安徽省六安市城區淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性評價(jià)研究

城市及其周邊由于建筑物密集，人口密度大，加之城市化進(jìn)程的縱深推進(jìn)，城市發(fā)展對能源的需求與日俱增，發(fā)展城市地區淺層地熱能，減少化石能源的使用，拓寬城市地區淺層地熱能市場(chǎng)已是大勢所趨，通過(guò)對焦作市淺層地熱能的賦存條件和分布規律進(jìn)行分析，評價(jià)了焦作市淺層地熱能資源量，對淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜區進(jìn)行了劃分，并提出合理開(kāi)發(fā)、可持續利用淺層地熱能的建議；在淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性評價(jià)領(lǐng)域，區內適宜采用地埋管地源熱泵系統開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能；選取含水層富水性、補給模數、地下水開(kāi)采潛力、含水層巖性、地下水位埋深、含水層回灌能力、礦化度、總硬度和地下水的腐蝕性共9個(gè)要素指標進(jìn)行賦值計算，對漯河市淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性評價(jià)分析；為了解決魯北平原區農村冬季清潔供暖問(wèn)題，總結了魯北平原區內4個(gè)水文地質(zhì)勘探孔抽水試驗與回灌試驗成果，對區內地下咸水淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用條件進(jìn)行研究和分析；這些研究成果為淺層地熱能的開(kāi)發(fā)利用提供了科學(xué)依據。

本文以安徽省六安市城區為例，綜合調查區內淺層地熱能、地質(zhì)鉆探、巖土熱響應室內測試及現場(chǎng)試驗、地溫場(chǎng)監測和水質(zhì)分析等基礎資料，為日后城市基建、淺層地熱能的開(kāi)發(fā)和利用提供理論基礎和實(shí)踐依據。

1 淺層地溫場(chǎng)分布特征

采用測量水溫的方式測量地溫，測量數據精確到0.1℃。利用安徽省地質(zhì)環(huán)境監測總站地下水動(dòng)態(tài)監測孔及巖土現場(chǎng)熱響應試驗孔進(jìn)行1個(gè)氣候年的地溫動(dòng)態(tài)監測，分析天然地溫場(chǎng)在空間、時(shí)間上的變化規律。

1.1 地溫場(chǎng)垂向分布特征

受巖石和土體導熱系數的影響，地溫無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化，地球內部熱量主要控制著(zhù)恒溫帶以下的地溫。在200 m以淺范圍，地溫場(chǎng)隨著(zhù)深度的增加，可分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。據本次地溫監測資料，選取能代表區內環(huán)境地質(zhì)特征的，且地溫測量穩定的LDW01監測孔，總結地溫場(chǎng)垂向變化特征，見(jiàn)圖1。

變溫帶：該層地下3.5 m處年最高溫度21.5℃，最低溫度13.8℃，變化幅度7.7℃；地下5 m處年最高溫度20.1℃，最低溫度16.2℃，變化幅度3.9℃。區內變溫帶下限深度9～13 m。

恒溫帶：該層熱能相對平衡，溫度一般18.1～18.5℃，恒溫帶上限埋深9～11 m，下限深度19～45 m，厚8～26 m。

增溫帶：研究區增溫帶上限深度為19～44 m，其下由淺至深溫度逐漸增加為增溫帶，平均增溫率為1.4℃·（100 m)-1。

1.2 地溫場(chǎng)平面分布特征

研究區在平面上地層巖性及結構和地下水動(dòng)力等地質(zhì)條件存在明顯差異，其地溫場(chǎng)特征也有所迥異。恒溫帶平面分布特征的劃分主要依據區內13個(gè)地溫監測孔的實(shí)測地溫數據，結合淺層地熱能綜合調查、巖土現場(chǎng)熱響應試驗和本地城區年平均氣溫資料而綜合確定。區內西側位于淠河周邊，恒溫帶上限深度小于東側區域，上限深度一般9～17 m；東側及中部地區，恒溫帶上限深度約為21 m；區內中心城區及東部地帶恒溫帶平均溫度大于17.6℃，北側地帶恒溫帶平均溫度小于17.3℃，剩余部分大范圍地區恒溫帶平均溫度為17.3～17.6℃。恒溫帶厚度約9～25 m。

 圖1 研究區內變溫帶地溫垂向變化圖

2 評價(jià)方法研究

適宜性評價(jià)分析方法有很多，目前廣泛應用的有綜合指數法、層次分析法、權重分析法、專(zhuān)家打分法、主成分分析法以及系統動(dòng)力學(xué)法。此外，上述分析方法并非獨立參與評價(jià)的，往往是將上述兩種及兩種以上的方法互相結合，構建指標體系后再使用。

