安徽六安市地源型淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價

鄭祥鳳

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽合肥 230001）

0 引言

淺層地溫能是地球淺表層200m 深度以內(nèi)的地層中所蘊藏的一種地溫能源，其能量主要來源于太陽輻射和地球梯度增溫。淺層地?zé)崮苁且环N清潔能源，對大氣幾乎無污染，能源的恢復(fù)速率也較高，相較于傳統(tǒng)方式，在開發(fā)利用上淺層地?zé)崮芸梢怨?jié)能50%～75%。資源四季溫度恒定、溫度適中、可再生循環(huán)利用的特點決定了淺層地溫能開發(fā)利用的特點。地表20m 以下溫度基本不受四季溫度變化的影響，且20～150m 范圍內(nèi)的溫度基本保持在16.4℃～21℃，接近于建筑物室內(nèi)的舒適溫度。因此，利用地源熱泵技術(shù)對淺層地溫能進行適當(dāng)利用，可得到節(jié)約能源、保護環(huán)境等多重經(jīng)濟、社會效益。地源熱泵技術(shù)按照室外換熱方式不同，主要采用地源型熱泵系統(tǒng)、地下水型熱泵系統(tǒng)及地表水型熱泵系統(tǒng)。本項目為2014 年度安徽省公益性地質(zhì)工作項目，主要對區(qū)內(nèi)地源型開發(fā)利用方式進行評價，內(nèi)容包括查明六安市地區(qū)淺層地?zé)崮艿姆植继卣鳎瑢ぷ鲄^(qū)地源型熱泵開發(fā)利用進行適宜性分區(qū)，并予以評價，可為地區(qū)內(nèi)淺層地溫能開發(fā)提供重要依據(jù)。

1 評價方法研究

（1）評價方法。以不同利用方式適宜性分區(qū)的關(guān)鍵因子為必要條件，采用層次分析法進行適宜性分區(qū)。

（2）評價指標(biāo)。選取地質(zhì)-水文地質(zhì)條件、施工條件、熱物性、地形地貌及地質(zhì)災(zāi)害等評價指標(biāo)，其中地質(zhì)災(zāi)害及地形地貌為分區(qū)先決條件。

（3）評價步驟。①采用專家打分法對各層指標(biāo)賦值；②采用層次分析軟件確定各層指標(biāo)權(quán)重；③采用GIS 軟件對要素層指標(biāo)繪制圖件，分區(qū)賦值并乘以權(quán)重；④采用GIS 軟件將各要素圖件疊加，并根據(jù)疊加結(jié)果進行適宜性分區(qū)。

2 適宜性評價方法

在充分收集區(qū)內(nèi)以往地質(zhì)工作成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)內(nèi)淺層地溫能賦存條件，對地源型淺層地溫能開發(fā)利用適宜性開展評價。

2.1 評價體系

（1）地源型利用方式適宜性劃分層次結(jié)構(gòu)模型。首先將地源型利用方式適宜性劃分作為模型的目標(biāo)層，水文地質(zhì)條件、熱物性、施工條件、地質(zhì)災(zāi)害、地形地貌作為屬性層，再將地下水徑流條件、城市覆蓋率、地層巖性結(jié)構(gòu)、巖土堅硬程度、綜合熱導(dǎo)率、地貌形態(tài)、平均比熱容、易發(fā)程度作為模型的要素層，建立地源型利用方式適宜性劃分層次結(jié)構(gòu)模型（圖1）。

圖1 地源型開發(fā)利用方式適宜性劃分結(jié)構(gòu)圖Figure 1.Structure chart of suitability division of ground source heat development and utilization mode

（2）地層巖性結(jié)構(gòu)。地層巖性結(jié)構(gòu)按總項目劃分原則，本區(qū)為較固結(jié)及固結(jié)類地層，區(qū)內(nèi)松散層厚度小于40m，概化為單一基巖地層結(jié)構(gòu)。

