地源熱泵系統(tǒng)在武漢市巖溶分布區(qū)的適宜性

龐設典，龍治國，官善友，舒武堂

(1.武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022； 2.武漢市建設工程設計審查辦公室，湖北武漢 430015)

地源熱泵系統(tǒng)在武漢市巖溶分布區(qū)的適宜性

龐設典1?，龍治國1，官善友1，舒武堂2

(1.武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022； 2.武漢市建設工程設計審查辦公室，湖北武漢 430015)

在分析武漢市巖溶分布發(fā)育特點及巖溶地面塌陷歷史和規(guī)律的基礎上，通過分析地下水換熱系統(tǒng)和地埋管換熱系統(tǒng)對巖溶地質環(huán)境的影響，對武漢市在可溶巖分布區(qū)開展地源熱泵系統(tǒng)技術的適宜性進行了分區(qū)和評價。

巖溶；塌陷；地源熱泵系統(tǒng)；適宜性

武漢市作為國家實施“中部崛起戰(zhàn)略”的龍頭城市之一和“全國兩型社會建設綜合配套改革試驗區(qū)(8＋1城市圈)”，近年來社會經濟持續(xù)發(fā)展，人民生活水平顯著提高，但隨之而來的是能源形勢日益緊張及環(huán)保任務日益加重。地源熱泵技術作為一種高效節(jié)能、環(huán)保型的可再生能源工程技術，在武漢地區(qū)已有了一定的應用，相關地方技術標準和政策性措施也已制訂。而武漢市近幾十年來已發(fā)生多起巖溶地面塌陷，其中不乏人為工程活動引發(fā)的地面塌陷。因此，在巖溶發(fā)育地區(qū)采用地源熱泵技術應充分了解巖溶發(fā)育特點，采取合理的熱泵型式和必要的工程措施，以確保不對地質環(huán)境造成破壞。

1 武漢市巖溶分布發(fā)育特點

武漢市屬鄂東南巖溶地面塌陷易發(fā)區(qū)，近幾十年發(fā)生過多起巖溶地面塌陷災害，造成了很大的經濟損失和不良社會影響，在全國副省級城市中罕見。

1.1 武漢市巖溶分布發(fā)育總體特征

巖溶是可溶性巖石在水的溶蝕作用下，產生的各種地質作用形態(tài)和現(xiàn)象的總稱，可溶性巖石包括碳酸鹽類巖石(石灰?guī)r、白云巖等)、硫酸鹽類巖石(石膏、芒硝等)和鹵素類巖石(巖鹽等)。武漢地區(qū)的可溶性巖石大多屬于碳酸鹽類巖石，自北向南分布有3個條帶，呈近東西向分布。其中南部與中部(尤其是南部)條帶巖溶相對發(fā)育。多呈緊閉型褶皺，厚度不大(石炭系黃龍組灰?guī)r厚約 30 m，二疊系棲霞組灰?guī)r厚約150 m)。傾斜較陡，局部直立甚至倒轉。巖溶發(fā)育深度自基巖面至 －100 m以內，最深可達 －127.5 m；其間可劃分為3個～5個巖溶洞隙層，每層巖溶洞隙高度0.5 m～10.0 m不等。位于長江一級階地的巖溶連通性較好，特別是碳酸鹽巖和碎屑巖的不整合接合部位巖溶往往比較發(fā)育。

1.2 武漢地區(qū)巖溶塌陷形成的基本條件

(1)在地下不太深處存在碳酸鹽類可溶巖體，可溶巖中巖溶洞隙很發(fā)育，且在覆蓋土層之下分布有開口溶洞、溶隙，也就是存在著覆蓋土層物質向巖溶洞隙中運移的通道。同時還需要溶洞中存在使土層物質流入的空間，即溶洞中無充填物或只有少量充填物。

