煙臺(tái)市城區(qū)淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)

殷燾，趙輝，畢建新

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264004)

煙臺(tái)市是山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)、山東半島城市群的主要組成部分和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)之一。然而，當(dāng)?shù)啬茉促Y源貧乏，長期處于缺煤少電的緊張狀態(tài)，嚴(yán)重制約了煙臺(tái)市的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。隨著煙臺(tái)市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用受到當(dāng)?shù)卣拖嚓P(guān)主管部門的重視。為了進(jìn)一步推動(dòng)節(jié)能減排工作，改善煙臺(tái)市能源結(jié)構(gòu)，緩解能源供應(yīng)的緊張局面，促進(jìn)煙臺(tái)市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用，推廣煙臺(tái)市淺層地?zé)崮芟嚓P(guān)工程的配套建設(shè)，該文評(píng)價(jià)了煙臺(tái)市城區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源量，評(píng)價(jià)區(qū)面積1002.96km2,包括煙臺(tái)市六區(qū)的大部分地區(qū)。

1 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用方式

淺層地?zé)崮苁且环N可再生的新型環(huán)保能源[1-2]，一般開發(fā)深度為200m以淺[3]，主要賦存于地下水與巖土層中的低溫?zé)嵩?，這類低溫?zé)嵩纯梢源蟠蟮亟档蛡鹘y(tǒng)供暖與制冷的能耗，節(jié)約成本，具有較強(qiáng)的開發(fā)潛力，其開發(fā)利用方式以水源熱泵(地下水、地表水等)和地埋管型地源熱泵為主(圖1、圖2)。

圖1 地下水地源熱泵系統(tǒng)利用示意圖

圖2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)利用示意圖

2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用條件

2.1 水文地質(zhì)條件

煙臺(tái)市城區(qū)屬魯東低山丘陵水文地質(zhì)區(qū)(Ⅲ)。區(qū)內(nèi)大部分為基巖裸露區(qū)，區(qū)內(nèi)大面積分布的碳酸鹽巖類巖溶裂隙水與巖漿巖及變質(zhì)巖類裂隙水，整體上富水性較弱。煙臺(tái)市城區(qū)地下水富水性較好地段主要位于海積平原與沖積平原，屬松散巖類孔隙水。該含水層巖性主要為細(xì)砂、中粗砂及砂礫石為主，厚度一般為5～30m，地下水埋深1～10m，水化學(xué)類型主要以HCO3·Cl-Na·Ca水為主，在海(咸)水入侵區(qū)以Cl-Na水為主，礦化度一般為0.5g/L，局部地段大于1g/L。其中富水性較強(qiáng)的地段主要位于煙臺(tái)開發(fā)區(qū)黃壘河、柳林河以及萊山區(qū)孫家灘附近。富水性強(qiáng)的地段位于夾河下游、牟平辛安河流域、沁水河流下游(圖3)。

1—涌水量>300m3/d·m；2—100～300m3/d·m；3—涌水量<100m3/d·m；4—分區(qū)界線；5—調(diào)查區(qū)范圍圖3 煙臺(tái)市城區(qū)地下水富水性分區(qū)圖

2.2 地溫條件

通過井溫測(cè)量工作，區(qū)內(nèi)恒溫帶上限深度一般在14～40m，恒溫帶溫度14.4～14.6℃，恒溫帶的下限在26～40m。另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，地下100m深度范圍內(nèi)巖土層的溫度為13.8～16.4℃，平均溫度為15.2℃，其值高于上述測(cè)量確定的恒溫帶平均溫度。

3 淺層地?zé)崮茉囼?yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)

3.1.1 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)的布置

評(píng)價(jià)工作在煙臺(tái)市城區(qū)各巖性分布區(qū)共布置了11組現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)(S1…S11)，見圖4。對(duì)煙臺(tái)市不同區(qū)域巖土體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)垂直埋管試驗(yàn)，試驗(yàn)深度均為100m，主要測(cè)試巖土體平均溫度、巖土體導(dǎo)熱系數(shù)、巖土體的比熱容。

1—熱響應(yīng)試驗(yàn)嚴(yán)控位置；2—工作區(qū)范圍圖4 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)位置分布圖[4]

