广安市主城区浅层地温能赋存特征及地下水源热泵适宜性分析

2022-10-18马天华廖禄云陈国辉

地下水 2022年5期

马天华，廖禄云，陈国辉

(1.四川省天晟源环保股份有限公司，四川成都 610037；2.四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川成都 610072)

0 引言

浅层地温能是指蕴藏在地表水或地表以下约200 m深度范围内的岩土体和地下水中，在当前技术、经济条件下具有开发利用价值的地温能[1-4]。浅层地温能的开发利用具有绿色环保、运行成本低等特点，具有较好的应用前景[5-9]。

浅层地温能的开发利用有助于广安市未来社会经济发展，而查明浅层地温能的赋存条件、特征及其适宜性，是浅层地温能开发利用的前提，可为广安发展提供地质基础支撑[10-11]。因此，深入研究广安市主城区地下水源热泵浅层地温能的赋存条件及特征，评价其适宜性，对于研究区的地下水源热泵开发利用决策，改善环境质量，助力“美丽四川”，创建宜居宜业的生活和投资环境等都具有重要意义。

1 研究区地质环境背景

1.1 自然地理概况

广安市位于四川省东部，东经105°56′～107°19′，北纬30°01′～30°52′，北西与南充市相邻、西与遂宁市相接，东南和重庆市相连；辖广安区、岳池县、武胜县、邻水县，华蓥市，幅员面积6 344 km2，总人口450万。研究区位于广安市城市规划区，行政区划包括广安区和前锋区，研究区面积608.35 km2。

1. 工作区范围；2. 行政区名；3. 行政界线；4. 铁路；5. 高速公路；6. 工作区界线

研究区地处亚热带湿润季风气候区，具有春早雨少光照宜、夏热偏长多伏旱、秋短阴晦多霪雨、冬季温和少霜雪的特点。多年平均气温17.2℃，近10 a平均降雨量1 082.2 mm，年最大降雨量1 441.7 mm，最小降雨量854.9 mm。研究区属嘉陵江水系，干流自岳池县石鼓入境，向南东蜿蜒流经市域西部后，于武胜县南侧真静乡的河家溪出境，支流主要有吉安河、长滩寺河、清溪河、兴隆河、复兴河等。地势沿渠江河谷向东西两则逐渐升高，最高点位于西北侧龙安乡大云盘，海拔462 m，最低点位于南侧龙安乡沙溪口，海拔208 m，相对高差254 m。地貌类型以缓丘、深丘地貌为主，局部为浅丘、中丘、河谷地貌。

1.2 地质环境条件

研究区位于新华夏系四川盆地沉降带川中坳陷构造区，龙女寺半环状构造东端，少部分属川东华蓥山方斗山褶皱带；地质构造简单，形态单一，褶皱宽缓，断裂不发育，地层倾角一般1°～5°，局部受大石桥背斜影响，背斜两翼地层倾角为4°～8°。研究区地层岩性主要以侏罗系中统上沙溪庙组砂岩、泥岩为主，沿渠江及其支流两岸分布有少量第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)砂砾卵石，丘坡及沟谷地段分布有第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)黏性土。上部松散岩类局部赋存孔隙水，富水性贫乏，不具备大规模供水意义，不能满足地下水地源热泵的水量需求；下部赋存碎屑岩孔隙裂隙水，泉流量小于0.3 m3/h，地下水径流模数0.1～0.5 L/s·km2，地下水静水位多为3～15 m，单井出水量一般为0.3～20 m3/d。地下水化学类型为HCO3-Ca与HCO3-Na两种类型。

2 浅层地温能赋存特征

2.1 水文地质特征

研究区主要为侏罗系地层砂岩、泥岩及砂泥岩互层，含水层具有一定的厚度变化特征，含水层厚度一般在3～7 m。根据含水层分布特征，研究区存在多层含水层，HCO3-Na型水且呈条带状近东西向分布，此现象可能与研究区内地形地貌和地层岩性有关。研究区内地下水质量分级主要为Ⅲ、Ⅳ类水，少数为Ⅴ类水，个别为Ⅱ类水；Ⅳ类水分布在研究区大部分区域；III类水分布于南西部。

2.2 岩土体热物性

2.2.1 岩土体物理性质

根据分析测试结果，各岩样基本物理指标平均值如表1。

表1 岩样物理性质表

2.2.2 岩土体热物性参数

表征岩土体热物理性质的主要参数是热导率、热扩散系数、比热容等[12-13]。

根据岩石热物性试验表明(表2)，导热系数最大的为砂岩，导热系数为2.24 W/m·K，最小的是泥岩，导热系数为1.44 W/m·K。

表2 岩样热物性特征表

根据统计显示，同一地区岩石地层热导率随着岩石密度的增大而增大，岩石密度和热导系数具正相关关系，而两者与地温梯度则成负相关关系。一般情况下，岩石随深度增加而热导系数增大，岩土体孔隙度增大而热导率降低，随着含水量的增加颗粒接触面积增大，使得热导率增大[14-15]。土样热物性特征参数测试表明(表3)，土样中导热系数最大的是砂土，为1.712 W/m·K，其次是杂填土，导热系数为1.516 W/m·K，再次为粉质粘土，导热系数为1.454 W/m·K，最小的是含碎石粉质粘土，导热系数为1.435 W/m·K。粉质粘土与含碎石粉质粘土的导热系数较为接近，含碎石粉质粘土导热系数较小的原因应是组分中含有较大颗粒，使得孔隙率增大，气体的存在导致导热系数的减小。

表3 土样热物性特征表

2.3 岩土体热响应特征

根据热响应试验结果分析，热响应试验延米换热值为33.98 W/m，属于弱变异。热响应试验导热系数为2.20 W/(m·℃)。

依据热响应及钻孔揭露岩性统计表明，钻孔围岩平均热导率与钻孔砂岩比例趋势线起伏正相关，即砂岩占比多，导热率越高，相反则低，与岩矿测试结果吻合。

2.4 浅层地温场特征

根据热响应试验的垂向温度测量，恒温层分布深度多在20～60 m之间，地域差异不明显。研究区年均气温16℃～18℃，恒温层温度一般在17℃～21℃。

钻孔温度测试结果表明(表4)，研究区恒温层主要分布在25～55 m深度范围内，个别孔有异常。研究发现， DW-07地温能钻孔揭示的地层岩性表明，该点处基岩上覆粉质粘土厚度较大，约为17 m，粉质粘土的导热系数较砂泥岩小，引起了该点处恒温层深度的异常。恒温层温度19.6℃～20.3℃之间，温度波动较小。

表4 地层垂向测温统计表

3 地下水源热泵适宜性分析

3.1 评价方法和步骤

本文采用层次分析法(AHP)对地下水源热泵适宜性进行评价。AHP法是一种多目标决策分析方法，是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法[16-18]。主要有4个步骤：建立递阶层次结构模型，将指标聚合成目标层、属性层和要素指标层 3 级层次；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[19-23]。

3.2 评价指标体系构建

为了正确评价地下水源热泵的适宜性，需要合理确定其评价指标体系，根据研究区地下水源热泵影响因子的特点，构建研究区地下水源热泵适宜性评价体系(图2)，目标层(X)为地下水地源热泵适宜性分区，属性层由地质、水文地质条件(X1)、地下水动力条件(X2)、水化学条件(X3)三部分构成，要素指标层由有效含水层厚度(X11)、含水层结构(X12)、含水层出水能力(X13)、地下水位埋深(X21)、含水层渗透系数(X22)、地下水水质(X31)、地下水硬度(X32)等7个指标构成。