安徽省宿州市城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)研究

黃多成，王守沛

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽合肥 230001）

0 引言

宿州市位于安徽省北部，面積9787km2，人口650多萬(wàn)，轄碭山縣、蕭縣、靈璧縣、泗縣及埇橋區(qū)，素有安徽省北大門之稱。

宿州市鐵路、公路、水路交通十分便捷。京滬鐵路位于東郊，公路網(wǎng)四通八達(dá)，水路可連接洪澤湖、淮河，是東部沿海省市經(jīng)濟(jì)向中西部梯度發(fā)展的過(guò)渡地帶和交通要道，具有良好交通區(qū)位優(yōu)勢(shì)，形成了公路、鐵路、內(nèi)河、航運(yùn)等多種運(yùn)輸方式的交通網(wǎng)絡(luò)。

宿州市城市規(guī)劃區(qū)位于宿州市埇橋區(qū)主城區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮苜Y源豐富，開(kāi)采條件便利。對(duì)其開(kāi)發(fā)利用將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益及環(huán)境效益。

1 淺層地?zé)崮軆?chǔ)存條件

1.1 地層巖性條件

根據(jù)區(qū)域地層資料，地層發(fā)育較全。前第四系：屬華北地層大區(qū)徐淮地層分區(qū)淮北地層小區(qū)。地表出露的地層以下古生界寒武系為主，且基巖出露面積小，余者多為第四系覆蓋區(qū)。

第四系：該區(qū)第四系地層發(fā)育，厚80～100m，北薄南厚，成因類型以沖積為主，次為沖洪積。

1.2 水文地質(zhì)條件

地下水按其賦存條件，可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙水三類。

松散巖類孔隙水按其埋藏條件可分為淺層孔隙水、中深層孔隙水。碳酸鹽巖裂隙巖溶水有裸露型、隱伏型、埋藏型三種分布形式，其中裸露型和隱伏型主要分布于宿北斷裂以北的丘陵山區(qū)，在隱伏區(qū)上覆有0～50m厚的第四系松散堆積物；埋藏型主要分布于宿北斷裂以南的桃園-朱仙莊煤礦之間的平原區(qū)，含水層主要為震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾砂頁(yè)巖、礫巖、砂巖等。水質(zhì)較好，單井涌水量一般1000～3000m3/d。碎屑巖類裂隙水主要埋藏于宿北斷裂以南的平原區(qū)，由古近系、二疊系、侏羅系、白堊系的碎屑巖組成，巖性主要為砂巖、砂頁(yè)巖、鈣質(zhì)礫巖，安山質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂礫巖,埋深在250～1000m之間,單井涌水量為100～1000m3/d。

1.3 巖土體熱物性特征

熱導(dǎo)率是指沿?zé)崃鱾鬟f方向單位長(zhǎng)度上溫度降低1℃時(shí)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量，是反映物質(zhì)導(dǎo)熱能力的性質(zhì)參數(shù)。熱導(dǎo)率隨巖性變化而變化，固結(jié)巖石的熱導(dǎo)率明顯大于松散層土體；相同巖性的熱導(dǎo)率隨深度增加而增大；根據(jù)室內(nèi)巖土熱物性測(cè)試資料，天然狀態(tài)下，QS01 孔試樣含水率15.18%～22.89%，濕密度1.93～2.18g/cm3，熱導(dǎo)率0.922～1.623W/(m2K)，熱導(dǎo)率隨含水率和孔隙比減小而增大，隨天然密度（干密度）增大而增大；比熱容也隨巖性變化而發(fā)生變化，固結(jié)巖石的比熱容明顯小于松散層土體；相同巖性的比熱容隨深度增加而減小；比熱容隨含水率和孔隙比減小而減小，隨天然密度（干密度）增大而減??；巖石的風(fēng)化程度越強(qiáng)，裂隙越發(fā)育，比熱容越大。

1.4 地溫場(chǎng)特征

淺層地溫場(chǎng)是地表以下200m以淺巖土體溫度分布及其變化狀態(tài)的總和，受太陽(yáng)照射和地球內(nèi)熱能綜合作用，地溫在地層中的變化就是巖土體熱導(dǎo)率的效應(yīng)。根據(jù)淺層地溫場(chǎng)溫度與深度的變化關(guān)系，將200m以淺地溫層自上而下劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。

變溫帶：本區(qū)變溫帶下限6～20m。太陽(yáng)輻射熱存在著日變化、年變化和多年變化的周期性變化，所以地下溫度發(fā)生變化，進(jìn)而形成了變溫帶。變溫帶溫度的變化幅度隨深度而減小。

恒溫帶：即變溫帶之下，地球內(nèi)部的熱能與太陽(yáng)輻射熱能的影響達(dá)到相對(duì)平衡的地帶；該深度的地溫基本保持恒定,稱為恒溫帶。一般高于當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?～2℃。恒溫帶的深度和其相應(yīng)的溫度，在一定程度上反映了一個(gè)地區(qū)近地表處淺層的熱狀況。本區(qū)溫度一般15.4～17.5℃，恒溫帶埋深上限6～20m，下限12～40m，厚2～25m。

