龍口市淺層地溫能賦存條件及開發(fā)適宜性分區(qū)

王光凱，雷耀東，白云，邢學睿，申中華

(山東正元地質(zhì)資源勘查有限責任公司，山東 濟南 250001)

0 引言

淺層地溫能是深層地熱能與太陽能共同作用的產(chǎn)物，其熱源主要包括地球外部熱源和地球內(nèi)部熱源。地球內(nèi)部熱源為來自地心自然散熱、放射性衰變熱、地球轉(zhuǎn)動熱釋放的熱能；外部熱源主要包括太陽輻射熱、潮汐摩擦熱和其他外部熱源[1]。

淺層地溫能主要利用淺層地質(zhì)體的熱能儲蓄和熱傳導能力，其賦存條件不僅受地質(zhì)構(gòu)造的影響，還受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性、水文地質(zhì)特征以及淺層地溫場特征的制約[2-5]。通過分析龍口市及周邊地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，開展現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗與水文地質(zhì)鉆探，對研究區(qū)進行淺層地溫能賦存條件分析與開發(fā)適宜性分區(qū)，為淺層地溫能的開發(fā)利用及采熱規(guī)劃提供技術(shù)參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)自然地理概況

研究區(qū)位于山東省龍口市主城區(qū)，屬北溫帶季風型大陸性氣候。四季分明，因地處濱海，夏季海洋氣候特征明顯，濕熱多雨，無高溫酷暑；冬季受蒙古高壓控制，海洋影響減弱，呈現(xiàn)大陸性干冷氣候特征，研究區(qū)位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)位置及范圍示意圖

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)中部及北部有厚為4～68m的第四系覆蓋，古近紀五圖群地層隱伏于第四紀地層之下，主要巖性為泥巖、粉砂巖和黏土巖，厚度為71.2～132.5m；白堊紀青山群地層零星分布，主要由角礫巖、凝灰?guī)r等組成，厚度為20m左右；震旦紀蓬萊群，主要為板巖和泥灰?guī)r，厚度為96～1610m。研究區(qū)東南部巖漿活動較強烈，巖漿巖較發(fā)育，以晚元古代侵入巖為主，主要為玲瓏序列崔召單元弱片麻狀中粒二長花崗巖和大莊子單元片麻狀粗中粒二長花崗巖。區(qū)域地下水類型可劃分為：松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水4種類型。

2 巖土體熱物性特征

巖土體的沉積環(huán)境、物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特點決定了該巖土體的熱物性特征。通過巖土體樣品室內(nèi)測試與現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，獲得了研究區(qū)巖土體密度、含水率、孔隙率等物理參數(shù)和熱導率、比熱容等熱物理參數(shù)。

2.1 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗

本次研究共完成雙U型地埋管現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗9組(80m深鉆孔1組，100m深鉆孔2組，120m深鉆孔5組，200m深鉆孔1組)，測試加熱功率為6kW，通過現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗，得到不同地層巖土體初始平均溫度、綜合導熱系數(shù)、地埋管每延米換熱量等指標值[3-8]。

根據(jù)測試結(jié)果可知，研究區(qū)初始地溫介于15.02～16.65℃，平均值為15.75℃；導熱系數(shù)值范圍為1.71～2.49W/(m·K)，平均值為2.11W/(m·K)；平均孔深換熱量29.91～53.30W/m，平均值為42.53W/m(表1)。

表1 熱響應(yīng)試驗結(jié)果

研究區(qū)比熱容等值線圖、導熱系數(shù)等值線圖、換熱量等值線圖如圖2—圖4所示。

1—巖土體檢測點；2—1∶5萬淺層地溫能研究區(qū)；3—分區(qū)邊界線及導熱系數(shù)值(W/(m·K))

根據(jù)圖2—圖4可知，比熱容較大的區(qū)域主要集中在研究區(qū)西北崖頭村和九北村一帶，其次為研究區(qū)東北部大李家村和東部氈王村附近，主要原因為：受水文地質(zhì)條件和地層巖性的影響，在第四系砂層和香夼組灰?guī)r含水巖組中巖土體的比熱容相對較高。導熱系數(shù)分布較高的區(qū)域主要為山前地帶，峰值主要集中在韓家店和氈王村附近；換熱量由研究區(qū)東南大宋家、氈王村、明德一帶向東北、西北、西南方向逐漸降低，研究區(qū)開發(fā)適宜孔深為80～120m。

