合肥市淺層地溫能初步評(píng)價(jià)

王少龍

(安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽蚌埠233000)

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度(一般200 m)范圍內(nèi)巖土體、地下水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能。熱儲(chǔ)介質(zhì)是巖土體和地下水體［1］。

自上世紀(jì)90年代開始，地源熱泵技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的空調(diào)工程領(lǐng)域，目前已經(jīng)成為華北和中原地區(qū)空調(diào)系統(tǒng)的一大熱點(diǎn)，而且其應(yīng)用地區(qū)，已經(jīng)從北京、山東、河南、河北，迅速擴(kuò)大到湖北、湖南、內(nèi)蒙和東北等地。截至2010年全國(guó)利用淺層地溫能供暖制冷的建筑面積已達(dá)到1.5億m2，在節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境方面做出了巨大貢獻(xiàn)［2］。

但是淺層地溫能作為一種資源并非用之不竭、取之不盡的，過量開采會(huì)造成資源枯竭。合理開發(fā)利用和保護(hù)淺層地?zé)崮苜Y源迫在眉睫，通過對(duì)淺層地溫能的評(píng)價(jià)為制定合理科學(xué)的開發(fā)利用方案提供依據(jù)。

合肥市是安徽省省會(huì)所在地，東距江蘇省南京市150 km，西到六安市75 km，南距安慶市160 km，北到蚌埠市130 km。位于安徽省中部，是中國(guó)東部公路、鐵路、航空的交通樞紐。市轄廬陽區(qū)、瑤海區(qū)、蜀山區(qū)、包河區(qū)，2010統(tǒng)計(jì)共有44個(gè)街道辦事處，352個(gè)社區(qū)居民委員會(huì)，6個(gè)鎮(zhèn)政府、2個(gè)鄉(xiāng)政府以及77個(gè)村民委員會(huì)。市區(qū)人口209萬，人口密度2 488.55人/km2。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地下水類型及富水性

根據(jù)地下水的賦存條件、水力性質(zhì)及地層巖性組合特征，本區(qū)的地下水可劃分為以下三種類型。

1.1.1 松散巖類孔隙水

主要分布在南淝河沿岸漫灘一帶，主要含水層巖性由第四系全新統(tǒng)粉砂、亞砂土組成，主要含水砂層厚度2～5 m，呈長(zhǎng)條狀和透鏡狀分布。地下水的水力性質(zhì)以潛水—微承壓水為主，地下水位埋深一般在2～4 m不等，年變幅在1～2 m，單井出水量小于100 m3/d，地下水的開采方式主要是分散的手壓井，主要用于當(dāng)?shù)胤稚⑥r(nóng)村居民和小型企事業(yè)的生活用水。

在河流、谷沖的上游以及坡崗地區(qū)，廣泛分布著上更新統(tǒng)粘性土，由于缺少透水性、儲(chǔ)水性較好的砂層分布，因此地下水資源貧乏。松散層厚度一般在5～30不等，單井出水量＜50 m3/d，地下水主要儲(chǔ)存在基巖風(fēng)化接觸帶，含水層厚度一般小于1 m，水力性質(zhì)多為潛水。地下水位埋深一般在3～6 m不等，年變幅2 m左右。地下水的開采方式主要是分散的手壓井，僅能滿足于當(dāng)?shù)胤稚⑥r(nóng)村居民生活用水。

1.1.2 碎屑巖類(紅層)裂隙孔隙水

主要儲(chǔ)存在中生代白堊紀(jì)以及新生代早第三紀(jì)的“紅層”中，常被稱為:“紅層”裂隙孔隙水。含水巖組呈多層(泥巖與砂巖)交互分布，泥巖結(jié)構(gòu)密實(shí)、膠結(jié)的較好，一般視為隔水層;砂巖尤其是鈣質(zhì)砂巖在地下水的溶濾作用下，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，一般視為含水層。主要含水層的巖性為鈣質(zhì)砂礫巖和鈣質(zhì)砂巖，砂巖的顆粒以粉細(xì)砂為主，礦物成分以長(zhǎng)石石英為主。單井涌水量一般為50～100 m3/d，在張性斷裂帶附近富水性較好，單井涌水量100～500 m3/d。在合肥市集中供水的初期，由于管網(wǎng)覆蓋不到，碎屑巖類(紅層)裂隙孔隙水一度成為企事業(yè)單位的主要生活用水。

1.1.3 基巖裂隙水

僅分布于大蜀山，基巖出露面積約2.5 km2，主要巖性為輝綠玢巖，屬于新生代早第三紀(jì)的基性火山巖。由于巖石裂隙不發(fā)育，缺少地下水必要的儲(chǔ)水空間，根據(jù)已有資料分布區(qū)地下水資源貧乏，單井涌水量小于50 m3/d。