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)該次進(jìn)行的11組熱響應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(表1)，區(qū)內(nèi)所測(cè)地下巖土體初始溫度(平均溫度)為14.2～16.4℃；區(qū)內(nèi)所測(cè)試巖土層的導(dǎo)熱系數(shù)為1.38～3.12W/m℃；區(qū)內(nèi)所測(cè)試巖土層的容積比熱容為(1.375～2.082)×103kJ/m3℃。

表1 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 不同巖性熱物性參數(shù)的確定

該次在各巖性分區(qū)均布設(shè)有熱響應(yīng)試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以片巖區(qū)內(nèi)巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果為例，S1孔與S9孔相距約12.5km，均位于片巖分布區(qū)內(nèi)，其地層結(jié)構(gòu)相似，巖性單一，上覆第四系蓋層均<5m，其巖土導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.44W/m℃和2.33W/m℃，容積比熱容分別為1.485×103kJ/m3℃和1.52×103kJ/m3℃。兩孔試驗(yàn)巖土導(dǎo)熱系數(shù)基本一致，試驗(yàn)結(jié)果容積比熱容相差小，因此可將同一單元內(nèi)各孔巖土熱物性參數(shù)值的平均值作為其巖土體的綜合熱物性參數(shù)。在計(jì)算資源量的同時(shí)，為得到更加準(zhǔn)確的熱能資源儲(chǔ)量，可以按地層結(jié)構(gòu)將同一地質(zhì)單元?jiǎng)澐譃閿?shù)個(gè)亞區(qū)，采用亞區(qū)內(nèi)或者臨近亞區(qū)內(nèi)試驗(yàn)孔熱物性參數(shù)均值進(jìn)行分區(qū)計(jì)算合并。

3.2 抽灌試驗(yàn)

3.2.1 抽灌試驗(yàn)結(jié)果

該次抽灌試驗(yàn)共布設(shè)2組，分別位于開發(fā)區(qū)柳子河路及牟平區(qū)大窯鎮(zhèn)東呂格莊。采用同層、單井、定流量、定水頭抽灌試驗(yàn)，回灌量的測(cè)量采用水表計(jì)量，于回灌井的進(jìn)水口與出水口分別架設(shè)一個(gè)水表，測(cè)量精度到0.1m3，該試驗(yàn)工作質(zhì)量符合《注水試驗(yàn)規(guī)程》(YS5214—2000)中的有關(guān)要求，抽灌試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 抽灌試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 抽、灌井間距確定

水源熱泵抽灌井的間距對(duì)地下水地源熱泵的運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用。如果抽灌井間距太小，就會(huì)引發(fā)熱短路現(xiàn)象。熱泵機(jī)組正常工作時(shí)，要求系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水的溫度介于5～25℃之間，如果抽灌井地下水徑流發(fā)生熱短路現(xiàn)象[5]，前期會(huì)降低熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率，功率降低，加大能耗，甚至超過傳統(tǒng)冷暖系統(tǒng)運(yùn)行成本；后期會(huì)導(dǎo)致熱泵機(jī)組癱瘓或者不能正常運(yùn)行[6-7]。

基于地下水對(duì)流和彌散在“熱突破”過程中的作用和熱彌散計(jì)算的復(fù)雜性，該次采用穩(wěn)定純對(duì)流雙井條件下，地下水運(yùn)移鋒面運(yùn)移公式，即回灌水到達(dá)抽水井的時(shí)間(熱短路時(shí)間)可用下式表示[5]：

式中:π—圓周率；n—有效的含水層孔隙度；B—含水層厚度；d—抽灌井間距離；Q—注水量。

根據(jù)上式可確定抽灌井間距臨界值：

式中：t—制冷或供暖期。

煙臺(tái)市城區(qū)冬季供暖時(shí)間取值為136d；夏季制冷時(shí)間取值為90d。經(jīng)計(jì)算，煙臺(tái)市城區(qū)地下水地源熱泵抽灌井間距為40～50m。

4 淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)

采用層次分析法經(jīng)專家討論選取評(píng)價(jià)因子[8-11]，構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，確定權(quán)重后利用綜合指數(shù)與模糊數(shù)學(xué)2種方法進(jìn)行綜合評(píng)判，對(duì)煙臺(tái)市地下水源熱泵與地埋管地源熱泵的開發(fā)利用的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)

