地源热泵系统在武汉市岩溶分布区的适宜性

庞设典，龙治国，官善友，舒武堂

(1.武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022； 2.武汉市建设工程设计审查办公室，湖北武汉 430015)

地源热泵系统在武汉市岩溶分布区的适宜性

庞设典1∗，龙治国1，官善友1，舒武堂2

(1.武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022； 2.武汉市建设工程设计审查办公室，湖北武汉 430015)

在分析武汉市岩溶分布发育特点及岩溶地面塌陷历史和规律的基础上，通过分析地下水换热系统和地埋管换热系统对岩溶地质环境的影响，对武汉市在可溶岩分布区开展地源热泵系统技术的适宜性进行了分区和评价。

岩溶；塌陷；地源热泵系统；适宜性

武汉市作为国家实施“中部崛起战略”的龙头城市之一和“全国两型社会建设综合配套改革试验区(8＋1城市圈)”，近年来社会经济持续发展，人民生活水平显著提高，但随之而来的是能源形势日益紧张及环保任务日益加重。地源热泵技术作为一种高效节能、环保型的可再生能源工程技术，在武汉地区已有了一定的应用，相关地方技术标准和政策性措施也已制订。而武汉市近几十年来已发生多起岩溶地面塌陷，其中不乏人为工程活动引发的地面塌陷。因此，在岩溶发育地区采用地源热泵技术应充分了解岩溶发育特点，采取合理的热泵型式和必要的工程措施，以确保不对地质环境造成破坏。

1 武汉市岩溶分布发育特点

武汉市属鄂东南岩溶地面塌陷易发区，近几十年发生过多起岩溶地面塌陷灾害，造成了很大的经济损失和不良社会影响，在全国副省级城市中罕见。

1.1 武汉市岩溶分布发育总体特征

岩溶是可溶性岩石在水的溶蚀作用下，产生的各种地质作用形态和现象的总称，可溶性岩石包括碳酸盐类岩石(石灰岩、白云岩等)、硫酸盐类岩石(石膏、芒硝等)和卤素类岩石(岩盐等)。武汉地区的可溶性岩石大多属于碳酸盐类岩石，自北向南分布有3个条带，呈近东西向分布。其中南部与中部(尤其是南部)条带岩溶相对发育。多呈紧闭型褶皱，厚度不大(石炭系黄龙组灰岩厚约 30 m，二叠系栖霞组灰岩厚约150 m)。倾斜较陡，局部直立甚至倒转。岩溶发育深度自基岩面至 －100 m以内，最深可达 －127.5 m；其间可划分为3个～5个岩溶洞隙层，每层岩溶洞隙高度0.5 m～10.0 m不等。位于长江一级阶地的岩溶连通性较好，特别是碳酸盐岩和碎屑岩的不整合接合部位岩溶往往比较发育。

1.2 武汉地区岩溶塌陷形成的基本条件

(1)在地下不太深处存在碳酸盐类可溶岩体，可溶岩中岩溶洞隙很发育，且在覆盖土层之下分布有开口溶洞、溶隙，也就是存在着覆盖土层物质向岩溶洞隙中运移的通道。同时还需要溶洞中存在使土层物质流入的空间，即溶洞中无充填物或只有少量充填物。

(2)覆盖土层松散无粘性，松散物质可直接下泄，或土层虽很密实有粘性但在地下水长期吸蚀作用下已形成漏斗状疏松体或空洞。

(3)岩溶地下水有充分的运动循环条件，可使溶洞中充填物被带走或补充进洞。一般有两种情况，一种是岩溶地下水位低于基岩顶面，在土层底部和岩体上部存在饱气带，有利于水的垂直循环，使土体能被掏空而形成空洞。另一种是覆盖层中松散物质为饱和含水层(孔隙含水层)，它和岩溶地下水有直接的水力联系，能形成统一的水运动过程。这两种水动力条件分别对应不同覆盖土层塌陷的形成。

