淺析蕪湖市淺層地?zé)豳Y源及開發(fā)利用

曾明秀

（安徽省地勘局第二水文工程地質(zhì)勘查院，安徽蕪湖241000）

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

（1）地形。蕪湖市地處沿江丘陵平原，境內(nèi)地勢總體特征是東西低中間高、北低南高，地形起伏較大，分布標(biāo)高5.4～431.0m，相對高差425.6m。最高點(diǎn)位于三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)境內(nèi)的浮山，標(biāo)高431.0m；最低點(diǎn)位于鳩江區(qū)沈巷鎮(zhèn)境內(nèi)的長江河漫灘，標(biāo)高5.4m。

（2）地貌。區(qū)內(nèi)屬沿江丘陵平原區(qū)的一部分，根據(jù)地貌形態(tài)，結(jié)合海拔高度將區(qū)內(nèi)劃分為河谷平原、丘陵兩個(gè)地貌類型，由心灘、邊灘、河漫灘、一級階地、山前斜地、低丘、高丘六個(gè)微地貌組成。

1.2 地層巖性

依據(jù)全省淺層地?zé)崮苜x存的地質(zhì)條件及其開發(fā)利用特點(diǎn)，將200m以淺地質(zhì)巖性主要按不同地質(zhì)時(shí)代及其固結(jié)程度進(jìn)行了分類，即將第四系、新近系劃分為松散巖類地層，古近系、白堊系劃為半固結(jié)巖類地層，除松散巖類、半固結(jié)巖類之外的其它各類地層為固結(jié)巖類巖石。區(qū)內(nèi)評價(jià)深度內(nèi)主要有松散巖類、半固結(jié)及固結(jié)巖類三大類巖性。

（1）松散巖類地層。

①第四系：以沖積及坡積為主。巖性主要為粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、粉細(xì)砂、含礫中粗砂、砂礫石、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土礫石等。

②新近系：巖性主要為砂礫巖和粉砂巖，夾泥巖。呈半固結(jié)狀。

（2）半固結(jié)巖類地層。區(qū)內(nèi)半固結(jié)巖類地層主要為古近系及白堊系。

①古近系：巖性為鈣質(zhì)礫巖、鈣質(zhì)巖屑石英砂巖和鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、礫巖、砂礫巖、粗粒砂巖、中細(xì)粒砂巖互層，長石砂巖和泥巖等。

②白堊系：巖性主要為礫巖、細(xì)砂巖、粉砂巖夾鈣質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、鈣質(zhì)粉砂巖、巖屑砂巖與頁巖互層、流紋質(zhì)凝灰熔巖、流紋質(zhì)巖屑凝灰?guī)r、安山巖、粗面巖、粗安巖及凝灰質(zhì)砂巖等。

（3）固結(jié)巖類地層。區(qū)內(nèi)固結(jié)巖類地層主要為侏羅系、三疊系、二疊系地層和巖漿巖。

①侏羅系下統(tǒng)磨山組：巖性主要為礫巖、含礫砂巖、巖屑石英砂巖、石英砂巖、粉砂巖等。

②三疊系：巖性主要為粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖及細(xì)砂巖、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、頁巖、鈣質(zhì)頁巖夾薄層灰?guī)r等。

③二疊系：巖性主要為硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖和頁巖、長石英砂巖夾粉砂巖等。

（4）巖漿巖。

①侵入巖：侵入時(shí)期均為燕山晚期，大多數(shù)出露面積不足0.5km2，巖體主要沿背斜、向斜的核部及兩翼的構(gòu)造裂隙中侵入，多以巖枝、巖株產(chǎn)出，巖性主要為鉀長花崗巖、二長花崗巖、閃長玢巖、石英閃長玢巖等。

②噴出巖：區(qū)內(nèi)噴出巖分布于寧蕪和繁昌兩個(gè)火山盆地內(nèi)，均屬早白堊世陸相裂隙—中心式噴發(fā)的產(chǎn)物。大致以弋江區(qū)火龍街道為界，北側(cè)為寧蕪火山盆地，大王山旋回以發(fā)育噴溢相熔巖為特征，巖性主要為安山巖、粗安巖、粗面巖等。