1—巖土體檢測點；2—1∶5萬淺層地溫能研究區(qū)；3—分區(qū)邊界線及換熱量值(W/m)

2.2 熱物性試驗

本次工作共完成249件巖土樣采集及室內(nèi)熱物性試驗，通過試驗得到研究區(qū)內(nèi)各類巖土體的密度、含水率、孔隙率等物理參數(shù)和熱導率、比熱容等熱物理參數(shù)，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 巖土體物理、熱物理性質(zhì)參數(shù)平均值

由表3可知，研究區(qū)內(nèi)巖土體熱導率為1.486～2.14W/m℃，研究區(qū)西北部最小，向東南和西南逐漸升高。研究區(qū)東南和西南一帶熱導率相對較高，最高達到2.14W/m℃，研究區(qū)西北區(qū)域熱導率相對較低，其中，研究區(qū)西北角小柳家村導熱系數(shù)最低，為1.486W/m℃，其余地點熱導率介于1.59～2.0W/m℃之間。區(qū)內(nèi)巖土體比熱容為0.62～1.17kJ/kg℃，研究區(qū)南部ZK07和ZK08鉆孔比熱容最低，為0.62kJ/kg℃，東南部氈王村ZK09鉆孔最大，為1.17kJ/kg℃。

表3 鉆孔導熱系數(shù)和比熱容成果

可以看出，同一巖層，地下水徑流條件越好，富水性越強，熱導率相對越大，山前地帶比熱容分布規(guī)律與熱導率相似。

通過鉆孔熱響應(yīng)試驗測試得到的熱導率大于室內(nèi)測試值，主要原因為：地下巖土層分布復雜，即使同一巖(土)層也會有不同程度的風化層(全風化層、強風化層、弱風化層、微風化層、未風化層)，導致上下巖(土)層的結(jié)構(gòu)和成分變化較大，因此野外熱響應(yīng)試驗取得的熱物性數(shù)值并不是絕對的某一類巖層熱物性數(shù)值，而是地下巖(土)綜合層的平均熱物性數(shù)值；室內(nèi)巖土樣品測試取得的熱物性數(shù)值只能代表取樣段或其附近的巖性的熱物性數(shù)值，代表不了在特定工況條件下的巖(土)層的熱物性數(shù)值[9-12]。

3 地溫場特征分析

3.1 平面地溫能特征

根據(jù)2018—2019年度不同深度地溫平面分布圖(圖5)可以看出，受巖性和地下水動力條件影響，不同深度平面地溫分布特征存在一定差異。

50m，80m，100m，120m平面地溫分布規(guī)律如圖5所示，地溫分布與巖性分布一致。相同巖性地下水補給徑流區(qū)中，徑流條件較好的區(qū)域地下水徑流過程中帶走大量熱量，地溫整體呈東低西高趨勢分布。地溫最低處位于東江街道辦氈王村東南一帶，最高處位于研究區(qū)西北部崖頭村一帶。

區(qū)內(nèi)西北、中北部為第四系覆蓋，其他為基巖裸露區(qū)或第四系覆蓋厚度小于10m，地層主要由粉質(zhì)黏土、砂層、泥巖組成，保溫效果較好，監(jiān)測深度內(nèi)地溫相對較高。根據(jù)熱響應(yīng)試驗測試取得的初始溫度數(shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)研究深度內(nèi)初始地溫普遍大于15.0℃，在研究區(qū)南部花崗巖裸露區(qū)，由于蓋層條件較差，初始地溫15.02℃左右。據(jù)調(diào)查研究區(qū)及其周邊換熱系統(tǒng)工程情況可知，淺層地溫利用率較高的深度為100～120m[13]。

3.2 垂向地溫特征

根據(jù)地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)垂向地溫變化特征與地層巖性、含水層厚度及第四系厚度等因素有關(guān)。古近紀砂巖、泥巖地溫梯度為2.30～4.21℃/100m，位于研究區(qū)的西北部一帶；花崗巖地溫梯度一般為1.26～1.97℃/100m，位于東江街道辦以東和東萊街道辦西溝徐家村東南一帶。具體監(jiān)測成果如表4所示。

