长春市区浅层地温能开发利用方式适宜性分区评价

2012-09-06曹剑峰赵继昌李书光

吉林大学学报（地球科学版） 2012年4期

王楠，曹剑峰，赵继昌，李书光

1.吉林大学环境与资源学院，长春 130026 2.长春工程学院水利与环境学院，长春 130021 3.中国地质环境监察院，北京 100081 4.吉林大学地球科学学院，长春 130021

王楠1，2，曹剑峰1，赵继昌3，李书光4

浅层地温能开发利用方式适宜性分区受地质条件、水文地质条件、岩石的导热性等因素控制。依据长春市地层岩性特征、含水层分布及富水性和岩石导热性，将长春市区划分为3个地层结构区：贾家洼子－八里铺－兴隆沟基岩裂隙含水带以西区（1区），贾家洼子－八里铺－兴隆沟基岩裂隙含水带及其以东到伊通河西岸阶地陡坎区（2区）和伊通河谷地区（3区）。各区的综合导热系数实测值分别是1.168、1.401和1.612。对影响适宜性分区的相关因素进行分析，建立了地源热泵和地下水源热泵适宜区的评价指标体系，并提出了适宜区、较适宜区和不适宜区的划分标准。采用模糊综合评判法对3个地层结构区进行了适宜性评价。评价结果是1区适宜采用地源热泵开采浅层地热资源，2区和3区均适宜采用地下水源热泵开采浅层地热资源。

长春市；浅层地温能；适宜性分区；评价体系；模糊综合评判

浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度（一般200m）范围内岩土体、地下水中具有开发利用价值的热能，其热储介质是岩土体和地下水体［1］。浅层地温能作为一种资源并不是用之不竭、取之不尽的，过量开采会造成资源枯竭。因此，以合理开发利用和保护浅层地温能资源为目的的调查评价工作尤为重要，其中浅层地温能开发利用方式适宜性分区是调查评价工作的基础。不同地区浅层地温能开发利用条件有较大差异，适宜区划分的具体方法和评价因子也有所不同。国外尚未开展浅层地温能开发利用方式适宜性分区工作。在我国，已有研究者对浅层地温能开发利用方式适宜性分区划分进行了研究，如江剑等结合北京、河北地区的地质、水文地质条件，提出应用层次分析法进行浅层地热能开发利用适宜性分区［2］。笔者结合长春地区的地质、水文地质条件，尝试应用模糊数学方法进行浅层地温能开发利用方式适宜性分区和评价，以期探讨不同地区，应用不同评价方法的可行性。

1 适宜区划分的内容

浅层地热资源是指蕴藏在地表以下岩石和地下水中的热能。其热储条件分析包括地埋管换热方式和地下水换热方式2种。地埋管换热系统以岩土体作为介质，由埋于地下的密闭循环管构成换热器，利用管路中流动的循环液作为介质进行热交换。因此岩土体的热物性参数主要与地层结构、岩性、地下水的运动速度、地下恒温带温度、岩土体的导热系数和平均比热容等因素有关［3－4］。

地下水体储存热能的条件取决于地质、水文地质条件、地下水水动力条件和水化学条件［5］。地质、水文地质条件控制了地下水赋存环境和水资源量多少；地下水动力条件控制了地下水的运移能力；水化学条件决定地下水体是否符合利用条件。对上述3个方面综合分析，得出影响地下水体热储条件的主要因素有8个：含水层厚度、单井涌水量、可开采资源量、地下水位埋深、含水层的回灌能力（回灌系数）、渗透系数、地下水水质和地下水水温［6］。

2 研究区概况

2.1 长春市区地层结构及岩性

长春市区地层由第四系松散岩类和白垩系基岩两大岩类组成。根据浅层地热赋存的特点（浅层地热是取用地下200m以上岩土体的地温），长春城区地质结构可划分为3种类型。

第1种类型是位于贾家洼子－八里铺－兴隆沟以西的广大地区，即研究区1。其地质结构为：上部是第四系黄土状亚黏土，厚25m以上；下部是白垩系姚家组红泥岩。这一带的显著特点是地层基本无含水层（仅小南一带第四系底部有1～3m厚砂砾石层）。

第2种类型是贾家洼子－八里铺－兴隆沟基岩裂隙含水带及其以东到伊通河西岸的阶地陡坎地带，即研究区2。地质结构：上部约10～15m厚的黄土状亚黏土，下伏1～3m厚砂砾石层；第四系地层下部基岩是白垩系青山口组粉细砂岩和粉砂质泥岩及泉头组砂岩泥岩。这一地带特点是含水层较多，砂砾石层赋存孔隙承压水，单井涌水量100～500m3／d，基岩富水性好，青口山组含水层单井用水量大于1 000m3／d，泉头组3－4段弱富水，单井涌水量100～300m3／d。

第3种类型是伊通河谷地区，即研究区3。地层结构：一级阶地区，地表分布1～3m厚黏土、亚黏土，其下为1～5m厚的砂砾石层；基岩是泉头组1－2段砂岩砂砾岩、泥岩，富水性差。这一地区的特点是第四系砂砾石层富水性好，单井涌水量500～2 000m3／d。