③脈巖：為酸性巖類，屬引張性充填型脈巖，規(guī)模不大，類型有流紋斑巖、花崗斑巖、石英正長斑巖等。

1.3 地層結(jié)構(gòu)

參照相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用特點(diǎn)及全省地質(zhì)條件實(shí)際，進(jìn)行了地層結(jié)構(gòu)分類。本區(qū)評價(jià)深度內(nèi)地層巖性結(jié)構(gòu)可分四類，見表1。

2 水文地質(zhì)條件

表1 地層巖性結(jié)構(gòu)表

2.1 地下水類型及含水巖組劃分

2.1.1 地下水類型劃分

按含水介質(zhì)區(qū)內(nèi)地下水可劃分為松散巖類孔隙水、紅層孔隙裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和基巖裂隙水四種類型。

2.1.2 含水巖組劃分

根據(jù)含水巖組的巖性特征、組合關(guān)系、貯水空間的形態(tài)及水力聯(lián)系等，將工作區(qū)劃分為第四系松散巖類孔隙含水巖組、紅層孔隙裂隙含水巖組、碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖夾碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖裂隙含水巖組、巖漿巖裂隙含水巖組、構(gòu)造破碎巖類含水巖組七個(gè)含水巖組。其中第四系松散巖類孔隙含水層按水力性質(zhì)又分為潛水和承壓水。

2.1.3 含水巖組富水性劃分

含水巖組富水性等級劃分依據(jù)單井涌水量。根據(jù)收集的鉆孔抽水試驗(yàn)成果，單井涌水量統(tǒng)一換算口徑8吋；統(tǒng)一換算降深，裂隙—巖溶水、裂隙水20m，孔隙水10m。據(jù)此，區(qū)內(nèi)含水巖組富水性可劃分為水量豐富的（單井涌水量1000～3000m3/d）、水量中等的（單井涌水量 100～1000m3/d）、水量貧乏的（單井涌水量 10～100m3/d）、水量極貧乏的（單井涌水量小于10m3/d）四個(gè)等級。

2.2 水質(zhì)特征

針對淺層地溫能開發(fā)利用對水質(zhì)的要求，在工作區(qū)內(nèi)采集了地下水和地表水樣進(jìn)行了分析測試，根據(jù)現(xiàn)行的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)：游離CO2稍有超標(biāo)，做適當(dāng)處理后可作為地源熱泵機(jī)組循環(huán)用水。

3 地?zé)釄鰲l件

3.1 地?zé)釄鎏卣?/h3>

根據(jù)安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站、安徽省地質(zhì)調(diào)查院2014年4月完成的《安徽省蕪湖市淺層地?zé)崮苷{(diào)查與評價(jià)報(bào)告》及相關(guān)資料，對蕪湖市范圍內(nèi)地?zé)釄鎏卣鞣治鋈缦拢?/p>

（1）地?zé)釄龃瓜蚍植继卣?。地?zé)嶙兓菐r土體熱導(dǎo)率效應(yīng)，恒溫帶以下地?zé)嶂饕艿厍騼?nèi)部熱能控制。根據(jù)地?zé)釄鰷囟入S深度的變化，將150m以淺自上而下劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。

①變溫帶：指地?zé)釄隹拷乇淼牟糠?，主要受太陽輻射的影響，其溫度變化幅度隨深度的增加呈現(xiàn)規(guī)律性遞減。本區(qū)變溫帶下限深度22～30m。

②恒溫帶：指地表以下溫度常年基本保持不變的地帶，該層熱能受地球內(nèi)熱形成的增溫帶與上覆變溫帶影響達(dá)到相對平衡。本區(qū)溫度一般17℃～19.0℃，恒溫帶埋深上限22～30m，下限25～35m，厚5～10m。

③增溫帶：指恒溫帶以下主要受地球內(nèi)部熱能影響的地帶。本區(qū)增溫帶上限深度一般25～35m，其下由淺到深溫度漸增為增溫帶。恒溫帶以下至150m深度內(nèi)地?zé)?9.5℃～22℃。本區(qū)增溫帶地?zé)崽荻葹?.7℃～3.0℃/100m。

