淺層地熱能勘察和評估應用研究

湯國毅，杜國平，王衛(wèi)國，宋曉峰，嚴 剛

(1．江蘇南京地質工程勘察院，江蘇 南京 210041;2．南京帝壩工程科技有限公司，江蘇 南京210061)

淺層地熱能勘察和評估應用研究

湯國毅1，杜國平2，王衛(wèi)國1，宋曉峰2，嚴 剛1

(1．江蘇南京地質工程勘察院，江蘇 南京 210041;2．南京帝壩工程科技有限公司，江蘇 南京210061)

對淺層地溫能工程場地進行勘察和應用條件評估是地源熱泵系統(tǒng)方案設計的重要環(huán)節(jié)。以南京板橋地產(chǎn)淺層地熱能勘探應用為例，介紹多功能地下水能量測井儀的功能及其在淺層地熱能勘探中的應用，探討水文地質前期勘探工作對淺層地熱能資源開采的作用與意義。該測井儀能夠在單井中，一次性完成對淺層地熱能參數(shù)：地下水的水量、溫度、電導、各含水層的靜水頭高度、儲水量、地下水的水平和垂向運動流速和方向、地層滲透系數(shù)、導水系數(shù)等的定量測量，查明地下水的層間補給關系，為熱泵選型、埋深和分布密度提供平面矢量、垂向斷面高程等多種高精度參數(shù)。

地熱能;能量測井;地下水;江蘇南京

0 引言

淺層地熱能的利用，主要是通過熱泵技術的熱交換方式，經(jīng)濟開采深度一般小于200m(陶慶法等，2007)。熱泵技術的不斷完善與廣泛應用，為淺層地熱能的開發(fā)利用提供了條件。淺層地熱能的開發(fā)利用必須建立在地質勘查評價工作的基礎之上，對淺層地熱能開發(fā)利用的可行性、適宜性及開發(fā)利用容量進行評價，因地制宜制定開發(fā)利用方案，從而為熱泵的選型(是地埋管地源熱泵、地下水型地源熱泵還是地表水地源熱泵)、埋深和分布密度提供科學數(shù)據(jù)。

本工程現(xiàn)場位于南京市板橋新城南京朗詩綠色街區(qū)，北靠湖景路，南臨八號路。初步擬定采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，勘察評估內容主要包括：巖土體結構分布、溫度分布、水文條件及熱物性參數(shù)等。此次勘察評估有針對性地在地溫空調井工地選擇了3個地質鉆孔，進行現(xiàn)場測試，其目的主要為查明該處地下100m以淺的地層結構，水文地質現(xiàn)狀及對地溫空調井的影響等。以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為設計、決策和管理提供依據(jù)。

1 多功能地下水能量測井儀

多功能地下水能量測井儀集現(xiàn)代化核探測技術、航空定向技術與水文地質測量技術于一身，不用標記電纜，探頭中的壓力傳感器能自動識別各項測量指標的測量深度，將測量結果送入筆記本電腦。它的特征是建立在伯努利能量方程和質量守恒定律基礎之上，利用軟硬件與計算機的集成，通過測量探頭中的GPS定位，把壓力傳感器、溫度熱敏元件、鹽分敏感電極、G-M計數(shù)管、電子陀螺等組成的多功能地下水能量測井儀，在單井中測量出地下水的溫度、電導、水位、容重、密度、壓能、勢能、動能等水的質點運動流速和矢量。適用于孔隙、裂隙和溶隙地下潛水及承壓水的多測點、高精度的地下水測量。從而為淺層地熱能的溫度、電導、地下水的流動等參數(shù)的定量化提供技術上的支持(杜國平等，1996、1999、2000、2002)。其參數(shù)的測量精度高，自動化程度好，測量項目齊全，工藝簡單，使用方便，安全可靠(圖1)。

2 測孔基本概況

野外試驗鉆孔3個，總進尺300m，其中巖層進尺224m，土層76m。3個測孔的基礎數(shù)據(jù)分別見表1和圖2。

圖1 多功能地下水能量測井儀示意圖

3 測量結果

3．1 天然滲流場測量結果

所謂天然滲流場是指3個測孔測試時所處的地形地貌等環(huán)境條件，其中JK4孔在B地塊東側山坡邊緣，JK1孔位于A地塊中部，JK2孔位于A地塊東側基坑中。受場地的基巖埋深及地形等地質條件的影響，基巖裂隙水在場地中的分布呈現(xiàn)出西高東低的特點，其中，JK4孔水位高程為15．90m，JK2孔的水位高程為9．90m。在這種情形下對孔中地下水的滲透流速(指基巖裂隙水水平滲透流速，以下均簡稱滲透流速)和矢量值進行測量。各測孔滲透流速沿孔深度的分布數(shù)據(jù)見圖3曲線，圖3為滲透流速沿孔深分布曲線。

