安徽六安市地源型浅层地温能开发利用适宜性评价
2021-02-14郑祥凤
郑祥凤
（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001）
0 引言
浅层地温能是地球浅表层200m 深度以内的地层中所蕴藏的一种地温能源，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。浅层地热能是一种清洁能源，对大气几乎无污染，能源的恢复速率也较高，相较于传统方式，在开发利用上浅层地热能可以节能50%～75%。资源四季温度恒定、温度适中、可再生循环利用的特点决定了浅层地温能开发利用的特点。地表20m 以下温度基本不受四季温度变化的影响，且20～150m 范围内的温度基本保持在16.4℃～21℃，接近于建筑物室内的舒适温度。因此，利用地源热泵技术对浅层地温能进行适当利用，可得到节约能源、保护环境等多重经济、社会效益。地源热泵技术按照室外换热方式不同，主要采用地源型热泵系统、地下水型热泵系统及地表水型热泵系统。本项目为2014 年度安徽省公益性地质工作项目，主要对区内地源型开发利用方式进行评价，内容包括查明六安市地区浅层地热能的分布特征，对工作区地源型热泵开发利用进行适宜性分区，并予以评价，可为地区内浅层地温能开发提供重要依据。
1 评价方法研究
（1）评价方法。以不同利用方式适宜性分区的关键因子为必要条件，采用层次分析法进行适宜性分区。
（2）评价指标。选取地质-水文地质条件、施工条件、热物性、地形地貌及地质灾害等评价指标，其中地质灾害及地形地貌为分区先决条件。
（3）评价步骤。①采用专家打分法对各层指标赋值；②采用层次分析软件确定各层指标权重；③采用GIS 软件对要素层指标绘制图件，分区赋值并乘以权重；④采用GIS 软件将各要素图件叠加，并根据叠加结果进行适宜性分区。
2 适宜性评价方法
在充分收集区内以往地质工作成果的基础上，结合区内浅层地温能赋存条件，对地源型浅层地温能开发利用适宜性开展评价。
2.1 评价体系
（1）地源型利用方式适宜性划分层次结构模型。首先将地源型利用方式适宜性划分作为模型的目标层，水文地质条件、热物性、施工条件、地质灾害、地形地貌作为属性层，再将地下水径流条件、城市覆盖率、地层岩性结构、岩土坚硬程度、综合热导率、地貌形态、平均比热容、易发程度作为模型的要素层，建立地源型利用方式适宜性划分层次结构模型（图1）。
图1 地源型开发利用方式适宜性划分结构图Figure 1.Structure chart of suitability division of ground source heat development and utilization mode
（2）地层岩性结构。地层岩性结构按总项目划分原则，本区为较固结及固结类地层，区内松散层厚度小于40m，概化为单一基岩地层结构。
（3）地下水径流条件采用渗流速率表示，渗流速率=水力梯度×渗透系数。
（4）施工条件。本区评价深度内按较固结及固结岩类将地层岩性固结程度分两大类。较固结地层指新近系及白垩系戚家桥组、张桥组，固结岩类地层指侏罗系周公山组、白垩系毛坦厂组。
（5）城市覆盖率分为中心城区现状用地和中心城区周边用地两部分，勾画出中心城区现状用地范围。
（6）综合热导率根据岩性结构概化为松散岩类地层综合热导率与固结岩类地层综合热导率两类；平均比热容分区原则与综合热导率一致。
（7）地形地貌作为评价因子，按地貌形态浅丘以上地区直接作为差适宜区对待。
（8）地质灾害易发程度。以地质灾害区划资料为依据，参与适宜性分区的地质灾害指崩塌、膨胀土、软土、液化砂土等。对存在可能造成地埋管破坏较大的地质灾害高易发区直接划为适宜性差区。本区影响地源型浅层地热能开发利用的地质灾害指造成河流岸崩的低易发区，在工作区总体属于较适宜。
2.2 权重的确定
根据层次分析法的要求，在属于评级系统的基础上，通过调查统计、分析和内部研究，使用从1～9的标度方法比较属性层和要素层中每个因素的相对重要性。元素层，对拟合部分的影响越大，建立比较矩阵的因素就越重要。通过计算，检查比较矩阵的一致性，并在必要时调整比较矩阵以达到可接受的一致性。最后，找到目标层中元素层中每个元素的权重。具体见表1至表5。
表1 地源型利用方式适宜性分区影响因素重要程度比较Table 1.Comparison of importance of influencing factors for suitability zoning of ground source heat utilization
表2 地质、水文地质条件影响因素重要程度比较Table 2.Comparison of importance of influencing factors of geological and hydrogeological conditions