（2）地?zé)釄銎矫娣植继卣?。區(qū)內(nèi)由于地層巖性、地層結(jié)構(gòu)及地下水動(dòng)力等地質(zhì)條件在平面上存在較明顯的差異，其地?zé)釄鎏卣饕灿胁煌?/p>

①沿長江地區(qū)：由于地表水與地下水水力聯(lián)系密切，水動(dòng)力條件有利于水循環(huán)和熱傳遞，其上覆地層保溫性能較差、熱交換能力較強(qiáng)，恒溫帶溫度為17.0℃～17.5℃，為區(qū)內(nèi)較低。恒溫帶上、下限深度分別為17.0～20.0m、30.0～35.0m。

②長江以南、長江以北平原地區(qū)：大部分地區(qū)恒溫帶平均溫度17.5℃～18.0℃，恒溫帶上、下限深度分別為10～15m、25～30m，厚度在5～10m。由于長江以南松散層厚度多小于30m，下伏基巖熱導(dǎo)率較高，與沿長江地區(qū)相比，長江以南地區(qū)變溫帶明顯較淺。增溫帶地?zé)崽荻?.8℃～3.0℃/100m。

③南部及中部高丘、低丘地區(qū)：地?zé)釄鍪懿煌貙訋r性、地層結(jié)構(gòu)和地下水影響，其變溫帶下限深度6～9m，恒溫帶下限深度22～25m，恒溫帶平均溫度18.0℃～19.0℃，厚10～20m；區(qū)內(nèi)地下水位較淺處，其恒溫帶厚度明顯較小，局部小于5m，增溫帶地?zé)崽荻葹?.9℃～3.0℃/100m。

3.2 地?zé)釄鲎兓挠绊懸蛩胤治?/h3>

（1）地下水對地?zé)釄龅挠绊?。地下水的熱傳遞過程往往是熱對流和熱傳導(dǎo)同時(shí)發(fā)生，熱對流為其主要熱傳遞方式。由于地下不同深處溫度不同，熱對流往往自然發(fā)生，較冷較熱部分之間通過不斷循環(huán)流動(dòng)使地?zé)釄鰞?nèi)不同深度的地?zé)嵩跉庀蟆⑺募暗叵律钐師崃τ绊懴纶呌诜€(wěn)定狀態(tài)。地下水作為流體，也是地?zé)岬妮d體，相對于巖土體，它更具有熱傳遞的功能。它可以以自身的狀態(tài)儲(chǔ)存能量，也可以搬運(yùn)能量，在壓力差、溫度差和比重差的作用下發(fā)生循環(huán)作用。據(jù)南京大學(xué)巖土體熱導(dǎo)率研究成果，巖土體熱導(dǎo)率與其天然含水量成正比，其熱導(dǎo)率隨天然含水量的增加而提高，但當(dāng)含水量達(dá)到一臨界數(shù)值時(shí)，其熱導(dǎo)率變化速率趨于穩(wěn)定。

（2）地層巖性及結(jié)構(gòu)對地?zé)釄龅挠绊憽５貙訋r性是儲(chǔ)藏和傳遞熱能的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其進(jìn)行熱傳遞的主要方式是熱傳導(dǎo)。能量在巖石中傳遞機(jī)理是靠質(zhì)點(diǎn)間的振動(dòng)，不同礦物具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和不同原子、分子、離子團(tuán)構(gòu)成的晶格質(zhì)點(diǎn)，故不同巖土體具有不同的熱導(dǎo)率。在松散層中，能量傳遞的機(jī)理較復(fù)雜，其顆粒大小、形狀、排列方式、孔隙率、含水性質(zhì)和含水率都是影響因子。地層巖性及地層結(jié)構(gòu)對地?zé)釄龅挠绊懼饕从吃趲r土體熱傳導(dǎo)的變化。