表1 測孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖2 測孔高程曲線

圖3 JK1、JK2、JK4 3孔滲透流速沿孔深分布曲線

從3孔在同一深度的滲透流速比較分析，自25m～50m各孔在風化基巖面前端部分的滲透流速值保持在比較接近的數(shù)據(jù)中跳動。但是，在50m以下的各孔滲透流速值出現(xiàn)了較大的差異，其中JK2的數(shù)值跳到最大，JK1居中，JK4最小，說明離基坑越遠，其基巖的完整程度越好。經(jīng)計算，得出該3孔控制斷面內的滲流量為5 364m3/d。

JK2位于正在施工的基坑里，該孔的測量數(shù)據(jù)在鉆孔機械停機1h后開始測量，數(shù)據(jù)顯示該孔不但滲透流速較其他2個孔大，而且在75m～90m之間還有1．8m/h向上的垂向流產(chǎn)生，經(jīng)現(xiàn)場測量計算，發(fā)生在該段的靜水頭高度為2．25m，它是產(chǎn)生向上垂向流的源頭。

流速矢量圖(圖4)反映了3孔之間的相對位置、滲透流速的運動方向以及滲透流速矢量的大小。

3．2 滲透系數(shù)測量結果

滲透系數(shù)是工程設計、施工、質量管理中使用最多的參數(shù)。圖5中沿高程分布數(shù)據(jù)清楚地反映出3個測孔水體在不同位置高度的滲透特性指標。區(qū)域測量中各孔平均滲透系數(shù)從大到小的排序是JK2孔5．27m/d、JK1 孔 0．94m/d、JK4 孔 0．13m/d。從 3個鉆孔沿高程的滲透系數(shù)變化特征分析水文特征層及巖芯完整程度：水文特征層大致可以分為上下兩層;巖芯完整程度JK4的完整程度最好(近乎完好)，JK1居中，JK2最差。

圖4 JK1、JK2、JK4 3孔流速矢量平面示意圖

圖5 JK1、JK2、JK4 3孔滲透系數(shù)沿孔深分布曲線

3．3 溫度測量結果

淺層地熱能開發(fā)的一個重要指標是要了解地下的溫度變化情況，只有全面了解地溫在平面與垂直面上分布情況之后，才能在開發(fā)和利用地下熱能設計時避免盲目性，提高可靠性。各測孔的具體測量數(shù)據(jù)見圖6。

從平面上看，3孔的平均溫度分別為：JK1孔18℃，JK2孔9℃，JK4孔17℃。而從高程上分析，JK1孔的地下水以補給熱源為主，因為它是正弦跳動的曲線，而JK2、JK4 2孔的曲線跳動，有正也有負，特別是JK2孔更為顯著。由于JK2孔受施工的干擾較大，反映的滲流情況不夠全面。

3．4 電導率測量結果

圖7是3個測孔沿孔深的電導率分布曲線，3孔的平均電導率JK1為1 198s/cm，JK2為821s/cm，JK4為543s/cm;JK1孔的地下水礦化度最高、JK2居中、JK4最小，說明JK4的水質最好、JK2其次、JK1最差。但是，從高程上看，3個孔底部的電導率很接近，佐證該區(qū)域在90m以下深度水質都比較好。

圖6 JK1、JK2、JK4 3孔溫度測量值沿高程分布曲線

圖7 JK1、JK2、JK4 3孔電導率沿深度分布曲線

4 綜合分析

通過對現(xiàn)場的3個測孔所進行的可視化測量，及對其數(shù)據(jù)進行綜合分析、計算、整編工作，得出如下測試成果。

(1)3孔滲透流速數(shù)據(jù)反映其測量區(qū)段內的垂直斷面(長240m，高75m，平均滲透流速0．21m/d)上的平均滲流量為5 364m3/d(圖3)。

(2)地下水流速矢圖反應3孔的地下水運動方向基本一致，水流的主流方向以西南方向流速為主(圖4)。

(3)3測孔除JK2有垂向流速外，其余2孔未測量出有垂向的水流運動。JK2向上的垂向流速為1.8m/h，下層向上層的補給流量為0.339m3/d，下層水的靜水頭高度2.25m。其孔中漏水段主要發(fā)生深度在75m～90m之間(圖3)。

