大青山南麓淺層地?zé)崮苜x存條件淺析

李吉紅 張欣

摘要：大青山南麓的“呼包平原”是內(nèi)蒙古自治區(qū)主要城市圈聚集地，綠色能源“淺層地?zé)崮堋钡拈_發(fā)利用有助于地方發(fā)展迎來綠水青山。近年來在呼包二市相繼開展了淺層地?zé)崮芸辈樵囼?yàn)取得了一定成效，本文依據(jù)兩地試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析大青山南麓淺層地?zé)崮苜x存條件。

關(guān)鍵詞：大青山南麓;呼包平原;淺層地?zé)崮?賦存條件

淺層地?zé)崮苁悄壳百x存在地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般為恒溫帶至200m埋深），溫度低于25°C，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的地球內(nèi)部的熱能資源。其能量主要來源于太陽輻射與地球梯度增溫。淺層地?zé)崮芊植紡V，儲(chǔ)量大，再生迅速，利用價(jià)值大，越來越受到人們的高度重視與關(guān)注，它是地?zé)豳Y源的一部分，也是一種特殊的礦產(chǎn)資源。

目前，淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用是通過“地埋管熱泵技術(shù)”和“地下水地源熱泵技術(shù)”以傳熱介質(zhì)（水或加入防凍劑的水）通過在密閉的垂直或水平埋管中循環(huán)，利用傳熱介質(zhì)與地下巖土體、地下水之間的溫差進(jìn)行熱交換，達(dá)到利用淺層地?zé)崮艿哪康?，并進(jìn)而通過熱泵技術(shù)可以為建筑物供暖或制冷。

淺層地?zé)崮芎暧^上受控于大型地質(zhì)地貌單元、水文地質(zhì)單元，賦存在不同沉積巖相堆積的松散或半膠結(jié)沉積巖土體，與巖土體物性、熱物性特征、地層熱響應(yīng)特征及淺層地溫場(chǎng)特征關(guān)系密切，大青山南麓呼包平原具備良好的淺層地?zé)崮苜x存條件要素。

1.地形地貌、水文地質(zhì)單元

呼和浩特市、包頭市位于大青山南麓呼包平原，為中生代斷陷盆地，盆地中沉積了巨厚的第四系松散堆積物。構(gòu)成的地貌單元主要為山前傾斜平原、沖積平原和沖湖積平原。呼和浩特市中心城區(qū)地處大青山山前傾斜平原的中下部，北以陰山山脈大青山段為天然屏障，南有大黑河沖湖積平原?？傮w地勢(shì)北高南低，微向西南傾斜，坡度在3‰～5‰之間，海拔高程1000m～1200m。包頭市轄區(qū)總體地勢(shì)北部高，南部低。主要由山前傾斜沖洪積平原和黃河沖積平原組成，山前傾斜沖洪積平原海拔高程1020m～1040m，平均坡度為8‰;黃河沖積平原東西呈條帶狀沿黃河分布，地勢(shì)平坦，平均坡度1.5‰，海拔高程1000m～1020m。

呼包平原賦存的地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水及承壓水，主要分布于山前傾斜平原，沖湖積平原及現(xiàn)代河谷內(nèi)。松散巖類孔隙潛水分布規(guī)律較明顯，大青山山前沖洪積平原扇群帶及河谷地帶，孔隙水單井涌水量500m3/d～1000m3/d，古湖濱三角洲地帶最大，單井涌水量大于1000m3/d，其余地段一般水量100m3/d～500m3/d。含水層巖性主要為更新統(tǒng)、全新統(tǒng)沖洪積砂、砂礫石，含水層厚度30m～60m，水位埋深在10m～20m，水質(zhì)較好，地形地貌、水文地質(zhì)特征適合淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用。呼包平原所屬水系、地貌、地質(zhì)和水文地質(zhì)單元基本特征（表1）。

2.巖土體物性、熱物性特征

巖土體物性、熱物性特征包括密度、孔隙率、含水率、比重、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)，反映了巖土體的蓄熱和導(dǎo)熱能力，是影響淺層地?zé)崮苜Y源賦存的重要因素。

在大青山南麓呼包平原的呼和浩特市、包頭市轄區(qū)進(jìn)行過第四系巖土體物性、熱物性測(cè)試工作。不同巖性物性、熱物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明：不同地點(diǎn)相同土質(zhì)的自然密度、含水率、比重、孔隙度、飽和度和導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)變化不大;無論是粘性土、砂性土其熱導(dǎo)率隨巖土體自然密度和飽和度的增加而減小，即巖土體的熱導(dǎo)率與巖土體的自然密度和飽和度呈負(fù)向相關(guān)性;其巖土體的比熱容隨巖土體的孔隙率增加而增大，即比熱容與巖土體的孔隙率呈正向相關(guān)性（表2）。

