貴安新區(qū)淺層地溫能賦存條件及土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分析

姚哈達(dá)

(貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州 貴陽 550002)

淺層地溫能屬于一種地?zé)豳Y源，不同于中深層水熱型地?zé)豳Y源，淺層地溫能埋藏淺(一般為200 m深度以內(nèi))、儲(chǔ)量大，具有可再生且開發(fā)利用對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，它是一種新型清潔能源。根據(jù)所利用熱源的不同，淺層地溫能系統(tǒng)主要分為地下水源熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)兩種形式。開發(fā)利用淺層地溫能，有助于調(diào)整我國(guó)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

貴安新區(qū)是國(guó)務(wù)院于2014年同意設(shè)立的國(guó)家級(jí)新區(qū)，地處貴州省貴陽市和安順市結(jié)合部。貴安新區(qū)位于黔中經(jīng)濟(jì)區(qū)核心地帶，區(qū)位優(yōu)勢(shì)突出，隨著近年來貴州省委、省政府部署的貴陽貴安融合發(fā)展，實(shí)施“強(qiáng)省會(huì)”戰(zhàn)略，加快推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，使得貴安新區(qū)具備極大的發(fā)展?jié)摿?，開發(fā)淺層地溫能將為貴安新區(qū)的生態(tài)文明發(fā)展道路助力起航。本文以貴安新區(qū)直管區(qū)淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對(duì)貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源淺層地溫能的賦存特征進(jìn)行分析，并進(jìn)行適宜性分區(qū)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 自然地理概況

本次研究范圍為貴安新區(qū)直管區(qū)，面積約470 km2。直管區(qū)距離貴陽市約25 km，距離安順市約60 km。目前區(qū)內(nèi)已形成了“四橫三縱”的交通網(wǎng)絡(luò)，其中滬昆高速、滬昆高鐵從區(qū)內(nèi)經(jīng)過，區(qū)位優(yōu)勢(shì)十分明顯(圖1)。

圖1 研究區(qū)交通位置圖

研究區(qū)屬于北亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，降水充沛，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。多年平均氣溫14.1℃，多年平均降水量1 271.95 mm。多年平均水面蒸發(fā)量，介于1 042.8～812.9 mm之間。區(qū)內(nèi)主要流域有紅楓湖、松泊山水庫及其他小流域。研究區(qū)溶蝕地貌分布最廣，遍及全區(qū)，主要分布于區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖類地層大面積出露區(qū)，形態(tài)各異，組合復(fù)雜，區(qū)內(nèi)地貌組合類型主要以溶蝕成因類型為主。

1.2 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)地處于揚(yáng)子陸塊江南復(fù)合造山帶黔南坳陷區(qū)都勻南北向隔槽式褶皺變形區(qū)和揚(yáng)子陸塊上揚(yáng)子地塊黔北隆起區(qū)織金穹盆構(gòu)造變形區(qū)交界處，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要為發(fā)育北北東向的高峰斷裂、馬場(chǎng)斷裂及下洞斷層，區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂多為走滑斷層。在區(qū)的中部為川心堡向斜，向斜兩側(cè)的巖層產(chǎn)狀較緩。區(qū)內(nèi)出露地層為第四系、三疊系、二疊系、石炭系。

2 研究區(qū)淺層地溫能賦存條件

2.1 地層結(jié)構(gòu)

研究區(qū)碳酸鹽巖及夾碎屑巖的碳酸鹽巖巖層分布廣泛。第四系主要分布于調(diào)查區(qū)紅楓湖、麻線河、馬場(chǎng)河沿線，分布面積小，且厚度小。受南北向構(gòu)造力的擠壓，區(qū)內(nèi)地層基本上均呈近東西向展布。區(qū)內(nèi)三疊系分布最為廣泛，分布于調(diào)查區(qū)的大部分區(qū)域，面積463.2 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的90%，巖性以白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r為主。碎屑巖主要存在于三疊系中統(tǒng)邊陽組，分布面積較小，面積6.6 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的1%，巖性為鈣質(zhì)頁巖、泥巖及粉砂巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)地下水賦存狀態(tài)、巖石類型及其水理性質(zhì)及地下水動(dòng)力特征等因素，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水、基巖(碎屑巖)裂隙水三大類型。

