黃 鵬,駱 進,顧曉敏,胡 濤,陳 思,宋金成
(1.中國地質(zhì)大學公管學院,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學工程學院,湖北武漢 430074;3.銅仁市九龍地礦投資開發(fā)有限責任公司,貴州銅仁 554300)
地源熱泵技術(shù)是開發(fā)利用中低溫地熱資源的有效方法,具有低耗高效、綠色環(huán)保及可再生利用地熱資源的特點(莊樹裕,2013)。1912年瑞士人首先提出地源熱泵技術(shù)的概念,1946年第一個地源熱泵系統(tǒng)在美國俄勒岡州波蘭特市中心區(qū)安裝成功(Sanner et al,2003)。在技術(shù)應用方面,瑞士、瑞典、德國、奧地利及日本的地源熱泵技術(shù)應用最為成熟,走在世界前沿。從應用比例看,瑞士、挪威是世界上地源熱泵應用人均比例最高的國家,應用比例高達96%。地源熱泵技術(shù)在我國開發(fā)利用起步較晚,20世紀50年代呂燦仁教授最早開展了我國的熱泵系統(tǒng)研究。20世紀90年代,地源熱泵技術(shù)在我國得到推廣和應用,其中,北京、寧波、廣州等城市先后啟動了示范工程(藺文靜等,2012)。1997年,我國科技部與美國能源部(DOE)簽署了《中美能效與可再生能源合作議定書》,其主要內(nèi)容之一既是“地源熱泵”項目合作,這激起了國內(nèi)諸多大學對地源熱泵技術(shù)的研究興趣,1998年,重慶建筑大學、青島建工學院、湖南大學、同濟大學等開始建立地源熱泵實驗臺,對地源熱泵技術(shù)進行研究。
近年來,地源熱泵系統(tǒng)在中國得到廣泛的推廣應用。據(jù)國土資源部數(shù)據(jù)顯示,截至2015年底,全國31個省市區(qū)均有以地源熱泵技術(shù)開發(fā)利用淺層地熱資源的工程項目,應用淺層地熱能供暖制冷的建筑物面積約3.92×108m2,其中,80%的項目集中在華北和東北南部地區(qū),包括北京、天津、河北、遼寧、河南、山東等省市。然而,在我國西南地區(qū),尤其在以碳酸鹽巖類地層為主的地區(qū),因巖溶裂隙較發(fā)育,破碎帶、斷層廣泛分布,建造垂直換熱孔難度大,成本較高,巖土熱物性參數(shù)較難獲取等問題,極大程度制約了地源熱泵系統(tǒng)在該地區(qū)的應用。目前,國外沒有地源熱泵系統(tǒng)在碳酸鹽巖地區(qū)的適宜性研究案例,國內(nèi)只有較少學者對該課題進行研究,其中,龐設典、龍治國等從分析武漢市巖溶發(fā)育情況以及熱泵系統(tǒng)可能造成地質(zhì)災害出發(fā),對武漢市地源熱泵系統(tǒng)進行適宜性分區(qū)及評價(龐設典等,2010);宋小慶、彭欽基于層次分析法、綜合指數(shù)法,對碳酸巖鹽較發(fā)育的貴陽市進行地源熱泵適宜性評價,劃分了地源熱泵適宜區(qū)及不適宜區(qū)(宋小慶等,2015);何文君、向賢禮等對貴州某碳酸鹽巖地區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)進行分析,研究表明,該區(qū)適合采用垂直地埋管與基礎樁螺旋盤管相結(jié)合的換熱系統(tǒng)(何文君等,2014)??偨Y(jié)分析,關(guān)于地源熱泵系統(tǒng)在碳酸鹽巖地區(qū)的適宜性研究很少,研究程度較淺,對地質(zhì)條件的分析多出于文獻資料,未見物探、鉆探等技術(shù)方法的實際應用,較為系統(tǒng)的研究案例幾乎為零。因此,應用物探、鉆探、現(xiàn)場熱響應試驗等綜合手段,在查明項目區(qū)地質(zhì)條件并加以分析的基礎上,研究地源熱泵系統(tǒng)在碳酸鹽巖地區(qū)的適宜性,以促進地源熱泵技術(shù)在碳酸鹽巖地區(qū)的推廣應用,是極具現(xiàn)實意義的研究課題。
