淄博市周村区浅层地温能开发利用资源潜力评价

2018-11-22王树星宋亮梁云汉

山东国土资源 2018年12期

王树星，宋亮，梁云汉

(山东省第一地质矿产勘查院，山东济南 250000)

0 引言

浅层地温能是指蕴藏在地下200m以内的岩土体或地下水中，具有开发利用价值的热能。因其具有储量大、分布广、埋藏浅、无污染等优点[1-2]，近年来受到了国家的大力推广，许多地产项目更是大力开发建设地源热泵项目，但由于缺乏前期勘查和规划资料[3]，在一些条件不适宜地区盲目建设新的地源热泵项目，造成了投资过高，运行效率低等问题[4-7]。因此，开展浅层地温能资源调查及适宜性区划研究具有重要的现实意义。

该文以山东省十六市下辖县(市)及城镇化建设重点区域浅层地温能调查评价项目为依托，开展浅层地温能适宜性分区及资源潜力评价工作，为合理开发利用浅层地温能资源提供科学依据，对其他相近地区推广利用浅层地温能提供参考。

1 浅层地温能赋存条件

1.1 浅层地质结构特征

研究区位于山东省中部地区，属于倾斜平原区。区内几乎全部被第四系覆盖，岩性为粉质粘土、粘土，厚10～50m，区内分布自南向北逐渐变厚。下伏地层以莱阳群城山后组砂岩、长石砂岩及青山群八亩地组玄武岩、安山岩、凝灰岩为主。

1.2 水文地质概况

图1 山东省水文地质分区图(局部)

研究区位于鲁西北平原松散岩类水文地质区与鲁中南中低山丘陵碳酸盐类为主水文地质区交界地带[8](图1)。北部属山前冲洪积平原淡水水文地质亚区(Ⅰ1)的孝妇河冲洪积扇孔隙水系统(Ⅰ1-3)，南部属平阴-临朐单斜水文地质亚区(Ⅱ1)的淄川盆地裂隙、孔隙水文地质小区(Ⅱ1-10)。

依据地下水赋存的不同介质类型、岩石的含水性及水力特征，该区地下水含水岩组分为第四系松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组及基岩裂隙含水岩组3类(图2)。

1.2.1 第四系松散岩类孔隙含水岩组

(1)冲积孔隙含水层

该含水层主要沿孝妇河河漫滩呈条带状分布，分布宽度50～500m，含水层岩性为砂砾石夹中、粗砂，厚度一般10～20m。单井涌水量一般大于1000m3/d，含水层富水性好；水化学类型为SO4-Ca·Mg或SO4·Cl-Ca·Mg型。

(2)冲洪积孔隙含水层

该含水层广泛分布于孝妇河冲洪积平原区，主要沿河带状分布。沉积厚度一般10m左右，最厚20m以上，含水层厚度3m左右，近河道地带厚度较小，约5～10m。单井涌水量一般300～1000m3/d，透水性和富水性较好；水位埋深6～14m；矿化度介于600～1000mg/L之间，水化学类型为HCO3·Cl-Ca·Mg型。

1—松散岩类孔隙含水岩组；2—碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组；3—基岩裂隙含水岩组；4—粉质粘土；5—砂质粘土；6—粘土；7—细砂；8—长石砂岩；9—石英砂岩；10—砂岩；11—含砾砂岩；12—凝灰岩；13—玄武岩；14—第四系白云湖组；15—第四系大站组；16—新近系牛山组；17—青山群八亩地组；18—莱阳群城山后组；19—实测及推测平行不整合地质界线；20—含水岩组界线；21—断层；22—研究区范围图2 研究区立体水文地质结构图

(3)坡洪积孔隙含水层

分布于城区南部山间谷地、沟谷两侧的丘陵地带，岩性主要为粉质粘土、砂质粘土夹砂砾，厚度1～15m。一般单井涌水量小于100m3/d；个别沟谷地带单井涌水量可达240m3/d。水位埋深一般10m左右。水化学类型为Cl·HCO3-Ca·Mg，HCO3·SO4-Ca·Mg型。

1.2.2 碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组

主要分布于研究区南部丘陵垄岗区，在山间洼地及北部隐伏于第四系之下。含水层岩性主要为中薄层长石砂岩夹砂砾岩。裂隙发育程度差，一般透水性弱，富水性差。单井涌水量一般小于100m3/d。

1.2.3 基岩裂隙水含水岩组

该含水岩组主要分布在研究区南部的方家村一带，主要岩性为黑色橄榄玄武岩，垂直层面柱状节理构造发育，具气孔及杏仁构造，与下伏地层呈不整合接触。富水性较差，单井涌水量小于100m3/d。