2.3 巖土體熱物性特征

研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)代的巖性地層具有不同的的熱物性特征。因區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，巖土體熱物性在平面上沒有明顯的漸變化規(guī)律，體現(xiàn)在同一地層因區(qū)域位置不同熱物性存在一定差異，如調(diào)查區(qū)內(nèi)大面積分布的安順組地層，不同位置熱物性測(cè)試值結(jié)果均存在一定差異，產(chǎn)生差異的原因分析主要為所處位置的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地下水等綜合因素影響。

通過取樣測(cè)試得出區(qū)內(nèi)巖土體的熱物性參數(shù)，試驗(yàn)儀器為歐洲斯洛伐克國(guó)生產(chǎn)的isomet2114熱物性參數(shù)測(cè)試儀，測(cè)試方法采用平板瞬態(tài)法，測(cè)量范圍為0.04～6 W/m·K，測(cè)量精度為0.5%。統(tǒng)計(jì)得出研究區(qū)的碳酸鹽巖(灰?guī)r、白云巖)綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.37～3.05W/m·℃；碎屑巖(砂巖、泥巖)綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.13～2.62 W/m·℃。區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖(灰?guī)r、白云巖)比熱容為0.601～0.850 KJ/kg·℃；碎屑巖(砂巖、泥巖)比熱容為0.563～0.733 KJ/kg·℃。

綜合分析區(qū)內(nèi)巖土體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)成果，可得出以下規(guī)律：(1)導(dǎo)熱系數(shù)自小至大的巖性依次為：粘土、泥巖、灰?guī)r，白云巖；(2)白云巖、灰?guī)r中含泥質(zhì)樣品的導(dǎo)熱性均偏低于不含泥質(zhì)樣品的導(dǎo)熱性；(3)巖石晶粒越大導(dǎo)熱系數(shù)值越大；(4)同種巖性的巖樣越致密，即密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大。

2.4 淺層地溫場(chǎng)特征

研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)了地溫監(jiān)測(cè)孔9個(gè)，每10-20天觀測(cè)一次，根據(jù)測(cè)量的地溫值統(tǒng)計(jì)，可以判斷研究區(qū)內(nèi)恒溫帶深度為20～30 m之間。通過對(duì)地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果分析，研究區(qū)內(nèi)地?zé)嵩鰷芈试谄矫嫔铣尸F(xiàn)由南東向北西的遞增態(tài)勢(shì)，地?zé)嵩鰷芈式橛?.7～2.3 ℃/100m。

2.5 地層熱響應(yīng)特征

研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)熱響應(yīng)測(cè)試孔16處，鉆孔直徑為150 mm，且全部采用雙U型豎直地埋管。回填料選擇了導(dǎo)熱系數(shù)較高的石英砂、膨潤(rùn)土混合物(含有10%膨潤(rùn)土、90%SiO2砂子的混合物)。

試驗(yàn)儀器采用華清地?zé)酖H-12FT05型巖土熱物性測(cè)試儀。試驗(yàn)?zāi)M夏季制冷工況。試驗(yàn)功率為3 kw和6 kw。通過16組熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)主要地層平均初始溫為17.74℃，綜合熱導(dǎo)率為2.26～4.52 W/m·℃，夏季每延米換熱量為65.40～92.12 w/m，冬季每延米換熱量為42.80～75.35 w/m。

3 土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分析數(shù)學(xué)模型建立

3.1 評(píng)價(jià)方法的確定

通過對(duì)比常用的幾種評(píng)價(jià)方法，認(rèn)為層次分析法諸多評(píng)價(jià)因子能較好地表達(dá)研究區(qū)特殊的環(huán)境地質(zhì)條件和工程經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，是較為適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法。

層次分析法(Analytical Hierar-chy Process，簡(jiǎn)稱AHP方法)是指將與評(píng)價(jià)目標(biāo)總是有關(guān)的多個(gè)元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序(權(quán)數(shù))和總排序，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量綜合分析的決策方法。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

為了全面、合理的對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土壤源熱泵適宜性分區(qū)，需要結(jié)合貴安新區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)來確立一套綜合的評(píng)價(jià)模型體系。

評(píng)價(jià)模型結(jié)構(gòu)共分為兩級(jí)，一級(jí)評(píng)價(jià)體系屬性層為地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地層熱物理性質(zhì)參數(shù)、施工條件三大類，下設(shè)7項(xiàng)要素指標(biāo)層做出綜合分析。在此基礎(chǔ)上，疊加研究區(qū)4項(xiàng)對(duì)土壤源熱泵開發(fā)利用有限制性因素，進(jìn)行二級(jí)評(píng)價(jià)確定評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果(圖2)。

