淺層地質(zhì)和水文地質(zhì)條件分析

 

  區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)和地熱地質(zhì)條件決定了淺層地熱能開發(fā)利用的方式和規(guī)模。根據(jù)地層巖體水平、垂向結(jié)構(gòu)變化特征，將研究區(qū)分為8個子區(qū)（圖3）?？紤]鉆探施工流程及工藝，地層組合簡單的區(qū)域淺層地溫能開發(fā)利用成本較低。

 

  研究區(qū)內(nèi)地下水分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、紅層孔隙裂隙水和基巖裂隙水四大類型。降水是其主要補給來源。

 

  水樣分析結(jié)果表明各類地下水的理化性質(zhì)相似。水溫在18.0～20.0 ℃之間，主要呈弱酸性；礦化度介于49～1 043 mg/L。水化學類型以HCO3-Ca 型和 HCO3-Ca·Mg 型為主。研究區(qū)西北部星城鎮(zhèn)、東部撈刀河沿岸以及南部大托鋪的第四系松散孔隙水部分水樣中的Cl-、 SO2-4含量較高。

 

  選取星城鎮(zhèn)、撈湖垸及大托鋪三個富水地段，以一抽一回的方式進行抽水回灌試驗。位于撈刀河和瀏陽河下游河間的撈湖垸地段，抽水試驗單井涌水量可達1 662.3 m?/d，滲透系數(shù)可達34.86 m/d。湘江西岸的星城鎮(zhèn)富水地段含水層富水性相對較差（表1）。三組試驗的回灌率均達到100%，各回灌井水位上升幅度均不大，能滿足一個抽水井對應(yīng)一個回灌井的抽、回灌系統(tǒng)運行要求。

 

  地熱地質(zhì)條件分析

 

  由實測的鉆孔地溫數(shù)據(jù)可知，在100 m深度范圍內(nèi)，隨著深度增加，各處地溫差值由2.2 ℃左右逐漸減小至1.8℃左右。平面上，不同深度的地溫高值主要出現(xiàn)在研究區(qū)中、東部的平原區(qū)。平原區(qū)分布有一定厚度的第四系沖積物，而北、西、南部主要分布低山和丘陵。相對而言，較厚的第四系沖積物的保溫性能較好，地溫較高。以ZK3鉆孔的地溫剖面為例，地下2 m處的地溫與氣溫接近，隨著深度增加，地溫逐漸降低。深度10～20 m 之間地溫下降速度逐漸減小直至穩(wěn)定在 19.5 ℃。深度繼續(xù)增加，地溫逐漸上升（圖4）。實測長沙地區(qū)恒溫帶深度在20 m左右，溫度為19～20 ℃。鉆孔地溫梯度實測數(shù)據(jù)中，最小值0.69 ℃/100 m，最大值 2.05 ℃/100m （巖漿巖區(qū)），平均值為 1.40 ℃/100 m。長沙位于我國南方地溫梯度的低值區(qū)，地溫梯度明顯低于中國南方地區(qū)地溫梯度平均值 （2.41 ℃/100m）。局部構(gòu)造是長沙地溫梯度的主要控制因素。相對高值點一般沿斷裂帶分布，如左腳橋—坪田沖壓性斷裂西北的ZK9（1.90 ℃/100 m）、施家港—天頂關(guān)壓性斷裂與曹家彎—竹山屋斷裂間的ZK4（1.74 ℃/100 m）。

 

  將研究區(qū)巖土體概化為5類。將熱物性測定結(jié)果按巖土體類別加權(quán)平均，得到研究區(qū)內(nèi)不同巖土體的熱物性參數(shù)（表2）。巖土體熱物性受地層、巖性、構(gòu)造、地下水、人類環(huán)境等多種因素的影響。研究區(qū)內(nèi)熱導(dǎo)率高值區(qū)集中在湘江以西、撈刀河以北地區(qū)，熱導(dǎo)率值大于1.92 W/(m·°C)；湘江以東瀏陽河沿岸第四系覆蓋區(qū)以及大托鋪地區(qū)熱導(dǎo)率值較低，小于1.68 W/(m ·°C)。比熱容高值區(qū)分布于西南部，大于1.09 kJ/(kg·°C)；靳江河—撈湖垸一帶為比熱容的低值區(qū)，小于0.82 kJ/(kg·°C)。長沙地區(qū)巖土體相對較高的熱導(dǎo)率可導(dǎo)致地溫梯度相對較低。