1.3 岩土体热物性特征

共采集岩土样品171件测试岩土热物性参数。热物性测试方法为瞬态平面热源法，试验设备为湘潭湘仪仪器有限公司生产的DRE-Ⅲ导热系数测试仪，仪器测量范围为0.005～20W/(m·℃)，测量精度为±3%，分辨率为0.005W/(m·℃)。测试结果如表1所示。粘土和粉质粘土热导率较低，介于1.67～1.83W/(m·K)之间，砂岩、安山岩、凝灰岩、玄武岩的热导率较高，介于1.986～2.647W/(m·K)之间。岩性的热导率越大，则热扩散率越大，不同岩性热导率和热扩散率呈正相关关系；而比热容则随着热导率和热扩散率的增大而减小。

表1 主要岩性热物理参数

2 换热方式适宜性分区

浅层地温能的开发利用适宜性分区主要围绕地下水源热泵和地埋管地源热泵的方式进行[9-10]。

2.1 分区方法

层次分析法(AHP)是一种可以对一些复杂、模糊问题作出决策的权重分析方法[11-14]。

运用层次分析法(APH)，通过yaahp(verion6.0)软件，在综合考虑该区实际情况及专家建议指标[15]和其他检验指标[16-17]的情况下，建立分区评价模型(图3)。使用MapGIS软件，对研究区换热方式进行评价分区。

2.2 分区结果

2.2.1 地下水源热泵适宜性分区

研究区地下水热泵开发利用适宜性分区划分为二级，即适宜性中等区、不适宜区。

a—地下水源热泵适宜性分区评价模型；b—地埋管地源热泵分区评价模型图3 换热方式适宜性分区评价模型

适宜性中等区：研究区内较适宜利用孔隙水换热系统的区域共计2.62km2，约占全区面积的4.36%。主要分布在研究区东北部孝妇河沿岸的白家寨、班里庄一带(图4)。区内含水层岩性以第四系砂质粘土为主，富水性较好，水位埋藏深度小，矿化度小。

不适宜区：除了研究区东北部孝妇河沿岸以外，研究区其他地区均为地下水换热方式不适宜区。

2.2.2 地埋管地源热泵适宜性分区

结合研究区浅层地温能水文地质条件、地质条件及热物性、地层属性，利用层次分析法，将研究区地埋管地源热泵适宜性分区划分为适宜性好区(Ⅰ区)、适宜性中等区(Ⅱ区)、适宜性差区三个级别(图4)。

1—适宜性好区；2—适宜性中等区；3—适宜性差区；4—地下水源热泵适宜性中等区；5—研究区范围；6—地埋管地源热泵适宜性分区界线；7—地下水源热泵适宜性分区界线图4 研究区地源热泵适宜性分区

适宜性好区(Ⅰ区)：总面积21.69km2，约占研究区总面积的36.13%。

Ⅰ1亚区主要分布于研究区中部、南部的北旺庄、黄家营村、陈路村、太和庄、赵家庄、二十里铺、孟家堰、杜家庄一带，面积17.40km2。区内岩性主要为第四系粉质粘土、粘土，下伏地层岩性为城山后组砂岩、长石砂岩，综合热导率一般大于2.00w/m·℃。

Ⅰ2亚区主要分布于研究区东北部的张坊村、白家寨、南营一带，面积4.29km2，区内岩性主要为粉质粘土、粘土，下伏地层岩性为城山后组砂岩、长石砂岩。

适宜性中等区(Ⅱ区)：总面积32.20km2，占研究区总面积的53.63%，区内岩性主要为第四系粉质粘土、粘土，下伏地层岩性为城山后组砂岩以及八亩地组玄武岩、安山岩。

Ⅱ1亚区主要分布于周村区老城区、北部的东塘坞、陈桥村以及黄家营东部的区域，面积30.19km2。

Ⅱ2亚区分布于研究区东南部南部的高塘一带，面积2.01km2。

适宜性差区(Ⅲ区)：面积6.15km2，占研究区面积的10.24%。分布在研究区南部的尚庄、方家庄一带。

2.3 浅层地温能适宜性区划

在分别进行地下水和地埋管换热方式适宜性分区的基础上，遵循地下水和地埋管换热方式适宜性优先原则(表2)，进行浅层地温能开发利用适宜性区划。

研究区除了水库等重要水源地保护区之外，其他地区均适合开发浅层地温能。其中，浅层地温能开发利用适宜性中等区面积53.89km2，占研究区的89.76%，为地埋管换热方式适宜性好、适宜性中等区和地下水换热方式不适宜区的重叠区域；适宜性差区面积6.15km2，占研究区面积的10.24%，主要分布在研究区南部的尚庄、方家庄、王家庄一带，不适宜浅层地温能开发利用。