項目區(qū)總體地形地貌為北西高、南東低,場區(qū)西南側(cè)有一條沖水溝,兩側(cè)山體陡峭,山前為洪積扇,海拔在520m左右。受區(qū)域構(gòu)造影響,場區(qū)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育,第四紀地層厚度較淺,主要出露寒武系上統(tǒng)婁關(guān)山群第三段(?3ls3)和第二段(?3ls2)白云巖,巖性為淺灰、灰色薄層至塊狀微—細晶,局部中晶,夾帶中層狀微—細晶、礫屑及砂屑細晶。地層產(chǎn)狀傾向北西,傾向傾角區(qū)內(nèi)顯示為單斜巖層。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及現(xiàn)場鉆鑿結(jié)果顯示:項目區(qū)第四系厚度較薄,在0~30m之間,巖性主要以回填碎石為主,粘土、亞粘土次之,第四系下伏為寒武系婁山關(guān)組,巖性以白云巖為主,地層較為破碎。
根據(jù)地層巖性、地下水形成條件及賦存特征,將區(qū)內(nèi)地下水類型劃分為碳酸鹽類巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水、第四系松散巖類孔隙水3種類型,其中巖溶裂隙水在區(qū)內(nèi)分布最多,基巖裂隙水及空隙水分布比較局限,區(qū)內(nèi)含水巖組較多,主要有:
(1)第四系(Q)。巖性為黃褐色粘土,亞粘土,砂礫石及碎石塊等,多分布于洼地,緩坡及河流、溪谷兩側(cè),含孔隙水,富水性弱,泉流量一般0.01~1.0L/s,水質(zhì)為HCO3-Mg·Na型水,系區(qū)內(nèi)相對含水層。
(2)寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)群第三段(?3ls3)。巖性為淺灰、灰色厚層至塊狀微—細晶局部中晶白云巖,間夾中層狀微—細晶白云巖,含礫屑、砂屑細晶白云巖,中下統(tǒng)局部夾中層狀白云質(zhì)灰?guī)r或灰云巖,頂部局部含硅質(zhì)團塊與條帶,含巖溶裂隙水、基巖裂隙水,富水性中—強。
(3)寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段(?3ls2)。巖性為淺紫灰、淺灰、灰色中—厚層微—細晶白云巖,間夾灰色中層狀砂屑鮞粒白云巖,層間時夾淺黃灰色薄片狀泥質(zhì)白云巖,含巖溶裂隙水、基巖裂隙水,富水性中—強。
(4)寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)群第一段(?3ls1)。上部為深灰色薄層條紋狀含有機質(zhì)粉晶泥晶白云巖夾灰色厚層含有機質(zhì)礫屑白云巖或礫屑白云巖,下部為淺灰、紫灰色中—厚層礫屑白云巖夾深灰色薄層條紋狀含有機質(zhì)粉晶白云巖,底部夾灰色薄層條帶狀白云質(zhì)灰?guī)r,含巖溶裂隙水、基巖裂隙水,富水性中等。
采用高密度電阻率法和高精度磁法相結(jié)合,旨在查明區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律對工程的影響程度以及完整地層和破碎帶分布狀況,為論證項目區(qū)應用地源熱泵系統(tǒng)是否可行提供依據(jù)。
高密度電阻率法工作原理與傳統(tǒng)電阻法一樣,以巖、礦石的電性差異為基礎,通過觀測和研究人工電場的地下分布規(guī)律和特點,實現(xiàn)解決各類地質(zhì)問題的一組勘探方法,其不同在于運用陣列勘探的方法,增加了觀測點密度,提高了工作效率,減少了工作成本,具有采集信息量大和對探測的目標不造成影響等優(yōu)點,廣泛應用于隱伏巖溶溶洞勘察,應用效果較好(朱紫祥等,2017)。此次使用的DUK-2型數(shù)字直流電法探測系統(tǒng)由重慶地質(zhì)儀器廠研制生產(chǎn),其極間距為5m,最小、最大極間隔分別為1、30,電極總數(shù)為120。該系統(tǒng)具有信號自動采集、自動存儲、實時曲線顯示、數(shù)據(jù)雙向通訊等功能,配備國內(nèi)先進的高密度電阻率法正反演解釋軟件,極大的提高了物探解釋精度和效率。