表4 鉆孔地溫梯度

3.3 地溫動態(tài)特征

根據(jù)2018年10月—2020年3月地溫長期監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖6)可知，區(qū)內(nèi)地溫場溫度較穩(wěn)定，24.0m以上一般為變溫層，溫度受大氣溫度影響較大；24～50m深度范圍內(nèi)為恒溫帶，地溫隨深度變化相對穩(wěn)定，平均地溫約為15.46℃；恒溫帶以下基本不受大氣溫度影響，呈逐漸升高的趨勢，地溫梯度為2.60℃/100m。恒溫帶對應(yīng)的地層巖性特征主要是粉質(zhì)黏土和中粗砂互層。

圖6 各鉆孔地溫變化曲線圖

根據(jù)地下水溫動態(tài)監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析可知，研究區(qū)內(nèi)18m以上范圍屬于變溫帶，20～28m為恒溫帶，溫度為15.56℃，28m以下為增溫帶。

LK10孔地溫動態(tài)歷時觀測數(shù)據(jù)(2018年10月—2020年3月)如圖7所示，橫向上年內(nèi)溫度波動幅度小，但并不穩(wěn)定。1月末和2月初主要受氣溫影響，變溫帶溫度降低，導致整體地溫最低。5—6月份，進入枯水期，受地下水徑流條件影響，枯水期水位降低，深部地下水攜帶熱量能力降低。但總體來看，LK10孔地溫動態(tài)觀測孔的數(shù)據(jù)觀測曲線，全年基本穩(wěn)定[14-18]。

圖7 200m鉆孔地溫變化曲線圖

4 龍口市淺層地溫能適宜性分區(qū)

4.1 分區(qū)方法

本次適宜性評價采用指標法結(jié)合層次分析法進行評價，以層次分析法分區(qū)結(jié)果為主，指標法輔助調(diào)整，獲取最終分區(qū)結(jié)果。根據(jù)《淺層地溫能勘查評價規(guī)范DZ/T0225—2015》分區(qū)要求，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件、換熱方式及建設(shè)成本，進行適宜性分區(qū)，分為適宜性好、適宜性中等和適宜性差區(qū)[19]。利用2種分區(qū)方法各自分區(qū)完成后，將2個方法所成的圖件疊合，進行綜合分區(qū)，具體疊加分區(qū)方式如表5所示。

表5 層次分析與指標法疊加方式

4.1.1 指標法

指標法首先要選取影響分區(qū)的關(guān)鍵性指標，并對指標進行量化，然后依據(jù)特定準則評價指標的優(yōu)劣，將評價后的指標進行疊加并加以整體判斷，最后利用MapGIS軟件根據(jù)規(guī)范進行淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)。對于地下水熱泵，淺層地溫能適宜性分區(qū)主要考慮含水層巖性、分布、埋深、富水性、滲透性，地下水位動態(tài)變化，水源地保護、地質(zhì)災害等因素[20]，主要指標如表6所示。

表6 地下水換熱方式適宜性分區(qū)

對于地埋管熱泵，淺層地溫能適宜性分區(qū)主要考慮巖土體特性、地下水的分布和滲流情況、巖土體導熱性能等因素[21]。豎直地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要指標如表7所示。

表7 (豎直)地埋管換熱方式適宜性分區(qū)

4.1.2 層次分析法

層次分析法主要步驟為：建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，然后構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣，層次單排序及一致性檢驗，層次總排序及一致性檢驗，確定各種方案和措施的重要性排序權(quán)值，最后做出決策。

地下水換熱系統(tǒng)評價體系層次結(jié)構(gòu)模型由3層構(gòu)成，分別為目標層、屬性層和要素指標層。評價目標是地下水換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)；屬性指標由水文地質(zhì)條件、地質(zhì)條件、水動力場與水化學場、溫度場、地質(zhì)環(huán)境及其他等4項構(gòu)成；要素指標由含水層厚度、富水性、回灌能力、地下水位埋深、地下水位下降速率、地下水水質(zhì)、地下水溫度、地溫梯度、塌陷易發(fā)程度和水源地保護區(qū)等10個指標構(gòu)成[22]，如圖8所示。

圖8 地下水換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)圖

地埋管換熱系統(tǒng)評價體系層次結(jié)構(gòu)模型主要由目標層、屬性層和要素指標層組成。評價目標是地埋管型換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)；由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地層屬性與熱物性、地質(zhì)環(huán)境條件組成，要素指標由單一巖體厚度、地下水位埋深、含水層厚度、滲透系數(shù)、構(gòu)造條件、熱導率、地層巖性、塌陷易發(fā)程度和水源地保護區(qū)等9個指標構(gòu)成[23]，如圖9所示。

