景佳俊， 王宏沛， 管禎， 單雨陽(yáng)

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，徐州 221004)

0 引言

淺層地溫能資源是指儲(chǔ)集在地表200 m以內(nèi)的巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能[1-3]。該資源的儲(chǔ)集、運(yùn)移、傳導(dǎo)、開發(fā)利用都受到區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)及巖土體熱物理性質(zhì)的制約，不同區(qū)域的資源規(guī)模和利用方式存在較大差異。徐州市作為蘇北工業(yè)重鎮(zhèn)，能耗需求巨大，但淺層地?zé)豳Y源尚未得到正規(guī)的開發(fā)和利用，且未進(jìn)行過(guò)區(qū)域性淺層地溫能調(diào)查工作。目前多為小型開發(fā)公司無(wú)序開發(fā)，可能引發(fā)一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。為推動(dòng)徐州市淺層地溫能的開發(fā)利用并為其勘查、規(guī)劃提供可靠依據(jù)，對(duì)徐州主城區(qū)淺層地溫能進(jìn)行了調(diào)查與評(píng)價(jià)。徐州市在2014年開展了城市地質(zhì)調(diào)查工作，賈汪區(qū)政府辦公樓和植物園等典型淺層地溫能開發(fā)利用工程為本次工作提供了基礎(chǔ)研究資料。

淺層地溫能開發(fā)適宜性分區(qū)，是在系統(tǒng)方式選擇和資源評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，全面分析淺層地溫能賦存規(guī)律、開發(fā)利用工藝過(guò)程及開發(fā)利用系統(tǒng)可行性條件和經(jīng)濟(jì)效能后，對(duì)工作區(qū)進(jìn)行的適宜程度劃分。目前國(guó)內(nèi)的淺層地溫能開發(fā)利用研究，主要采用層次分析法、模糊判別法、灰色綜合評(píng)價(jià)法等進(jìn)行適宜性分區(qū)[4-12]。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，巖土熱物理性質(zhì),溫度場(chǎng)特征，以及施工條件等。主要制約淺層地溫能開發(fā)的因素為巖土體熱物性及鉆探成本。熱物性試驗(yàn)表明，徐州地區(qū)不存在巖土體熱物性的不適宜區(qū)。本次主要選取鉆探成本進(jìn)行適宜性分區(qū)，旨在為徐州城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用方式、規(guī)劃及政府管理提供可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

徐州市位于江蘇省北部，主城區(qū)面積644 km2，年平均氣溫14 ℃，一月平均氣溫-0.7 ℃，七月平均氣溫27 ℃，供熱與供暖天數(shù)均為90 d，為淺層地溫能開發(fā)提供了較好的條件。徐州市地處黃泛平原，位于魯南山區(qū)南緣，屬華北平原的一部分?？傮w地形特征西北和東南為平原區(qū)，中東和西南為低山丘陵及山前、山間平原區(qū)。平原區(qū)廢黃河故道地勢(shì)稍高，高程35.70～42.30 m，呈垅狀高地橫貫全區(qū)中部。黃泛沖積平原分布于廢黃河故道兩側(cè)，地勢(shì)低平，地面標(biāo)高26.40～37.00 m，地勢(shì)總體微向東南傾斜。

徐州市主城區(qū)地層屬于華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐州—宿縣地層小區(qū)的一部分，工作區(qū)大面積分布沉積巖，約占總面積的96%。其基巖出露面積為115.4 km2，約占主城區(qū)總面積的18%。徐州市主城區(qū)第四系分布較廣泛，但受基巖起伏面和古地理環(huán)境變化的影響，厚度變化較大： 臥牛山以西40～100 m； 潘塘—棠張一帶40～65 m； 其他地區(qū)10～40 m[13](圖1，圖2)。

圖1 徐州市主城區(qū)第四系厚度等值線及巖溶分布

1.震旦系城山組; 2.震旦系張渠組—九頂山組; 3.寒武系下段; 4.寒武系中段; 5.寒武系上段; 6.奧陶系中—下段; 7.石炭系中—上段; 8.二疊系; 9.侏羅系蒙陰組; 10.白堊系王氏組; 11.下更新統(tǒng); 12.中上更新統(tǒng); 13.全新統(tǒng); 14.青白口系； 15.黏土; 16.頁(yè)巖; 17.砂巖; 18.灰?guī)r; 19.白云巖

