重慶市淺層地溫能資源調(diào)查研究

劉賢燕，彭清元，陶嘉祥

（重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 401147）

重慶市淺層地溫能資源調(diào)查研究

劉賢燕，彭清元，陶嘉祥

（重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 401147）

根據(jù)重慶市的自然地理、地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等特征，該文分析了淺層地溫能分布特點(diǎn)和賦存條件，其包括水文地質(zhì)條件、巖土體物理和熱物理特征、巖土體熱響應(yīng)特征、淺層地溫場特征等；進(jìn)行了重慶市淺層地溫能適宜性分區(qū)；計(jì)算了重慶市淺層地溫能可利用資源量。

淺層地溫能；賦存條件；適宜性分區(qū)；熱容量；換熱功率

0 引言

我國淺層地溫能資源十分豐富，我國287個(gè)地級以上城市淺層地溫能資源量為每年2.78×1020J，相當(dāng)于95億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。到2011年，全國應(yīng)用淺層地溫能供暖制冷的建筑物面積超過1.4億m2，80%集中在我國東北南部和華北地區(qū)[2]。從建筑類型看，淺層地溫能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于辦公、賓館、學(xué)校、醫(yī)院、營房、住宅等。隨著社會對這一供暖制冷方式的接受，今后淺層地溫能供暖制冷的年使用面積還會大幅增長。但部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)前未進(jìn)行專項(xiàng)勘察及場區(qū)評價(jià)，導(dǎo)致一些不具備開發(fā)利用條件的項(xiàng)目盲目使用淺層地溫能后運(yùn)行效能不高。部分政府部門在制定有關(guān)淺層地溫能政策時(shí)缺乏科學(xué)依據(jù)，因此對重慶地區(qū)淺層地溫能資源進(jìn)行調(diào)查研究是非常必要。

1 研究范圍

淺層地溫能是蘊(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能，本文主要研究地下巖土體部分以地埋管地源熱泵方式進(jìn)行開發(fā)利用。根據(jù)重慶市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀和地層分布特點(diǎn)，結(jié)合重慶市城市總體發(fā)展規(guī)劃，研究范圍分為一般研究區(qū) （全市范圍面積82403km2）和重點(diǎn)研究區(qū)（主城核心區(qū)域1681.51km2，包括主城九區(qū)大部分及兩江新區(qū)全部）。

2 淺層地溫能分布特點(diǎn)和賦存條件

2.1 水文地質(zhì)條件

2.1.1 地下水分類及其特征

重慶地區(qū)淺層地溫能開發(fā)深度在100m左右，屬于淺層地下水范圍，按賦存條件分為：

（1）碳酸鹽巖巖溶水：巖溶地下水動態(tài)嚴(yán)格受季節(jié)性降雨控制，呈現(xiàn)周期性變化的特點(diǎn)，水位變化較大。

（2）碎屑巖裂隙水：該類地下水動態(tài)受季節(jié)性降雨影響較小，呈現(xiàn)變化幅度不大的特點(diǎn)，但自流鉆孔初期水頭的自然衰減較大。

（3）紅層裂隙水：該類地下水富水性差，水量貧乏，水位埋深淺，一般在10沒以內(nèi)，水位明顯隨季節(jié)變化。

（4）松散巖類孔隙水：主要零星分布于長江、嘉陵江、涪江河谷地帶第四系漫灘或一級階地松散堆積層中，含水層為松散的砂卵礫石層。富水性取決于砂卵礫石的分布范圍、厚度及與江水補(bǔ)給關(guān)系。

2.1.2 地下水水化學(xué)成分分類

（1）重碳酸鈣型、重碳酸鹽混合型：全部出現(xiàn)于丘陵和一部分低山地帶的基巖（紅層）裂隙水分布區(qū)。

(2）重碳酸、硫酸鹽混合型：主要出現(xiàn)于背斜山地側(cè)翼的碎屑巖孔隙裂隙層間水分布地段。

(3）重碳酸鈣、硫酸鹽或氯化物混合型：主要出現(xiàn)于低山和深丘地帶的基巖（紅層）裂隙水中自流井組（J1-2z）分布地段。

(4）硫酸鹽型：屬中性硬水，為高溫高壓條件下溶濾作用形成，呈溫泉顯示于地表，故分布零星。

地埋管換熱器主要采用聚乙烯管，該管材化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)大、流動阻力小。通過對調(diào)查區(qū)93組地下水樣水質(zhì)全分析測試，地下水對PE管基本無腐蝕性。