高精度磁法是在地面觀測地下介質(zhì)磁性差異引起的磁場變化的一種地球物理方法,主要用于弱磁性目標物的勘測以及隱伏磁性體在地表產(chǎn)生的弱磁異常等研究工作。該方法在地質(zhì)找礦方面應用廣泛,對斷裂構(gòu)造磁異常信息提取效果較好,能有效識別斷裂及反映其分布(王新華等,2014)。目前,未見該方法在地熱資源調(diào)查中的實際應用。此次使用的GSM-19T質(zhì)子磁力儀產(chǎn)于加拿大,其靈敏度小于0.10nT,分辨率高達0.01nT,絕對精度為1.00nT,梯度容差大于7000nT/m,采樣率達3~60s。
本次勘測測線布置原則有:測線要長于項目區(qū),且主測線多條平行布設;在勘探區(qū)垂直已知斷層或推斷的斷層或線性地貌布設適量控制剖面,以查明破碎帶等隱伏構(gòu)造;布設一條追蹤短剖面,查明可疑不良地質(zhì)現(xiàn)象。結(jié)合測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征和項目的目的任務,在項目區(qū)布設物探測線,其中包含3條高密度電法剖面測線,編號分別為Line3、Line4、Line5,剖面測線長度共2400m;10條高精度磁法勘探測線,測線長共7100m,測線里程長共6737m,測點數(shù)共1360個,高密度電法測線布設及高精度磁法測點位置見圖1。
為進一步查明項目區(qū)構(gòu)造空間展布、巖層組合、含水層富水性及確定地層相對穩(wěn)定區(qū)域,需進行鉆孔測試。然而,碳酸鹽巖類地層地質(zhì)條件相對復雜,對鉆孔技術(shù)要求較高,不適宜的鉆孔方式不但無法完成鉆進任務,而且會增加無謂的鉆孔成本,選擇合適的鉆孔方式是順利并高效完成鉆孔任務的關(guān)鍵。江劍等(2014)以北京市某地源熱泵工程為例,重點分析了“氣動潛孔錘”跟管鉆進技術(shù)在碳酸鹽巖分布地區(qū)的應用及前期勘查,研究表明,該技術(shù)適合于完整、堅硬地層,在碳酸鹽巖類地層區(qū)具有較高鉆進效率,且占地面積小,故此次采用“氣動潛孔錘”跟管鉆進技術(shù)進行勘探孔鉆探。
測試孔的總體布置原則主要考慮地層、水電及場地條件,同時結(jié)合項目場區(qū)平面布置圖的要求進行布置,一般布置在建筑周邊空地,并且避開地下室的位置。本次共布置6個勘探孔,其中4眼布置在地層較破碎區(qū)域,2眼布置在地層相對完整地區(qū)(布孔位置選擇是在物探勘測后,避開明顯斷層及破碎帶)。綜合解譯勘探孔布孔位置見圖2。
圖1 物探測線及測點位置圖Fig.1 The figure of geophysical survey line and measuring point position
圖2 綜合解譯勘探孔布孔位置圖Fig.2 The Comprehensive exploration hole position map
研究表明:巖土初始溫度、巖土熱物性參數(shù)、地埋管單位深度換熱量及長度的選取是否合理,不但影響地源熱泵系統(tǒng)的實際運行效果,而且有可能使地埋管實際設置量大于需求量,導致工程投資大大增加;導熱系數(shù)和比熱容的不同常導致傳熱效率不同,平均導熱系數(shù)越高越利于熱量擴散,平均比熱容越高,儲熱能力越強(Focaccia et al,2013)。因此,對項目區(qū)進行巖土熱響應測試,獲取巖土熱物性參數(shù),為地源熱泵系統(tǒng)設計提供依據(jù),是必不可少的工作。