(4)诱发条件。包括抽取岩溶地下水、工程建设等，均可能引发岩溶塌陷。

1.3 武汉市岩溶地面塌陷历史

武汉市曾发生过多次岩溶地面塌陷。1931年8月丁公庙塌陷，导致江堤溃口，形成倒口湖，白沙洲淹没；1977年9月～1992年先后发生6处地面塌陷(如1977年中南轧钢厂钢材库塌陷、1983年7月武昌阮家巷塌陷、1988年5月武昌陆家街塌陷等)，1999年以后相继又发生了青菱乡毛坦港塌陷、武昌涂家沟司法学校塌陷、青菱乡烽火村塌陷；2005到2006年倒口湖阮家巷一带发生过两次地面塌陷，其中2006年4月发生的地面塌陷发生在可溶岩和非可溶岩的接触带地区；2008年2月又在汉南纱帽镇紧邻长江大堤处发生了地面塌陷；2009年，武昌白沙洲大道半年发生8次地面塌陷。上述地面塌陷或使工厂停工、学校停课，或使民房陷落、居民搬迁，或使交通中断、水渠弯裂，甚至威胁邻近的交通动脉、江堤安全。

1.4 武汉地区岩溶地面塌陷特点

(1)武汉地区历年所发生的岩溶地面塌陷几乎全都发生在武昌、汉阳长江两岸的南部石灰岩条带滨江长江一级阶地，第四纪覆盖土层主要为全新世(Q4)砂土和一般粘性土。其地层组合、地下水类型及塌陷机理特点是:

地层组合为典型的二元结构，上部为粘性土，下部为粉细砂直接覆盖在石灰岩之上；粉细砂中含孔隙承压水，石灰岩中含岩溶裂隙水，两个含水层有直接的水力联系；当岩溶洞隙有覆盖层物质流入后，覆盖层中逐渐形成漏斗状疏松体，直至形成地面塌陷坑。属于“潜蚀”型。

(2)许多工程实践表明，武汉地区岩溶往往沿灰岩层面、不整合接触面、断层破碎带等结构面发育，且垂向比较发育，而水平向连续性较差。

(3)在武汉地区二、三级阶地灰岩条带以上的老粘性土(Q2、Q3)层，目前为止尚未发现土洞和岩溶地面塌陷，说明武汉地区老粘性土在现有环境下不具备产生土洞和塌陷的地质条件。但在武汉邻近丘陵山区的山前或山间低地一带的老粘性土(Q2＋3)覆盖区，由于石灰岩中岩溶地下水位低于土岩分界面，岩面上下存在地下水的垂直循环带，在地下水长期潜蚀过程中存在形成土洞，进而造成塌陷的现象。

2 武汉市地源热泵技术应用情况

2.1 武汉市地源资源情况

(1)地表水资源情况

武汉市位于长江、汉江交汇处，区内江河纵横，湖泊密布，地表水资源丰富。地表水资源量中心城区4.42亿m3，远城区约2.3亿m3。

在武汉市，一般冬季江河水温比地面水温略高，夏季江河水温比地面水温略低。以长江为例，冬季水温一般在7℃～8℃，夏季水温一般在27℃～28℃。汉江水温一般较长江水温略低。长江与汉江具有流域面积广、水量丰富、水深较大、流速大、自然净化能力强的优点，利用江水作为地源热泵的冷热源条件非常优越。

武汉市的湖泊多为浅盆湖，湖水温度与地面温度相差也不大。利用湖泊水作为地源热泵系统的冷热源，其效果不甚理想，其水体利用有待进一步探讨。

(2)地下水资源情况

武汉市地下水资源丰富，地下水天然补给量为4 866.28×104m3/a，开采条件下，天然补给量为13 910.4×104m3/a，可开采量为 13 121.4×104m3/a，2005年武汉市区地下水开采量为1 875.44×104m3，仅占地下水可开采量14%，因此，武汉市地下水资源开发利用潜力较大。

全新统孔隙承压水水温4月～9月随气温升高亦有相应的抬升，最高可达20℃左右，冬季最低水温约16℃，年变幅约4℃。上更新统孔隙承压水、碎屑岩类裂隙孔隙承压水和碳酸盐岩裂隙岩溶水水温动态特征无显著变化，最高19℃，最低17℃，年变幅2℃。

(3)土壤源情况

武汉地区大部分地层颗粒较细，土石类别主要为松土～普通土～硬土，土石等级为Ⅰ～Ⅱ～Ⅲ级，换热孔施工难度小，成本低。武汉市陆地面积很大，一般来讲，大部分地区都可以考虑采用土壤(包括岩石)源作为热泵系统冷热源。