增溫帶：恒溫帶以下主要受地球內(nèi)部熱能影響的地帶，總體特征是溫度隨深度增加而逐漸升高。不同地區(qū)地溫梯度不同，這主要與控?zé)岬牡刭|(zhì)構(gòu)造、熱儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件等相關(guān)。本區(qū)增溫帶上限深度一般12～40m，符離集以北增溫帶地溫梯度0.5℃/100m左右，其余地區(qū)1.7～3.2℃/100m。

2 分區(qū)依據(jù)與方法

2.1 分區(qū)依據(jù)

①相關(guān)技術(shù)要求；②區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)等相關(guān)資料；③現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試及巖土體熱物性試驗(yàn)資料；④參照已有淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用工程。

2.2 評(píng)價(jià)方法

參照相關(guān)規(guī)范要求，運(yùn)用不同利用方式適宜性分區(qū)的關(guān)鍵因子為基礎(chǔ)，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行適宜性分區(qū)。

2.3 分區(qū)指標(biāo)

2.3.1 地源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)

根據(jù)規(guī)范要求及以往工作經(jīng)驗(yàn)，選取了工作區(qū)的地質(zhì)、地形、地貌、水文地質(zhì)條件、施工條件、熱物性、地質(zhì)災(zāi)害等評(píng)價(jià)指標(biāo)，上述條件中地形、地貌、地質(zhì)災(zāi)害為分區(qū)前置條件。

2.3.2 地下水源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)

水文地質(zhì)特征（水量、水溫、水位、水質(zhì)）、含水層的出水能力及回灌能力是影響地下水源型換熱系統(tǒng)運(yùn)行效果的重要因素，而環(huán)境地質(zhì)條件適宜性對(duì)分區(qū)起決定性作用。當(dāng)環(huán)境地質(zhì)條件差的地區(qū)，無(wú)論其它條件好壞，都不適宜應(yīng)用地下水源型換熱方式。綜合考慮，以地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和地下水動(dòng)力場(chǎng)條件為適宜性分區(qū)主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3.3 地表水源型開(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)

地表水體循環(huán)利用量、水深、水溫、距建筑物的距離、地表水的用途和水源保護(hù)狀況等作為主要分區(qū)指標(biāo)。

2.4 分區(qū)類型

依據(jù)淺層地?zé)崮苜x存條件結(jié)合工作區(qū)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用方式。

2.4.1 地源型開(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)

地源型開(kāi)發(fā)利用方式分適宜區(qū)（Ⅰ）、較適宜區(qū)（Ⅱ）、一般適宜區(qū)（Ⅲ）、差適宜區(qū)（Ⅳ）、不適宜區(qū)（Ⅴ）五類,并可進(jìn)一步分出亞區(qū)。

2.4.2 地下水源型開(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)

地下水源型開(kāi)發(fā)利用方式劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三種類型。

2.4.3 地表水源型開(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)

地表水源型開(kāi)發(fā)利用方式為適宜區(qū)及不適宜區(qū)兩類。

3 適宜性分區(qū)

3.1 評(píng)價(jià)體系建立[1]

3.1.1 地源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)體系

其評(píng)價(jià)體系由三個(gè)層次構(gòu)成：

（1）目標(biāo)層：地源型利用方式適宜性劃分；

（2）屬性層：由地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工條件、熱物性、地形、地貌、地質(zhì)災(zāi)害構(gòu)成；

（3）要素層：由地層巖性結(jié)構(gòu)、地下水徑流條件、巖土體固結(jié)程度、城市覆蓋率、綜合熱導(dǎo)率、平均比熱容、地貌形態(tài)及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度作為層次分析的要素層。

據(jù)此建立地源型利用方式適宜性劃分層次結(jié)構(gòu)模型（圖1）。

圖1 地源型開(kāi)發(fā)利用適宜性劃分結(jié)構(gòu)圖Figure 1.Structure chart of suitability division of development and utilization of the ground sourced

3.1.2 地下水源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)體系

其評(píng)價(jià)體系亦由三個(gè)層次構(gòu)成：

（1）目標(biāo)層：地下水源型利用方式適宜性劃分；

（2）屬性層：由地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力場(chǎng)條件等構(gòu)成；

（3）要素層：由單井涌水量、含水層厚度、含水層回灌能力、地下水位埋深、地下水位變化速率、補(bǔ)給模數(shù)作為層次分析的要素層。

據(jù)此建立地下水型利用方式適宜性劃分層次結(jié)構(gòu)模型（圖2）。

圖2 地下水源型開(kāi)發(fā)利用適宜性劃分結(jié)構(gòu)圖Figure 2.Structure chart of suitability division of development and utilization of the groundwater sourced

3.1.3 地表水源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)體系

地表水源型利用方式分區(qū)主要考慮因素：地表水體的水溫、水質(zhì)、流量、水位、容量、深度、面積及其動(dòng)態(tài)變化。

3.2 分區(qū)評(píng)價(jià)