1.2 地下水補(bǔ)、徑、排條件

1.2.1 地下水補(bǔ)給

合肥市區(qū)大氣降水多年平均超過1 000 mm，在形成地表徑流的同時(shí)也是地下水的主要補(bǔ)給來源。在地形坡度較平緩的區(qū)域更有利于降水補(bǔ)給，但本區(qū)地表大都被透水性較差的上更新統(tǒng)粘性土覆蓋，地下水位埋深差異較大，一般大于10 m，影響了降水的補(bǔ)給，一般降水時(shí)間短、降水量小，很難補(bǔ)給地下水，只能形成粘性土層中的包氣帶水。由于地形起伏，在降雨時(shí)間短、雨量集中時(shí)，大部分降水形成地表徑流流失，補(bǔ)給地下水的部分很少，但降水量較大、時(shí)間較長(zhǎng)的細(xì)雨，特別是夏初的連綿“梅雨”季節(jié)，在重力作用下對(duì)地下水有顯著的補(bǔ)給作用，雨后地下水位有明顯的上升，所以本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源仍是大氣降水。地下徑流和水庫、塘、灌渠水也能補(bǔ)給地下水，僅靠近地表水體附近的民井水位往往較高。另外，河流在豐水季節(jié)對(duì)地下水也有一定的補(bǔ)給作用。

1.2.2 地下水徑流

天然狀態(tài)下，地下水徑流方向與地表水流方向基本一致，從北西向東南。沿風(fēng)化接觸帶、古河道和河谷地帶徑流速度較快，從崗坡向谷地匯流。由于主要巖性為粘性土，地下水的運(yùn)移速度緩慢。

受城市改造和地下水開采影響，地下水徑流方向集中流向開采漏斗的中心。

1.2.3 地下水排泄

本區(qū)水位埋深較大，蒸發(fā)作用己不明顯，排泄形式主要為季節(jié)性補(bǔ)給河水，其次是人工開采。

2 巖土體熱物性特征

根據(jù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，第四系土樣導(dǎo)熱系數(shù)范圍為1.14～2.4 W/m·K，熱擴(kuò)散系數(shù)在 0.45 ～1.69 mm2/s之間，體積比熱容在0.79～3.19 MJ/m3·K之間;基巖巖樣導(dǎo)熱系數(shù)范圍為 1.01 ～2.53 W/m·K，熱擴(kuò)散系數(shù)在 0.3 ～1.25 mm2/s之間，體積比熱容在0.94～4.5 MJ/m3·K之間。巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、體積比熱容，大小排列如下:第四系＜第三系＜白堊系＜侏羅系。

巖土體物理性特征，“紅層”含水率8.8% ～16.8%，干密度 2.10～2.40 g/cm3;松散土體天然含水量 18.1% ～24.0%，干密度 1.47 ～1.70 g/cm3，濕密度 1.80 ～ 2.04 g/cm3。

3 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)

3.1 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)

通過水文地質(zhì)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)以及收集以往地質(zhì)工作成果，合肥市區(qū)埋深200 m以淺地下水資源貧乏，地下水靜水位埋深一般10～30 m，單井出水量一般小于200 m3/d，單位涌水量0.2～1.5 m3/h·m;導(dǎo)水系數(shù)一般小于150 m2/d。滲透系數(shù)一般0.05～1.0 m/d。根據(jù)地下水富水性的劃分標(biāo)準(zhǔn)，合肥市區(qū)80%的區(qū)域單位涌水量小于1 m3/h·m，屬于極貧水區(qū)，20%的區(qū)域單位涌水量小于1～5 m3/h·m，屬于貧水區(qū)。

因此，本地區(qū)不具備地下水換熱的基本條件。通過回灌試驗(yàn)，地下水回灌量占出水量的20% ～30%，也不具備地下水換熱的基本條件。

因此本次適宜性分區(qū)不對(duì)地下水地源熱泵進(jìn)行適宜性分區(qū)。

3.2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

采用層次分析法對(duì)合肥市地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行分區(qū)，詳見圖1。

圖1 合肥市地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行分區(qū)圖

4 淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)

合肥市淺層地溫能熱容量約為292.787×1012kJ/℃，如果按1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤熱當(dāng)量為29.27 MJ計(jì)算，那么，合肥市區(qū)每攝氏度淺層地溫能相當(dāng)于1 000.3萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。市區(qū)內(nèi)的淺層地表為地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供的換熱功率約為1.28×107kW。

5 結(jié)語

(1)合肥市地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及地質(zhì)環(huán)境條件較為簡(jiǎn)單，除局部突起的裸露基巖外其他地區(qū)均適宜于地埋管換熱;合肥地處新生代“紅層”盆地區(qū)，地下水資源貧乏，淺層地溫能的開發(fā)不適宜選擇地下水換熱。

(2)合肥市區(qū)均適宜選擇地埋管換熱方式，綜合效率較適宜的埋置深度為100～150 m，口徑130 mm左右，地埋管的間距4～5 m為宜。

(3)合肥市淺層地溫能熱容量約為 292.787×1012kJ/℃，如果按1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤熱當(dāng)量為29.27 MJ計(jì)算，那么，合肥市區(qū)每攝氏度淺層地溫能相當(dāng)于1 000.3萬t標(biāo)準(zhǔn)煤。市區(qū)內(nèi)的淺層地表為地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供的換熱功率約為 1.28×107kW。

［1］鄭康彬，楊紅亮 中國(guó)淺層地?zé)崮芤?guī)?；_發(fā)與利用［M］.北京.地質(zhì)出版社.2011，6 －10.

［2］韓再生.淺層地?zé)崮艿膶傩院屠茫跜］.地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集(第二集)北京.地質(zhì)出版社.2008:27－31.