2.1.3 重點(diǎn)研究區(qū)地下水水位動態(tài)特征

（1）地下水水位動態(tài)特征：基巖裂隙水的露頭主要是民井和泉水，民井水位埋深隨地形而異，一般在50m以內(nèi)，由于大氣降雨和稻田水補(bǔ)給，動態(tài)明顯隨季節(jié)變化，一般夏秋初冬季節(jié)降雨較充沛，民井水位埋深淺，大部分可溢出井口，水量增大，冬末初春及伏旱時(shí)期地下水位顯著降低約2～3m，水量也大減。

（2）鉆孔地下水水位監(jiān)測及水量：主城區(qū)內(nèi)18個(gè)鉆孔深度在80-120m，終孔口徑130mm；在完成每個(gè)鉆探孔之后，進(jìn)行水位監(jiān)測得到普遍在5～20m左右，并對悅來、華巖鎮(zhèn)和鴛鴦鎮(zhèn)3個(gè)位置鉆孔進(jìn)行了為期一年的水位監(jiān)測，地下水水位總體變化不大，根據(jù)季節(jié)、地下水補(bǔ)給量的不同地下水水位在0～5m之間浮動。因此可以認(rèn)為，主城區(qū)內(nèi)地下水水位普遍較為穩(wěn)定。

根據(jù)抽水試驗(yàn)成果得到18個(gè)鉆孔日出水量大多在100m3以內(nèi)，其中雙鳳橋、雙龍湖、龍興鎮(zhèn)、華巖鎮(zhèn)、魚洞鎮(zhèn)鉆孔日出水量不足一噸，這主要是由重慶地區(qū)地下水特點(diǎn)決定的，重慶屬基巖山區(qū)，主要以基巖裂隙水、巖溶水為主，地下水分布不均，補(bǔ)給很不均衡。

2.2 巖土體物理性質(zhì)特征

通過對重慶市各地區(qū)272組巖石樣品的天然含水率、顆粒密度、孔隙率、吸水率、單軸抗壓強(qiáng)度等物理性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)測試，可以看出：

（1）顆粒密度基本一致，在2.7g/cm3左右。

（2）灰?guī)r的孔隙率大多在1.4～3%，砂巖、泥巖的孔隙率在7～10%。

（3）灰?guī)r的天然含水率比砂巖、泥巖、頁巖低。

（4）灰?guī)r的吸水率在0.1～0.7%，砂巖、泥巖的吸水率在2～4%。

（5）不同巖性的單軸抗壓強(qiáng)度差異較大。

2.3 巖土體熱物理性質(zhì)特征

巖土體的傳熱性能取決于巖土體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容等，該次研究收集了237組測試數(shù)據(jù)，部分有代表性的勘探點(diǎn)巖土體熱物理性質(zhì)見表1。

從測試分析看出，不同巖性的熱導(dǎo)率相差較大，其中泥巖＜頁巖＜砂巖＜灰?guī)r；不同巖性的熱擴(kuò)散系數(shù)相差較大，其中泥巖＜砂巖＜頁巖＜灰?guī)r；不同巖性的比熱相差較小。

2.4 巖土體熱響應(yīng)特征

現(xiàn)場熱響應(yīng)測試采用重慶南江水文地質(zhì)隊(duì)與重慶大學(xué)動力工程學(xué)院聯(lián)合研制開發(fā)的型號為NJ-GH-10S10的巖土熱響應(yīng)測試儀，該儀器通過了中國地質(zhì)調(diào)查局設(shè)備認(rèn)證，采用“恒熱流法”進(jìn)行測試，測試了主城區(qū)雙鳳橋鎮(zhèn)、禮嘉鎮(zhèn)等10處，詳見表2。

從表2看出，各測試孔巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，是由于不同地點(diǎn)水文地質(zhì)條件、巖層結(jié)構(gòu)的差異造成的，測試孔平均導(dǎo)熱系數(shù)在1.93～3.1W/m·K之間，平均值為2.62W/m·K，總體上適合淺層地溫能的開發(fā)利用。

表1 不同勘探位置巖土體平均熱物理性質(zhì)參數(shù)表[3-4]

表2 熱響應(yīng)測試結(jié)果

2.5 淺層地溫場特征

鉆孔初始平均溫度測試采用無功循環(huán)法，共測試10個(gè)孔?？變?nèi)不同深度溫度監(jiān)測采用垂向布置溫度傳感器法，共監(jiān)測15個(gè)孔，其中“南江地質(zhì)隊(duì)人和基地”采用全自動地溫監(jiān)測手段。

從監(jiān)測結(jié)果看，重慶主城區(qū)鉆孔初始平均溫度隨地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地貌條件不同而有所差異，不同孔監(jiān)測值在17.79℃～21.27℃之間，平均為19.83℃，其中歌樂山上的初始平均溫度較低，適合的初始平均溫度是淺層地溫能開發(fā)利用的一大優(yōu)勢。

