來永偉，孟令華，侯新星，趙淑芳

(1.中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000；2.中國煤炭地質(zhì)總局第一勘探局地質(zhì)勘查院，河北 邯鄲 056004；3.新汶礦業(yè)集團泰山鹽化工分公司，山東 泰安 271024)

0 引言

淺層地溫能指地表以下一定深度內(nèi)的地表水、地下水、巖土體中具有開發(fā)利用價值的熱能，溫度低于25℃，深度為恒溫帶至200m[1]，歐美定義深度100m[2-3]。淺層地溫能經(jīng)濟、無污染、可再生利用，具有良好的開發(fā)利用潛力[4-7]。淺層地溫能作為一種可再生能源，分布廣、儲量大、開采成本低[8-10]。在北京市[11]、重慶市[12]、長春市[13]、貴陽市[14]、嘉興市[15]、西寧市[16]、烏魯木齊市[17]、河南省[18]、遼寧省[19]等均取得了良好的成效。2015—2017年山東省完成17地級市城市規(guī)劃區(qū)的淺層地溫能調(diào)查評價[20-26]，探討與研究了地埋管換熱影響巖土體傳熱因素及熱影響范圍[27]、流體流量對豎直地埋管深度的影響[28]、光纖測溫技術(shù)應(yīng)用、淺層地溫能開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響與監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)[29-30]。

肥城市城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能資源豐富、開采條件便利，應(yīng)用熱泵技術(shù)供暖和制冷，潛力巨大，對建設(shè)資源節(jié)約型社會、改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、保障國家能源安全、促進國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標實現(xiàn)具有非常重要的意義。目前國內(nèi)淺層地溫能的開發(fā)利用方式主要有地埋管地源熱泵換熱方式和地下水地源熱泵換熱方式，主要由水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件、巖土體熱物性等要素控制[20-25]。本次對研究區(qū)淺層地溫能利用方式的適宜性分區(qū)進行系統(tǒng)研究，為該地區(qū)淺層地溫能合理開發(fā)及利用提供設(shè)計依據(jù)具有重要意義。

1 地質(zhì)概況

1—沂河組；2—臨沂組；3—大站組；4—五陽山組；5—北庵莊組；6—東黃山組；7—三山子組；8—斷層；9—研究區(qū)范圍圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖

2 水文地質(zhì)概況

依據(jù)出露地層巖性及含水層的孔隙度、物理性質(zhì)、水力特征和埋藏分布條件等，研究區(qū)分為第四紀松散巖類孔隙水含水巖組、奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組2個含水巖組(圖2)。

1—松散巖類孔隙水，單井涌水量<500m3/日；2—碳酸鹽巖裂隙巖溶水(裸露型)，單井涌水量1000～5000m3/日；3—碳酸鹽巖裂隙巖溶水(裸露型)，單井涌水量500～1000m3/日；4—碳酸鹽巖裂隙巖溶水(覆蓋型)，單井涌水量1000～5000m3/日；5—松散巖類地下水流向；6—研究區(qū)范圍圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)圖

2.1 含水巖組劃分

(1)第四紀松散巖類孔隙水含水巖組。分布于康王河支流沿岸。含水層厚度20～30m，水位埋深4～8m，單井涌水量小于500m3/d，巖性為粉質(zhì)黏土、粉土夾砂礫層。主要接受大氣降水、河流側(cè)滲等補給，以地下徑流的方式排泄。水化學(xué)類型以HCO3-Ca，SO4-Ca為主。

(2)奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組。研究區(qū)內(nèi)大面積分布，裸露于南部，裂隙巖溶發(fā)育。主要接受大氣降水、裸露的奧陶系裂隙巖溶水的補給，排泄方式以人工開采為主，流向為自東南向西北，地下水以垂向運動為主，向盆地匯流，灰?guī)r頂板埋深一般小于70m，水位埋深45～100m，單井涌水量約1000～5000m3/d。水質(zhì)較好，礦化度0.5g/L左右，水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg，HCO3-Mg·Ca為主。