（3）地下水徑流條件采用滲流速率表示，滲流速率=水力梯度×滲透系數(shù)。

（4）施工條件。本區(qū)評價深度內(nèi)按較固結(jié)及固結(jié)巖類將地層巖性固結(jié)程度分兩大類。較固結(jié)地層指新近系及白堊系戚家橋組、張橋組，固結(jié)巖類地層指侏羅系周公山組、白堊系毛坦廠組。

（5）城市覆蓋率分為中心城區(qū)現(xiàn)狀用地和中心城區(qū)周邊用地兩部分，勾畫出中心城區(qū)現(xiàn)狀用地范圍。

（6）綜合熱導(dǎo)率根據(jù)巖性結(jié)構(gòu)概化為松散巖類地層綜合熱導(dǎo)率與固結(jié)巖類地層綜合熱導(dǎo)率兩類；平均比熱容分區(qū)原則與綜合熱導(dǎo)率一致。

（7）地形地貌作為評價因子，按地貌形態(tài)淺丘以上地區(qū)直接作為差適宜區(qū)對待。

（8）地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度。以地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃資料為依據(jù)，參與適宜性分區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害指崩塌、膨脹土、軟土、液化砂土等。對存在可能造成地埋管破壞較大的地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)直接劃為適宜性差區(qū)。本區(qū)影響地源型淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的地質(zhì)災(zāi)害指造成河流岸崩的低易發(fā)區(qū)，在工作區(qū)總體屬于較適宜。

2.2 權(quán)重的確定

根據(jù)層次分析法的要求，在屬于評級系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)查統(tǒng)計、分析和內(nèi)部研究，使用從1～9的標(biāo)度方法比較屬性層和要素層中每個因素的相對重要性。元素層，對擬合部分的影響越大，建立比較矩陣的因素就越重要。通過計算，檢查比較矩陣的一致性，并在必要時調(diào)整比較矩陣以達到可接受的一致性。最后，找到目標(biāo)層中元素層中每個元素的權(quán)重。具體見表1至表5。

表1 地源型利用方式適宜性分區(qū)影響因素重要程度比較Table 1.Comparison of importance of influencing factors for suitability zoning of ground source heat utilization

表2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件影響因素重要程度比較Table 2.Comparison of importance of influencing factors of geological and hydrogeological conditions

表3 施工條件影響因素重要程度比較Table 3.Comparison of the importance of construction con‐ditions

表4 熱物性影響因素重要程度比較Table 4.Comparison of importance of thermophysical prop‐erties

表5 要素層各要素的有效權(quán)重Table 5.Effective weight of each element in element layer

2.3 繪制各要素圖件

使用GIS 軟件繪制各種要素圖件，并為每個圖中的每個類別分配值（傳熱系統(tǒng)軟件越有用，標(biāo)準(zhǔn)分配就越高）。隨后，將評論區(qū)域劃分為1km×1km的柵格地圖，將柵格和分配的地圖進行累積，并使用空間分析功能獲取每個地圖的分配值。

（1）地質(zhì)和水文地質(zhì)條件基本圖的繪制和賦值。地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層結(jié)構(gòu)體系的分區(qū)圖用松散層的薄層布局表示。將松散層厚度不超過40m的區(qū)域概括為單個基巖地層結(jié)構(gòu)（表6）。

表6 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等級劃分及評分值Table 6.Evaluation scoring of geological and hydrogeologi‐cal conditions

地下水徑流條件通過地下水位等值線圖和透水性反映，影響淺層土壤溫度交換的效率。在相同類型的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，徑流條件越好，區(qū)域熱交換的效率就越高，其賦值也就越大。地形平緩，地表水水力梯度為1∶5000的區(qū)域，土壤溫度能量交換的高效率影響小，因此該區(qū)域沒有考慮地下水徑流對地源利用系統(tǒng)的影響。

根據(jù)地下水水位線，對地下水位埋深進行了分析和梳理，得到了地下水位的埋入深度會影響實際的利用效果，地下水位基礎(chǔ)的埋入深度越小，所賦的值就越大。

（2）施工條件基本圖的繪制和賦值。巖土固結(jié)程度水平的關(guān)鍵是基于對基礎(chǔ)圖件的分析，例如松散層等厚線圖、基巖地質(zhì)圖和穿孔柱狀圖。巖土主體的土壤固結(jié)程度越高，鉆孔的難度系數(shù)越大，賦值越小。城市的面積越大，施工條件越差，賦值越低（表7）。