通過孔內(nèi)不同深度溫度監(jiān)測，主城區(qū)100m以淺地溫梯度在0.7～1.5℃/50m之間。其中在渝北區(qū)的北部，沙坪壩區(qū)的西部地溫梯度值較低；大渡口區(qū)南部、巴南區(qū)西部地溫梯度值較大。這是由于地表蓋層分布的巖土體巖性差異、地層裂縫、地下水等綜合因素影響的，100m深度以淺的溫度大致分布在19.0℃～20.5℃范圍內(nèi)。

通過 “南江地質(zhì)隊(duì)人和基地”100m孔深的全自動地溫監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測孔0～10m為變溫層，離地表越近，受環(huán)境溫度影響越大；10～100m為恒溫層，幾乎不受環(huán)境溫度影響[5]。

3 淺層地溫能適宜性分區(qū)

針對重慶基巖山區(qū)地層地質(zhì)、水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、政策法規(guī)等條件，采用綜合指標(biāo)法，將淺層地溫能適宜性分區(qū)分為：適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)和禁用區(qū)。

綜合考慮專家的建議指標(biāo)[6]、其它城市的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)[7]、重慶市地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地域特點(diǎn)以及項(xiàng)目開發(fā)利用情況，淺層地溫能適宜性分區(qū)影響指標(biāo)包括地下富水性、地下水水質(zhì)、平均熱導(dǎo)率、平均比熱容、鉆孔難易度。分別利用層次分析法[8]和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法[9]，確定影響指標(biāo)權(quán)重大小，利用綜合指數(shù)法得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重，見表3。

表3 重點(diǎn)研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)指標(biāo)綜合權(quán)重

利用綜合指數(shù)法將工作區(qū)內(nèi)不同地點(diǎn)按照不同指標(biāo)的指標(biāo)賦值乘以指標(biāo)權(quán)重相加，最后得到當(dāng)?shù)氐倪m宜性分區(qū)評價(jià)的總分，7～9分的為適宜區(qū)，5～7分的為較適宜區(qū)，1～5分的為不適宜區(qū)，禁用區(qū)直接打分為0分。

采用MAPGIS地質(zhì)制圖軟件首先將重慶市劃分為5km×5km的網(wǎng)格，主城區(qū)劃分為1km×1km的網(wǎng)格，然后添加網(wǎng)格點(diǎn)、制作各要素基礎(chǔ)圖件、各基本圖件疊加，最后通過MAPGIS出圖。圖1為重慶主城區(qū)地埋管適宜性分區(qū)圖。

重慶一般研究區(qū)的適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)分別占22.85%、36.37%、40.78%，適宜區(qū)與較適宜區(qū)占總調(diào)查面積的59.2%。

重慶主城區(qū)調(diào)查面積1681.5km2內(nèi)，適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)分別占18.51%、80.37%、1.12%；適宜區(qū)主要分布在各背斜兩翼紅層丘陵區(qū)的J1z、J1zl、J2x地層，以及各向斜軸部臺丘地區(qū)的J3sn、J3p地層中；較適宜區(qū)主要分布在各背斜兩翼低山區(qū)的T3xj地層及紅層丘陵地區(qū)的J2s地層；不適宜區(qū)主要分布在各背斜軸部槽谷地區(qū)的T1f、T1j、T2l地層；適宜區(qū)與較適宜區(qū)總共占的面積比例達(dá)98.88%（不含禁用區(qū)），表明重慶主城區(qū)范圍內(nèi)可以大量利用淺層地溫能資源。

圖1 重慶主城區(qū)地埋管適宜性分區(qū)圖

重慶一般研究區(qū)、主城區(qū)的適宜區(qū)與較適宜區(qū)分別占總調(diào)查面積的59.2%、98.88%，所占比例相差較大的主要原因是：一般研究區(qū)范圍大，所包含的地層復(fù)雜多樣，不適宜區(qū)主要集中在渝東北和渝東南地區(qū)，該地區(qū)主要以灰?guī)r地層為主，不適宜淺層地溫能的開發(fā)利用；而重慶主城區(qū)以砂泥巖地層為主，且該地層適宜淺層地溫能的開發(fā)利用。

4 淺層地溫能開發(fā)利用潛力

4.1 熱容量計(jì)算

對于熱容量的計(jì)算采用體積法[10]，該方法從能量平衡的角度出發(fā)，計(jì)算結(jié)果安全可靠。巖土體的密度ρ、比熱容c、孔隙率Φ、含水量ω；因巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地域的不同而有所差異，水的密度、比熱容分別取ρw=1000kg/m3、cw=4.18kJ/kg·℃。 通過計(jì)算得到重慶市一般研究區(qū)、重點(diǎn)研究區(qū)（土壤源地源熱泵開發(fā)形式）地下100m以淺的熱容量分別約為1.976×1016kJ/℃、4.0592×1014kJ/℃。