(2)覆蓋土層松散無粘性，松散物質可直接下泄，或土層雖很密實有粘性但在地下水長期吸蝕作用下已形成漏斗狀疏松體或空洞。

(3)巖溶地下水有充分的運動循環(huán)條件，可使溶洞中充填物被帶走或補充進洞。一般有兩種情況，一種是巖溶地下水位低于基巖頂面，在土層底部和巖體上部存在飽氣帶，有利于水的垂直循環(huán)，使土體能被掏空而形成空洞。另一種是覆蓋層中松散物質為飽和含水層(孔隙含水層)，它和巖溶地下水有直接的水力聯(lián)系，能形成統(tǒng)一的水運動過程。這兩種水動力條件分別對應不同覆蓋土層塌陷的形成。

(4)誘發(fā)條件。包括抽取巖溶地下水、工程建設等，均可能引發(fā)巖溶塌陷。

1.3 武漢市巖溶地面塌陷歷史

武漢市曾發(fā)生過多次巖溶地面塌陷。1931年8月丁公廟塌陷，導致江堤潰口，形成倒口湖，白沙洲淹沒；1977年9月～1992年先后發(fā)生6處地面塌陷(如1977年中南軋鋼廠鋼材庫塌陷、1983年7月武昌阮家巷塌陷、1988年5月武昌陸家街塌陷等)，1999年以后相繼又發(fā)生了青菱鄉(xiāng)毛坦港塌陷、武昌涂家溝司法學校塌陷、青菱鄉(xiāng)烽火村塌陷；2005到2006年倒口湖阮家巷一帶發(fā)生過兩次地面塌陷，其中2006年4月發(fā)生的地面塌陷發(fā)生在可溶巖和非可溶巖的接觸帶地區(qū)；2008年2月又在漢南紗帽鎮(zhèn)緊鄰長江大堤處發(fā)生了地面塌陷；2009年，武昌白沙洲大道半年發(fā)生8次地面塌陷。上述地面塌陷或使工廠停工、學校停課，或使民房陷落、居民搬遷，或使交通中斷、水渠彎裂，甚至威脅鄰近的交通動脈、江堤安全。

1.4 武漢地區(qū)巖溶地面塌陷特點

(1)武漢地區(qū)歷年所發(fā)生的巖溶地面塌陷幾乎全都發(fā)生在武昌、漢陽長江兩岸的南部石灰?guī)r條帶濱江長江一級階地，第四紀覆蓋土層主要為全新世(Q4)砂土和一般粘性土。其地層組合、地下水類型及塌陷機理特點是:

地層組合為典型的二元結構，上部為粘性土，下部為粉細砂直接覆蓋在石灰?guī)r之上；粉細砂中含孔隙承壓水，石灰?guī)r中含巖溶裂隙水，兩個含水層有直接的水力聯(lián)系；當巖溶洞隙有覆蓋層物質流入后，覆蓋層中逐漸形成漏斗狀疏松體，直至形成地面塌陷坑。屬于“潛蝕”型。

(2)許多工程實踐表明，武漢地區(qū)巖溶往往沿灰?guī)r層面、不整合接觸面、斷層破碎帶等結構面發(fā)育，且垂向比較發(fā)育，而水平向連續(xù)性較差。

(3)在武漢地區(qū)二、三級階地灰?guī)r條帶以上的老粘性土(Q2、Q3)層，目前為止尚未發(fā)現(xiàn)土洞和巖溶地面塌陷，說明武漢地區(qū)老粘性土在現(xiàn)有環(huán)境下不具備產生土洞和塌陷的地質條件。但在武漢鄰近丘陵山區(qū)的山前或山間低地一帶的老粘性土(Q2＋3)覆蓋區(qū)，由于石灰?guī)r中巖溶地下水位低于土巖分界面，巖面上下存在地下水的垂直循環(huán)帶，在地下水長期潛蝕過程中存在形成土洞，進而造成塌陷的現(xiàn)象。

