定州市城區(qū)淺層地溫能利用前景分析

張永樹，李 郡，呂文斌，趙愛華

（河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊，河北 衡水 053000）

在綜合研究該地區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，本文按《淺層地?zé)崮芸辈樵u價技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0225-2009）要求劃定不同開發(fā)方式（地下水式、地埋管式）適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。同時，進行淺層地溫能資源評價：對適宜、較適宜開發(fā)區(qū)淺層地溫能熱容量及換熱功率（可利用量）進行資源評價，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膯挝幻娣e平均熱負(fù)荷，計算出可能的供暖制冷服務(wù)面積，計算替代常規(guī)能源量和節(jié)能減排量。

1 該區(qū)的地質(zhì)背景和氣候條件

1.1 地形地貌

定州市位于太行山東麓，唐河、大沙河沖積洪積傾斜平原上。地形比較平坦，微有起伏，自西北向東南傾斜，標(biāo)高由西北的75～80 m漸降至東南部42 m，地形坡度0.7‰～1.25‰。挽近以來，由于山前地段間歇性上升，當(dāng)?shù)匦纬闪瞬煌暮恿鞯孛残螒B(tài)[1]。

1.2 氣象與水文

定州市屬溫帶-暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，春季多干熱風(fēng)，夏季高溫、高濕、降水集中，秋季秋高氣爽，冬季寒冷、干燥、少雪，四季分明。境內(nèi)河流北有唐河，南有大沙河，中部有孟良河，其流向由西向東橫貫全區(qū)，均屬大清河水系，且為季節(jié)性河流[2]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

定州市工作區(qū)處于三級構(gòu)造單元冀中拗陷西部，四級單元保定拗陷的西南隅，西與太行山隆起相接。垮燕山臺褶帶華北斷坳兩個構(gòu)造單元，西部位于燕山臺褶帶（Ⅱ22）軍都山巖漿巖帶（Ⅲ25）狼牙山凹褶斷束單元，而東部位于華北斷坳冀中臺陷保定斷凹單元。隱伏的太行山前大斷裂分布于孟家莊、悟村、磚路一線。斷裂走向北東45°左右，傾向東，傾角較陡。該斷裂多次活動，挽近以來與新華夏系交接復(fù)合，為壓扭性[3]。

1.4 地層

本區(qū)地層發(fā)育較齊全，由新生界、中生界、古生界、中上元古界和太古界構(gòu)成，第四系由灰黃、棕黃、黃棕、棕紅色粉土、粉質(zhì)黏土、黏土和灰黃、灰白色砂巖組成；山區(qū)主要分布在山間盆地、山麓邊緣及河谷地帶，巖性以砂、礫及粉土為主；平原區(qū)分布廣泛，巖性以各種砂層及粉土、粉質(zhì)黏土、黏土組成[4]。

2 淺層地溫能賦存條件

淺層地溫能賦存條件根據(jù)其利用方式的不同而不同，其賦存條件直接影響適宜性分區(qū)的結(jié)果。地埋管利用方式需要分析的賦存條件包括第四系厚度、卵礫石厚度、含水層厚度、有效含水層厚度、比熱容、每延米的換熱量、滲透系數(shù)等；地下水利用方式需要分析的賦存條件包括富水性、回灌能力、灌采比、有效含水層厚度、含水層主要巖性、滲透系數(shù)以及卵礫石厚度等。

根據(jù)定州市淺層地溫能利用工程的利用深度和同類地區(qū)的利用經(jīng)驗可知，地埋管工程的利用深度在80～100 m，地下水熱泵工程的利用深度在80～100 m。

本次對80 m、100 m、150 m不同深度分別進行了6組熱響應(yīng)試驗，每組熱響應(yīng)試驗分別進行了初始地溫、取熱、排熱Ⅰ（小功率）、排熱Ⅱ（大功率）4種工況的測試。通過試驗，人們可以掌握埋地?fù)Q熱器在不同運行溫度下的地下?lián)Q熱量，從而為地源熱泵系統(tǒng)的進一步優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)。根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)與方程，通過計算軟件獲得土壤導(dǎo)熱系數(shù)為：λ=1.76 W/（m·K）。

綜合熱物性空間分布特征：本區(qū)第四系地層綜合熱導(dǎo)率為1.81～1.95 W/（m·K），熱導(dǎo)率值高低與地層巖性、含水率及密度密切相關(guān)，第四系地層綜合比熱容為1.405～1.451 kJ/（kg·K），比熱容值高低與地層巖性、含水率及密度密切相關(guān)；黏性土（黏土、粉質(zhì)黏土和粉土）熱導(dǎo)率較砂層（細(xì)砂、中砂和中粗砂）低；隨著深度的增加，中粗砂、細(xì)砂和粉砂的熱導(dǎo)率逐漸降低，這是由于深度增加，砂層的密實度增加，相應(yīng)儲水空間減少；黏性土的熱導(dǎo)率隨深度變化不明顯。

3 適宜性分區(qū)

淺層地溫能資源開發(fā)利用分區(qū)主要是指地下水熱泵適宜性分區(qū)和地埋管熱泵經(jīng)濟性分區(qū)。地下水熱泵適宜性分區(qū)主要根據(jù)水文地質(zhì)條件和熱泵技術(shù)條件進行劃分，劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)；地埋管式換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要根據(jù)地質(zhì)條件以及投資成本劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。本次分別采用指標(biāo)法、層次分析法和綜合指數(shù)評價法進行淺層地溫能的適宜性評價。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