具體測試原理是:將儀器的水路循環(huán)部分與所要測試換熱孔內(nèi)的HDPE管路連接,形成閉式環(huán)路,通過儀器內(nèi)的微型循環(huán)水泵驅(qū)動環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),同時儀器內(nèi)的加熱器不斷加熱環(huán)路中的液體。當該閉式環(huán)路內(nèi)的液體不斷循環(huán),加熱器所產(chǎn)生的熱量不斷通過換熱孔內(nèi)的換熱管釋放到地下,在閉式環(huán)路內(nèi)的液體循環(huán)過程中,將進、出儀器的溫度、流量和加熱器的加熱功率進行采集記錄。數(shù)據(jù)采集及分析由中國建筑科學研究院研發(fā)的“地源先鋒”軟件以及測試平臺來進行。
在對物理勘探結(jié)果加以分析的基礎上,找出地層完整區(qū),布設DK-5、DK-6勘探孔,設計勘探孔深度分別為100m、120m,每個孔內(nèi)下入直徑為32mm的雙U型PE 管。由于土壤初始溫度、土壤導熱系數(shù)的季節(jié)性變化,會導致冬季的試驗結(jié)果比夏季偏大,單井換熱量相對偏差達10%~15%,足可以導致設計方案的變化(田光輝等,2010)。因此,為保證設計方案的合理性,故選擇冬季(2016年12月2日至12月9日)進行巖土熱響應試驗。
以物探方法對項目區(qū)地層進行測試,Line3、Line4、 Line5視電阻率斷面等值線反演結(jié)果見圖3。
Line3反演結(jié)果分析:該剖面視電阻率整體較高。其中,地表電阻率較低,推測第四系覆蓋厚度較??;覆蓋層下部電阻率較高,平均電阻率大于3000Ω·m,推測為結(jié)構(gòu)較完整的白云巖基巖;420~450m之下低阻顯示,可能存在構(gòu)造破碎帶,無溶洞發(fā)育特征。
Line4反演結(jié)果分析:該剖面視電阻率沒有表現(xiàn)出如Line3與Line5測線連續(xù)的整體高阻特征。其中,地表電阻率較低,推測第四系覆蓋厚度較薄;覆蓋層下部電阻率顯示中高,平均電阻率大于1000Ω·m;500~560m之下低阻顯示,存在構(gòu)造破碎帶可能性較大,無溶洞發(fā)育特征。
Line5反演結(jié)果分析:該剖面視電阻率整體呈淺部低、深部高的特征。其中,地表電阻率較低,推測第四系覆蓋厚度較?。桓采w層下方,電阻率相對較高,平均大于3000Ω·m,推測為較完整的白云巖基巖;該地層剖面電性分界面較為連續(xù),無明顯構(gòu)造破碎帶和巖溶發(fā)育特征。
圖4是高精度磁法測試反演結(jié)果,從圖中可看出,該區(qū)磁異常整體上表現(xiàn)為負異常,分布較連續(xù),且分部面積較大。其中,負異常極大值出現(xiàn)在正北及東東北方向,平均約-80nT;東南走向上呈現(xiàn)低負異常值,平均約-30nT;正異常最大值約90nT,呈點狀分布,分布范圍極小。根據(jù)反演結(jié)果,推測出測區(qū)可能存在6條斷裂破碎帶,見圖4中FW1-FW6。
圖3 Line3~Line5視電阻率斷面等值線反演圖Fig.3 Apparent resistivity profile contour inversion of Line3 to Line5
圖4 高精度磁法反演結(jié)果及推測斷裂帶示意圖Fig.4 High-precision magnetic inversion method and speculative fracture diagram
對項目區(qū)6個勘探孔鉆孔結(jié)果分析,結(jié)論如下:
測試孔DK-5:設計打在完整地層區(qū)域上,跟管鉆進15m,100m后見破碎帶,120m遇坍塌,135m坍塌嚴重,埋鉆。
測試孔DK-6:設計打在完整地層區(qū)域上,跟管鉆進10m,120~123m坍塌掉塊嚴重。
測試孔DK-1:原設計為打在地層完整區(qū)域上的地埋管測試孔,跟管18m,鉆至40m出水,60m見破碎帶,水量持續(xù)增加,約50m3/h。