2 武漢市地源熱泵技術應用情況

2.1 武漢市地源資源情況

(1)地表水資源情況

武漢市位于長江、漢江交匯處，區(qū)內江河縱橫，湖泊密布，地表水資源豐富。地表水資源量中心城區(qū)4.42億m3，遠城區(qū)約2.3億m3。

在武漢市，一般冬季江河水溫比地面水溫略高，夏季江河水溫比地面水溫略低。以長江為例，冬季水溫一般在7℃～8℃，夏季水溫一般在27℃～28℃。漢江水溫一般較長江水溫略低。長江與漢江具有流域面積廣、水量豐富、水深較大、流速大、自然凈化能力強的優(yōu)點，利用江水作為地源熱泵的冷熱源條件非常優(yōu)越。

武漢市的湖泊多為淺盆湖，湖水溫度與地面溫度相差也不大。利用湖泊水作為地源熱泵系統(tǒng)的冷熱源，其效果不甚理想，其水體利用有待進一步探討。

(2)地下水資源情況

武漢市地下水資源豐富，地下水天然補給量為4 866.28×104m3/a，開采條件下，天然補給量為13 910.4×104m3/a，可開采量為 13 121.4×104m3/a，2005年武漢市區(qū)地下水開采量為1 875.44×104m3，僅占地下水可開采量14%，因此，武漢市地下水資源開發(fā)利用潛力較大。

全新統(tǒng)孔隙承壓水水溫4月～9月隨氣溫升高亦有相應的抬升，最高可達20℃左右，冬季最低水溫約16℃，年變幅約4℃。上更新統(tǒng)孔隙承壓水、碎屑巖類裂隙孔隙承壓水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水水溫動態(tài)特征無顯著變化，最高19℃，最低17℃，年變幅2℃。

(3)土壤源情況

武漢地區(qū)大部分地層顆粒較細，土石類別主要為松土～普通土～硬土，土石等級為Ⅰ～Ⅱ～Ⅲ級，換熱孔施工難度小，成本低。武漢市陸地面積很大，一般來講，大部分地區(qū)都可以考慮采用土壤(包括巖石)源作為熱泵系統(tǒng)冷熱源。

據(jù)資料顯示，與地面上環(huán)境空氣相比，地面以下1 m左右的地層，其初始溫度大約等于年平均溫度，地面以下5 m左右土壤溫度全年基本穩(wěn)定，且略低于年平均氣溫，而在地面下20 m左右土壤溫度基本在18℃左右。所以從熱力學原理上講，土壤源是一種比環(huán)境空氣更好的熱泵系統(tǒng)的冷熱源。

2.2 武漢市地源熱泵技術應用情況

武漢市目前尚無采用地表水作為冷熱源的地源熱泵系統(tǒng)應用。已采用的主要為地下水源和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。地下水源地源熱泵主要設置在地下水資源儲量豐富的一級階地，以全新統(tǒng)孔隙承壓水作為冷熱源，目前已采用的建設項目有近30項。地埋管地源熱泵主要設置在高階地，以淺部土層或基巖作為冷熱源，已采用的建設項目有近20項?？傮w來講，已建成項目運行較好。

在運行過程中，強調加強地下水水質和水位、回灌效果、地下環(huán)境溫度以及地面建構筑物變形等監(jiān)測工作，及時發(fā)現(xiàn)問題，并不斷總結經驗、尋找規(guī)律，為地源熱泵的推廣應用積累寶貴的地區(qū)經驗。

3 在巖溶發(fā)育區(qū)采用地源熱泵技術易造成的環(huán)境地質問題

采用地下水源熱泵可能引發(fā)的環(huán)境地質問題主要有回灌水質不合格，回灌不到位而引起地下水水質污染和地面沉降以及抽吸地下水引發(fā)巖溶地面塌陷等。

