贵安新区浅层地温能赋存条件及土壤源热泵系统适宜性分析

姚哈达

(贵州有色地质工程勘察公司，贵州 贵阳 550002)

浅层地温能属于一种地热资源，不同于中深层水热型地热资源，浅层地温能埋藏浅(一般为200 m深度以内)、储量大，具有可再生且开发利用对环境影响小等优点，它是一种新型清洁能源。根据所利用热源的不同，浅层地温能系统主要分为地下水源热泵系统和土壤源热泵系统两种形式。开发利用浅层地温能，有助于调整我国现有能源结构、促进国家“双碳”战略目标的实现。

贵安新区是国务院于2014年同意设立的国家级新区，地处贵州省贵阳市和安顺市结合部。贵安新区位于黔中经济区核心地带，区位优势突出，随着近年来贵州省委、省政府部署的贵阳贵安融合发展，实施“强省会”战略，加快推进新型城镇化建设，使得贵安新区具备极大的发展潜力，开发浅层地温能将为贵安新区的生态文明发展道路助力起航。本文以贵安新区直管区浅层地温能调查评价项目为基础，对贵安新区直管区土壤源浅层地温能的赋存特征进行分析，并进行适宜性分区。

1 研究区地质环境背景

1.1 自然地理概况

本次研究范围为贵安新区直管区，面积约470 km2。直管区距离贵阳市约25 km，距离安顺市约60 km。目前区内已形成了“四横三纵”的交通网络，其中沪昆高速、沪昆高铁从区内经过，区位优势十分明显(图1)。

图1 研究区交通位置图

研究区属于北亚热带温暖湿润季风气候，降水充沛，冬无严寒，夏无酷暑。多年平均气温14.1℃，多年平均降水量1 271.95 mm。多年平均水面蒸发量，介于1 042.8～812.9 mm之间。区内主要流域有红枫湖、松泊山水库及其他小流域。研究区溶蚀地貌分布最广，遍及全区，主要分布于区内碳酸盐岩类地层大面积出露区，形态各异，组合复杂，区内地貌组合类型主要以溶蚀成因类型为主。

1.2 地质环境条件

研究区地处于扬子陆块江南复合造山带黔南坳陷区都匀南北向隔槽式褶皱变形区和扬子陆块上扬子地块黔北隆起区织金穹盆构造变形区交界处，区内地质构造主要为发育北北东向的高峰断裂、马场断裂及下洞断层，区内发育的断裂多为走滑断层。在区的中部为川心堡向斜，向斜两侧的岩层产状较缓。区内出露地层为第四系、三叠系、二叠系、石炭系。

2 研究区浅层地温能赋存条件

2.1 地层结构

研究区碳酸盐岩及夹碎屑岩的碳酸盐岩岩层分布广泛。第四系主要分布于调查区红枫湖、麻线河、马场河沿线，分布面积小，且厚度小。受南北向构造力的挤压，区内地层基本上均呈近东西向展布。区内三叠系分布最为广泛，分布于调查区的大部分区域，面积463.2 km2，占调查区总面积的90%，岩性以白云岩、白云质灰岩及灰岩为主。碎屑岩主要存在于三叠系中统边阳组，分布面积较小，面积6.6 km2，占调查区总面积的1%，岩性为钙质页岩、泥岩及粉砂岩。

2.2 水文地质条件

根据研究区地下水赋存状态、岩石类型及其水理性质及地下水动力特征等因素，将区内地下水划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶水、基岩(碎屑岩)裂隙水三大类型。

2.3 岩土体热物性特征

研究区内不同时代的岩性地层具有不同的的热物性特征。因区域内地质构造、地层结构的复杂性，岩土体热物性在平面上没有明显的渐变化规律，体现在同一地层因区域位置不同热物性存在一定差异，如调查区内大面积分布的安顺组地层，不同位置热物性测试值结果均存在一定差异，产生差异的原因分析主要为所处位置的地质结构及地下水等综合因素影响。

通过取样测试得出区内岩土体的热物性参数，试验仪器为欧洲斯洛伐克国生产的isomet2114热物性参数测试仪，测试方法采用平板瞬态法，测量范围为0.04～6 W/m·K，测量精度为0.5%。统计得出研究区的碳酸盐岩(灰岩、白云岩)综合导热系数为2.37～3.05W/m·℃；碎屑岩(砂岩、泥岩)综合导热系数为2.13～2.62 W/m·℃。区内碳酸盐岩(灰岩、白云岩)比热容为0.601～0.850 KJ/kg·℃；碎屑岩(砂岩、泥岩)比热容为0.563～0.733 KJ/kg·℃。

综合分析区内岩土体导热系数实验成果，可得出以下规律：(1)导热系数自小至大的岩性依次为：粘土、泥岩、灰岩，白云岩；(2)白云岩、灰岩中含泥质样品的导热性均偏低于不含泥质样品的导热性；(3)岩石晶粒越大导热系数值越大；(4)同种岩性的岩样越致密，即密度越大，导热系数越大。

2.4 浅层地温场特征

研究区内共布设了地温监测孔9个，每10-20天观测一次，根据测量的地温值统计，可以判断研究区内恒温带深度为20～30 m之间。通过对地温监测数据成果分析，研究区内地热增温率在平面上呈现由南东向北西的递增态势，地热增温率介于1.7～2.3 ℃/100m。

