淺層地質和水文地質條件分析

 

  區域地質、水文地質和地熱地質條件決定了淺層地熱能開發利用的方式和規模。根據地層巖體水平、垂向結構變化特征，將研究區分為8個子區（圖3）。考慮鉆探施工流程及工藝，地層組合簡單的區域淺層地溫能開發利用成本較低。

 

  研究區內地下水分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水、紅層孔隙裂隙水和基巖裂隙水四大類型。降水是其主要補給來源。

 

  水樣分析結果表明各類地下水的理化性質相似。水溫在18.0～20.0 ℃之間，主要呈弱酸性；礦化度介于49～1 043 mg/L。水化學類型以HCO3-Ca 型和 HCO3-Ca·Mg 型為主。研究區西北部星城鎮、東部撈刀河沿岸以及南部大托鋪的第四系松散孔隙水部分水樣中的Cl-、 SO2-4含量較高。

 

  選取星城鎮、撈湖垸及大托鋪三個富水地段，以一抽一回的方式進行抽水回灌試驗。位于撈刀河和瀏陽河下游河間的撈湖垸地段，抽水試驗單井涌水量可達1 662.3 m?/d，滲透系數可達34.86 m/d。湘江西岸的星城鎮富水地段含水層富水性相對較差（表1）。三組試驗的回灌率均達到100%，各回灌井水位上升幅度均不大，能滿足一個抽水井對應一個回灌井的抽、回灌系統運行要求。

 

  地熱地質條件分析

 

  由實測的鉆孔地溫數據可知，在100 m深度范圍內，隨著深度增加，各處地溫差值由2.2 ℃左右逐漸減小至1.8℃左右。平面上，不同深度的地溫高值主要出現在研究區中、東部的平原區。平原區分布有一定厚度的第四系沖積物，而北、西、南部主要分布低山和丘陵。相對而言，較厚的第四系沖積物的保溫性能較好，地溫較高。以ZK3鉆孔的地溫剖面為例，地下2 m處的地溫與氣溫接近，隨著深度增加，地溫逐漸降低。深度10～20 m 之間地溫下降速度逐漸減小直至穩定在 19.5 ℃。深度繼續增加，地溫逐漸上升（圖4）。實測長沙地區恒溫帶深度在20 m左右，溫度為19～20 ℃。鉆孔地溫梯度實測數據中，最小值0.69 ℃/100 m，最大值 2.05 ℃/100m （巖漿巖區），平均值為 1.40 ℃/100 m。長沙位于我國南方地溫梯度的低值區，地溫梯度明顯低于中國南方地區地溫梯度平均值 （2.41 ℃/100m）。局部構造是長沙地溫梯度的主要控制因素。相對高值點一般沿斷裂帶分布，如左腳橋—坪田沖壓性斷裂西北的ZK9（1.90 ℃/100 m）、施家港—天頂關壓性斷裂與曹家彎—竹山屋斷裂間的ZK4（1.74 ℃/100 m）。

 

  將研究區巖土體概化為5類。將熱物性測定結果按巖土體類別加權平均，得到研究區內不同巖土體的熱物性參數（表2）。巖土體熱物性受地層、巖性、構造、地下水、人類環境等多種因素的影響。研究區內熱導率高值區集中在湘江以西、撈刀河以北地區，熱導率值大于1.92 W/(m·°C)；湘江以東瀏陽河沿岸第四系覆蓋區以及大托鋪地區熱導率值較低，小于1.68 W/(m ·°C)。比熱容高值區分布于西南部，大于1.09 kJ/(kg·°C)；靳江河—撈湖垸一帶為比熱容的低值區，小于0.82 kJ/(kg·°C)。長沙地區巖土體相對較高的熱導率可導致地溫梯度相對較低。

 

  現場熱響應試驗可以準確獲得巖土體的綜合熱物性參數。采用線熱源模型計算各鉆孔現場熱響應試驗數據。導熱系數最高點為ZK6、ZK7 鉆孔。兩孔之間孔距 50 m，第四系厚度相差近24 m。兩孔之間產狀較陡的斷層形成一個局部富水的強徑流區，導致兩孔出現導熱系數、每延米換熱功率的高值區。

 

  淺層地熱能熱容量

 

  基于按巖性結構劃分出的8個子區，利用巖土熱物性測量和現場熱響應試驗獲得的數據和體積法估算各子區淺層地熱能熱容量。結果表明，面積最大的I砂巖區淺層地熱能儲量最高，約1.14×1014kJ/℃，其次為III 板巖區，約 9.12×10的13次方kJ/℃，最低為VI 花崗巖區，約1.65×10的12次方kJ/℃。不同分區淺層地熱能儲量的差異主要源于面積不同，同時巖體熱物性也有影響。

 