 

  現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗可以準確獲得巖土體的綜合熱物性參數(shù)。采用線熱源模型計算各鉆孔現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)。導(dǎo)熱系數(shù)最高點為ZK6、ZK7 鉆孔。兩孔之間孔距 50 m，第四系厚度相差近24 m。兩孔之間產(chǎn)狀較陡的斷層形成一個局部富水的強徑流區(qū)，導(dǎo)致兩孔出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)、每延米換熱功率的高值區(qū)。

 

  淺層地熱能熱容量

 

  基于按巖性結(jié)構(gòu)劃分出的8個子區(qū)，利用巖土熱物性測量和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗獲得的數(shù)據(jù)和體積法估算各子區(qū)淺層地熱能熱容量。結(jié)果表明，面積最大的I砂巖區(qū)淺層地熱能儲量最高，約1.14×1014kJ/℃，其次為III 板巖區(qū)，約 9.12×10的13次方kJ/℃，最低為VI 花崗巖區(qū)，約1.65×10的12次方kJ/℃。不同分區(qū)淺層地熱能儲量的差異主要源于面積不同，同時巖體熱物性也有影響。

 

  整個研究區(qū)包氣帶淺層地熱能熱容量約為6.19×10的12次方kJ/℃，飽水帶熱容量約為3.27×10的14次方kJ/℃，總熱容約為3.34×10的14次方kJ/℃。第四系松散巖類覆蓋的區(qū)域面積占34.2%，淺層地熱能儲量占34.4%?；鶐r出露區(qū)域面積占65.8%，淺層地熱能儲量占65.6%。第四系松散巖類沉積物對淺層地熱能儲量幾乎沒有影響。這主要是由于研究區(qū)內(nèi)第四系松散沉積物厚度較薄。

  地下水地源熱泵適宜性分區(qū)

 

  影響地下水地源熱泵系統(tǒng)的因素眾多，相互作用復(fù)雜，共同制約著熱泵系統(tǒng)的效率。

 

  進行地下水地源熱泵適宜性分區(qū)評價必須“因地制宜”地篩選評價指標。本次評價選擇供水條件、回灌條件以及水化學條件構(gòu)建熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價的指標體系。供水條件直接決定了地下水地源熱泵系統(tǒng)能否進行開發(fā)，主要考慮富水性、滲透系數(shù)和開采潛力3個因素。回灌條件是次重要因素，主要考慮含水層巖性、地下水位埋深等。水化學條件是水質(zhì)方面的影響因素，選擇地下水結(jié)垢性、礦化度和腐蝕性作為水化學條件的評價要素。

 

  由層次分析法得到各要素權(quán)重如表4所示。對評價結(jié)果影響較大的因素包含含水層的富水性、水位埋深、地下水開采潛力、含水層巖性和滲透系數(shù)。這幾個要素是含水層抽水能力和回灌能力的綜合體現(xiàn)，主要決定了一個地區(qū)是否適合建設(shè)地下水地源熱泵。

 

  根據(jù)各指標評分及權(quán)重，用綜合指數(shù)法求得各分區(qū)綜合評價指數(shù)，利用ArcGIS軟件得到研究區(qū)地下水地源熱泵適宜性分區(qū)圖。

 

  評價結(jié)果表明，長沙市總體上不適宜開發(fā)地下水地源熱泵，不適宜區(qū)面積占82.3%，較適宜區(qū)占 17.7%，沒有適宜區(qū)。研究區(qū)第四系松散層較廣，但是厚度不大，一般為20 m左右，最深不過40 m。除了星城鎮(zhèn)、撈湖垸、大托鋪等幾個富水地段外，其他區(qū)域第四系含水層富水性較弱。同時，研究區(qū)200 m以淺的范圍內(nèi)基巖含水層富水性弱或極弱。因此除靠近河流的部分地區(qū)外，研究區(qū)不適宜開發(fā)地下水地源熱泵系統(tǒng)。