(4)3個鉆孔在高程上的滲透特征顯示，JK2和JK1 2孔呈上下兩層水的滲透特性，而且在JK2孔尤其明顯，而JK4孔的下層水不甚明顯。

(5)現(xiàn)場測量期間，各孔滲透系數(shù)的平均值：JK2孔為5.27m/d，屬透水層;JK1孔為0.94m/d，屬弱透水層;JK4孔為0.13m/d，屬弱透水層(圖5)。

(6)溫度測量結果顯示，3孔的平均溫度：JK1為18℃，JK2是9℃，JK4為17℃;垂直溫度以30m深度為界，以上為漸變區(qū)，以下為穩(wěn)定區(qū)(圖6)。

(7)3測孔沿孔深的電導率分布曲線表明，3孔的平均電導率：JK1為1 198s/cm，JK2是821s/cm，JK4為543s/cm;JK1孔的地下水礦化度最高，JK2居中、JK4最小，說明JK4孔的水質最好、JK2其次、JK1最差(圖7)。

5 結語

對工程場地的淺層地溫能進行勘察和評估是地源熱泵系統(tǒng)方案設計前必須完成的一項重要工作。而勘察和評估主要應查明場區(qū)水土結構與分布，地下水的溫度、水位、水質、水位變化、流速流量等項目。常規(guī)勘查須采用多種方法、多個環(huán)節(jié)、并需要大量時間才能完成以上任務，且因各種因素的影響往往使測得的參數(shù)有誤。利用“多功能地下水能量測井儀”在單井原位狀態(tài)下，能一次性完成對淺層地熱能的地下水的水量、溫度、電導，地下水的層間補給關系，各層的靜水頭高度、儲水量，地下水的水平和垂向運動流速和方向、滲透系數(shù)、電導率等的定量測量。在原始狀態(tài)下測得的數(shù)據(jù)避免了各類外界條件的影響，更為準確合理，為確定熱泵型式、埋深和分布密度提供科學數(shù)據(jù)。南京板橋新城、南京朗詩綠色街區(qū)地源熱泵的系統(tǒng)方案設計充分利用了本次測量成果，對地埋管地源熱泵系統(tǒng)設計進行了優(yōu)化，設計方案更趨合理，避免了盲目性，節(jié)約了成本，綜合效果明顯。

杜國平，陳建生，劉懷成，等．1996．烏溪江水電廠右壩繞壩滲流的同位素示蹤應用研究［J］．武漢水利電力大學學報，29(3)：24 －29．

杜國平，曹維仁．1999．壩(堤)安全檢滲與示蹤診斷技術的應用［J］．江蘇水利，(11)：29－30．

杜國平，鄭喜蓮，王律，等．2000．航空定向技術在地下水流速流向中的應用研究［J］．航空航天大學學報，32(4)：483－486．

杜國平，金宇東，袁昶，等．2002．鎮(zhèn)楊大橋北錨水文地質單井示蹤應用研究［J］．水文地質與工程地質，29(3)：29－31．

陶慶法，胡杰．2007．淺層地熱能開發(fā)利用現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與對策［J］．地熱能，(2)：5 －10．

GB/T 50366—2005，地源熱泵系統(tǒng)工程技術規(guī)范［S］．

Application study on shallow geothermal energy exploration and evaluation

TANG Guo-yi1，DU Guo-ping2，WANG Wei-guo1，SONG Xiao-feng2，YAN Gang1

(1．Jiangsu Nanjing Geological and Prospecting Institute，Nanjing 210041，China;2．Nanjing Diba Engineering Technology Company Ltd，Nanjing 210061，China)

Shallow geothermal energy for engineering site investigation and application conditions for ground-source heat pump system assessment was an important part for program design．The shallow geothermal energy exploration and application in Banqiao area of Nanjing was taken as an example，where“multi-functional water logging of energy”function and its use in the shallow geothermal energy exploration，hydrogeology preliminary exploration of the shallow geothermal energy were presented．The single well logging tool could one-time achieve the test of shallow geothermal energy parameters：groundwater water，temperature，conductivity，the aquifer's hydrostatic head height，storage capacity，horizontal and vertical movement of groundwater velocity and direction，formation permeability coefficient，hydraulic conductivity coefficient of the quantitative measurement，to identify the layer of groundwater recharge for the heat pump selection，depth and density to provide plane vector，elevation and other high-precision vertical cross-section parameters．

Geothermal energy;Energy logging;Groundwater;Nanjing，Jiangsu

TK5;P314

A

1674－3636(2011)03－0307－04

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．03．307

2011－04－10;

2011－05－09;編輯：侯鵬飛

湯國毅(1968—)，男，高級工程師，長期從事水工環(huán)工程勘察及技術管理工作，E-mail：tgy1968@126．com