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，湖北 大冶 435100)

淺層地溫能是指蘊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)利用價值的熱能。淺層地溫能以其分布廣、儲量大、高效無污染的特點，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目容易帶來資源利用率不高、工程經(jīng)濟浪費等問題，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)利用潛力評價十分必要，這是能夠最大程度獲取社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益的重要前提[1-3]。

目前黃石市淺層地溫能開發(fā)利用激勵政策和指導規(guī)劃尚未出臺，淺層地溫能處于無序開發(fā)狀態(tài)，在應用規(guī)模和水平上有非常大的提升空間。由于未系統(tǒng)評價黃石城市規(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利用綜合管理平臺，將為黃石市的經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展發(fā)揮應有的作用。

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)利用適宜性評價體系并開展適宜性分區(qū)評價，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)計算淺層地溫能資源量及開發(fā)利用潛力。研究成果對評價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季風氣候區(qū)，具有冬冷夏熱、四季分明的特點。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，年日照時間1 666.4—2 280.9 h。多東南風，年平均風速為2.17 m/s。

區(qū)內(nèi)地表水體發(fā)育，最大的是長江，其次為湖泊。長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，地勢高低起伏不定，海拔標高多在200～500 m。黃荊山與父子山之間主要為地勢平緩的環(huán)大冶湖平原區(qū)，海拔標高多在10～50 m。按相對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、頁巖等。

2.2 巖土體熱物性特征

野外現(xiàn)場開展了10組/10孔熱響應試驗，每孔均采用埋設(shè)傳感器法和無功循環(huán)法測試，獲取了巖土體初始地溫特征。采集了370組巖土體進行室內(nèi)測試，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、頁巖、角礫巖比熱容相對較小，一般為0.87～0.98 kJ/(kg·℃)。

導熱系數(shù)方面，粘性土的導熱系數(shù)較小，一般<1.5 W/(m·℃)；灰?guī)r、頁巖的導熱系數(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大類。

2.4 地溫場特征

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)氣候影響相對較小。

3 開發(fā)利用適宜性分區(qū)及資源量評價

3.1 開發(fā)利用適宜性分區(qū)

采用層次分析法分別對地下水、地埋管地源熱泵適宜性進行分區(qū)評價。地下水地源熱泵適宜性評價的目標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、地下水動力條件、地下水化學特征、開采能力及環(huán)境影響和施工成本組成；要素指標層包括含水層出水能力、含水層回灌能力、地下水位埋深、地下水位動態(tài)變化、地下水水質(zhì)、地下水開采能力、環(huán)境地質(zhì)災害易發(fā)性、成井條件等8個要素[4]。地埋管地源熱泵適宜性評價的目標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)、地層熱擴散系數(shù)、地層每延米換熱量和鉆進條件等7個要素[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)主要為團城山—下陸一帶，分布面積約6.94 km2，其特點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；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，其主要特點為覆蓋層厚度相對較薄，地埋管換熱孔的施工成本較低，同時換熱孔內(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價

3.2.1淺層地溫能熱容量計算

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)的實際情況，本次淺層地溫容量評價按規(guī)范標準[6]，采用體積法分別計算包氣帶和飽水帶中單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價范圍內(nèi)地質(zhì)體的儲熱量。

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

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算

根據(jù)黃石市地埋管地源熱泵系統(tǒng)經(jīng)驗，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4萬個。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。

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，則一個制冷季(120 d)可向地下排放的熱量為1.54×1014kJ，一個采暖季(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，折合標準煤1 495.47萬t。若不考慮土地利用系數(shù)，則可利用資源量為8.42×1014kJ，折合標準煤4 807.06萬t。

3.2.3淺層地溫能資源潛力評價

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)潛力評價圖(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)潛力評價圖(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)采用層次分析法評價了研究區(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。