龙口市浅层地温能赋存条件及开发适宜性分区

2020-12-24王光凯雷耀东白云邢学睿申中华

山东国土资源 2020年12期

王光凯，雷耀东，白云，邢学睿，申中华

(山东正元地质资源勘查有限责任公司，山东济南 250001)

0 引言

浅层地温能是深层地热能与太阳能共同作用的产物，其热源主要包括地球外部热源和地球内部热源。地球内部热源为来自地心自然散热、放射性衰变热、地球转动热释放的热能；外部热源主要包括太阳辐射热、潮汐摩擦热和其他外部热源[1]。

浅层地温能主要利用浅层地质体的热能储蓄和热传导能力，其赋存条件不仅受地质构造的影响，还受地质结构、岩性、水文地质特征以及浅层地温场特征的制约[2-5]。通过分析龙口市及周边地质、水文地质资料，开展现场热响应试验与水文地质钻探，对研究区进行浅层地温能赋存条件分析与开发适宜性分区，为浅层地温能的开发利用及采热规划提供技术参考。

1 研究区地质背景

1.1 研究区自然地理概况

研究区位于山东省龙口市主城区，属北温带季风型大陆性气候。四季分明，因地处滨海，夏季海洋气候特征明显，湿热多雨，无高温酷暑；冬季受蒙古高压控制，海洋影响减弱，呈现大陆性干冷气候特征，研究区位置如图1所示。

图1 研究区位置及范围示意图

1.2 水文地质条件

研究区中部及北部有厚为4～68m的第四系覆盖，古近纪五图群地层隐伏于第四纪地层之下，主要岩性为泥岩、粉砂岩和黏土岩，厚度为71.2～132.5m；白垩纪青山群地层零星分布，主要由角砾岩、凝灰岩等组成，厚度为20m左右；震旦纪蓬莱群，主要为板岩和泥灰岩，厚度为96～1610m。研究区东南部岩浆活动较强烈，岩浆岩较发育，以晚元古代侵入岩为主，主要为玲珑序列崔召单元弱片麻状中粒二长花岗岩和大庄子单元片麻状粗中粒二长花岗岩。区域地下水类型可划分为：松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水及基岩裂隙水4种类型。

2 岩土体热物性特征

岩土体的沉积环境、物质组成与结构特点决定了该岩土体的热物性特征。通过岩土体样品室内测试与现场热响应试验，获得了研究区岩土体密度、含水率、孔隙率等物理参数和热导率、比热容等热物理参数。

2.1 现场热响应试验

本次研究共完成双U型地埋管现场热响应试验9组(80m深钻孔1组，100m深钻孔2组，120m深钻孔5组，200m深钻孔1组)，测试加热功率为6kW，通过现场热响应试验，得到不同地层岩土体初始平均温度、综合导热系数、地埋管每延米换热量等指标值[3-8]。

根据测试结果可知，研究区初始地温介于15.02～16.65℃，平均值为15.75℃；导热系数值范围为1.71～2.49W/(m·K)，平均值为2.11W/(m·K)；平均孔深换热量29.91～53.30W/m，平均值为42.53W/m(表1)。

表1 热响应试验结果

研究区比热容等值线图、导热系数等值线图、换热量等值线图如图2—图4所示。

1—岩土体检测点；2—1∶5万浅层地温能研究区；3—分区边界线及导热系数值(W/(m·K))

根据图2—图4可知，比热容较大的区域主要集中在研究区西北崖头村和九北村一带，其次为研究区东北部大李家村和东部毡王村附近，主要原因为：受水文地质条件和地层岩性的影响，在第四系砂层和香夼组灰岩含水岩组中岩土体的比热容相对较高。导热系数分布较高的区域主要为山前地带，峰值主要集中在韩家店和毡王村附近；换热量由研究区东南大宋家、毡王村、明德一带向东北、西北、西南方向逐渐降低，研究区开发适宜孔深为80～120m。

1—岩土体检测点；2—1∶5万浅层地温能研究区；3—分区边界线及换热量值(W/m)

2.2 热物性试验

本次工作共完成249件岩土样采集及室内热物性试验，通过试验得到研究区内各类岩土体的密度、含水率、孔隙率等物理参数和热导率、比热容等热物理参数，实验结果如表2所示。