2.2 地下水補給、徑流與排泄

地下水運動主要受地層巖性、地貌及水文氣象等因素控制，同時，人類活動強度的日益加大，人為因素對地下水運動的影響也越來越強烈。各類型地下水均隨地形起伏變化而變化，地表分水嶺基本上是地下水的分水嶺，自補給區(qū)至排泄區(qū)，地下水運動速度呈現(xiàn)由快而慢的變化規(guī)律。

(1)第四系松散巖類孔隙水。大氣降水和農(nóng)田灌溉水為主要補給源，雨季康王河也補給地下水，平水期或枯水期為排泄地下水。在康王河北部區(qū)域，受古地形控制，第四系底部普遍發(fā)育一層由北向南厚度逐漸減小的黏土層，使第四系孔隙水與奧陶系巖溶水無水力聯(lián)系；在康王河南側(cè)，第四系孔隙水通過“天窗”與巖溶水發(fā)生聯(lián)系。地下水流向自北東向南西，排泄方式為側(cè)向徑流和人工開采。水力坡度4×10-3，一般厚度20～30m。豐水期水位升高，枯水期水位下降，水位動態(tài)屬氣象水文型，最低水位一般在6月份，最高水位在9～10月份。

(2)奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的補給來源為大氣降水。地下水由南向北徑流，在肥城城市規(guī)劃區(qū)北部受石炭紀、二疊紀弱透水層的阻擋后折向西南，排泄出區(qū)外。水位埋深在盆地自東向西逐漸變淺，灰?guī)r頂板埋藏深度一般小于70m，水位埋深45～100m，裂隙巖溶發(fā)育。排泄方式主要為側(cè)向徑流和人工開采。水位動態(tài)變化與大氣降水關(guān)系密切，屬氣象水文型。當(dāng)降水量由小—大—小變化時，地下水位也相應(yīng)呈現(xiàn)低—高—低的變化規(guī)律，具有明顯滯后現(xiàn)象，這與大氣降水后地表水的匯集和徑流距離有關(guān)。

2.3 地下水水位埋深情況

本次對研究區(qū)范圍及周邊區(qū)域的奧陶紀灰?guī)r地層水位埋深進行了測量，水位等值線圖顯示(圖3)，水位埋深多約在65～75m，埋深最大者位于新城鎮(zhèn)白云山公園南、沙窩社區(qū)西南一帶，埋深達約100m，推測與桃園斷裂有關(guān)，導(dǎo)致水位埋深較大；埋深最小者位于老城鎮(zhèn)西百尺村，水位埋深在45m左右。研究區(qū)范圍內(nèi)水質(zhì)情況、水量賦存情況均優(yōu)良—良好。

1—水位埋深等值線；2—測量機井位置及水位；3—研究區(qū)范圍圖3 研究區(qū)地下水水位埋深曲線圖

3 淺層地溫概況

研究區(qū)的地溫高低主要取決于所在第四系覆蓋厚度及奧陶紀地層巖性、巖溶裂隙水水位埋深、裂隙巖溶發(fā)育程度等因素。巖石裂隙不發(fā)育，地下水徑流條件相對弱，不利于大地?zé)崃鞯纳⑹?，地溫相對也較高。當(dāng)巖石裂隙發(fā)育強裂，為地下水強徑流帶和排泄區(qū)，地溫相對較低[31]。

3.1 淺層地溫場特征

研究區(qū)變溫帶的下限深度介于10～14m之間，恒溫帶溫度范圍為14.5～16.8℃，平均值15.5℃。垂向主要巖性相同、但有第四紀覆蓋層的地層，其變溫帶深度相對略淺。地溫梯度變化值介于0.45～2.14℃/100m之間，無明顯規(guī)律性。平面上來看(圖4)，最高溫分布于研究區(qū)西部，呈現(xiàn)SN向分布，位于西大封—朱莊—金槐—冉莊村一帶，溫度達到18℃以上，施工鉆孔中巖心多處發(fā)育礫狀灰?guī)r，推測溫度偏高與小型斷層構(gòu)造有關(guān)。最低溫位于研究區(qū)中間區(qū)域、省道S309以北范圍內(nèi)，區(qū)域上與康王河形態(tài)相似，呈EW向展布，溫度低于17℃。此外，儀陽鎮(zhèn)—北辛莊—石塢村一帶溫度亦低于17℃，初步分析，較其他位置偏低的主要原因是，地下水徑流較強，地下水垂向的流動致使地溫變化幅度較小。其他區(qū)域多在16.0～17.0℃，總體變化不大。

