金华市区浅层地温能资源量评价

黄益巧, 周正飞, 陈勤富, 楼明君

(1.浙江省核工业二六九大队，浙江 金华 321017； 2.浙江省第三地质大队，浙江 金华 321001)

0 引言

随着金华市打造成浙江省第四大都市区进程的推进，能源结构的转型显得尤为重要，特别是新能源的开发利用迫在眉睫[1]。浅层地温能是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔。浅层地温能指蕴藏在一定深度范围内的地下岩土体、地下水中具有开发利用价值的热能。开发利用浅层地温能对改善能源结构、促进节能减排、建立资源节约与环保型社会具有不可忽视的作用[1-4]。

由于浅层地温能的开发利用受工程地质条件、水文地质条件、地层热物性、浅层地温场等诸多要素的影响，地温能资源量的分布和可开发利用程度差异性较大[1]。据不完全统计，金华市浅层地温能开发利用的工程实例数量远少于杭嘉湖和宁波等地[5]。通过有效地评价金华市区浅层地温能资源量，对提高金华市区浅层地温能的利用效率以及合理开发利用浅层地温能具有重要的现实意义。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区地处金衢盆地中东段，面积1 105.73 km2。地形上呈现“两山夹一川”，中部为红色丘陵盆地，北部为龙门山脉支脉的金华山，南部属仙霞岭山脉的金华南山。本次研究工作重点区为金华市城区、金西经济开发区、金义都市新区，面积598.58 km2，一般研究区为盆地边界与重点研究区以外构成的区域，面积507.15 km2。研究区地埋管勘查孔分布情况见图1。

1.2 地层岩性

研究区内主要揭露地层为第四系地层及白垩系地层。第四系地层厚度以6～8 m为主，古河道一带厚度可达14 m。在山麓沟谷及丘陵区岩性以砂砾石、黏性土为主；在河谷平原及江河两岸常组成高漫滩、一级阶地呈带状分布，岩性主要为粉质黏土、中细砂、砂砾石、卵石。白垩系地层为衢江群中戴组(K2z)、金华组(K2j)、衢县组(K2q)组成的一套紫红色河湖相陆源碎屑沉积岩，地层岩性以粉砂质泥岩、粉砂岩、钙泥质粉砂岩、泥质粉砂岩、砂砾岩为主，碎屑颗粒由盆地两侧边缘向盆地中心逐渐变细。

图1 研究区地埋管勘查孔分布图

1.3 水文地质条件

研究区内主要分布第四系孔隙潜水和白垩系红层水两大类。第四系孔隙潜水单井涌水量多为100～1 000 m3/d，其中衢江、金华江两岸的河漫滩及一级阶地单井涌水量>1 000 m3/d；白垩系红层水受岩性控制，其中位于盆地中心区域单井涌水量多为500～1 000 m3/d，其余区域涌水量一般<500 m3/d。

2 岩土体热物性特征

2.1 室内热物性测试

岩土体的传热性能取决于岩土体的热导率、比热容和热扩散系数等参数，其中热导率是评价浅层地温能的重要指标。对18个钻孔的151个样品进行室内热参数测试，通过厚度加权平均法分别计算出单孔热物性和岩层的热物性[6]，热导率值为2.05～2.90 W/(m·℃)，容积比热容值为1579～2 845 kJ/(m3·℃)，热扩散系数值为0.75×10-6～1.87×10-6m2/s。

2.2 原位热响应试验

由于岩土体的岩性、地质构造、含水率及水力坡度等因素都会影响其导热性能，因此原位热响应试验是获取地下岩土体热导率的有效技术手段[7]。本次试验采用恒热流法，埋管类型为单U孔15个和双U孔3个，管材采用管径为De32×3的PE管，共完成原位热响应试验31 次。由表1结果可知原位热响应测试结果大于室内热物性测试结果，同时更符合岩土体实际的热物性。

表1 室内热物性测试与原位热响应试验热物性结果表

3 浅层地温能资源量评价

根据浅层地温能开发利用现状，结合研究区地质条件，浅层地温能资源量评价分别为80、100和120 m以浅的浅层地温能资源量。同时将研究区分成三个区域进行计算，其中覆盖层含有砂砾石、卵石层的富水性区域面积为313.27 km2，覆盖层为粉质黏土的区域面积为194.27 km2，基岩裸露区面积为598.19 km2。

3.1 浅层地温能热容量

3.1.1 计算公式

在浅层含水层和相对隔水层中，浅层地温能热容量按下列公式计算[9]。

QR=QS+QW

(1)

QS=ρsCS(1-φ)Md

(2)

QW=ρwCWφMd

(3)