据资料显示，与地面上环境空气相比，地面以下1 m左右的地层，其初始温度大约等于年平均温度，地面以下5 m左右土壤温度全年基本稳定，且略低于年平均气温，而在地面下20 m左右土壤温度基本在18℃左右。所以从热力学原理上讲，土壤源是一种比环境空气更好的热泵系统的冷热源。

2.2 武汉市地源热泵技术应用情况

武汉市目前尚无采用地表水作为冷热源的地源热泵系统应用。已采用的主要为地下水源和地埋管地源热泵系统。地下水源地源热泵主要设置在地下水资源储量丰富的一级阶地，以全新统孔隙承压水作为冷热源，目前已采用的建设项目有近30项。地埋管地源热泵主要设置在高阶地，以浅部土层或基岩作为冷热源，已采用的建设项目有近20项。总体来讲，已建成项目运行较好。

在运行过程中，强调加强地下水水质和水位、回灌效果、地下环境温度以及地面建构筑物变形等监测工作，及时发现问题，并不断总结经验、寻找规律，为地源热泵的推广应用积累宝贵的地区经验。

3 在岩溶发育区采用地源热泵技术易造成的环境地质问题

采用地下水源热泵可能引发的环境地质问题主要有回灌水质不合格，回灌不到位而引起地下水水质污染和地面沉降以及抽吸地下水引发岩溶地面塌陷等。

由于地埋管地源热泵系统要与地下岩土进行热交换，在冬夏季吸排热不太平衡的情况下，有可能打破地下局部温度平衡，从而导致细菌繁殖、污垢、胶体等不良影响。土壤温度的升高，还可能影响地面植物的生长，从而对生态环境造成一定的影响。由于要在地下打许多地埋管换热器钻孔，可能会破坏土体的稳定性，可能由于回填料不合格或回填不到位而人为形成岩溶裂隙水的补充通道，进而加速土洞和塌陷的形成和发展，对建筑物稳定性有一定影响。此外，在岩溶发育区采用地埋管，由于岩溶发育的规律性差，可能会增加成孔的难度并在成孔费用上有较大的提高。

4 可溶岩分布区地源热泵技术适宜性

受区域构造控制，武汉城区分布有近东西向条带状可溶岩，自北向南主要呈3个条带产出。笔者根据武汉地区可溶岩分布、岩溶分布和地下水发育等地质环境特点，将地源热泵技术(主要针对地下水源和地埋管)适宜性进行了初步分区，将其分为不适宜区、适宜性差区和较适宜区等三个层次。

(1)不适宜区

本区主要处在第三条带的沿江一级阶地地带，可溶岩主要为三叠系大冶组灰岩，属潜在岩溶地面塌陷危险区，历史上发生过多次岩溶地面塌陷，地源热泵工程建设引发岩溶地面塌陷地质灾害的可能性大。

本区主要为长江大桥以南的长江两岸一级阶地且分布有碳酸盐岩地区，岩溶较发育，岩溶水与第四系孔隙承压水和长江补排关系明显。北起汉阳中南轧钢厂、武昌造船厂长江一级阶地与岗地相临地带，南抵青菱湖、黄家湖长江一级阶地与岗地交接地带，西至太子湖长江一级阶地后缘，东至京广铁路东侧巡司河一级阶地后缘及汉南陡埠村区域。本区也属于湖北省政府确定的禁止取水区，人为抽吸地下水极易引发岩溶塌陷。在本区采用地埋管，钻孔施工过程极易改变区域的水动力条件，造成地面塌陷，而且目前已有多起施工引发的岩溶地面塌陷。因此将本区划分为地下水源和地埋管地源热泵不适宜区。