1—溫度等值線；2—測量機井位置及水位；3—研究區(qū)范圍圖4 研究區(qū)200m平面地溫特征

3.2 巖土體熱物性特征

根據(jù)實驗室鉆孔測試數(shù)據(jù)來看：奧陶紀灰?guī)r的導(dǎo)熱系數(shù)λ介于1.571～5.439W/m·℃之間，平均值3.569W/m·℃；熱擴散系數(shù)a介于1.00～3.60mm2/s之間，平均值1.86mm2/s；容積比熱容C介于0.556～2.572MJ/m3·℃之間，平均值2.013MJ/m3·℃。第四紀松散覆蓋物的導(dǎo)熱系數(shù)λ介于0.281～2.076W/m·℃之間，平均值0.899W/m·℃；熱擴散系數(shù)a介于0.29～3.55mm2/s之間，平均值0.95mm2/s；容積比熱容C介于0.207～3.985MJ/m3·℃之間，平均值1.282MJ/m3·℃。

據(jù)容積比熱容分區(qū)圖(圖5)，研究區(qū)大致以康王河為界，南部容積比熱容明顯要高于北部。其中：西北部老城鎮(zhèn)西百尺村一帶容積比熱容最小，小于1.57MJ/m3·℃，周邊范圍內(nèi)多小于1.67MJ/m3·℃，這與該區(qū)域第四系含水埋深較淺、含水層厚度大有關(guān)。中間區(qū)域內(nèi)、省道S309以北的王瓜店鎮(zhèn)范圍內(nèi)，容積比熱容介于1.67～1.87MJ/m3·℃之間，這與第四紀含水層多在20～30m有關(guān)，第四紀地層以沂河組和臨沂組為主。南部新城鎮(zhèn)、儀陽鎮(zhèn)范圍內(nèi)，基巖隱伏較淺，或直接出露，或第四系覆蓋厚度小，第四紀地層以大站組為主，第四系含水性較差，容積比熱容大于1.87MJ/m3·℃。

1—容積比熱容曲線；2—熱響應(yīng)試驗鉆孔編號；3—研究區(qū)范圍圖5 研究區(qū)容積比熱容分區(qū)圖

根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)分區(qū)圖(圖6)，研究區(qū)大致以康王河以北為界，南部導(dǎo)熱系數(shù)明顯要高于北部。其中：西北部老城鎮(zhèn)西百尺村一帶、王瓜店鎮(zhèn)朱莊村一帶導(dǎo)熱系數(shù)最小，導(dǎo)熱系數(shù)小于2.30W/m℃，周邊范圍內(nèi)多小于2.80W/m℃，這與該區(qū)域第四系含水埋深2～5m，較淺、含水層厚度大有關(guān)。中間區(qū)域內(nèi)、省道S309以北的王瓜店鎮(zhèn)范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)介于2.30～3.05W/m℃之間，這與第四系含水層多在20～30m有關(guān)，第四紀地層以沂河組和臨沂組為主。南部新城鎮(zhèn)、儀陽鎮(zhèn)范圍內(nèi)，基巖隱伏較淺，或直接出露或第四系覆蓋厚度小，第四紀地層以大站組為主，第四系含水性較差，導(dǎo)熱系數(shù)大于3.05W/m℃，其中南軍寨村附近達到3.80W/m℃。

1—導(dǎo)熱系數(shù)曲線；2—熱響應(yīng)試驗鉆孔編號；3—研究區(qū)范圍圖6 研究區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)分區(qū)圖

4 地源熱泵適宜性分區(qū)

4.1 地下水地源熱泵適應(yīng)性分區(qū)