根據(jù)層次分析法的要求，在評(píng)價(jià)體系隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)和室內(nèi)數(shù)據(jù)分析研究，采用1-9標(biāo)度法，分析比較屬性層和要素層中各個(gè)因素的重要性，構(gòu)造比較矩陣。通過(guò)計(jì)算，檢驗(yàn)比較矩陣的一致性，然后對(duì)比較矩陣進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到可以接受的一致性。最后求得要素層中各種要素在目標(biāo)層中的權(quán)重[1～2]。

3.2.1 地源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)

采用MapGIS 軟件繪制各種要素圖件，對(duì)每幅圖件中的各個(gè)范圍賦值。然后將評(píng)價(jià)區(qū)劃分成1km2的網(wǎng)格，將網(wǎng)格圖和已經(jīng)賦值的圖件進(jìn)行疊加，運(yùn)用空間分析功能對(duì)各圖件提取賦值。采用綜合指數(shù)法將每個(gè)網(wǎng)格上的賦值分別與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘，然后求和，得到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的分值。根據(jù)分值的分布情況確定適宜性分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，由此劃分出地源型利用方式不同的適宜性分區(qū)。

表1 地源型利用方式適宜性分區(qū)結(jié)果表Table 1.Results of suitability zoning of the utilization modes of the ground sourced

3.2.2 地下水源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)

采用與地源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)相似的方法，劃分出地下水源型利用方式的不同適宜區(qū)。

表2 地下水源型換熱方式適宜性分區(qū)結(jié)果表Table 2.Results of suitability zoning of the groundwater sourced heat transfer modes

3.2.3 地表水源型淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性分區(qū)

本區(qū)主要河流有新汴河、沱河、濉河，由于河水均較淺，且具季節(jié)性分布特點(diǎn),因此本區(qū)均為地表水源型不適宜區(qū)。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

綜合考慮地源型及地下水源方式經(jīng)濟(jì)性及長(zhǎng)期運(yùn)行可能對(duì)環(huán)境造成的影響，工作區(qū)主要為地源型方式適宜地區(qū)，部分為地下水源型適宜區(qū)（圖3）。本區(qū)由于地表水資源匱乏，地表水源型利用方式不適宜。

圖3 淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性區(qū)劃圖Figure 3.Suitability zoning map of shallow geothermal energy development and utilization

4 結(jié)論

（1）本區(qū)地源型利用方式劃分適宜、較適宜、一般適宜及差適宜區(qū)四類。

適宜區(qū)主要分布在中心城區(qū)，面積343.87km2，新汴河兩岸,為單一松散層區(qū)，這種松散層區(qū)的比熱容比較大，巖土體結(jié)構(gòu)比較松散，鉆進(jìn)成本相對(duì)較低。

較適宜區(qū)分為較適宜區(qū)半固結(jié)巖類亞區(qū)和固結(jié)巖類亞區(qū)兩個(gè)亞區(qū)，面積16.50km2，半固結(jié)巖類亞區(qū)主要分布符離集以北和武樓—李橋以南,為雙層結(jié)構(gòu)，松散層厚度為50～100m，比熱容相對(duì)較大，鉆進(jìn)成本較低。固結(jié)巖類亞區(qū)主要分布在符離集北部呈馬鞍分布，下伏寒武系白云巖、灰?guī)r，比熱容相對(duì)較大。

一般適宜區(qū)為松散層厚度30～50m 的雙層結(jié)構(gòu)區(qū),面積30.64km2。主要分布符離集中部區(qū)域黃樓-王樓一帶，鉆探施工難度比較大，經(jīng)濟(jì)成本比較高，比熱容和綜合熱導(dǎo)率一般。

中丘以上地區(qū)為差適宜區(qū)，面積21.85km2。主要分布在符離集西北部和東北部，松散層厚度小于30m，地質(zhì)鉆進(jìn)成本較高。

（2）地下水源型利用方式分為較適宜區(qū)和不適宜區(qū)兩類。較適宜區(qū)分布于評(píng)價(jià)區(qū)中南部，面積114.81km2。單井涌水量一般1000～3000m3/d，含水層有效厚度一般大于20m；回灌能力相對(duì)較好，可采取一抽多灌形式開(kāi)發(fā)利用。

不適宜區(qū)主要分布于評(píng)價(jià)區(qū)中北部及西南部，面積298.05km2。單井涌水量小于1000m3/d，砂層較薄，回灌能力差的地區(qū)。

（3）本區(qū)地表水體較淺，地表水源型利用方式總體不適宜。

從淺層地?zé)崮苜Y源賦存條件并結(jié)合經(jīng)濟(jì)技術(shù)和環(huán)境影響條件綜合評(píng)價(jià)，本區(qū)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用主要適宜地源型利用方式，局部為地下水源型利用方式，但須確保及時(shí)回灌及有效保護(hù)地質(zhì)環(huán)境。