3.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定及一致性檢驗(yàn)

一致性指標(biāo)C.I.的值越大，表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，C.I.的值越小，表明判斷矩陣越接近于完全一致性。為確認(rèn)層次單排序，需要檢驗(yàn)比較矩陣的一致性，必要時(shí)對(duì)比較矩陣進(jìn)行修改，以達(dá)到可以接受的一致性，最后確定出要素指標(biāo)層中各個(gè)要素在目標(biāo)層中所占的權(quán)重(表1)。

對(duì)該判斷矩陣進(jìn)行求解，經(jīng)歸一化后得到矩陣的特征向量為：

W=(0.338,0.237,0.161,0.108,0.073,0.049,0.035)T

判斷比較矩陣的最大特征根λmax(A)=7.27。其C.I.=0.045，C.R.=0.029<0.1，該矩陣通過一致性檢驗(yàn)。

圖2 貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源熱泵層次分析模型結(jié)構(gòu)示意圖

表1 貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源熱泵影響因子權(quán)重表

表2 研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)各要素賦值表

3.4 評(píng)價(jià)因子賦值

針對(duì)研究區(qū)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件，對(duì)研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)的地下水水位、巖土體溫度、綜合熱傳導(dǎo)系數(shù)、平均比熱容、鉆進(jìn)條件、地形坡度、城市覆蓋率7個(gè)因子采取評(píng)判的方式進(jìn)行分級(jí)和賦值(表2)。

3.5 土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

采用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法，對(duì)評(píng)價(jià)體系中要素指標(biāo)層的各因子進(jìn)行加權(quán)疊加，最終計(jì)算出土壤源熱泵適宜性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)：

(1)

式中：Rx為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；Ai為指標(biāo)要素的權(quán)值；Xi為指標(biāo)要素屬性賦值；n為指標(biāo)要素個(gè)數(shù)。

根據(jù)式(1)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合貴安新區(qū)直管區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)土壤源熱泵適宜性進(jìn)行一級(jí)評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上，疊加二級(jí)評(píng)價(jià)限制條件，得出貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源熱泵開發(fā)利用的適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。

表3 貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源熱泵適宜性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

4 貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)

在野外調(diào)查、試驗(yàn)測(cè)試成果資料綜合分析基礎(chǔ)上，利用“ArcGIS”軟件將研究區(qū)進(jìn)行正方形剖分，剖分精度為“1 km×1 km”，共剖分成502個(gè)網(wǎng)格。采用實(shí)測(cè)、內(nèi)插及類比法對(duì)每個(gè)正方形網(wǎng)格進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)因子賦值，使研究區(qū)資源評(píng)價(jià)滿足精度要求。

依據(jù)本文評(píng)價(jià)模型，得到研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)結(jié)果(圖3)。研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)面積為246.47 km2，占總面積的52.0%；較適宜區(qū)面積為123.38 km2，占總面積的26.0%。土壤源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積共有369.85 km2，占研究區(qū)總面積的78%。

圖3 貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖

5 結(jié)語

在系統(tǒng)分析貴安新區(qū)淺層地溫能賦存條件的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用層次分析法，對(duì)區(qū)內(nèi)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)土壤源熱泵適宜性評(píng)價(jià)模型屬性層主要因素有4類：地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地層熱物理性質(zhì)參數(shù)、施工條件、環(huán)境地質(zhì)條件，選擇地下水水位埋深、巖土體溫度、綜合熱傳導(dǎo)系數(shù)、平均比熱容、鉆進(jìn)條件、地形條件、城市覆蓋率等11個(gè)指標(biāo)組成要素指標(biāo)層作為評(píng)判因子。

(2)通過層次分析法權(quán)重計(jì)算，發(fā)現(xiàn)影響區(qū)內(nèi)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性的要素以綜合熱傳導(dǎo)系數(shù)和平均比熱容所占權(quán)重最大。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，貴安新區(qū)直管區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積為369.85 km2，占研究區(qū)總面積的78%。

(3)土壤源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用的成本較高，在開發(fā)利用過程中要充分考慮經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，按照實(shí)際需求合理開發(fā)。