由于地埋管地源熱泵系統(tǒng)要與地下巖土進行熱交換，在冬夏季吸排熱不太平衡的情況下，有可能打破地下局部溫度平衡，從而導致細菌繁殖、污垢、膠體等不良影響。土壤溫度的升高，還可能影響地面植物的生長，從而對生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。由于要在地下打許多地埋管換熱器鉆孔，可能會破壞土體的穩(wěn)定性，可能由于回填料不合格或回填不到位而人為形成巖溶裂隙水的補充通道，進而加速土洞和塌陷的形成和發(fā)展，對建筑物穩(wěn)定性有一定影響。此外，在巖溶發(fā)育區(qū)采用地埋管，由于巖溶發(fā)育的規(guī)律性差，可能會增加成孔的難度并在成孔費用上有較大的提高。

4 可溶巖分布區(qū)地源熱泵技術適宜性

受區(qū)域構造控制，武漢城區(qū)分布有近東西向條帶狀可溶巖，自北向南主要呈3個條帶產出。筆者根據(jù)武漢地區(qū)可溶巖分布、巖溶分布和地下水發(fā)育等地質環(huán)境特點，將地源熱泵技術(主要針對地下水源和地埋管)適宜性進行了初步分區(qū)，將其分為不適宜區(qū)、適宜性差區(qū)和較適宜區(qū)等三個層次。

(1)不適宜區(qū)

本區(qū)主要處在第三條帶的沿江一級階地地帶，可溶巖主要為三疊系大冶組灰?guī)r，屬潛在巖溶地面塌陷危險區(qū)，歷史上發(fā)生過多次巖溶地面塌陷，地源熱泵工程建設引發(fā)巖溶地面塌陷地質災害的可能性大。

本區(qū)主要為長江大橋以南的長江兩岸一級階地且分布有碳酸鹽巖地區(qū)，巖溶較發(fā)育，巖溶水與第四系孔隙承壓水和長江補排關系明顯。北起漢陽中南軋鋼廠、武昌造船廠長江一級階地與崗地相臨地帶，南抵青菱湖、黃家湖長江一級階地與崗地交接地帶，西至太子湖長江一級階地后緣，東至京廣鐵路東側巡司河一級階地后緣及漢南陡埠村區(qū)域。本區(qū)也屬于湖北省政府確定的禁止取水區(qū)，人為抽吸地下水極易引發(fā)巖溶塌陷。在本區(qū)采用地埋管，鉆孔施工過程極易改變區(qū)域的水動力條件，造成地面塌陷，而且目前已有多起施工引發(fā)的巖溶地面塌陷。因此將本區(qū)劃分為地下水源和地埋管地源熱泵不適宜區(qū)。

(2)適宜性差區(qū)

適宜性差區(qū)主要位于第二條帶和第三條帶的高階地部分，可溶巖主要為三疊系大冶組灰?guī)r和二疊系棲霞組灰?guī)r。第二條帶處于大橋向斜的核部，西起漢陽七里廟，經龜山南側蓮花湖一帶，跨過長江，穿過蛇山與鳳凰山之間的平地，東至洪山以北的水果湖一帶，呈近東西走向，南北寬約 1.5 km～2.0 km，其上主要覆蓋第四系上更新統(tǒng)網紋狀黏土，頂板埋深 12.9 m～51.0 m之間。本區(qū)雖然溶洞較為發(fā)育，但未發(fā)生巖溶地面塌陷。由于本區(qū)巖溶水環(huán)境條件不甚明晰，采用巖溶水作為冷熱源時可能由于真空吸蝕作用形成土洞塌陷，應慎重；而采用垂直地埋管，以可溶巖作為冷熱源時，其一是易造成地下水環(huán)境條件和巖土體應力的改變，可能加速土洞的發(fā)展，形成安全隱患。其二是由于巖溶的存在，給施工造成較大難度，需采取注漿、鋼護筒等工程措施，且施工效果難以把握。因此，在此區(qū)域建議根據(jù)勘察結果，優(yōu)先采用水平地埋管技術，以上部老粘性土作為冷熱源。總體來講，本區(qū)地源熱泵工程建設引發(fā)巖溶地面塌陷地質災害的可能性中等。

