肥城市城市规划区浅层地温能开发利用适宜性评价

崔庆岗，来永伟，孟令华，侯新星，赵淑芳

(1.中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 泰安 271000；2.中国煤炭地质总局第一勘探局地质勘查院，河北 邯郸 056004；3.新汶矿业集团泰山盐化工分公司，山东 泰安 271024)

0 引言

浅层地温能指地表以下一定深度内的地表水、地下水、岩土体中具有开发利用价值的热能，温度低于25℃，深度为恒温带至200m[1]，欧美定义深度100m[2-3]。浅层地温能经济、无污染、可再生利用，具有良好的开发利用潜力[4-7]。浅层地温能作为一种可再生能源，分布广、储量大、开采成本低[8-10]。在北京市[11]、重庆市[12]、长春市[13]、贵阳市[14]、嘉兴市[15]、西宁市[16]、乌鲁木齐市[17]、河南省[18]、辽宁省[19]等均取得了良好的成效。2015—2017年山东省完成17地级市城市规划区的浅层地温能调查评价[20-26]，探讨与研究了地埋管换热影响岩土体传热因素及热影响范围[27]、流体流量对竖直地埋管深度的影响[28]、光纤测温技术应用、浅层地温能开发利用地质环境影响与监测系统建设[29-30]。

肥城市城市规划区浅层地温能资源丰富、开采条件便利，应用热泵技术供暖和制冷，潜力巨大，对建设资源节约型社会、改善现有能源结构、保障国家能源安全、促进国家节能减排的战略目标实现具有非常重要的意义。目前国内浅层地温能的开发利用方式主要有地埋管地源热泵换热方式和地下水地源热泵换热方式，主要由水文地质条件、工程地质条件、环境地质条件、岩土体热物性等要素控制[20-25]。本次对研究区浅层地温能利用方式的适宜性分区进行系统研究，为该地区浅层地温能合理开发及利用提供设计依据具有重要意义。

1 地质概况

1—沂河组；2—临沂组；3—大站组；4—五阳山组；5—北庵庄组；6—东黄山组；7—三山子组；8—断层；9—研究区范围图1 研究区地质略图

2 水文地质概况

依据出露地层岩性及含水层的孔隙度、物理性质、水力特征和埋藏分布条件等，研究区分为第四纪松散岩类孔隙水含水岩组、奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组2个含水岩组(图2)。

1—松散岩类孔隙水，单井涌水量<500m3/日；2—碳酸盐岩裂隙岩溶水(裸露型)，单井涌水量1000～5000m3/日；3—碳酸盐岩裂隙岩溶水(裸露型)，单井涌水量500～1000m3/日；4—碳酸盐岩裂隙岩溶水(覆盖型)，单井涌水量1000～5000m3/日；5—松散岩类地下水流向；6—研究区范围图2 研究区水文地质图

2.1 含水岩组划分

(1)第四纪松散岩类孔隙水含水岩组。分布于康王河支流沿岸。含水层厚度20～30m，水位埋深4～8m，单井涌水量小于500m3/d，岩性为粉质黏土、粉土夹砂砾层。主要接受大气降水、河流侧渗等补给，以地下径流的方式排泄。水化学类型以HCO3-Ca，SO4-Ca为主。

(2)奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组。研究区内大面积分布，裸露于南部，裂隙岩溶发育。主要接受大气降水、裸露的奥陶系裂隙岩溶水的补给，排泄方式以人工开采为主，流向为自东南向西北，地下水以垂向运动为主，向盆地汇流，灰岩顶板埋深一般小于70m，水位埋深45～100m，单井涌水量约1000～5000m3/d。水质较好，矿化度0.5g/L左右，水化学类型以HCO3-Ca·Mg，HCO3-Mg·Ca为主。

2.2 地下水补给、径流与排泄

地下水运动主要受地层岩性、地貌及水文气象等因素控制，同时，人类活动强度的日益加大，人为因素对地下水运动的影响也越来越强烈。各类型地下水均随地形起伏变化而变化，地表分水岭基本上是地下水的分水岭，自补给区至排泄区，地下水运动速度呈现由快而慢的变化规律。

(1)第四系松散岩类孔隙水。大气降水和农田灌溉水为主要补给源，雨季康王河也补给地下水，平水期或枯水期为排泄地下水。在康王河北部区域，受古地形控制，第四系底部普遍发育一层由北向南厚度逐渐减小的黏土层，使第四系孔隙水与奥陶系岩溶水无水力联系；在康王河南侧，第四系孔隙水通过“天窗”与岩溶水发生联系。地下水流向自北东向南西，排泄方式为侧向径流和人工开采。水力坡度4×10-3，一般厚度20～30m。丰水期水位升高，枯水期水位下降，水位动态属气象水文型，最低水位一般在6月份，最高水位在9～10月份。