圖2徐州市主城區(qū)地質(zhì)剖面示意圖

Fig.2GeologicalsectionofthemainurbanzoneinXuzhouCity

2 分區(qū)概述

目前開發(fā)利用淺層地溫能資源的主要方式為地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)。徐州主城區(qū)絕大多數(shù)處于第四系厚度小于100 m的區(qū)域，地層巖性以灰?guī)r為主，巖溶及隱伏巖溶區(qū)總面積達(dá)421.5 km2，地下水資源豐富，為徐州市供水水源。研究區(qū)屬地下水源保護(hù)區(qū)，因此不具備地下水源熱泵開發(fā)利用條件，僅適宜采用地埋管地源熱泵開發(fā)利用淺層地溫能。地埋管熱泵空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)確保在鉆進(jìn)技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)成本允許的前提下，地下巖土層具備可持續(xù)循環(huán)換熱效力，且對(duì)地下溫度場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

淺層地溫能適宜性分區(qū)應(yīng)遵循如下原則： 以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，水文地質(zhì)條件為依托，熱泵應(yīng)用技術(shù)做媒介，經(jīng)濟(jì)與效益相結(jié)合，淺層地溫能資源開發(fā)利用與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，平面劃分與垂向控制相結(jié)合。

本次地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)研究，總結(jié)了工作區(qū)不同區(qū)域的開發(fā)利用地質(zhì)條件，為淺層地溫能勘查評(píng)價(jià)提供了前提條件，為具體工程勘察、設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，為政府淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃、項(xiàng)目管理及審批提供了參考。

3 分區(qū)方法與結(jié)果

在無(wú)活動(dòng)斷層條件下，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)20 m和100 m兩層區(qū)域地溫場(chǎng)特征，發(fā)現(xiàn)本區(qū)域地溫場(chǎng)平緩，無(wú)明顯異常點(diǎn)。本次評(píng)價(jià)主城區(qū)淺層地溫能適宜性第四系厚度一般均小于100 m，限制淺層地溫能開發(fā)利用的主要因素為巖土熱物理性質(zhì)和鉆探成本。

3.1 工作區(qū)巖土體熱物理性質(zhì)

本項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中采集了巖土樣品進(jìn)行了物理性質(zhì)與熱物理性質(zhì)的分析測(cè)試，共取得熱物性測(cè)試成果321件，其中第四系黏土105件、粉土50件、砂頁(yè)巖45件、灰?guī)r121件(表1)，基本涵蓋了工作區(qū)100 m深度以淺的主要巖性類型。

表1 主要巖土體物性與熱物性特征值

工作區(qū)第四系松散沉積物比熱容室內(nèi)測(cè)試結(jié)果為1.50～1.64 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.71～1.87 W/(m·K)； 基巖比熱容室內(nèi)測(cè)試結(jié)果為0.89～1.61 kJ/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.34～2.81 W/(m·K)。

工作區(qū)范圍內(nèi)完成了5組現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，通過(guò)恒熱流法和恒溫法[14-15]，模擬夏季運(yùn)行工況。研究區(qū)所有熱響應(yīng)試驗(yàn)孔均完成了至少50 h的大、小功率測(cè)試，且試驗(yàn)后期均出現(xiàn)較為明顯的趨于水平的穩(wěn)定段。本次計(jì)算發(fā)現(xiàn)各熱響應(yīng)試驗(yàn)孔地埋管導(dǎo)熱系數(shù)一般在3.05～4.29 W/(m·K)左右，排熱工況(入口溫度/出口溫度)35 ℃/30 ℃下，單位孔深排熱量為42～54 W/m，符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366—2009)中應(yīng)用地源熱泵的相關(guān)要求。因此就換熱效率而言，研究區(qū)不存在不適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)難以進(jìn)行換熱工作的區(qū)域。

3.2 工作區(qū)鉆探成本分析

根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0225—2009)，地埋管適宜性分區(qū)主要采用第四系厚度、卵石層總厚度和含水層總厚度3項(xiàng)指標(biāo)(表2)。

表2 (豎直)地埋管換熱適宜性分區(qū)指標(biāo)及判斷標(biāo)準(zhǔn)

就徐州地區(qū)而言，卵石層總厚度均小于5 m，第四系厚度小于100 m，在徐州地區(qū)第四系厚度30～50 m區(qū)域均屬于黃泛沖積平原區(qū)，巖性以黏土、粉土和細(xì)砂為主，含水層厚度一般均大于10 m，在此條件下，工作區(qū)內(nèi)基本均為較適宜區(qū)，不具備實(shí)際指導(dǎo)意義，故本次不局限于此規(guī)范分區(qū)。

對(duì)工程而言，淺層地溫能是否適宜開發(fā)主要體現(xiàn)在鉆井成本的差異和鉆孔回填能力兩方面。其中鉆井成本取決于第四系覆蓋層厚度、基巖厚度等地層巖性的優(yōu)劣程度。

根據(jù)《工程勘察設(shè)計(jì)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)》(2002年修訂本)，全部是松散地層的開挖成本要遠(yuǎn)小于全部是巖石地層的開挖成本。另結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)100 m地層范圍內(nèi)松散地層和巖石各占一定比例時(shí)，鉆井成本要高于全巖石地層的鉆井成本。按照實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)成本估算如表3(以φ130 mm鉆孔為例)。