4.2 換熱功率計(jì)算

利用現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)取得巖土體熱導(dǎo)率和地埋管換熱器傳熱系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算單孔換熱功率。再根據(jù)單孔換熱功率及淺層地溫能計(jì)算面積，求得區(qū)域地埋管換熱功率[10]。

(1）重慶一般研究區(qū)：重慶市土地利用率=7%[11]，建設(shè)綠地面積的比例及地埋管使用率20%；地埋管換熱器與巖土體間的可利用溫差取Δt=15℃；換熱系數(shù)按現(xiàn)場熱響應(yīng)測試值的平均值，取ks=2.67W（m·℃）進(jìn)行計(jì)算得到在100m以淺深度范圍內(nèi)，重慶一般研究區(qū)內(nèi)可利用資源量約為0.77×108kW。

(2）重點(diǎn)研究區(qū)域：土地利用率在已建成區(qū)按7%，規(guī)劃區(qū)按22.14%；地源熱泵開發(fā)利用面積折算系數(shù)0.35[11]，每個(gè)換熱孔占地面積25m2；根據(jù)已運(yùn)行項(xiàng)目情況，冬夏季地埋管換熱器中進(jìn)出水溫度分別按5/8℃、33/30℃，傳熱介質(zhì)平均溫度分別按6.5℃、31.5℃計(jì)算；巖土體地溫平均值19.5℃，夏季可利用溫差Δt=12℃，冬季可利用溫差Δt=13℃；地埋管換熱器傳熱系數(shù)ks取熱響應(yīng)測試值的平均值。重慶市地埋管熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積為 1662.86km2，換熱孔深度（長度）為100m時(shí)，冬季換熱功率為 2.2734×107kW，夏季換熱功率為2.0985×107kW。主城區(qū)100m地埋管計(jì)算功率結(jié)果（夏季）如圖2所示。

圖2 主城區(qū)100m地埋管計(jì)算功率結(jié)果（夏季）

5 結(jié)語

結(jié)合重慶市的自然地理、地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等特征進(jìn)行重慶市淺層地溫能資源調(diào)查研究。研究表明：

(1）重慶市淺層地溫能賦存條件較好，巖土體導(dǎo)熱系數(shù)在1.93～3.1W/m·K之間，100m以淺平均地溫在19～20.5℃， 地下水水位普遍較淺。

(2）適宜區(qū)與較適宜區(qū)所占比重較大，其中一般研究區(qū)占59.2%，主城區(qū)占98.88%（不含禁用區(qū)），表明重慶地區(qū)可以大量開發(fā)利用淺層地溫能資源。

(3）重慶全市及主城區(qū)100m以淺的熱容量分別為1.976×1016kJ/℃、4.0592×1014kJ/℃，按換熱功率計(jì)算，可利用資源量全市約為0.77×108kW，主城區(qū)冬夏季分別為 2.2734×107kW、2.0985×107kW，資源潛力巨大。

該研究成果為重慶市可持續(xù)開發(fā)利用淺層地溫能資源提供了重要的數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)作用，為編制開發(fā)利用規(guī)劃提供了可靠的依據(jù)，對同類地質(zhì)條件地區(qū)開展淺層地溫能資源調(diào)查評價(jià)具有重要示范作用。

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Study on Shallow Geothermal Energy in Chongqing

Based on the physicalgeography,landforms,hydrological conditions,formation lithology and geological structure of Chongqing,the distribution featuresand occurrence conditionsof shallow geothermalenergy are analyzed,including hydrological conditions,rock and soil physical featuresand heat physical features,thermal response featuresof rock and earthmass and shallow geothermal field characteristics.The suitability division of shallow geothermalenergy in Chongqing isdonewith available resourceamountof the shallow geothermalenergy in Chongqing calculated.

shallow geothermalenergy；occurrence condition；suitability division；thermal capacity；thermalpower

Tk529

A

1671-9107（2014）06-0053-04

基金論文：該論文為中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：121201120055）、重慶市國土局地質(zhì)礦產(chǎn)勘查項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：D4-5）和重慶市建委可再生能源建筑應(yīng)用城市示范配套能力建設(shè)項(xiàng)目論文之一。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.053

2014-05-09

劉賢燕（1984-），女，重慶人，本科，工程師，主要從事淺層地溫能開發(fā)利用研究。

孫蘇，李紅