表2 岩土体物理、热物理性质参数平均值

由表3可知，研究区内岩土体热导率为1.486～2.14W/m℃，研究区西北部最小，向东南和西南逐渐升高。研究区东南和西南一带热导率相对较高，最高达到2.14W/m℃，研究区西北区域热导率相对较低，其中，研究区西北角小柳家村导热系数最低，为1.486W/m℃，其余地点热导率介于1.59～2.0W/m℃之间。区内岩土体比热容为0.62～1.17kJ/kg℃，研究区南部ZK07和ZK08钻孔比热容最低，为0.62kJ/kg℃，东南部毡王村ZK09钻孔最大，为1.17kJ/kg℃。

表3 钻孔导热系数和比热容成果

可以看出，同一岩层，地下水径流条件越好，富水性越强，热导率相对越大，山前地带比热容分布规律与热导率相似。

通过钻孔热响应试验测试得到的热导率大于室内测试值，主要原因为：地下岩土层分布复杂，即使同一岩(土)层也会有不同程度的风化层(全风化层、强风化层、弱风化层、微风化层、未风化层)，导致上下岩(土)层的结构和成分变化较大，因此野外热响应试验取得的热物性数值并不是绝对的某一类岩层热物性数值，而是地下岩(土)综合层的平均热物性数值；室内岩土样品测试取得的热物性数值只能代表取样段或其附近的岩性的热物性数值，代表不了在特定工况条件下的岩(土)层的热物性数值[9-12]。

3 地温场特征分析

3.1 平面地温能特征

根据2018—2019年度不同深度地温平面分布图(图5)可以看出，受岩性和地下水动力条件影响，不同深度平面地温分布特征存在一定差异。

50m，80m，100m，120m平面地温分布规律如图5所示，地温分布与岩性分布一致。相同岩性地下水补给径流区中，径流条件较好的区域地下水径流过程中带走大量热量，地温整体呈东低西高趋势分布。地温最低处位于东江街道办毡王村东南一带，最高处位于研究区西北部崖头村一带。

区内西北、中北部为第四系覆盖，其他为基岩裸露区或第四系覆盖厚度小于10m，地层主要由粉质黏土、砂层、泥岩组成，保温效果较好，监测深度内地温相对较高。根据热响应试验测试取得的初始温度数据，区内研究深度内初始地温普遍大于15.0℃，在研究区南部花岗岩裸露区，由于盖层条件较差，初始地温15.02℃左右。据调查研究区及其周边换热系统工程情况可知，浅层地温利用率较高的深度为100～120m[13]。

3.2 垂向地温特征

根据地温监测数据，区内垂向地温变化特征与地层岩性、含水层厚度及第四系厚度等因素有关。古近纪砂岩、泥岩地温梯度为2.30～4.21℃/100m，位于研究区的西北部一带；花岗岩地温梯度一般为1.26～1.97℃/100m，位于东江街道办以东和东莱街道办西沟徐家村东南一带。具体监测成果如表4所示。

表4 钻孔地温梯度

3.3 地温动态特征

根据2018年10月—2020年3月地温长期监测数据(图6)可知，区内地温场温度较稳定，24.0m以上一般为变温层，温度受大气温度影响较大；24～50m深度范围内为恒温带，地温随深度变化相对稳定，平均地温约为15.46℃；恒温带以下基本不受大气温度影响，呈逐渐升高的趋势，地温梯度为2.60℃/100m。恒温带对应的地层岩性特征主要是粉质黏土和中粗砂互层。

图6 各钻孔地温变化曲线图

根据地下水温动态监测点数据分析可知，研究区内18m以上范围属于变温带，20～28m为恒温带，温度为15.56℃，28m以下为增温带。

LK10孔地温动态历时观测数据(2018年10月—2020年3月)如图7所示，横向上年内温度波动幅度小，但并不稳定。1月末和2月初主要受气温影响，变温带温度降低，导致整体地温最低。5—6月份，进入枯水期，受地下水径流条件影响，枯水期水位降低，深部地下水携带热量能力降低。但总体来看，LK10孔地温动态观测孔的数据观测曲线，全年基本稳定[14-18]。

图7 200m钻孔地温变化曲线图

4 龙口市浅层地温能适宜性分区

4.1 分区方法

本次适宜性评价采用指标法结合层次分析法进行评价，以层次分析法分区结果为主，指标法辅助调整，获取最终分区结果。根据《浅层地温能勘查评价规范DZ/T0225—2015》分区要求，结合区域地质条件、换热方式及建设成本，进行适宜性分区，分为适宜性好、适宜性中等和适宜性差区[19]。利用2种分区方法各自分区完成后，将2个方法所成的图件叠合，进行综合分区，具体叠加分区方式如表5所示。