(2)适宜性差区

适宜性差区主要位于第二条带和第三条带的高阶地部分，可溶岩主要为三叠系大冶组灰岩和二叠系栖霞组灰岩。第二条带处于大桥向斜的核部，西起汉阳七里庙，经龟山南侧莲花湖一带，跨过长江，穿过蛇山与凤凰山之间的平地，东至洪山以北的水果湖一带，呈近东西走向，南北宽约 1.5 km～2.0 km，其上主要覆盖第四系上更新统网纹状黏土，顶板埋深 12.9 m～51.0 m之间。本区虽然溶洞较为发育，但未发生岩溶地面塌陷。由于本区岩溶水环境条件不甚明晰，采用岩溶水作为冷热源时可能由于真空吸蚀作用形成土洞塌陷，应慎重；而采用垂直地埋管，以可溶岩作为冷热源时，其一是易造成地下水环境条件和岩土体应力的改变，可能加速土洞的发展，形成安全隐患。其二是由于岩溶的存在，给施工造成较大难度，需采取注浆、钢护筒等工程措施，且施工效果难以把握。因此，在此区域建议根据勘察结果，优先采用水平地埋管技术，以上部老粘性土作为冷热源。总体来讲，本区地源热泵工程建设引发岩溶地面塌陷地质灾害的可能性中等。

(3)较适宜区

较适宜区位于武汉市北部第一条带，自岱家山，经天兴洲、蒋家墩至武汉钢铁公司，东西长约 17 km，南北宽 0.5 km～2.0 km。由于该条带以白云质灰岩为主，矿物成分含碳酸镁，相对较难溶蚀，溶蚀现象不明显，仅在钻探揭露个别小溶隙，至今未发生岩溶地面塌陷地质灾害。本区地源热泵工程建设引发岩溶地面塌陷地质灾害的可能性小，为采用地源热泵技术较适宜区。由于岩溶发育的不确定性，在本区采用地源热泵技术，也应通过专项勘察确定合理的技术方案。

适宜性分区结果如图1所示。

图1 武汉市可溶岩地区地源热泵系统适宜性分区图

值得说明的是，武汉市作为鄂东南岩溶地面塌陷地质灾害易发区，在可溶岩分布区采用地源热泵技术时，应严格按国家和地方相关规范标准进行浅层地热能资源专项勘察，采用物探、钻探、水文地质勘察等综合手段，详细查明拟建区的岩溶分布、岩溶裂隙水发育及水质、水位动态变化、地温等特点，在此基础上建议合理的地源热泵型式，并对地源热泵施工提出针对性的措施和建议。

5 结 语

本文根据武汉地区可溶岩分布、岩溶分布和地下水发育等特点，结合武汉地区浅层地热能资源分布和地源热泵应用情况，从地源热泵工程建设与岩溶地质环境的协调和可持续发展角度将地源热泵系统适宜性进行了初步分区。主要针对地下水源和地埋管地源热泵，将其适宜性分为不适宜区、适宜性差区和较适宜区等三个层次，试图对武汉市在可溶岩分布区开展地源热泵系统建设起到一定的参考作用。

[1]肖建华，廖建生，官善友.武汉市应用地源热泵技术的有关问题探讨[J].城市勘测，2006(4)

[2]官善友，龙治国，周淼.武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分区[J].城市勘测，2009(5)

[3]GB50366－2005.地源热泵系统工程技术规范[S].

[4]官善友，庞设典，龙治国.论武汉市环境工程地质问题[J].工程地质学报，2007，15(2)

[5]官善友，陈浩.地温空调(水源)地下水开采设计[J].城市勘测，2005(3)

[6]宁国民，陈国金，徐绍宇等.武汉城市地下空间工程地质研究[J].水文地质工程地质，2006(6)

[7]刘立才，王金生，张霓等.北京城市规划区水源热泵系统应用适宜性分区[J].水文地质工程地质，2006，33(6)

The Suitability of Ground－Source Heat Pump System Lin the Karst Areas of Wuhan

Pang SheDian1，Long ZhiGuo1，Guan ShanYou1，Shu WuTang2
(1.Wuhan Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Wuhan 430022，China；2.Wuhan bureau of Civil Engineering Design Examination，Wuhan 430015，China)

This paper gives the partition and evaluation of ground－source heat pump system technology in the soluble rock area in Wuhan City，on the base of analyzing the feature of the karst distribution and development and the history and law of karst land collapse in Wuhan City，through the analysisof the impact of the groundwater system and ground heat exchange system on the karst geological environmental.

Karst；collapse；ground－source heat pump system；suitability

1672－8262(2010)05－172－04

P66

B

2010—06—15

庞设典(1972—)，男，高级工程师，主要从事岩土工程技术工作。