2.2 长春市区岩石的导热性

岩石的导热系数受岩石的含水量、密度、矿物成分及所含杂质等因素影响［7］。主要矿物的热导率分别如下：长石、白云母、绢云母、沸石类为5.30W／（m·℃）；黑云母、绿泥石、绿帘石为5.51W／（m·℃）；磁铁矿、方解石、黄玉为5.56W／（m·℃）；角闪石、辉石、橄榄石为5.19W／（m·℃）；白云石、菱镁矿为5.44W／（m·℃）；石英为7.12 W／（m·℃）；水为0.59W／（m·℃）（18℃时测定）。

长春地区常见岩土的热导率参考值见表1。

表1 长春市区常见岩土的热导率参考值Table 1 Reference value of rock and soil thermal conductivity in Changchun district

从表1可看出，不同岩土的热导率差别可达数倍，即使同种岩土的热导率也常常有差别，因为影响岩土热导率的主要因素是含水量和密度［8］。岩石密度越大，导热率也越大，坚硬致密岩石导热性优于疏松岩石；含水量大的岩石较同类含水量小的岩石导热率大。

在实际应用中，某一种岩石或矿物的热导率对于浅层地温能换热系统设计意义不大，通常使用的是在现场测试孔、使用专用仪器测得的地层综合导热系数。长春市区3种类型地层结构实测综合导热系数分别为1.168、1.401、1.612W／（m·℃）。

3 长春市区岩土体适宜性分区评价体系

3.1 地埋管式地源热泵适宜区热储条件评价体系

热储条件评价主要考虑地质、水文地质条件及岩体热物性系数，从节约土地的角度出发，只考虑垂直地埋管方式［9］。笔者提出如图1所示的评价体系。评价体系由3层构成，从顶层至底层分别为目标层、属性层和要素指标层。从理论上讲，地源热泵式浅层地温的开发，在任何地层结构地区都适用，但需考虑施工工艺及经济技术合理性。长春市区冬天寒冷，重点应考虑区域地下热均衡。因此长春市区地埋管式地源热泵评价，只结合地形地貌考虑施工工艺及经济技术合理性即可［10］。

3.2 地下水源热泵适宜区热储条件评价体系

图1 地源热泵适宜性分区评价体系Fig.1 Evaluation system of geothermal energy

在水量丰富的地段可采用地下水源热泵换热系统开发利用浅层地温能，若只考虑水量：单井涌水量30m3／h，能为大中型建筑物供热；单井涌水量10～20m3／h，只能为小型建筑物供热。水源热泵换热系统效率高于土源热泵，因此在水资源量丰富的地区，多采用地下水源热泵开发利用浅层地温能。结合长春市区具体条件，提出长春市区开发利用浅层地温能地下水源热泵适宜区的评价体系。

4 长春市区地下水源热泵适宜区评价

地下水源热泵适宜区评价体系是由多因素、多层次级构成的（图2）。评价指标共分3层：目标层（A）、亚目标层（B）、指标层（C）。其中，B又划分为B1－B3；C划分为C1－C8。适宜区评价有许多方法，但其又是一个模糊概念，无法用一个绝对的判据来划分，因此适合用模糊综合评判法进行综合评价。首先由指标C1－C6、C7、C8综合评判B1－B3，再由B1－B3综合评价目标层A。

在模糊综合评判中，核心工作是确定各个指标对目标的贡献大小以及各个指标在评价区内的分布和强度［11］，并给出量化指标。

4.1 各指标权重的确定

地下水水量是影响能否利用水源热泵的决定性因素，地下水水量因素权重赋值大。在应用水源热泵时，回灌水不应污染含水层，否则会对热泵运行有影响。

图2 地下水源热泵适宜区评价指标体系Fig.2 The evaluation index system of groundwater source heat pumps

指标层各指标的权重赋值应考虑到如下几个方面。1）含水层厚度对地下水资源量大小及建井结构影响很大，一般来说，含水层厚度越大，供水能力越强；含水层颗粒越细，越易进入水源热泵机组，会磨损设备，并且会影响回灌井的回灌能力。因此，含水层厚度越大、颗粒越粗，赋值应越大。2）单井涌水量反映了取水井的产水能力，单井涌水量越大，说明含水层富水性越好，赋值应越大。3）由于水是热的良好载体，热容量大，热的传导和对流使得连续水体的温度保持一致，因此含水层的渗透系数越大，热的传导和对流越强，赋值应越大。4）含水层可开采资源量大，说明该地区地下水补给源多，地下水循环利用量多，越适宜水源热泵的应用。可开采资源量越大，赋值应越大。5）地下水位埋深大，会增加取水成本。地下水位埋深越小，赋值越大。6）水的硬度越大，水源机组和管路越易结垢，影响使用寿命。硬度越小赋值越大。7）地下水水温越高，可取的热量越多。水温越高赋值越大。8）水文地质条件是影响回灌能力的主要因素。回灌系数大的地区，赋值越大［12］。B1、B2、B3的权重分别为0.8、0.1、0.1；C1－C8的权重分别为0.15、0.30、0.15、0.05、0.15、0.20、1.00、1.00。