選取研究區(qū)巖、土體含水層組地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地下水動力場條件、水溫場條件、水化學(xué)特征、環(huán)境地質(zhì)條件5個評價指標，進一步細分為含水層單位涌水量、結(jié)構(gòu)、厚度、回灌能力；地下水水位埋深、含水層滲透系數(shù)；平均熱導(dǎo)率、50m深度處的地溫；水質(zhì)分區(qū)、硬度分區(qū)；地下水水源地保護區(qū)、地下水水位年降幅、采空塌陷等14個要素。對研究區(qū)巖、土體含水層組地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性進行細化分區(qū)。地下水地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為適宜性中等區(qū)、適宜性差區(qū)(圖7)。

1—適宜性中等區(qū)；2—適宜性差區(qū)；3—研究區(qū)范圍圖7 研究區(qū)地下水地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖

適宜中等區(qū)(Ⅰ區(qū))為研究區(qū)的主要分布區(qū)，面積為70.36km2，約占全區(qū)總面積的87.30%。適宜差區(qū)(Ⅱ區(qū))包括煤炭采空塌陷區(qū)(Ⅱ1)，白云山公園一帶(Ⅱ2)、龍山公園一帶(Ⅱ3)、儀陽鎮(zhèn)母豬山一帶(Ⅱ4)。分別分布于泰肥鐵路以北一帶、白云山公園一帶、龍山公園一帶、儀陽鎮(zhèn)母豬山一帶，面積分別為2.35km2，6.43km2，0.40km2，1.06km2；分別約占總面積的2.92%，7.98%，0.50%，1.32%。

4.2 地埋管地源熱泵適應(yīng)性分區(qū)

本次適應(yīng)性分區(qū)采用地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，施工條件和巖土體熱物性參數(shù)3個指標構(gòu)成，細化為第四系厚度、含水層厚度、分層水質(zhì)狀況、地下水水位埋深、鉆探施工難度和成本條件、城市覆蓋率及地形坡度施工條件、巖溶發(fā)育情況、平均熱導(dǎo)率、平均熱容、地溫等10個要素。地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為適宜性中等區(qū)、適宜性差區(qū)(圖8)。

1—適宜性中等區(qū)；2—適宜性差區(qū)；3—研究區(qū)范圍圖8 研究區(qū)地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖

適宜中等區(qū)(Ⅰ區(qū))為研究區(qū)的主要分布區(qū)，面積為79.19km2，約占全區(qū)總面積的98.25%。適宜差區(qū)(Ⅱ區(qū))：包括白云山公園一帶(Ⅱ1，1.01km2)、龍山公園一帶(Ⅱ2，0.40km2)，分布于研究區(qū)南部，面積為1.41km2，約占全區(qū)總面積的1.75%，為生態(tài)保護區(qū)。

5 結(jié)論

在充分收集研究區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)等資料基礎(chǔ)上，通過鉆探施工、現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗測試、室內(nèi)實驗測試等綜合研究，本文將肥城市城市規(guī)劃區(qū)適宜性分區(qū)劃分為：

(1)地下水地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為1個適宜性中等區(qū)、4個適宜性差區(qū)：適宜中等區(qū)包括大面積地區(qū)，約占全區(qū)87.30%。適宜差區(qū)位于泰肥鐵路以北一帶、白云山公園一帶、龍山公園一帶、儀陽鎮(zhèn)母豬山一帶。

(2)地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為1個適宜性中等區(qū)、2個適宜性差區(qū)：適宜中等區(qū)包括研究區(qū)大面積地區(qū)，約占全區(qū)98.25%。適宜差區(qū)包括白云山公園一帶、龍山公園一帶，為生態(tài)保護區(qū)。

在城市規(guī)劃區(qū)集中供暖范圍不能覆蓋的區(qū)域，以淺層地溫能的開發(fā)利用為重點，推廣地源熱泵系統(tǒng)，優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)，既解決長距離供暖帶來的路徑消耗，降低管線、加壓等基建費用，還減少化石能源燃燒的排放，形成資源節(jié)約、環(huán)境友好的居住空間布局和建筑格局。