式中：QR为浅层地温能热容量，kJ/℃；QS为岩土体中的热容量，kJ/℃；QW为岩土体中所含水的热容量，kJ/℃；ρs为岩土体密度，kg/m3；CS为岩土体骨架的比热容，kJ/(kg·℃)；φ为岩土体的孔隙率；M为计算面积，m2；d为计算岩土体厚度，m；ρw为水密度，kg/m3；CW为水比热容，kJ/(kg·℃)。

3.1.2 计算参数的选取

将地层岩性进行概化处理，将砂卵石层划为一类，将黏土层划为一类，基岩包括泥质粉砂岩、钙质粉砂岩等沉积岩划为一类。根据概化后不同地层的岩土体物理参数及热物性参数，计算各岩土体的容重、含水率、比热容等参数，然后按照岩土体的岩性，利用数理统计方法进行全孔段加权平均得到各钻孔岩土体的深度加权平均参数。开发利用温差选择1 ℃，其他各计算参数选取见表2。

表2 计算参数一览表

3.1.3 计算结果

通过以上方法可计算出研究区开发利用深度分别为80、100和120 m，利用温差为1 ℃时的浅层地温能热容量分别为1.87×1014、2.35×1014和2.82×1014kJ，折合标准煤为6.38×109、8.02×109和9.62×109 kg；重点研究区浅层地温能热容量分别为1.01×1014、1.27×1014和1.52×1014kJ，折合标准煤为3.44×109、4.33×109和5.20×109kg。由此可知，研究区浅层地温能热容量赋存条件良好，对比不同深度的热容量发现，各个深度的热容量增长趋势一致性良好。

3.2 浅层地温能可利用资源量

3.2.1 单孔换热功率计算

根据本次现场热响应试验实际情况和取得的热导率计算单孔换热功率，计算公式见式(4)[9]。

(4)

式中：D为单孔换热功率，W；λ1为地埋管材料的热导率，W/(m·℃)；λ2为换热孔中回填料的热导率，W/(m·℃)；λ3为换热孔周围岩土体的平均热导率，W/(m·℃)；L为地埋管换热器长度，m；r1为地埋管束的等效半径，m；r2为地埋管束的等效外径，m；r3为换热孔平均半径，m；r4为换热温度影响半径，m，可通过现场热响应试验时观测孔求取或根据数值模拟软件计算求得；t1为地埋管内流体的平均温度，℃；t4为影响半径之外岩土体的温度，℃。

经过计算，各地埋管勘查孔80 m、100 m、120 m三个不同深度单孔换热功率结果见表3。

表3 地埋管勘查孔不同深度换热功率计算结果表

3.2.2 可利用资源量计算

结合研究区的城市建设和人口分布，针对重点研究区，本次可利用资源量计算采用热导率计算法，计算公式见式(5)[9]。

Qh=D×n×τ×10-3

(5)

式中：Qh为换热功率，kW；n为计算面积内换热孔数(换热孔间距取5 m)；τ为土地利用系数，取0.03672。

结合浅层地温能条件相同或相近的情况，利用Mapgis软件空间分析功能分别获取研究区80 m、100 m、120 m以浅1 km×1 km网格换热功率，从而得出重点调查区地埋管地源热泵系统换热功率。经计算可知，重点研究区80、100和120 m以浅夏季换热功率分别为4.12×106、4.98×106和5.74×106kW，冬季换热功率分别为3.60×106、4.67×106和5.80×106kW。当系统运行份额取0.50时，一个制冷季(120 d)和供暖季(80 d)，可计算得单位温差的浅层地温能的可利用资源量分别为3.38×1013、4.20×1013和4.98×1013kJ。

4 结论

本文分析了研究区的浅层地温能地质环境条件，结合试验获得岩土体热物性参数，计算了金华市区的热容量和重点地区的可利用资源量，评价了金华市区的浅层地温能资源量。

(1)研究区80 m以浅单位温差的浅层地温能热容量总量为1.87×1014kJ，其中重点研究区热容量为1.01×1014kJ，可利用资源量为3.38×1013kJ。

(2)研究区100 m以浅单位温差的浅层地温能热容量总量为2.35×1014kJ，其中重点研究区热容量为1.27×1014kJ，可利用资源量为4.20×1013kJ。

(3)研究区120 m以浅单位温差的浅层地温能热容量总量为2.82×1014kJ，其中重点研究区热容量为1.52×1014kJ，可利用资源量为4.98×1013kJ。

(4)本次研究成果表明金华市区开发利用浅层地温能潜力巨大，可为金华市区浅层地温能的开发利用提供科学依据和数据支持。