2.5 地层热响应特征

研究区内共布设热响应测试孔16处，钻孔直径为150 mm，且全部采用双U型竖直地埋管。回填料选择了导热系数较高的石英砂、膨润土混合物(含有10%膨润土、90%SiO2砂子的混合物)。

试验仪器采用华清地热GH-12FT05型岩土热物性测试仪。试验模拟夏季制冷工况。试验功率为3 kw和6 kw。通过16组热响应试验数据结果统计，研究区主要地层平均初始温为17.74℃，综合热导率为2.26～4.52 W/m·℃，夏季每延米换热量为65.40～92.12 w/m，冬季每延米换热量为42.80～75.35 w/m。

3 土壤源热泵系统适宜性分析数学模型建立

3.1 评价方法的确定

通过对比常用的几种评价方法，认为层次分析法诸多评价因子能较好地表达研究区特殊的环境地质条件和工程经济特点，是较为适当的评价方法。

层次分析法(Analytical Hierar-chy Process，简称AHP方法)是指将与评价目标总是有关的多个元素分解成目标、准则、方案等层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序(权数)和总排序，在此基础之上进行定性和定量综合分析的决策方法。

3.2 评价指标体系建立

为了全面、合理的对研究区进行土壤源热泵适宜性分区，需要结合贵安新区的地质环境特点来确立一套综合的评价模型体系。

评价模型结构共分为两级，一级评价体系属性层为地质、水文地质条件、地层热物理性质参数、施工条件三大类，下设7项要素指标层做出综合分析。在此基础上，叠加研究区4项对土壤源热泵开发利用有限制性因素，进行二级评价确定评价分区结果(图2)。

3.3 评价因子权重确定及一致性检验

一致性指标C.I.的值越大，表明判断矩阵偏离完全一致性的程度越大，C.I.的值越小，表明判断矩阵越接近于完全一致性。为确认层次单排序，需要检验比较矩阵的一致性，必要时对比较矩阵进行修改，以达到可以接受的一致性，最后确定出要素指标层中各个要素在目标层中所占的权重(表1)。

对该判断矩阵进行求解，经归一化后得到矩阵的特征向量为：

W=(0.338,0.237,0.161,0.108,0.073,0.049,0.035)T

判断比较矩阵的最大特征根λmax(A)=7.27。其C.I.=0.045，C.R.=0.029<0.1，该矩阵通过一致性检验。

图2 贵安新区直管区土壤源热泵层次分析模型结构示意图

表1 贵安新区直管区土壤源热泵影响因子权重表

表2 研究区土壤源热泵系统各要素赋值表

3.4 评价因子赋值

针对研究区的水文地质、工程地质、环境地质条件，对研究区土壤源热泵系统适宜性评价的地下水水位、岩土体温度、综合热传导系数、平均比热容、钻进条件、地形坡度、城市覆盖率7个因子采取评判的方式进行分级和赋值(表2)。

3.5 土壤源热泵系统适宜性分区标准

采用综合评价指数法，对评价体系中要素指标层的各因子进行加权叠加，最终计算出土壤源热泵适宜性综合评价指数：

(1)

式中：Rx为综合评价指数；Ai为指标要素的权值；Xi为指标要素属性赋值；n为指标要素个数。

根据式(1)综合评价指数计算结果，结合贵安新区直管区的实际情况，对土壤源热泵适宜性进行一级评价，在此基础上，叠加二级评价限制条件，得出贵安新区直管区土壤源热泵开发利用的适宜性评价标准结果。

表3 贵安新区直管区土壤源热泵适宜性评价标准

4 贵安新区直管区土壤源热泵系统适宜性分区

在野外调查、试验测试成果资料综合分析基础上，利用“ArcGIS”软件将研究区进行正方形剖分，剖分精度为“1 km×1 km”，共剖分成502个网格。采用实测、内插及类比法对每个正方形网格进行相关评价因子赋值，使研究区资源评价满足精度要求。

依据本文评价模型，得到研究区土壤源热泵系统适宜性分区结果(图3)。研究区土壤源热泵系统适宜区面积为246.47 km2，占总面积的52.0%；较适宜区面积为123.38 km2，占总面积的26.0%。土壤源热泵系统适宜区、较适宜区面积共有369.85 km2，占研究区总面积的78%。

图3 贵安新区直管区土壤源热泵开发利用适宜性分区图

5 结语

在系统分析贵安新区浅层地温能赋存条件的基础上，本文运用层次分析法，对区内土壤源热泵系统进行适宜性评价，得出以下结论：

(1)研究区土壤源热泵适宜性评价模型属性层主要因素有4类：地质和水文地质条件、地层热物理性质参数、施工条件、环境地质条件，选择地下水水位埋深、岩土体温度、综合热传导系数、平均比热容、钻进条件、地形条件、城市覆盖率等11个指标组成要素指标层作为评判因子。

(2)通过层次分析法权重计算，发现影响区内土壤源热泵系统适宜性的要素以综合热传导系数和平均比热容所占权重最大。评价结果显示，贵安新区直管区土壤源热泵系统适宜区、较适宜区面积为369.85 km2，占研究区总面积的78%。

(3)土壤源热泵系统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。