(2)奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水。奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水的补给来源为大气降水。地下水由南向北径流，在肥城城市规划区北部受石炭纪、二叠纪弱透水层的阻挡后折向西南，排泄出区外。水位埋深在盆地自东向西逐渐变浅，灰岩顶板埋藏深度一般小于70m，水位埋深45～100m，裂隙岩溶发育。排泄方式主要为侧向径流和人工开采。水位动态变化与大气降水关系密切，属气象水文型。当降水量由小—大—小变化时，地下水位也相应呈现低—高—低的变化规律，具有明显滞后现象，这与大气降水后地表水的汇集和径流距离有关。

2.3 地下水水位埋深情况

本次对研究区范围及周边区域的奥陶纪灰岩地层水位埋深进行了测量，水位等值线图显示(图3)，水位埋深多约在65～75m，埋深最大者位于新城镇白云山公园南、沙窝社区西南一带，埋深达约100m，推测与桃园断裂有关，导致水位埋深较大；埋深最小者位于老城镇西百尺村，水位埋深在45m左右。研究区范围内水质情况、水量赋存情况均优良—良好。

1—水位埋深等值线；2—测量机井位置及水位；3—研究区范围图3 研究区地下水水位埋深曲线图

3 浅层地温概况

研究区的地温高低主要取决于所在第四系覆盖厚度及奥陶纪地层岩性、岩溶裂隙水水位埋深、裂隙岩溶发育程度等因素。岩石裂隙不发育，地下水径流条件相对弱，不利于大地热流的散失，地温相对也较高。当岩石裂隙发育强裂，为地下水强径流带和排泄区，地温相对较低[31]。

3.1 浅层地温场特征

研究区变温带的下限深度介于10～14m之间，恒温带温度范围为14.5～16.8℃，平均值15.5℃。垂向主要岩性相同、但有第四纪覆盖层的地层，其变温带深度相对略浅。地温梯度变化值介于0.45～2.14℃/100m之间，无明显规律性。平面上来看(图4)，最高温分布于研究区西部，呈现SN向分布，位于西大封—朱庄—金槐—冉庄村一带，温度达到18℃以上，施工钻孔中岩心多处发育砾状灰岩，推测温度偏高与小型断层构造有关。最低温位于研究区中间区域、省道S309以北范围内，区域上与康王河形态相似，呈EW向展布，温度低于17℃。此外，仪阳镇—北辛庄—石坞村一带温度亦低于17℃，初步分析，较其他位置偏低的主要原因是，地下水径流较强，地下水垂向的流动致使地温变化幅度较小。其他区域多在16.0～17.0℃，总体变化不大。

1—温度等值线；2—测量机井位置及水位；3—研究区范围图4 研究区200m平面地温特征

3.2 岩土体热物性特征

根据实验室钻孔测试数据来看：奥陶纪灰岩的导热系数λ介于1.571～5.439W/m·℃之间，平均值3.569W/m·℃；热扩散系数a介于1.00～3.60mm2/s之间，平均值1.86mm2/s；容积比热容C介于0.556～2.572MJ/m3·℃之间，平均值2.013MJ/m3·℃。第四纪松散覆盖物的导热系数λ介于0.281～2.076W/m·℃之间，平均值0.899W/m·℃；热扩散系数a介于0.29～3.55mm2/s之间，平均值0.95mm2/s；容积比热容C介于0.207～3.985MJ/m3·℃之间，平均值1.282MJ/m3·℃。

据容积比热容分区图(图5)，研究区大致以康王河为界，南部容积比热容明显要高于北部。其中：西北部老城镇西百尺村一带容积比热容最小，小于1.57MJ/m3·℃，周边范围内多小于1.67MJ/m3·℃，这与该区域第四系含水埋深较浅、含水层厚度大有关。中间区域内、省道S309以北的王瓜店镇范围内，容积比热容介于1.67～1.87MJ/m3·℃之间，这与第四纪含水层多在20～30m有关，第四纪地层以沂河组和临沂组为主。南部新城镇、仪阳镇范围内，基岩隐伏较浅，或直接出露，或第四系覆盖厚度小，第四纪地层以大站组为主，第四系含水性较差，容积比热容大于1.87MJ/m3·℃。