4.2 隶属函数的构造

4.2.1 正指标和负指标

本文共包含有8个指标。其中，有的指标值越大其对评价目标的影响就越好，即评价目标也就越往好的方向发展，此区域的开发潜力就越大，如含水层厚度、单井涌水量等，故称这些指标为正指标［13－14］；而有些指标值越大其对评价目标的影响就越不好，如地下水位埋深和硬度等，说明评价目标在往坏的方向发展，称这类指标为负指标。

4.2.2 隶属函数的构造

根据模糊集理论，各参评因子的实际值对各级环境地质质量的隶属程度用隶属度μ（x）来刻画（隶属度越大，隶属资格越高），隶属度用隶属函数表示。这里隶属函数选用线性隶属函数（具体公式略）构造出隶属函数矩阵［15］。

4.3 模糊综合评判

根据3.2节所建立的长春市地质结构分区，3个区的指标实测值及分级标准见表2和表3。

表2 各指标实际值Table 2 Measured value of every index

表3 地下水源热泵适宜区分级标准Table 3 Grading standards of water source heat pumps

对于1区，将上表中各指标的实际值代入相应的隶属函数中（其中C4应代入负指标的隶属函数），得到隶属函数级矩阵：权重行向量WC＝（C1，C2，C3，C4，C5，C6）＝（0.15，0.30，0.15，0.05，0.15，0.20），进行模糊变换，得B1对第二层的隶属程度BB1＝（0.95，0.00，0.05），同理求得BB2＝（0，0，1），BB3＝（0.2，0.8，0.0）。对BB1、BB2和BB3进行二级评判，得到评价矩阵：

亚目标层权向量的WB＝（0.8，0.1，0.1），与评价矩阵进行二级模糊综合评判：

根据最大隶属度原则，本区的可持续开发潜力属于评语等级的第1级，即适宜区。同理对2、3区进行评判。

根据最大隶属度原则，2、3区的可持续开发潜力均为适宜区。

综上所述，长春市在研究区1，宜用地源热泵开发浅层地热资源；研究区2和研究区3也可采用地源热泵，但这2个区水量较丰富，采用地下水源热泵的效率要高于地源热泵。

5 结论

1）根据地层结构和岩石导热性分析，长春市区可划分3个地层结构区，各区的综合导热系数实测值分别是1.168、1.401、1.612W／（m·℃）。

2）根据长春市地下水资源分布特点，建立水源热泵适宜区的评价指标体系，采用模糊综合评判法对3个地层结构区进行了适宜性评价。评价结果是1、2、3区均可采用地源热泵开采浅层地热资源，但由于2、3区水量较丰富，采用水源热泵的效率会高于地源热泵，因此，1区适宜采用地源热泵，2、3区适宜采用水源热泵开采浅层地热资源。

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Suitability Evaluation of the Shallow Geothermal Energy Development and Utilization in Changchun District City

Wang Nan1，2，Cao Jian－feng1，Zhao Ji－chang3，Li Shu－guang4

1.College of Environment and Resources，Jilin University，Changchun 130026，China 2.Institute of Water Resources and Environment，Changchun Institute of Technology，Changchun 130021，China 3.Geology and Environment Survey Bureau of China，Beijing 100081，China 4.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130021，China

The conditions of shallow geothermal energy is controlled by geological conditions，hydrogeological conditions and the thermal conductivity of rocks.According to geological and hydrogeological conditions，and analysis of rock thermal conductivity，Changchun urban area can be divided into three stratum structure areas and the No.1is bedrock fissure water belt in the west of Jiajiawazi－Balipu－Xinglonggou，the No.2is from bedrock fissure water belt in the east of Jiajiawazi－Balipu－Xinglonggou to terrace scarp zone of Yitong River and the No.3is the Yitong River valley region.The measured thermal conductivity are 1.168，1.401and 1.612respectively.According to analysis of relevant factors，we establish the evaluation index system of ground－source heat pump andgroundwater source heat pump suitable areas and put forward the optimum area，more appropriate area and unsuitable zone.We use the fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate the three stratum structure areas.The results of evaluation is that the No.1area is not suitable for groundwater source heat pump and the No.2，No.3area are suitable.

Changchun City；shallow geothermal energy；suitability evaluation；evaluation system；fuzzy comprehensive judgement

book=2012,ebook=514

P641.1；P314.1

1671－5888（2012） 04－1139－06

2011－10－26

吉林省科学技术厅重点项目（20090481）

王楠（1980－），男，博士研究生，主要从事地下水资源研究工作，E－mail：nancy2297＠163.com

曹剑锋（1943－），男，教授，博士生导师，主要从事地下水系统和水资源系统工程研究，E－mail：caojianfeng＠jlu.edu.cn。