 

  地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

 

  理論上地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜區(qū)較廣，但需結(jié)合考慮施工工藝、技術(shù)經(jīng)濟的合理性等實際因素。研究區(qū)第四系松散層厚度較小，基巖大片分布。結(jié)合土地利用情況，僅考慮垂直地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)。選擇水文地質(zhì)條件、地層屬性、施工條件等構(gòu)建評價指標體系。水文地質(zhì)條件方面主要考慮地下水水位、地下水流動條件、地下水水質(zhì)3個因素。地層是地埋管地源熱泵系統(tǒng)的載體，具有較大影響，主要考慮地層巖性、巖體的熱傳導(dǎo)率和比熱容等因素。施工條件主要考慮城市覆蓋情況及鉆井難易程度兩個因素。

 

  由層次分析法得到各要素權(quán)重如表5所示。對地埋管地源熱泵的評價結(jié)果影響較大的因素包括地層巖性、鉆井條件、地層巖體導(dǎo)熱率，而水文地質(zhì)條件的影響相對較小。

 

  長沙第四系松散層在200 m以淺的三維空間內(nèi)所占的比例遠小于基巖。因此，對以富水性較弱、徑流條件較差的基巖為主要載體的淺層地熱能開發(fā)而言，地層屬性和施工條件在要素指標權(quán)重值中占主導(dǎo)地位。

 

  評價結(jié)果表明，長沙市適宜開發(fā)地埋管地源熱泵，適宜區(qū)面積占62.6%，較適宜區(qū)占 33.9%，不適宜區(qū)僅占 3.5% 。

 

  相對于第四系分布較廣、厚度較大的天津、北京、鄭州等城市，長沙第四系松散層厚度較薄且以高導(dǎo)熱率的基巖為主，使得研究區(qū)相對適宜建設(shè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

 

  地源熱泵系統(tǒng)換熱功率

 

  利用巖土熱物性和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)估算地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)的換熱功率。冬、夏兩季地埋管內(nèi)流體平均溫度分別取10和35 ℃，換熱功率估算結(jié)果如表6所示。冬、夏兩季換熱功率分別為1.25×10的7和1.66×10的7kW。研究區(qū)地源熱泵系統(tǒng)在夏季可利用的溫差較冬季高，所以夏季換熱功率比冬季高。撈刀河—瀏陽河沿岸適宜區(qū)、長沙縣較適宜區(qū)和咸嘉湖—后湖較適宜區(qū)等夏季換熱功率較冬季高38%左右，差異最大。丁字鄉(xiāng)較適宜區(qū)夏季換熱功率較冬季高21%左右，差異最小。不同子區(qū)內(nèi)的差異主要來源于巖土體溫度的差異。

 

  淺層地熱能資源潛力

 

  利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)長沙淺層地熱能的潛力評估結(jié)果如圖6所示?？傮w上，長沙市淺層地熱能的開發(fā)潛力在夏季為(4.22±0.31)×10的5次方m2/km2，在冬季為(3.82±0.17)×10的5次方m2/km2。不同區(qū)域之間淺層地熱能資源潛力存在一定的差異。夏季淺層地熱能資源潛力最大的區(qū)域是咸嘉湖—后湖較適宜區(qū)，達4.59×105m2/km2；最小的區(qū)域是湘江西適宜區(qū)，為3.84×105m2/km2。冬季淺層地熱能資源潛力最大區(qū)域是圭塘河較適宜區(qū)，達4.00×10的5次方m2/km2；最小的區(qū)域是湘江西適宜區(qū)，為3.49×10的5次方m2/km2。按夏、冬兩季淺層地熱能資源潛力總和排序，咸嘉湖—后湖較適宜區(qū)和圭塘河較適宜區(qū)分列前兩名，而大托鋪適宜區(qū)和湘江西適宜區(qū)排最后兩名。可見，淺層地熱能開發(fā)利用的適宜區(qū)域不一定是資源潛力最大的區(qū)域。

 

  淺層地熱能開發(fā)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益

 