據(jù)此，在收集研究區(qū)鉆井資料的基礎(chǔ)上，可以得到各個(gè)鉆孔及附近進(jìn)行鉆井活動(dòng)的投資成本(設(shè)定鉆進(jìn)深度為100 m)，統(tǒng)計(jì)如表4。

表3 實(shí)際工程鉆孔費(fèi)用估算方法

表4 各鉆井總收費(fèi)情況一覽表

注： 本統(tǒng)計(jì)表為實(shí)際鉆探施工費(fèi)用，與估算值存在一定差異。

3.3 分區(qū)方法

根據(jù)前文所述，徐州主城區(qū)巖土體熱物理性質(zhì)均適宜淺層地溫能的開發(fā)應(yīng)用，其余第四系厚度、卵石層厚度、含水層厚度、巖溶發(fā)育程度等均為制約鉆探成本的基本因素，根據(jù)表3、表4統(tǒng)計(jì)鉆探成本，將上述各單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子綜入評(píng)價(jià)。

以普通辦公住宅為例，徐州地區(qū)空調(diào)總成本在500元/m2，供熱負(fù)荷是100 W/m2。工程中一般認(rèn)為鉆孔成本高于總成本的30%時(shí)，屬于高成本。結(jié)合之前的熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，徐州城市規(guī)劃區(qū)地埋管冬季工況換熱功率的平均值為47 W/m。那么滿足每平方米的冬季負(fù)荷要求，需要2 m深鉆孔的換熱量提供。當(dāng)鉆孔的成本為75元/m時(shí)，即100 m鉆孔總成本為7 500元時(shí)為高成本。我們定義鉆孔成本占總成本的15%～30%為較適宜區(qū)； 鉆孔成本小于總成本的15%時(shí)為適宜區(qū)； 鉆孔成本高于30%為不適宜區(qū)，具體見表5。

表5 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及類型

根據(jù)實(shí)施鉆孔情況，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)發(fā)育情況，篩選出在徐州地區(qū)可能出現(xiàn)的地層。淺層地溫能適宜性分區(qū)主要分為以下幾種情況。

適宜區(qū)： 松散層在80 m以上且不存在巖溶地層； 無(wú)巖溶地層。

較適宜區(qū)： 松散層厚度大于50 m，存在巖溶； 松散層厚度小于50 m，存在碳酸鹽巖，但巖溶不發(fā)育。

不適宜區(qū)： 第四系厚度小于50 m且?guī)r溶發(fā)育。

3.4 分區(qū)結(jié)果

研究得出了徐州城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖(圖3)。

徐州主城區(qū)地埋管換熱適宜區(qū)域面積為131.73 km2，主要分布在規(guī)劃區(qū)西北部及云龍區(qū)南部大面積區(qū)域。

較適宜區(qū)面積為277.47 km2，主要分布于鼓樓、泉山、銅山區(qū)一線以西,及賈汪區(qū)西南部。

不適宜區(qū)面積為234.94 km2，主要分布在鼓樓區(qū)北部,鼓樓、泉山、銅山區(qū)一線以東至云龍區(qū),呈長(zhǎng)條狀分布，及銅山區(qū)東部和賈汪區(qū)南部。

本次評(píng)價(jià)適宜區(qū)范圍內(nèi)，目前尚無(wú)大型居民區(qū)，僅徐州潘塘收費(fèi)站有一處開發(fā)利用工程。淺層地溫能開發(fā)利用主要集中在較適宜區(qū)，如賈汪區(qū)目前已建成淺層地溫能裝機(jī)總?cè)萘?0萬(wàn)m2; 坐落在鼓樓區(qū)的徐州市植物園總面積40萬(wàn)m2，目前淺層地溫能利用效果良好。整體而言，本次分區(qū)基本符合徐州主城區(qū)開發(fā)利用實(shí)際，具備較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

(1)徐州市主城區(qū)位于徐州復(fù)式背斜及其兩翼，地勢(shì)起伏，第四系厚度變化加大，地下水以碳酸鹽巖巖溶裂隙水為主，淺層地溫能資源賦存條件較差，但潛力巨大。

(2)開發(fā)利用淺層地溫能應(yīng)因地制宜選用合適的地源熱泵系統(tǒng)，結(jié)合徐州市主城區(qū)實(shí)際情況，不具備開發(fā)利用水源熱泵條件，僅能開發(fā)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

(3)通過(guò)取樣試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，單位孔深排熱量均滿足淺層地溫能開發(fā)利用條件，本次僅以鉆探成本高低進(jìn)行了適宜性分區(qū)，使淺層地溫能開發(fā)應(yīng)用更具操作性。