  整個研究區包氣帶淺層地熱能熱容量約為6.19×10的12次方kJ/℃，飽水帶熱容量約為3.27×10的14次方kJ/℃，總熱容約為3.34×10的14次方kJ/℃。第四系松散巖類覆蓋的區域面積占34.2%，淺層地熱能儲量占34.4%。基巖出露區域面積占65.8%，淺層地熱能儲量占65.6%。第四系松散巖類沉積物對淺層地熱能儲量幾乎沒有影響。這主要是由于研究區內第四系松散沉積物厚度較薄。

  地下水地源熱泵適宜性分區

 

  影響地下水地源熱泵系統的因素眾多，相互作用復雜，共同制約著熱泵系統的效率。

 

  進行地下水地源熱泵適宜性分區評價必須“因地制宜”地篩選評價指標。本次評價選擇供水條件、回灌條件以及水化學條件構建熱泵系統適宜性分區評價的指標體系。供水條件直接決定了地下水地源熱泵系統能否進行開發，主要考慮富水性、滲透系數和開采潛力3個因素。回灌條件是次重要因素，主要考慮含水層巖性、地下水位埋深等。水化學條件是水質方面的影響因素，選擇地下水結垢性、礦化度和腐蝕性作為水化學條件的評價要素。

 

  由層次分析法得到各要素權重如表4所示。對評價結果影響較大的因素包含含水層的富水性、水位埋深、地下水開采潛力、含水層巖性和滲透系數。這幾個要素是含水層抽水能力和回灌能力的綜合體現，主要決定了一個地區是否適合建設地下水地源熱泵。

 

  根據各指標評分及權重，用綜合指數法求得各分區綜合評價指數，利用ArcGIS軟件得到研究區地下水地源熱泵適宜性分區圖。

 

  評價結果表明，長沙市總體上不適宜開發地下水地源熱泵，不適宜區面積占82.3%，較適宜區占 17.7%，沒有適宜區。研究區第四系松散層較廣，但是厚度不大，一般為20 m左右，最深不過40 m。除了星城鎮、撈湖垸、大托鋪等幾個富水地段外，其他區域第四系含水層富水性較弱。同時，研究區200 m以淺的范圍內基巖含水層富水性弱或極弱。因此除靠近河流的部分地區外，研究區不適宜開發地下水地源熱泵系統。

 

  地埋管地源熱泵適宜性分區

 

  理論上地埋管地源熱泵系統的適宜區較廣，但需結合考慮施工工藝、技術經濟的合理性等實際因素。研究區第四系松散層厚度較小，基巖大片分布。結合土地利用情況，僅考慮垂直地埋管地源熱泵適宜性分區。選擇水文地質條件、地層屬性、施工條件等構建評價指標體系。水文地質條件方面主要考慮地下水水位、地下水流動條件、地下水水質3個因素。地層是地埋管地源熱泵系統的載體，具有較大影響，主要考慮地層巖性、巖體的熱傳導率和比熱容等因素。施工條件主要考慮城市覆蓋情況及鉆井難易程度兩個因素。

 

  由層次分析法得到各要素權重如表5所示。對地埋管地源熱泵的評價結果影響較大的因素包括地層巖性、鉆井條件、地層巖體導熱率，而水文地質條件的影響相對較小。

 

  長沙第四系松散層在200 m以淺的三維空間內所占的比例遠小于基巖。因此，對以富水性較弱、徑流條件較差的基巖為主要載體的淺層地熱能開發而言，地層屬性和施工條件在要素指標權重值中占主導地位。

 

  評價結果表明，長沙市適宜開發地埋管地源熱泵，適宜區面積占62.6%，較適宜區占 33.9%，不適宜區僅占 3.5% 。

 

  相對于第四系分布較廣、厚度較大的天津、北京、鄭州等城市，長沙第四系松散層厚度較薄且以高導熱率的基巖為主，使得研究區相對適宜建設地埋管地源熱泵系統。

 

  地源熱泵系統換熱功率

 

  利用巖土熱物性和現場熱響應試驗數據估算地埋管地源熱泵系統適宜區和較適宜區的換熱功率。冬、夏兩季地埋管內流體平均溫度分別取10和35 ℃，換熱功率估算結果如表6所示。冬、夏兩季換熱功率分別為1.25×10的7和1.66×10的7kW。研究區地源熱泵系統在夏季可利用的溫差較冬季高，所以夏季換熱功率比冬季高。撈刀河—瀏陽河沿岸適宜區、長沙縣較適宜區和咸嘉湖—后湖較適宜區等夏季換熱功率較冬季高38%左右，差異最大。丁字鄉較適宜區夏季換熱功率較冬季高21%左右，差異最小。不同子區內的差異主要來源于巖土體溫度的差異。

 