  開發(fā)淺層地熱能有巨大的經(jīng)濟、環(huán)境效益。淺層地熱能開發(fā)利用的經(jīng)濟效益可從地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在能源和資金節(jié)約量兩個方面，采用類比標準煤的方法進行折算。

 

  結(jié)果表明，長沙淺層地熱能開發(fā)利用可節(jié)省標準煤1.21×10的7次方t/a，節(jié)約資金約 85.0 億元。研究區(qū)淺層地熱能資源開發(fā)的經(jīng)濟效益較好，主要源于：可利用溫差大，空調(diào)利用時間長。目前長沙市的能源消費以煤炭和電力為主，煤炭消費占能源消費總量的比重過高。開發(fā)淺層地熱能可大大減少長沙的能源消費量，提高能源效率，同時節(jié)約的資金達2012年GDP 的 1.3%。

 

  淺層地熱能的開發(fā)利用可減少化石能源使用帶來的環(huán)境污染。根據(jù)相關(guān)規(guī)范估算長沙市淺層地熱能開發(fā)1 a相當節(jié)煤量所對應(yīng)的減排量。SO2和NOx是長沙大氣中的主要污染物，也是形成酸雨的主要物質(zhì)。長沙市開發(fā)利用淺層地熱能可以減少SO2、NOx和粉塵排放量約3.75×10的5次方t/a。這有利于改善愈發(fā)嚴重的大氣污染。淺層地熱能的開發(fā)利用尤其可以減少溫室氣體CO2的排放，減排量約2.89×10的7次方t/a，有利于減緩我國碳排放的增長趨勢。此外，淺層地熱能的開發(fā)利用還可節(jié)省環(huán)境治理費用總計約33.7億元。

 

  我國在“十一五”規(guī)劃中提出節(jié)能減排具體目標，“十二五”規(guī)劃又指出樹立綠色、低碳發(fā)展理念。上述結(jié)果表明大力發(fā)展淺層地熱能具有明顯的經(jīng)濟、環(huán)境效益，有利于實現(xiàn)節(jié)能減排和低碳發(fā)展。

 

  1） 長沙淺層地溫梯度實測數(shù)據(jù)介于 0.69 ℃/100 m～1.98 ℃/100 m，平均值為1.40℃/100 m，低于中國南方地區(qū)地溫梯度平均值。

 

  2）長沙市淺層地熱能的總資源量為 3.34×10的14次方kJ/℃。由于厚度較薄，第四系松散巖類沉積物對淺層地熱能儲量幾乎沒有影響。

 

  3）長沙第四系松散層厚度一般僅 20 m 左右，而 200 m 以淺廣泛分布砂巖、泥巖、板巖、花崗巖、碳酸鹽巖等基巖，且基巖導(dǎo)熱率較高，富水性為弱或極弱。由此，長沙相對適宜建設(shè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)。

 

  4）地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜區(qū)面積占 62.6%，較適宜區(qū)面積為占 33.9%；地下水地源熱泵系統(tǒng)沒有適宜區(qū)，較適宜區(qū)占17.7%。地下水地源熱泵的較適宜區(qū)域全部為地埋管地源熱泵的適宜區(qū)。除了市中心建城區(qū)和工程地質(zhì)條件較差的岳麓山外均為地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)、較適宜區(qū)。僅靠近河流的部分地區(qū)較適宜建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)。

 

  5）地埋管地源熱泵系統(tǒng)可利用的淺層地熱能資源總量達 3.55×10的14次方kJ/a，約相當于淺層地層溫度變化±1 ℃吸收或放出的熱量。地埋管地源熱泵系統(tǒng)冬季換熱功率為1.25×10的7次方kW，夏季換熱功率達 1.66×10的7次方kW；開發(fā)潛力在夏季為(4.22±0.31)×10的5次方m2/km2，在冬季為(3.82±0.17)×10的5次方m2/km2。

 

  6）由于可利用溫差大且空調(diào)利用時間長，在長沙開發(fā)淺層地熱能有較好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。據(jù)估算，開發(fā)淺層地熱能可節(jié)省標準煤1.21×10的7次方t/a，并減少 CO2和大氣污染物排放。