表3 施工条件影响因素重要程度比较Table 3.Comparison of the importance of construction con‐ditions
表4 热物性影响因素重要程度比较Table 4.Comparison of importance of thermophysical prop‐erties
表5 要素层各要素的有效权重Table 5.Effective weight of each element in element layer
2.3 绘制各要素图件
使用GIS 软件绘制各种要素图件，并为每个图中的每个类别分配值（传热系统软件越有用，标准分配就越高）。随后，将评论区域划分为1km×1km的栅格地图，将栅格和分配的地图进行累积，并使用空间分析功能获取每个地图的分配值。
（1）地质和水文地质条件基本图的绘制和赋值。地质结构和地层结构体系的分区图用松散层的薄层布局表示。将松散层厚度不超过40m的区域概括为单个基岩地层结构（表6）。
表6 地质、水文地质条件等级划分及评分值Table 6.Evaluation scoring of geological and hydrogeologi‐cal conditions
地下水径流条件通过地下水位等值线图和透水性反映，影响浅层土壤温度交换的效率。在相同类型的地质结构中，径流条件越好，区域热交换的效率就越高，其赋值也就越大。地形平缓，地表水水力梯度为1∶5000的区域，土壤温度能量交换的高效率影响小，因此该区域没有考虑地下水径流对地源利用系统的影响。
根据地下水水位线，对地下水位埋深进行了分析和梳理，得到了地下水位的埋入深度会影响实际的利用效果，地下水位基础的埋入深度越小，所赋的值就越大。
（2）施工条件基本图的绘制和赋值。岩土固结程度水平的关键是基于对基础图件的分析，例如松散层等厚线图、基岩地质图和穿孔柱状图。岩土主体的土壤固结程度越高，钻孔的难度系数越大，赋值越小。城市的面积越大，施工条件越差，赋值越低（表7）。
表7 施工条件等级划分及评分值Table 7.Evaluation scoring of construction constructions
（3）热物性的基本绘图和赋值。综合热传导率的关键是基于测试结果和岩性的比较，而加权平均值用于获得在垂直方向具有不同松散层的深层地质结构的评估。综合热导率和综合热导率比率越大，地源应用方法的应用越有益，赋值也越大。平均比热容的划分标准与综合热导率相同（表8）。
表8 热物性等级划分及评分值Table 8.Evaluation scoring of thermophysical properties
2.4 适宜性分区
选择综合指数值方法，将每个网格上赋的两个值分别与其对应的权重值相乘，然后求和以获取每个网格点上的分值，见下述公式所示。根据分值的分布范围，明确适宜性分区的划分规则，据此划分出对应不同地源利用方法的不同适应性分区（图2）。
图2 地源型方式开发利用适宜性分区Figure 2.Suitability zoning map of ground source heat devel⁃opment and utilization
b
为第i
个单元格评价得分值；r
为第i
个单元格r
（j
=1～8）指标实际得分值；A
为r
（j
=1～8）指标的权重，权系数和为1。b
值越小，说明工作区内地源型浅层地温能开发利用适宜性差；反之，表示该区为较适宜区。根据评价计算结果，本区地源型利用方式适宜性划分0～2 为适宜性差区，4～6 为较适宜区。具体评价结果见表9。
表9 开发利用适宜性分区结果Table 9.Zoning results of development and utilization suit‐ability
（1）较适宜区（Ⅰ）。较适宜区较固结岩类亚区（Ⅰ）：主要分布于区内南部和北部地区。区内松散层厚度小于30m，主要为新近系及白垩系戚家桥组、张桥组，岩性为泥质砂岩、砂砾岩、含砾砂岩、砂岩等。
较适宜区固结岩类亚区（Ⅰ）：分布于区内中部地区。区内松散层厚度小于40m，主要为侏罗系周公山组、白垩系毛坦厂组，岩性为砾岩、中细砂岩夹粉砂岩、凝灰岩等。
（2）适宜性差区（Ⅱ）。主要分布于区内龙穴山、五陟山、市区南侧区域，为区内的基岩出露区，浅丘以上地貌地源型方式开发利用适宜性差。
3 结论
（1）通过对六安市地源型浅层地温能开发利用适宜性评价可知，六安市地区除少部分基岩出露地区采用地源型浅层地温能开发利用适宜性差以外，大部分地区较适宜于地源型浅层地温能开发利用，潜力巨大。
（2）根据六安地区的特点，探索浅层地温能地源热泵系统的适宜性和最佳模式，为浅层地温能在六安市的可持续利用提供理论依据和工程实践。
（3）地源型浅层地温能开发利用的成本较高，在开发利用过程中要充分考虑经济效益及社会效益，按照实际需求合理开发。