表5 层次分析与指标法叠加方式

4.1.1 指标法

指标法首先要选取影响分区的关键性指标，并对指标进行量化，然后依据特定准则评价指标的优劣，将评价后的指标进行叠加并加以整体判断，最后利用MapGIS软件根据规范进行浅层地温能开发利用适宜性分区。对于地下水热泵，浅层地温能适宜性分区主要考虑含水层岩性、分布、埋深、富水性、渗透性，地下水位动态变化，水源地保护、地质灾害等因素[20]，主要指标如表6所示。

表6 地下水换热方式适宜性分区

对于地埋管热泵，浅层地温能适宜性分区主要考虑岩土体特性、地下水的分布和渗流情况、岩土体导热性能等因素[21]。竖直地埋管换热系统适宜性分区主要指标如表7所示。

表7 (竖直)地埋管换热方式适宜性分区

4.1.2 层次分析法

层次分析法主要步骤为：建立递阶层次结构模型，然后构造出各层次中的所有判断矩阵，层次单排序及一致性检验，层次总排序及一致性检验，确定各种方案和措施的重要性排序权值，最后做出决策。

地下水换热系统评价体系层次结构模型由3层构成，分别为目标层、属性层和要素指标层。评价目标是地下水换热系统适宜性分区；属性指标由水文地质条件、地质条件、水动力场与水化学场、温度场、地质环境及其他等4项构成；要素指标由含水层厚度、富水性、回灌能力、地下水位埋深、地下水位下降速率、地下水水质、地下水温度、地温梯度、塌陷易发程度和水源地保护区等10个指标构成[22]，如图8所示。

图8 地下水换热系统适宜性分区评价结构图

地埋管换热系统评价体系层次结构模型主要由目标层、属性层和要素指标层组成。评价目标是地埋管型换热系统适宜性分区；由地质、水文地质条件、地层属性与热物性、地质环境条件组成，要素指标由单一岩体厚度、地下水位埋深、含水层厚度、渗透系数、构造条件、热导率、地层岩性、塌陷易发程度和水源地保护区等9个指标构成[23]，如图9所示。

图9 地埋管换热系统适宜性分区评价结构图

4.2 适宜性分区结果

4.2.1 地下水换热系统适宜性分区结果

研究区地下水类型包括松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水及基岩裂隙水4种，受沉积环境及地质构造影响，引起地下水存储条件、动力条件、水化学条件等水文地质要素的变化，不同条件下对浅层地温能的赋存环境产生影响。结合研究区浅层地温能地质条件，将地下水换热系统开发利用适宜性分区划分为3级，即适宜性好区、适宜性中等区、适宜性差区，如图10所示。

1—适宜性好区；2—适宜性中等区；3—适宜性差区；4—1∶5万浅层地温能研究区

(1)适宜性好区：主要位于研究区西北部，面积0.995km2，约占全区面积的1.54%。含水层岩性主要为第四纪砂层、五图群组砂岩、泥岩。单位涌水量一般620m3/d·m，单井回灌能力约为95%，水位埋藏深度变化较小，埋深一般14.83～15.61m，水位年变幅0.5m左右。

(2)适宜性中等区：主要位于研究区中北部，面积29.21km2(去除地表水体)，约占全区面积的44.93%；含水层岩性主要为第四纪砂层、五图群组砂岩、泥岩，单位涌水量一般160m3/d·m，单井回灌能力一般大于85%，水位埋藏深度变化较大，埋深一般12.35～15.01m，水位年变幅1m左右。

(3)适宜性差区：主要位于研究区北部，面积34.795km2(去除地表水体)，约占全区面积的53.53%。含水层岩性主要为第四纪地层、五图群组砂岩和泥岩、花岗岩。其中第四纪含水层单位涌水量80～120m3/d·m，单井回灌能力为30%～50%。中北部水位埋藏深度小于10m，水位年变幅大于1.5m，南部水位埋深3.0～4.5m，水位年变幅小于0.5m。

4.2.2 地埋管换热系统适宜性分区结果

根据研究区实际情况，地埋管换热系统适宜性分区主要考虑地质、水文地质条件和岩性组成与热导率等因素。结合研究区浅层地温能地质条件，研究区地埋管换热系统开发利用适宜性分区划分为适宜性中等区、适宜性差区，如图11所示。