表7 施工條件等級劃分及評分值Table 7.Evaluation scoring of construction constructions

（3）熱物性的基本繪圖和賦值。綜合熱傳導(dǎo)率的關(guān)鍵是基于測試結(jié)果和巖性的比較，而加權(quán)平均值用于獲得在垂直方向具有不同松散層的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的評估。綜合熱導(dǎo)率和綜合熱導(dǎo)率比率越大，地源應(yīng)用方法的應(yīng)用越有益，賦值也越大。平均比熱容的劃分標(biāo)準(zhǔn)與綜合熱導(dǎo)率相同（表8）。

表8 熱物性等級劃分及評分值Table 8.Evaluation scoring of thermophysical properties

2.4 適宜性分區(qū)

選擇綜合指數(shù)值方法，將每個網(wǎng)格上賦的兩個值分別與其對應(yīng)的權(quán)重值相乘，然后求和以獲取每個網(wǎng)格點上的分值，見下述公式所示。根據(jù)分值的分布范圍，明確適宜性分區(qū)的劃分規(guī)則，據(jù)此劃分出對應(yīng)不同地源利用方法的不同適應(yīng)性分區(qū)（圖2）。

圖2 地源型方式開發(fā)利用適宜性分區(qū)Figure 2.Suitability zoning map of ground source heat devel?opment and utilization

式中：

b

為第

i

個單元格評價得分值；

r

為第

i

個單元格

r

（

j

=1～8）指標(biāo)實際得分值；

A

為

r

（

j

=1～8）指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)系數(shù)和為1。

b

值越小，說明工作區(qū)內(nèi)地源型淺層地溫能開發(fā)利用適宜性差；反之，表示該區(qū)為較適宜區(qū)。

根據(jù)評價計算結(jié)果，本區(qū)地源型利用方式適宜性劃分0～2 為適宜性差區(qū)，4～6 為較適宜區(qū)。具體評價結(jié)果見表9。

表9 開發(fā)利用適宜性分區(qū)結(jié)果Table 9.Zoning results of development and utilization suit‐ability

（1）較適宜區(qū)（Ⅰ）。較適宜區(qū)較固結(jié)巖類亞區(qū)（Ⅰ）：主要分布于區(qū)內(nèi)南部和北部地區(qū)。區(qū)內(nèi)松散層厚度小于30m，主要為新近系及白堊系戚家橋組、張橋組，巖性為泥質(zhì)砂巖、砂礫巖、含礫砂巖、砂巖等。

較適宜區(qū)固結(jié)巖類亞區(qū)（Ⅰ）：分布于區(qū)內(nèi)中部地區(qū)。區(qū)內(nèi)松散層厚度小于40m，主要為侏羅系周公山組、白堊系毛坦廠組，巖性為礫巖、中細(xì)砂巖夾粉砂巖、凝灰?guī)r等。

（2）適宜性差區(qū)（Ⅱ）。主要分布于區(qū)內(nèi)龍穴山、五陟山、市區(qū)南側(cè)區(qū)域，為區(qū)內(nèi)的基巖出露區(qū)，淺丘以上地貌地源型方式開發(fā)利用適宜性差。

3 結(jié)論

（1）通過對六安市地源型淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價可知，六安市地區(qū)除少部分基巖出露地區(qū)采用地源型淺層地溫能開發(fā)利用適宜性差以外，大部分地區(qū)較適宜于地源型淺層地溫能開發(fā)利用，潛力巨大。

（2）根據(jù)六安地區(qū)的特點，探索淺層地溫能地源熱泵系統(tǒng)的適宜性和最佳模式，為淺層地溫能在六安市的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和工程實踐。

（3）地源型淺層地溫能開發(fā)利用的成本較高，在開發(fā)利用過程中要充分考慮經(jīng)濟效益及社會效益，按照實際需求合理開發(fā)。