馬天華，廖祿云，陳國輝

(1.四川省天晟源環(huán)保股份有限公司，四川 成都 610037；2.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

淺層地溫能是指蘊藏在地表水或地表以下約200 m深度范圍內(nèi)的巖土體和地下水中，在當(dāng)前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下具有開發(fā)利用價值的地溫能[1-4]。淺層地溫能的開發(fā)利用具有綠色環(huán)保、運行成本低等特點，具有較好的應(yīng)用前景[5-9]。

淺層地溫能的開發(fā)利用有助于廣安市未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而查明淺層地溫能的賦存條件、特征及其適宜性，是淺層地溫能開發(fā)利用的前提，可為廣安發(fā)展提供地質(zhì)基礎(chǔ)支撐[10-11]。因此，深入研究廣安市主城區(qū)地下水源熱泵淺層地溫能的賦存條件及特征，評價其適宜性，對于研究區(qū)的地下水源熱泵開發(fā)利用決策，改善環(huán)境質(zhì)量，助力“美麗四川”，創(chuàng)建宜居宜業(yè)的生活和投資環(huán)境等都具有重要意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 自然地理概況

廣安市位于四川省東部，東經(jīng)105°56′～107°19′，北緯30°01′～30°52′，北西與南充市相鄰、西與遂寧市相接，東南和重慶市相連；轄廣安區(qū)、岳池縣、武勝縣、鄰水縣，華鎣市，幅員面積6 344 km2，總?cè)丝?50萬。研究區(qū)位于廣安市城市規(guī)劃區(qū)，行政區(qū)劃包括廣安區(qū)和前鋒區(qū)，研究區(qū)面積608.35 km2。

1. 工作區(qū)范圍；2. 行政區(qū)名；3. 行政界線；4. 鐵路；5. 高速公路；6. 工作區(qū)界線

研究區(qū)地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有春早雨少光照宜、夏熱偏長多伏旱、秋短陰晦多霪雨、冬季溫和少霜雪的特點。多年平均氣溫17.2℃，近10 a平均降雨量1 082.2 mm，年最大降雨量1 441.7 mm，最小降雨量854.9 mm。研究區(qū)屬嘉陵江水系，干流自岳池縣石鼓入境，向南東蜿蜒流經(jīng)市域西部后，于武勝縣南側(cè)真靜鄉(xiāng)的河家溪出境，支流主要有吉安河、長灘寺河、清溪河、興隆河、復(fù)興河等。地勢沿渠江河谷向東西兩則逐漸升高，最高點位于西北側(cè)龍安鄉(xiāng)大云盤，海拔462 m，最低點位于南側(cè)龍安鄉(xiāng)沙溪口，海拔208 m，相對高差254 m。地貌類型以緩丘、深丘地貌為主，局部為淺丘、中丘、河谷地貌。

1.2 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于新華夏系四川盆地沉降帶川中坳陷構(gòu)造區(qū)，龍女寺半環(huán)狀構(gòu)造東端，少部分屬川東華鎣山方斗山褶皺帶；地質(zhì)構(gòu)造簡單，形態(tài)單一，褶皺寬緩，斷裂不發(fā)育，地層傾角一般1°～5°，局部受大石橋背斜影響，背斜兩翼地層傾角為4°～8°。研究區(qū)地層巖性主要以侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂巖、泥巖為主，沿渠江及其支流兩岸分布有少量第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)砂礫卵石，丘坡及溝谷地段分布有第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)黏性土。上部松散巖類局部賦存孔隙水，富水性貧乏，不具備大規(guī)模供水意義，不能滿足地下水地源熱泵的水量需求；下部賦存碎屑巖孔隙裂隙水，泉流量小于0.3 m3/h，地下水徑流模數(shù)0.1～0.5 L/s·km2，地下水靜水位多為3～15 m，單井出水量一般為0.3～20 m3/d。地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca與HCO3-Na兩種類型。

2 淺層地溫能賦存特征

2.1 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)主要為侏羅系地層砂巖、泥巖及砂泥巖互層，含水層具有一定的厚度變化特征，含水層厚度一般在3～7 m。根據(jù)含水層分布特征，研究區(qū)存在多層含水層，HCO3-Na型水且呈條帶狀近東西向分布，此現(xiàn)象可能與研究區(qū)內(nèi)地形地貌和地層巖性有關(guān)。研究區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)量分級主要為Ⅲ、Ⅳ類水，少數(shù)為Ⅴ類水，個別為Ⅱ類水；Ⅳ類水分布在研究區(qū)大部分區(qū)域；III類水分布于南西部。