測試孔DK-2:原設計為打在地層完整區(qū)域上的地埋管測試孔,跟管27m,在27m初見地下水,48~48.5m、57~63m、66~72m均見破碎帶,水量持續(xù)增加,約60m3/h。
測試孔DK-3:原設計為水源驗證孔,跟管21m,40~57m坍塌破碎嚴重,水量持續(xù)增加,約50m3/h。
測試孔DK-4:原設計為水源驗證孔,跟管5m,46.5m見水,54~60m見破碎帶,70~81m坍塌破碎嚴重,水量持續(xù)增加,約50m3/h。
對測試孔DK-1、DK-2、DK-3及DK-4鉆孔詳情見表1:
總結(jié)DK-1—DK-4孔勘探結(jié)果:項目區(qū)下伏基巖以寒武系婁山關(guān)組白云巖為主;第四系覆蓋層較薄,平均厚度在20m左右,巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主,風化程度由上致下逐漸減弱;含水層富水性較強,出水量都在1200m3/d以上;地層相對完整區(qū)域,120m內(nèi)可鉆性較好。
為反映數(shù)據(jù)的集中趨勢,巖土熱響應試驗采集的數(shù)據(jù)最終以DK-5、DK-6測試孔測試結(jié)果的平均值為準,巖土熱響應試驗計算數(shù)據(jù)見表2。
表2 巖土熱響應試驗計算數(shù)據(jù)Tab.2 Calculation data of geothermal thermal response test
研究表明:巖土初始溫度決定了地源熱泵系統(tǒng)運行環(huán)境,14℃~18℃是地埋管地源熱泵系統(tǒng)實施的最佳溫度條件,當溫度高于20℃溫差會減小,而低于7℃土壤易凍結(jié),導致制熱能力受限(潘俊等,2017)。由表2可知,所測項目區(qū)巖土初始溫度為17.26℃,符合地埋管地源熱泵系統(tǒng)實施的最佳溫度條件。
在貴州省地熱資源調(diào)查中,毛健全教授以不同地區(qū)9個鉆孔數(shù)據(jù)研究巖石的地溫梯度與其導熱率的關(guān)系,結(jié)果表明:巖性與地溫梯度關(guān)系密切,導熱率低的巖石具有較高的地溫梯度,其中,泥巖、灰?guī)r、白云巖及砂巖每百米的地溫梯度分別為3.09℃、2.58℃、1.71℃、1.47℃,這些巖石的導熱系數(shù)分別為(毛健全,2001),此次熱響應測試所測目的層巖性為白云巖,平均導熱系數(shù)為2.85W/(m·℃),與前人研究數(shù)據(jù)基本吻合,數(shù)據(jù)可信度高。項目區(qū)夏季單孔換熱指標為69W/m,冬季單孔換熱指標為61W/m,說明該區(qū)地下?lián)Q熱能力較強。
綜上分析,項目區(qū)的巖土初始溫度、導熱系數(shù)及單孔換熱指標均符合地源熱泵系統(tǒng)實施標準。
鉆孔條件、投資成本及運行條件決定著地源熱泵系統(tǒng)是否能夠高效開發(fā)應用,而這些方面均與地質(zhì)條件密切相關(guān)。通過綜合分析物探、鉆探以及巖土熱響應試驗的結(jié)果,明確了項目區(qū)斷裂破碎帶分布位置、地層巖性組合、含水層富水狀況、巖土熱物性參數(shù)等基本地質(zhì)條件,這不僅給埋管鉆孔及水源井選址提供精確的位置參數(shù),減少了盲目鉆孔所產(chǎn)生的額外費用,大大降低了建設成本,更是指導整個地源熱泵系統(tǒng)設計的重要依據(jù),是地源熱泵系統(tǒng)高效運行的必要保障??梢姡诘責豳Y源調(diào)查中,尤其在地層相對復雜的碳酸鹽巖地區(qū),應用物探、鉆探及巖土熱響應試驗等綜合方法對研究區(qū)地質(zhì)條件的分析是可行并且必要的。