4.1.1 評(píng)價(jià)體系的建立

地下水地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)模型由三層構(gòu)成，由系統(tǒng)目標(biāo)層，屬性層，要素指標(biāo)層三層組成[8,12-15]；屬性指標(biāo)層由自然地理?xiàng)l件、水文地質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件4個(gè)要素組成；要素指標(biāo)層由地形地貌、年均降水量、富水性、礦化度、回灌能力、水位埋深、地下水平均溫度、重要水源地、地面塌陷、地下水降落漏斗、建筑物密度和人均收入組成(圖5)。

圖5 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 地下水地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

煙臺(tái)市城區(qū)地下水地源熱泵適宜性分區(qū)見圖6，具體闡述如下：

1—適宜區(qū)；2—較適宜區(qū)；3—不適宜區(qū)；4—分區(qū)界線；5—調(diào)查區(qū)范圍圖6 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)圖

(1)地下水地源熱泵適宜區(qū)。分布于牟平城北，面積約53.66km2，占調(diào)查區(qū)5.35%。該區(qū)大部分地區(qū)地下水富水性強(qiáng)(單位涌水量一般大于300m3/d·m)，回灌能力強(qiáng)(抽灌比一般在1～2)。

(2)地下水地源熱泵較適宜區(qū)。分布于黃壘河、柳林河、夾河、辛安河等河流下游地區(qū)，面積約91.99km2，占調(diào)查區(qū)9.17%。該區(qū)大部分地區(qū)地下水富水性中等(單位涌水量一般在100～300m3/d·m)，回灌能力中等(抽灌比一般在3～4)。

(3)地下水地源熱泵不適宜區(qū)。分布于重點(diǎn)調(diào)查區(qū)大部分地區(qū)，面積合計(jì)857.31km2，占調(diào)查區(qū)85.48%。該區(qū)多為基巖裸露區(qū)，大部分地區(qū)富水性弱(單位涌水量一般小于100m3/d·m)，回灌能力弱(抽灌比一般大于4)；另有部分地區(qū)(如夾河中下游)富水性和回灌能力強(qiáng)，但是屬于城市供水水源地保護(hù)區(qū)，不適宜進(jìn)行地下水地源熱泵建設(shè)。

4.2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

4.2.1 評(píng)價(jià)體系建立

地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)模型由三層構(gòu)成(圖7)；由系統(tǒng)目標(biāo)層、屬性層和要素指標(biāo)層三級(jí)結(jié)構(gòu)組成[8,12-15]；其中屬性指標(biāo)由自然地理?xiàng)l件、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和巖土層換熱能力組成；要素指標(biāo)層由地形地貌、富水性、含水層厚度、水位埋深、第四系厚度、卵石層厚度、崩滑流、地面塌陷、建筑物密度、人均收入、地下平均溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容組成。

圖7 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)圖

4.2.2 地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

煙臺(tái)市城區(qū)地埋管地源熱泵適宜性主要見圖8，具體闡述如下：

1—適宜區(qū)；2—較適宜區(qū)；3—不適宜區(qū)；4—分區(qū)界線；5—調(diào)查區(qū)范圍圖8 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)圖

(1)地埋管地源熱泵適宜區(qū)。分布于重點(diǎn)調(diào)查區(qū)大部分地區(qū)，面積約739.09km2，占調(diào)查區(qū)73.69%。該區(qū)地形起伏不大，地層多為單元—雙元結(jié)構(gòu)，多為基巖裸露區(qū)，部分地區(qū)上覆薄層第四系(厚度小于20m)，地質(zhì)環(huán)境良好，無大中型地質(zhì)災(zāi)害分布，巖土層綜合換熱能力強(qiáng)。

(2)地埋管地源熱泵較適宜區(qū)。分布于重點(diǎn)調(diào)查區(qū)沖洪積平原和丘陵地區(qū)，面積約261.58km2，占調(diào)查區(qū)26.08%。其中沖洪積平原位于河流中下游，地形平坦，第四系厚度大于20m，地層多為三元以上結(jié)構(gòu)，部分地區(qū)有卵石層分布；丘陵地區(qū)地形起伏較大，地層多為單元—雙元結(jié)構(gòu)，無大中型地質(zhì)災(zāi)害分布，地質(zhì)環(huán)境中等，巖土層綜合換熱能力較強(qiáng)。

(3)地埋管地源熱泵不適宜區(qū)。分布于福山邢家山、王家莊一帶，面積合計(jì)2.29km2，占調(diào)查區(qū)0.23%。該區(qū)地形起伏中等，區(qū)內(nèi)地面開裂，地質(zhì)環(huán)境差，不適宜進(jìn)行地源熱泵建設(shè)。