1—容积比热容曲线；2—热响应试验钻孔编号；3—研究区范围图5 研究区容积比热容分区图

根据导热系数分区图(图6)，研究区大致以康王河以北为界，南部导热系数明显要高于北部。其中：西北部老城镇西百尺村一带、王瓜店镇朱庄村一带导热系数最小，导热系数小于2.30W/m℃，周边范围内多小于2.80W/m℃，这与该区域第四系含水埋深2～5m，较浅、含水层厚度大有关。中间区域内、省道S309以北的王瓜店镇范围内，导热系数介于2.30～3.05W/m℃之间，这与第四系含水层多在20～30m有关，第四纪地层以沂河组和临沂组为主。南部新城镇、仪阳镇范围内，基岩隐伏较浅，或直接出露或第四系覆盖厚度小，第四纪地层以大站组为主，第四系含水性较差，导热系数大于3.05W/m℃，其中南军寨村附近达到3.80W/m℃。

1—导热系数曲线；2—热响应试验钻孔编号；3—研究区范围图6 研究区导热系数分区图

4 地源热泵适宜性分区

4.1 地下水地源热泵适应性分区

选取研究区岩、土体含水层组地质、水文地质条件、地下水动力场条件、水温场条件、水化学特征、环境地质条件5个评价指标，进一步细分为含水层单位涌水量、结构、厚度、回灌能力；地下水水位埋深、含水层渗透系数；平均热导率、50m深度处的地温；水质分区、硬度分区；地下水水源地保护区、地下水水位年降幅、采空塌陷等14个要素。对研究区岩、土体含水层组地下水地源热泵系统适宜性进行细化分区。地下水地源热泵开发利用适宜性分区划分为适宜性中等区、适宜性差区(图7)。

1—适宜性中等区；2—适宜性差区；3—研究区范围图7 研究区地下水地源热泵开发利用适宜性分区图

适宜中等区(Ⅰ区)为研究区的主要分布区，面积为70.36km2，约占全区总面积的87.30%。适宜差区(Ⅱ区)包括煤炭采空塌陷区(Ⅱ1)，白云山公园一带(Ⅱ2)、龙山公园一带(Ⅱ3)、仪阳镇母猪山一带(Ⅱ4)。分别分布于泰肥铁路以北一带、白云山公园一带、龙山公园一带、仪阳镇母猪山一带，面积分别为2.35km2，6.43km2，0.40km2，1.06km2；分别约占总面积的2.92%，7.98%，0.50%，1.32%。

4.2 地埋管地源热泵适应性分区

本次适应性分区采用地质、水文地质条件，施工条件和岩土体热物性参数3个指标构成，细化为第四系厚度、含水层厚度、分层水质状况、地下水水位埋深、钻探施工难度和成本条件、城市覆盖率及地形坡度施工条件、岩溶发育情况、平均热导率、平均热容、地温等10个要素。地埋管地源热泵开发利用适宜性分区划分为适宜性中等区、适宜性差区(图8)。

1—适宜性中等区；2—适宜性差区；3—研究区范围图8 研究区地埋管地源热泵开发利用适宜性分区图

适宜中等区(Ⅰ区)为研究区的主要分布区，面积为79.19km2，约占全区总面积的98.25%。适宜差区(Ⅱ区)：包括白云山公园一带(Ⅱ1，1.01km2)、龙山公园一带(Ⅱ2，0.40km2)，分布于研究区南部，面积为1.41km2，约占全区总面积的1.75%，为生态保护区。

5 结论

在充分收集研究区基础地质、水文地质、地热地质等资料基础上，通过钻探施工、现场热响应试验测试、室内实验测试等综合研究，本文将肥城市城市规划区适宜性分区划分为：

(1)地下水地源热泵开发利用适宜性分区划分为1个适宜性中等区、4个适宜性差区：适宜中等区包括大面积地区，约占全区87.30%。适宜差区位于泰肥铁路以北一带、白云山公园一带、龙山公园一带、仪阳镇母猪山一带。

(2)地埋管地源热泵开发利用适宜性分区划分为1个适宜性中等区、2个适宜性差区：适宜中等区包括研究区大面积地区，约占全区98.25%。适宜差区包括白云山公园一带、龙山公园一带，为生态保护区。

在城市规划区集中供暖范围不能覆盖的区域，以浅层地温能的开发利用为重点，推广地源热泵系统，优化建筑用能结构，既解决长距离供暖带来的路径消耗，降低管线、加压等基建费用，还减少化石能源燃烧的排放，形成资源节约、环境友好的居住空间布局和建筑格局。