采用層次分析法依次確定各層的指標(biāo)對所屬層的權(quán)重。將工作區(qū)內(nèi)地源熱泵適宜性影響因素與評價標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合起來，共分為目標(biāo)層A、制約因素層B和制約子因素層C三層。

3.2 構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣

區(qū)內(nèi)地下水式換熱系統(tǒng)適宜性A受到四大制約因素Bi的制約，各個制約子因素層Bi又由若干級子因素層Ci的制約，層次結(jié)構(gòu)明顯。將各層各因素進行兩兩比較，如表1所示。

表1 標(biāo)度的確定

3.3 計算相對權(quán)重并進行一致性檢驗

（1）計算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值，公式如式（1）所示。

由式（1）可得：

（2）將式（1）歸一化可得：

由式（3）可得，ω=（ω1，ω2，ω3，ω4，ω5）T，即為所求特征向量的相似值，也就是各因素的相對權(quán)重。根據(jù)上述計算公式，求得B相對于A的權(quán)重[5]。

3.4 建立數(shù)學(xué)模型進行綜合評價

適宜性綜合評價評分的數(shù)學(xué)模型是通過利用多項目決策的線性加權(quán)方法來建立一個廣義的目標(biāo)函數(shù)，將適宜性評價中的各個子因素有機結(jié)合起來，采用綜合指數(shù)評價法評價其適宜性，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，Z為綜合評價指數(shù)；n為制約因素的個數(shù)；Xi為制約因素的權(quán)重；Yi為制約因素的賦值。

4 淺層地溫能資源評價結(jié)果

4.1 計算公式

4.1.1 采用體積法計算淺層地溫能容量

計算范圍：只計算區(qū)內(nèi)的適宜區(qū)（適宜區(qū)、較適宜區(qū)）范圍；分別計算包氣帶和飽水帶中的熱容量，然后合并計算地質(zhì)體的儲熱性能。在包氣帶中，其淺層地?zé)崛萘堪词剑?）計算：

式中，QR為淺層地?zé)崛萘?，kJ/℃；QS為巖土體中的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體所含水中的熱容量，kJ/℃；QA為巖土體中所含空氣的熱容量，kJ/℃。

式中，ρs為巖土體密度，kg/m3；CS為巖土體骨架比熱容，kJ/（kg·℃）；θ為巖土體的孔隙率（或裂隙率）。

式中，ρw為水密度，kg/m3；CW為水比熱容，kJ/（kg·℃）；ω為巖土體的含水量。

式中，ρA為空氣密度，kg/m3；CA為空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；M為計算面積，m2；d1為包氣帶厚度，m。

4.1.2 飽水帶中淺層地?zé)崛萘坑嬎?/h4>

在飽水帶中，其淺層地?zé)崛萘堪词剑?）計算：

式中，QR為巖土體淺層地?zé)崛萘?，kJ/℃；QS為巖土體骨架的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體中所含水的熱容量，kJ/℃。

式中，d2為潛水面至計算下限的巖土體厚度，m；Qs的計算公式參照式（6），但厚度采用d2，其他同前。

4.2 參數(shù)選取

4.2.1 計算深度

根據(jù)本次調(diào)查，工作區(qū)內(nèi)目前淺層地溫能利用深度最多為100 m，本次分別計算實際利用深度0～100 m及淺層地溫能可利用深度0～200 m的熱容量。

4.2.2 物理及熱物性參數(shù)選取

除卵石和礫砂熱物性參數(shù)采用收集資料外，其他各巖性物理及熱物性參數(shù)均采用本次取樣測試的平均值。

4.3 評價結(jié)果

本區(qū)0～100 m深度內(nèi)的淺層地?zé)崛萘繛?.112×1013kJ/℃， 相 當(dāng) 于 標(biāo) 準(zhǔn) 煤 243.07萬 t。本區(qū)0～200 m深度內(nèi)的淺層地?zé)崛萘繛?.462×1014kJ/℃，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤499.658萬t。

經(jīng)過計算得出，每年可減少二氧化硫排放量1.055萬t、氮氧化物排放量0.372萬t、二氧化碳排放量148.02萬t、懸浮質(zhì)粉塵排放量0.496萬t、灰渣排放量6.204萬t。

5 結(jié)語

根據(jù)淺層地溫能開發(fā)利用工程結(jié)果，定州市的淺層地溫能可利用資源量較大，已開發(fā)利用的比例很小。因此，人們應(yīng)大力開發(fā)利用淺層地溫能，這對于降低煤炭消耗量、減少環(huán)境污染和節(jié)省環(huán)境治理費用具有巨大的作用。

參考文獻

1 地礦部河北水文工程地質(zhì)勘察院.河北省定州市燕家佐水源地供水水文地質(zhì)勘探報告[R].石家莊：地礦部河北水文工程地質(zhì)勘察院，2014.

2 河北省地礦局國土資源勘查中心.太行山前旱莊水文地質(zhì)調(diào)查評價報告[R].石家莊：河北省地礦局國土資源勘查中心，2005.

3 河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊.河北省淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價與開發(fā)區(qū)劃報告[R].衡水：河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊，2013.

4 河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊.河北省重點城市淺層地溫能評價與開發(fā)利用規(guī)劃[Z]，2014.

5 河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊.石家莊市淺層地溫能調(diào)查評價[Z]，2016.