圖9 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)圖

4.2 適宜性分區(qū)結(jié)果

4.2.1 地下水換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)結(jié)果

研究區(qū)地下水類型包括松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水4種，受沉積環(huán)境及地質(zhì)構(gòu)造影響，引起地下水存儲條件、動力條件、水化學條件等水文地質(zhì)要素的變化，不同條件下對淺層地溫能的賦存環(huán)境產(chǎn)生影響。結(jié)合研究區(qū)淺層地溫能地質(zhì)條件，將地下水換熱系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為3級，即適宜性好區(qū)、適宜性中等區(qū)、適宜性差區(qū)，如圖10所示。

1—適宜性好區(qū)；2—適宜性中等區(qū)；3—適宜性差區(qū)；4—1∶5萬淺層地溫能研究區(qū)

(1)適宜性好區(qū)：主要位于研究區(qū)西北部，面積0.995km2，約占全區(qū)面積的1.54%。含水層巖性主要為第四紀砂層、五圖群組砂巖、泥巖。單位涌水量一般620m3/d·m，單井回灌能力約為95%，水位埋藏深度變化較小，埋深一般14.83～15.61m，水位年變幅0.5m左右。

(2)適宜性中等區(qū)：主要位于研究區(qū)中北部，面積29.21km2(去除地表水體)，約占全區(qū)面積的44.93%；含水層巖性主要為第四紀砂層、五圖群組砂巖、泥巖，單位涌水量一般160m3/d·m，單井回灌能力一般大于85%，水位埋藏深度變化較大，埋深一般12.35～15.01m，水位年變幅1m左右。

(3)適宜性差區(qū)：主要位于研究區(qū)北部，面積34.795km2(去除地表水體)，約占全區(qū)面積的53.53%。含水層巖性主要為第四紀地層、五圖群組砂巖和泥巖、花崗巖。其中第四紀含水層單位涌水量80～120m3/d·m，單井回灌能力為30%～50%。中北部水位埋藏深度小于10m，水位年變幅大于1.5m，南部水位埋深3.0～4.5m，水位年變幅小于0.5m。

4.2.2 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)結(jié)果

根據(jù)研究區(qū)實際情況，地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要考慮地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和巖性組成與熱導率等因素。結(jié)合研究區(qū)淺層地溫能地質(zhì)條件，研究區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)劃分為適宜性中等區(qū)、適宜性差區(qū)，如圖11所示。

1—適宜性中等區(qū)；2—適宜性差區(qū)；3—1∶5萬淺層地溫能研究區(qū)

(1)適宜性中等區(qū)：分布于研究區(qū)大部分區(qū)域，面積59.89km2，約占全區(qū)總面積的92.13%。單一巖體厚度普遍在62～87m，巖性為第四紀粉質(zhì)黏土和砂層、五圖群組泥巖和砂巖，含水層有效厚度13.10～41.86m，熱導率為1.48～1.90W/(m·℃)。

(2)適宜性差區(qū)：主要分布于西南角，面積4.94km2，約占全區(qū)總面積的7.6%。區(qū)內(nèi)巖性主要為砂巖、泥巖、花崗巖，表層第四系廣泛覆蓋，含水層巖性細砂和粉砂，厚度小于5m左右，熱導率為2.00～2.14W/(m·℃)。

5 結(jié)論

(1)龍口市研究區(qū)18m以上范圍屬于變溫帶，20～28m呈現(xiàn)恒溫帶，溫度為15.56℃，28m以下為增溫帶，淺層地溫能主要賦存于深部黏土、砂層與基巖中。

(2)導熱系數(shù)值范圍為1.71～2.49W/(m·K)，平均值為2.11W/(m·K)；鉆孔換熱量為29.91～53.30W/m，平均值為42.53W/m。

(3)研究區(qū)地下水換熱系統(tǒng)適宜區(qū)面積為0.995km2，中等適宜區(qū)面積為29.21km2，適宜性差區(qū)面積為34.795km2；地埋管換熱系統(tǒng)中等適宜區(qū)面積為59.886km2，適宜性差區(qū)面積為4.94km2。