2.2 巖土體熱物性

2.2.1 巖土體物理性質(zhì)

根據(jù)分析測試結(jié)果，各巖樣基本物理指標(biāo)平均值如表1。

表1 巖樣物理性質(zhì)表

2.2.2 巖土體熱物性參數(shù)

表征巖土體熱物理性質(zhì)的主要參數(shù)是熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容等[12-13]。

根據(jù)巖石熱物性試驗表明(表2)，導(dǎo)熱系數(shù)最大的為砂巖，導(dǎo)熱系數(shù)為2.24 W/m·K，最小的是泥巖，導(dǎo)熱系數(shù)為1.44 W/m·K。

表2 巖樣熱物性特征表

根據(jù)統(tǒng)計顯示，同一地區(qū)巖石地層熱導(dǎo)率隨著巖石密度的增大而增大，巖石密度和熱導(dǎo)系數(shù)具正相關(guān)關(guān)系，而兩者與地溫梯度則成負(fù)相關(guān)關(guān)系。一般情況下，巖石隨深度增加而熱導(dǎo)系數(shù)增大，巖土體孔隙度增大而熱導(dǎo)率降低，隨著含水量的增加顆粒接觸面積增大，使得熱導(dǎo)率增大[14-15]。土樣熱物性特征參數(shù)測試表明(表3)，土樣中導(dǎo)熱系數(shù)最大的是砂土，為1.712 W/m·K，其次是雜填土，導(dǎo)熱系數(shù)為1.516 W/m·K，再次為粉質(zhì)粘土，導(dǎo)熱系數(shù)為1.454 W/m·K，最小的是含碎石粉質(zhì)粘土，導(dǎo)熱系數(shù)為1.435 W/m·K。粉質(zhì)粘土與含碎石粉質(zhì)粘土的導(dǎo)熱系數(shù)較為接近，含碎石粉質(zhì)粘土導(dǎo)熱系數(shù)較小的原因應(yīng)是組分中含有較大顆粒，使得孔隙率增大，氣體的存在導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的減小。

表3 土樣熱物性特征表

2.3 巖土體熱響應(yīng)特征

根據(jù)熱響應(yīng)試驗結(jié)果分析，熱響應(yīng)試驗延米換熱值為33.98 W/m，屬于弱變異。熱響應(yīng)試驗導(dǎo)熱系數(shù)為2.20 W/(m·℃)。

依據(jù)熱響應(yīng)及鉆孔揭露巖性統(tǒng)計表明，鉆孔圍巖平均熱導(dǎo)率與鉆孔砂巖比例趨勢線起伏正相關(guān)，即砂巖占比多，導(dǎo)熱率越高，相反則低，與巖礦測試結(jié)果吻合。

2.4 淺層地溫場特征

根據(jù)熱響應(yīng)試驗的垂向溫度測量，恒溫層分布深度多在20～60 m之間，地域差異不明顯。研究區(qū)年均氣溫16℃～18℃，恒溫層溫度一般在17℃～21℃。

鉆孔溫度測試結(jié)果表明(表4)，研究區(qū)恒溫層主要分布在25～55 m深度范圍內(nèi)，個別孔有異常。研究發(fā)現(xiàn)， DW-07地溫能鉆孔揭示的地層巖性表明，該點處基巖上覆粉質(zhì)粘土厚度較大，約為17 m，粉質(zhì)粘土的導(dǎo)熱系數(shù)較砂泥巖小，引起了該點處恒溫層深度的異常。恒溫層溫度19.6℃～20.3℃之間，溫度波動較小。

表4 地層垂向測溫統(tǒng)計表

3 地下水源熱泵適宜性分析

3.1 評價方法和步驟

本文采用層次分析法(AHP)對地下水源熱泵適宜性進(jìn)行評價。AHP法是一種多目標(biāo)決策分析方法，是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[16-18]。主要有4個步驟：建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，將指標(biāo)聚合成目標(biāo)層、屬性層和要素指標(biāo)層 3 級層次；構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣；層次單排序及一致性檢驗；層次總排序及一致性檢驗[19-23]。

3.2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

為了正確評價地下水源熱泵的適宜性，需要合理確定其評價指標(biāo)體系，根據(jù)研究區(qū)地下水源熱泵影響因子的特點，構(gòu)建研究區(qū)地下水源熱泵適宜性評價體系(圖2)，目標(biāo)層(X)為地下水地源熱泵適宜性分區(qū)，屬性層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件(X1)、地下水動力條件(X2)、水化學(xué)條件(X3)三部分構(gòu)成，要素指標(biāo)層由有效含水層厚度(X11)、含水層結(jié)構(gòu)(X12)、含水層出水能力(X13)、地下水位埋深(X21)、含水層滲透系數(shù)(X22)、地下水水質(zhì)(X31)、地下水硬度(X32)等7個指標(biāo)構(gòu)成。