  淺層地熱能資源潛力

 

  利用地埋管地源熱泵系統開發長沙淺層地熱能的潛力評估結果如圖6所示。總體上，長沙市淺層地熱能的開發潛力在夏季為(4.22±0.31)×10的5次方m2/km2，在冬季為(3.82±0.17)×10的5次方m2/km2。不同區域之間淺層地熱能資源潛力存在一定的差異。夏季淺層地熱能資源潛力最大的區域是咸嘉湖—后湖較適宜區，達4.59×105m2/km2；最小的區域是湘江西適宜區，為3.84×105m2/km2。冬季淺層地熱能資源潛力最大區域是圭塘河較適宜區，達4.00×10的5次方m2/km2；最小的區域是湘江西適宜區，為3.49×10的5次方m2/km2。按夏、冬兩季淺層地熱能資源潛力總和排序，咸嘉湖—后湖較適宜區和圭塘河較適宜區分列前兩名，而大托鋪適宜區和湘江西適宜區排最后兩名。可見，淺層地熱能開發利用的適宜區域不一定是資源潛力最大的區域。

 

  淺層地熱能開發的經濟效益和環境效益

 

  開發淺層地熱能有巨大的經濟、環境效益。淺層地熱能開發利用的經濟效益可從地源熱泵空調系統在能源和資金節約量兩個方面，采用類比標準煤的方法進行折算。

 

  結果表明，長沙淺層地熱能開發利用可節省標準煤1.21×10的7次方t/a，節約資金約 85.0 億元。研究區淺層地熱能資源開發的經濟效益較好，主要源于：可利用溫差大，空調利用時間長。目前長沙市的能源消費以煤炭和電力為主，煤炭消費占能源消費總量的比重過高。開發淺層地熱能可大大減少長沙的能源消費量，提高能源效率，同時節約的資金達2012年GDP 的 1.3%。

 

  淺層地熱能的開發利用可減少化石能源使用帶來的環境污染。根據相關規范估算長沙市淺層地熱能開發1 a相當節煤量所對應的減排量。SO2和NOx是長沙大氣中的主要污染物，也是形成酸雨的主要物質。長沙市開發利用淺層地熱能可以減少SO2、NOx和粉塵排放量約3.75×10的5次方t/a。這有利于改善愈發嚴重的大氣污染。淺層地熱能的開發利用尤其可以減少溫室氣體CO2的排放，減排量約2.89×10的7次方t/a，有利于減緩我國碳排放的增長趨勢。此外，淺層地熱能的開發利用還可節省環境治理費用總計約33.7億元。

 

  我國在“十一五”規劃中提出節能減排具體目標，“十二五”規劃又指出樹立綠色、低碳發展理念。上述結果表明大力發展淺層地熱能具有明顯的經濟、環境效益，有利于實現節能減排和低碳發展。

 

  1） 長沙淺層地溫梯度實測數據介于 0.69 ℃/100 m～1.98 ℃/100 m，平均值為1.40℃/100 m，低于中國南方地區地溫梯度平均值。

 

  2）長沙市淺層地熱能的總資源量為 3.34×10的14次方kJ/℃。由于厚度較薄，第四系松散巖類沉積物對淺層地熱能儲量幾乎沒有影響。

 

  3）長沙第四系松散層厚度一般僅 20 m 左右，而 200 m 以淺廣泛分布砂巖、泥巖、板巖、花崗巖、碳酸鹽巖等基巖，且基巖導熱率較高，富水性為弱或極弱。由此，長沙相對適宜建設地埋管地源熱泵系統。

 

  4）地埋管地源熱泵系統的適宜區面積占 62.6%，較適宜區面積為占 33.9%；地下水地源熱泵系統沒有適宜區，較適宜區占17.7%。地下水地源熱泵的較適宜區域全部為地埋管地源熱泵的適宜區。除了市中心建城區和工程地質條件較差的岳麓山外均為地埋管地源熱泵系統適宜區、較適宜區。僅靠近河流的部分地區較適宜建設地下水地源熱泵系統。

 

  5）地埋管地源熱泵系統可利用的淺層地熱能資源總量達 3.55×10的14次方kJ/a，約相當于淺層地層溫度變化±1 ℃吸收或放出的熱量。地埋管地源熱泵系統冬季換熱功率為1.25×10的7次方kW，夏季換熱功率達 1.66×10的7次方kW；開發潛力在夏季為(4.22±0.31)×10的5次方m2/km2，在冬季為(3.82±0.17)×10的5次方m2/km2。

 

  6）由于可利用溫差大且空調利用時間長，在長沙開發淺層地熱能有較好的經濟和環境效益。據估算，開發淺層地熱能可節省標準煤1.21×10的7次方t/a，并減少 CO2和大氣污染物排放。