(3)較適宜區(qū)

較適宜區(qū)位于武漢市北部第一條帶，自岱家山，經天興洲、蔣家墩至武漢鋼鐵公司，東西長約 17 km，南北寬 0.5 km～2.0 km。由于該條帶以白云質灰?guī)r為主，礦物成分含碳酸鎂，相對較難溶蝕，溶蝕現(xiàn)象不明顯，僅在鉆探揭露個別小溶隙，至今未發(fā)生巖溶地面塌陷地質災害。本區(qū)地源熱泵工程建設引發(fā)巖溶地面塌陷地質災害的可能性小，為采用地源熱泵技術較適宜區(qū)。由于巖溶發(fā)育的不確定性，在本區(qū)采用地源熱泵技術，也應通過專項勘察確定合理的技術方案。

適宜性分區(qū)結果如圖1所示。

圖1 武漢市可溶巖地區(qū)地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖

值得說明的是，武漢市作為鄂東南巖溶地面塌陷地質災害易發(fā)區(qū)，在可溶巖分布區(qū)采用地源熱泵技術時，應嚴格按國家和地方相關規(guī)范標準進行淺層地熱能資源專項勘察，采用物探、鉆探、水文地質勘察等綜合手段，詳細查明擬建區(qū)的巖溶分布、巖溶裂隙水發(fā)育及水質、水位動態(tài)變化、地溫等特點，在此基礎上建議合理的地源熱泵型式，并對地源熱泵施工提出針對性的措施和建議。

5 結 語

本文根據(jù)武漢地區(qū)可溶巖分布、巖溶分布和地下水發(fā)育等特點，結合武漢地區(qū)淺層地熱能資源分布和地源熱泵應用情況，從地源熱泵工程建設與巖溶地質環(huán)境的協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展角度將地源熱泵系統(tǒng)適宜性進行了初步分區(qū)。主要針對地下水源和地埋管地源熱泵，將其適宜性分為不適宜區(qū)、適宜性差區(qū)和較適宜區(qū)等三個層次，試圖對武漢市在可溶巖分布區(qū)開展地源熱泵系統(tǒng)建設起到一定的參考作用。

[1]肖建華，廖建生，官善友.武漢市應用地源熱泵技術的有關問題探討[J].城市勘測，2006(4)

[2]官善友，龍治國，周淼.武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應用適宜性分區(qū)[J].城市勘測，2009(5)

[3]GB50366－2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范[S].

[4]官善友，龐設典，龍治國.論武漢市環(huán)境工程地質問題[J].工程地質學報，2007，15(2)

[5]官善友，陳浩.地溫空調(水源)地下水開采設計[J].城市勘測，2005(3)

[6]寧國民，陳國金，徐紹宇等.武漢城市地下空間工程地質研究[J].水文地質工程地質，2006(6)

[7]劉立才，王金生，張霓等.北京城市規(guī)劃區(qū)水源熱泵系統(tǒng)應用適宜性分區(qū)[J].水文地質工程地質，2006，33(6)

The Suitability of Ground－Source Heat Pump System Lin the Karst Areas of Wuhan

Pang SheDian1，Long ZhiGuo1，Guan ShanYou1，Shu WuTang2
(1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China；2.Wuhan bureau of Civil Engineering Design Examination，Wuhan 430015，China)

This paper gives the partition and evaluation of ground－source heat pump system technology in the soluble rock area in Wuhan City，on the base of analyzing the feature of the karst distribution and development and the history and law of karst land collapse in Wuhan City，through the analysisof the impact of the groundwater system and ground heat exchange system on the karst geological environmental.

Karst；collapse；ground－source heat pump system；suitability

1672－8262(2010)05－172－04

P66

B

2010—06—15

龐設典(1972—)，男，高級工程師，主要從事巖土工程技術工作。