圖2 地下水源熱泵適宜性評價體系

3.3 各層次判斷矩陣確定

根據(jù)層次分析法，構(gòu)造屬性層相對于目標(biāo)層的判斷矩陣(表5)，確定要素指標(biāo)對于目標(biāo)層的判斷矩陣(表6～表8)。

表5 屬性層判斷矩陣

表6 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件指標(biāo)要素層判斷矩陣

表7 水文地質(zhì)條件指標(biāo)要素層判斷矩陣

表8 熱物性特征指標(biāo)要素層判斷矩陣

3.4 權(quán)重的確定及一致性檢驗

研究區(qū)地下水源熱泵適宜性評價各層次的權(quán)重取值見表9，并采用式1對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗。

RC=IC/IR

(1)

式中：RC表示一致性比例；IC表示一致性指標(biāo)；IR表示平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)RC<0.1 時，說明判斷矩陣的一致性滿足要求，當(dāng)RC>0.1 時，則需對判斷矩陣進(jìn)行修正；RC值越小，則判斷矩陣一致性越高，表明所建立的評價模型越合理。

經(jīng)計算，研究區(qū)地下水源熱泵適宜性評價要素指標(biāo)層權(quán)重的RC值為0.012 2，說明所建立的地下水源熱泵適宜性評價指標(biāo)體系符合實際情況，構(gòu)建的判斷矩陣和各層次權(quán)重值可信程度較高。

表9 地下水源熱泵各層次所占權(quán)重及一致性檢驗結(jié)果

表10 地下水源熱泵評價指標(biāo)要素賦值表

3.5 評價模型建立

3.5.1 地下水源熱泵適宜性評價模型

按照綜合指數(shù)法，根據(jù)前述確定的評價指標(biāo)體系、要素指標(biāo)因子和子權(quán)重，采用的地下水源熱泵適宜性評價模型見式(2)。

(2)

式中：F為地下水源熱泵適宜性評價綜合指數(shù)；Wj為要素指標(biāo)評價因子的響權(quán)重(Wj=Xij/X)；Yj為指標(biāo)層評價影響要素的賦值；n為評價指標(biāo)要素的數(shù)量。

3.5.2 評價要素指標(biāo)賦值

根據(jù)研究區(qū)淺層地溫能賦存條件，結(jié)合已有地下水地源熱泵工程和國內(nèi)研究文獻(xiàn)資料，對工作區(qū)地下水地源熱泵適宜性評價因子進(jìn)行賦值(表10)。

3.5.3 適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)公式(2)適宜性評價指數(shù)(F)計算結(jié)果，參考四川、北京、天津等地區(qū)地下水源熱泵適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和本文要素指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性劃分為適宜(F>5)、較適宜(F=3～5)和不適宜(F<3)共 3 個區(qū)。

3.6 計算結(jié)果及評價

根據(jù)選取的指標(biāo)，通過使用層次分析法，對水文地質(zhì)條件、地下水動力條件、地下水化學(xué)條件、地形地貌因素和施工便宜性、經(jīng)濟(jì)性等綜合計算，對研究區(qū)內(nèi)開展了地下水地源熱泵適宜性分區(qū)評價計算(表11)

表11 各控制性鉆孔計算及評價表

計算結(jié)果顯示，研究區(qū)控制性鉆孔所得計算綜合指數(shù)值均小于3，為地下水源熱泵適宜性差區(qū)，不適宜于淺層地溫能的開發(fā)利用。

4 結(jié)語

(1)砂巖的導(dǎo)熱系數(shù)大于泥巖，砂巖占比多，導(dǎo)熱率越高，研究區(qū)恒溫層主要分布在25～55 m深度范圍內(nèi)，恒溫層溫度19.6℃～20.3℃之間，溫度波動較小。

(2)基于層次分析法的適宜性評價模型，共劃分為3個屬性準(zhǔn)則和7個要素指標(biāo)，構(gòu)建了各層次的判斷矩陣，并通過一致性檢驗，構(gòu)建的評價模型符合實際。

(3)受到含水層富水性弱、水質(zhì)差、含水層滲透系數(shù)小等因素的影響，研究區(qū)地下水源熱泵適宜性差，不適宜于地下水源熱泵系統(tǒng)的淺層地溫能開發(fā)利用。

(4)評價結(jié)果對研究地下水源熱泵的開發(fā)利用具有指導(dǎo)意義。