5 淺層地?zé)崮苜Y源量

5.1 概念模型

煙臺(tái)市各地區(qū)巖性種類較多，各巖土體密度、比熱容、孔隙率等相差較大，為了在現(xiàn)有工作程度下，較準(zhǔn)確地計(jì)算出煙臺(tái)市淺層地?zé)崛萘?，該次在充分搜集已有鉆孔資料和前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用鉆孔插值法，建立煙臺(tái)市淺層地?zé)崮芨拍钅Ｐ汀８呕鬅熍_(tái)市淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)結(jié)構(gòu)類型共分為：第四系(粘性土、砂性土等)、片巖(片麻巖、變粒巖等)、花崗巖、閃長巖、泥砂巖(泥巖、砂巖等)、大理巖、板巖、石英巖八大類(圖9)。

1—大理巖區(qū)塊；2—花崗巖區(qū)塊；3—第四系區(qū)塊；4—片巖區(qū)塊；5—閃長巖區(qū)塊；6—板巖區(qū)塊；7—泥砂巖區(qū)塊；8—石英巖區(qū)塊；9—分區(qū)界線；10—調(diào)查區(qū)范圍圖9 地?zé)崛萘坑?jì)算地質(zhì)結(jié)構(gòu)概化圖

5.2 淺層地?zé)崮軣崛萘?/h3>

該次根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0225-2009),采用體積法[16]計(jì)算煙臺(tái)市城區(qū)地下100m范圍內(nèi)淺層地?zé)崛萘?，?jīng)計(jì)算煙臺(tái)市城區(qū)100m以淺，淺層地?zé)崛萘繛?65.41×1012kJ/℃，其中適宜區(qū)淺層地?zé)崛萘繛?20.76×1012kJ/℃，較適宜區(qū)淺層地?zé)崛萘繛?4.26×1012kJ/℃，不適宜區(qū)淺層地?zé)崛萘繛?.39×1012kJ/℃(表2、表3)。

表2 煙臺(tái)市城區(qū)各區(qū)塊淺層地?zé)崛萘坑?jì)算結(jié)果

5.3 換熱功率

5.3.1 地下水地源熱泵系統(tǒng)換熱功率

煙臺(tái)市城區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)冬季換熱功率為24.40×105kW，夏季換熱功率為48.80×105kW(表3)，其中適宜區(qū)冬季換熱功率為11.09×105kW，夏季換熱功率為22.18×105kW；較適宜區(qū)冬季換熱功率為13.31×105kW，夏季換熱功率為26.62×105kW(表4)。

表3 煙臺(tái)市城區(qū)各評(píng)價(jià)區(qū)淺層地?zé)崛萘坑?jì)算結(jié)果

表4 地下水地源熱泵系統(tǒng)換熱功率計(jì)算結(jié)果

5.3.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率計(jì)算

煙臺(tái)市城區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季換熱功率為1.04×108kW，冬季換熱功率為0.79×108kW，各區(qū)塊換熱功率見表5。

表5 地埋管地源熱泵換熱功率計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)論

(1)煙臺(tái)市為貧水地區(qū)，地下水地源熱泵適宜區(qū)僅在牟平城北部，面積約53.66km2；較適宜區(qū)分布于夾河、辛安河等河流下游地區(qū)，面積約91.99km2；其他約857.31km2為不適宜區(qū)。

(2)煙臺(tái)市城區(qū)大部分為地埋管地源熱泵適宜區(qū)，面積約739.09km2；北部河流下游地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)與中南部地形起伏較大的丘陵約261.58km2范圍為較適宜區(qū)；其他礦產(chǎn)分布區(qū)約2.29km2為不適宜區(qū)。

(3)經(jīng)計(jì)算，煙臺(tái)市城區(qū)地下100m范圍內(nèi)淺層地?zé)崛萘繛?65.41×1012kJ/℃，其中適宜區(qū)淺層地?zé)崛萘繛?20.76×1012kJ/℃，較適宜區(qū)淺層地?zé)崛萘繛?4.26×1012kJ/℃，不適宜區(qū)淺層地?zé)崛萘繛?.39×1012kJ/℃。

(4)地下水地源熱泵系統(tǒng)冬夏兩季換熱功率分別為24.40×105kW與48.80×105kW；地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季換熱功率為1.04×108kW，冬季換熱功率為0.79×108kW。