3.淺層地溫場(chǎng)特征

3.1淺層地溫場(chǎng)溫度

指淺層地?zé)豳Y源可開發(fā)利用深度范圍內(nèi)的溫度場(chǎng)，一般為埋深0～200m地層地溫的綜合反映，用深度范圍內(nèi)混合水的溫度來表征。一般受地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)環(huán)境等因素影響，其中恒溫帶、地溫梯度兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)淺層地溫場(chǎng)溫度的高低影響較大，各地區(qū)需通過長(zhǎng)期觀測(cè)試驗(yàn)才能確定，前人工作在呼包平原進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，取得可靠的數(shù)據(jù)綜合考慮其他因素而確定。

根據(jù)恒溫帶溫度、恒溫帶深度、淺層地溫能底界深度與地溫梯度，利用公式：

T=G/100×（S-S0）/2+T0

計(jì)算淺層地溫場(chǎng)溫度（T）。

公式中：G為地溫梯度，單位為°C/100m;S為淺層地溫場(chǎng)底界深度，單位為m;S0為恒溫帶深度，單位為m;T0為恒溫帶溫度，單位為°C。

淺層地溫場(chǎng)溫度計(jì)算結(jié)果見表3。

3.2地層熱響應(yīng)參數(shù)

地層熱響應(yīng)值是在現(xiàn)場(chǎng)利用地埋管換熱采用二冷熱源向巖土體中連續(xù)加熱并記錄傳熱介質(zhì)的溫度變化和循環(huán)量來測(cè)定，試驗(yàn)取得相關(guān)數(shù)據(jù)后經(jīng)大量計(jì)算而確定。它與地層巖性、地層結(jié)構(gòu)、所處沉積環(huán)境及地下水滲透速率等因素關(guān)系密切，以往工作在呼包平原的呼和浩特市、包頭市開展過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，經(jīng)多數(shù)鉆孔試驗(yàn)取得地層熱響應(yīng)特征值見表4。

以上從三個(gè)方面闡述了呼包二市所處地質(zhì)地貌、水文地質(zhì)單元;巖土體物性、熱物性特征及淺層地溫場(chǎng)特征，可作為背景值抑或參考值，將地?zé)崮苜x存條件普遍性推廣應(yīng)用至呼和浩特與包頭兩市之間的大青山南麓山前呼包平原。

4.結(jié)束語

環(huán)境地質(zhì)條件是決定淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的重要因素，地下水環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的效果。淺層地?zé)崮茏鳛榍鍧嵞茉?，它的開發(fā)利用是以不破壞地質(zhì)環(huán)境為前提條件。

當(dāng)前淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用還缺乏可靠的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)支撐。首先，淺層地溫能屬于邊緣學(xué)科，仍有許多機(jī)理、條件認(rèn)識(shí)不清，如飽水砂巖在弱水動(dòng)力條件下導(dǎo)熱能力、地層結(jié)構(gòu)和巖性組合對(duì)蓄熱、導(dǎo)熱能力的影響、垂向平均溫度大小對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響。其次，地下水回灌技術(shù)不夠完善，成井工藝有待提高，比如地下水地源井成井口徑、填礫層厚度、濾水管類型及濾料的選用對(duì)回灌量均有較大影響，特別是成井口徑、填礫層厚度、濾水管類型及濾料的選用不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致許多井不能正常回灌。第三，當(dāng)前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下，前期投入大，成本高，周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。因此全面評(píng)價(jià)地質(zhì)環(huán)境影響和節(jié)能減排的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，這些都需要進(jìn)一步研究和探索。

淺層地?zé)崮苜Y源有明顯的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)，適宜在大青山南麓平原地域城鎮(zhèn)推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]1985年由內(nèi)蒙古第一水勘院出版的1∶10萬內(nèi)蒙古呼包平原水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境水文地質(zhì)綜合勘察報(bào)告.

[2]1985年由內(nèi)蒙古水文地質(zhì)隊(duì)出版的1∶100萬內(nèi)蒙古自治區(qū)地下水資源評(píng)價(jià).

[3]內(nèi)蒙古自治區(qū)主要城市淺層地溫能開發(fā)區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告.

[4]DZ/T0225—2009淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范.