綜合各測試結(jié)果:整個項目區(qū)第四系覆蓋層較薄,巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主,平均厚度在20m左右;下伏基巖以寒武系婁山關(guān)組白云巖為主,沒有溶洞發(fā)育特征;巖土平均導熱系數(shù)高達2.85W/(m·℃),地下?lián)Q熱能力較強??梢姡椖繀^(qū)利用地源熱泵系統(tǒng)有較好的地質(zhì)條件。根據(jù)不同區(qū)域不同的地質(zhì)條件,對地源熱泵系統(tǒng)不同形式進行適宜性分區(qū)。主要分區(qū)原則有:①垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)需選擇在建筑周邊空地,且地層完整,無溶洞和明顯破碎帶;②地下水地源熱泵系統(tǒng)需選擇在建筑周邊空地,無溶洞分布且需含水層富水性良好,成孔直徑為150mm時,出水量需高于50 m·/h。根據(jù)綜合勘探結(jié)果,分區(qū)如下:西西南區(qū)域地層完整,無斷裂破碎帶,地質(zhì)體可鉆性好,含水層富水性差,適合建設垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng);除西西南區(qū)域外,區(qū)內(nèi)廣泛分布有斷裂破碎帶,東北區(qū)域地層破碎,可鉆性差,應用地源熱泵技術(shù)成本高,不適宜建設地源熱泵系統(tǒng);西北、南西南及東南區(qū)域,地質(zhì)體可鉆性及含水層富水性均較好,適合建設地下水地源熱泵系統(tǒng)。綜合分析地質(zhì)條件并結(jié)合有限的場地條件,對項目區(qū)地下水地源熱泵及垂直地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)結(jié)果見圖5。
(1)采用高密度電阻率法與高精度磁法相結(jié)合,對項目區(qū)的地質(zhì)條件進行分析,查明了項目區(qū)破碎帶分布狀況,分析出區(qū)內(nèi)可能存在的6條斷裂帶,這將為垂直地埋管布孔、水源井選址及不同地源熱泵形式適宜性分區(qū)提供指導。事實證明,在地熱資源調(diào)查中,利用物探方法進行地質(zhì)條件勘察施工效率高,數(shù)據(jù)信息豐富,能較直觀、形象地反映地層剖面電性異常體的分布形態(tài),對斷層、溶洞、破碎帶位置的解譯精度較高。
(2)依據(jù)鉆孔勘探,查明測區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層較薄且不連續(xù),巖性以回填碎石、粘土及亞粘土為主,下伏基巖以寒武系婁山關(guān)組白云巖為主,含水層富水性較好,成孔152mm時出水量最達1200m3/d;確定了垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱器適宜布孔深度為120m。
(3)綜合項目場地DK-5、DK-6測試孔的熱響應試驗計算結(jié)果,測試目的層為白云巖,巖土初始平均溫度17.26℃,平均導熱系數(shù)2.85W/(m·℃),容積比熱容2.81×106J/(m3·℃),換熱系統(tǒng)夏季平均換熱量為72W/m,冬季平均換熱量為65W/m。以上數(shù)據(jù)表明:碳酸鹽巖地區(qū)巖土的平均導熱系數(shù)較大,有較強的地下?lián)Q熱能力,利用地源熱泵系統(tǒng)有較好的地質(zhì)條件。
(4)綜合分析各測試結(jié)果及場地條件,對項目區(qū)不同區(qū)域進行不同地源熱泵系統(tǒng)形式適宜性劃分。其中,西西南區(qū)域地層完整性好,無斷裂破碎帶,可鉆性好,適合建設垂直地埋管地源熱泵系統(tǒng);西北、南西南及東南區(qū)域,地質(zhì)體可鉆性及含水層富水性較好,適合建設地下水地源熱泵系統(tǒng);東北區(qū)域地層破碎,可鉆性差,應用地源熱泵技術(shù)成本高,不適宜建設地源熱泵系統(tǒng)。