研究區適宜性分析主要為地源型（地埋管）開(kāi)發(fā)利用方式，選取安徽省六安市城區，采用層次分析法綜合確定各評價(jià)因子的權重值，運用綜合指數法進(jìn)行量化分析，借助MapGIS軟件實(shí)現六安市城區淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用適宜性分析的可視化。

2.1 構建評價(jià)體系

適宜性劃分層次結構模型：根據層次結構，建立開(kāi)發(fā)利用適宜性劃分層次結構模型。

要素層共有9項指標。1）第四系厚度：區內第四系為較固結及固結類(lèi)地層，第四系松散層厚度小于35 m，統一劃分為單一基巖地層結構。2）地下水水位：區內松散巖類(lèi)孔隙水埋深多為1.9～3.0 m，承壓水埋深多為2.0～4.1 m；碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙潛水單井涌水量10～100 m3·d-1，承壓水單井涌水量10～100 m3·d-1，含水層頂板埋深小于100 m。3）地下水徑流條件：區內地下水徑流條件主要體現在地下水的徑流強度，即單位時(shí)間內通過(guò)單位過(guò)水斷面的水量——滲透速度來(lái)表征，計算公式為：滲流速度=水力梯度×巖土體滲流系數。4）地下水水質(zhì)：區內松散巖和碎屑巖類(lèi)孔隙水及承壓水水質(zhì)均較好，均為HCO3-Ca·Na型，溶解性總固體小于1 g·L-1。5）地層巖性：區內地層屬華北地層大區淮河地層小區，根據淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn)，結合安徽省地質(zhì)條件，區內地層巖性主要劃分為松散巖類(lèi)、半固結及固結巖類(lèi)地層。6）鉆進(jìn)條件：巖類(lèi)較松散，利于鉆進(jìn)；巖類(lèi)固結堅硬，不利于鉆進(jìn)。按照區內較固結及固結巖類(lèi)評價(jià)鉆進(jìn)條件，可將地層巖性固結程度分為兩大類(lèi)別。其一是新生界第三系及中生界白堊系的較固結地層，其二是中生界侏羅系的固結巖類(lèi)地層。7）城市功能分區：分為城市地區土地現狀和城市周邊土地兩部分，描繪出城市地區功能分區范圍。8）地層熱傳導系數：結合區內地質(zhì)條件，地層綜合熱導系數可分為松散巖類(lèi)和固結巖類(lèi)。9）地層比熱容：評價(jià)方法與綜合熱導率相同。

研究區內恒溫帶平面分布特征圖

3 適宜性評價(jià)結果

3.1 分區方法

通過(guò)上述網(wǎng)格剖分（1 000 m×1 000 m網(wǎng)格）及對每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行賦值，運用綜合指數法將所得賦值與其相對應的權重值相乘后求和，可得到各網(wǎng)格點(diǎn)分值。根據分值確定適宜性分區劃分標準，劃分出不同的適宜性分區。

3.2 分區評價(jià)結果

綜上所述，研究區內適宜性評價(jià)主要為地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)利用方式，分區劃分標準為：分值在0～5范圍內為不適宜區，>5～7范圍內為較適宜區，>7～9范圍內為適宜區。

適宜區：區內無(wú)分布。

較適宜區：主要分為2種類(lèi)型。1）較固結巖類(lèi)：主要分布在區內中、西部地區，第四系松散層厚度小于35 m，下伏地層為下新生界第三系及中生界白堊系細砂巖、粉砂巖、泥巖；2）固結巖類(lèi)亞區：主要分布在區內東、東南部地區，第四系松散層厚度小于10 m，下伏地層為中生界侏羅系砂巖、礫巖及中細砂巖夾粉砂巖。

不適宜區：分布于區內三十里鋪局部地區，范圍較小。為高丘地貌，開(kāi)發(fā)利用適宜性較差。

 地源型（地埋管）開(kāi)發(fā)利用適宜性分區評價(jià)圖

4 結論

安徽省六安市城區淺層地熱能地源型（地埋管）開(kāi)發(fā)利用適宜性劃分為較適宜區和不適宜性區兩種類(lèi)型。其中較適宜區面積共519.96 km2，占評價(jià)區總面積的92.85%；不適宜區面積共40.04 km2，占評價(jià)區總面積的7.15%。因此，六安市城區大部分范圍內均適宜地源型（地埋管）地熱的開(kāi)發(fā)利用。

在建立評價(jià)體系過(guò)程中未考慮城市地質(zhì)災害因素，在以后的工作和實(shí)踐中應詳細調查地面沉降、裂縫城市地質(zhì)災害，完善評價(jià)體系。