（3）氣候條件對地?zé)釄龅挠绊憽１緟^(qū)變溫帶地?zé)岬哪陜?nèi)動(dòng)態(tài)變化就是地?zé)釄鍪軞夂驐l件影響的綜合反映。氣候條件包括日照、氣溫、降水及地表溫度等，日照時(shí)間是影響氣溫和地表溫度的主要因素。冬、夏兩季出現(xiàn)氣象要素極值的時(shí)段對地?zé)嵊绊戄^明顯。

4 淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用

4.1 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用方式

淺層地?zé)崮苜Y源分別賦存于巖土體、地下水及地表水中，針對不同的賦存條件借助地源熱泵系統(tǒng)采取不同的開發(fā)利用方式。分為地源型（地埋管）、地下水源型和地表水源型三種開發(fā)利用方式。

（1）地源型利用方式。地源型利用方式是傳熱介質(zhì)通過豎直或水平的地埋管換熱器與巖土體進(jìn)行熱交換，又稱地埋管換熱系統(tǒng)。其工作原理是傳熱介質(zhì)在密閉的豎直或水平地埋管中循環(huán)，利用傳熱介質(zhì)與巖土體、地下水直接的溫差進(jìn)行熱交換，進(jìn)而通過熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對建筑物的供暖和制冷，以達(dá)到利用淺層地?zé)崮艿哪康摹?/p>

當(dāng)建設(shè)工程可利用土地面積有限，建筑冷熱負(fù)荷較大時(shí)，可考慮使用垂直地埋管方式。當(dāng)場地可利用面積大，地下水位較高，冷熱負(fù)荷量較小時(shí)，可以使用水平埋管換熱方式。

（2）地下水源型利用方式。地下水源型利用方式是通過地下水進(jìn)行熱交換，分為直接地下水換熱系統(tǒng)和間接地下水換熱系統(tǒng)，又稱地下水換熱系統(tǒng)。在地下巖土中鑿建取水井，利用水泵直接抽取地下水，通過間接或直接送水至水源送水至水源熱泵機(jī)組與制冷劑進(jìn)行熱交換，經(jīng)提取熱量或釋放熱量后，再回灌到地下。地下水直接利用系統(tǒng)，即把地下水直接送到熱泵機(jī)組，通過機(jī)組內(nèi)換熱器實(shí)現(xiàn)冷熱量的交換和輸送。地下水間接換熱系統(tǒng)，即在直接利用系統(tǒng)管路中，在井口增設(shè)地下水/循環(huán)水板式換熱器隔離回路，地下水從抽水井抽出送至井口板式換熱器，經(jīng)過循環(huán)水泵，與熱泵機(jī)組低溫水換熱，地下水換熱后，再從回灌井回到地下含水層中。地下水間接換熱系統(tǒng)主要用于地下水水質(zhì)不能滿足熱泵機(jī)組要求，且不易處理時(shí)采用。應(yīng)用地下水換熱系統(tǒng)時(shí)，對水源的原則要求是水量充足、水溫適度、水質(zhì)適宜、回灌順暢。

（3）地表水源型利用方式。地表水源型利用方式是通過地表水進(jìn)行熱交換，又稱地表水換熱系統(tǒng)。根據(jù)熱泵機(jī)組與地表水體換熱方式的不同，分為開式地表水熱交換系統(tǒng)及閉式地表水熱交換系統(tǒng)。就是利用江河湖泊等地表水作為熱泵機(jī)組的熱源，通過水泵和輸配管路將水體的熱量傳遞給熱泵機(jī)組，或?qū)岜脵C(jī)組的熱量釋放到地表水體中。

開式地表水換熱系統(tǒng)和地下水直接利用換熱系統(tǒng)相似，從水體底部將水通過管道輸送到熱泵機(jī)組中，進(jìn)行熱量交換后，再通過排水管又將其輸送回湖水表面，但水泵的吸入口與排放口的位置應(yīng)相隔一定的距離。閉式地表水換熱系統(tǒng)通過放置在湖中或河流中的換熱器與熱泵機(jī)組連接，吸收或放熱均通過地表水換熱器內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行。地表水換熱系統(tǒng)要求建筑物必須臨近地表水體，且地表水體有穩(wěn)定可靠的面積、水深和水量等。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮地表水體的容量，系統(tǒng)的排、取熱量不能超過水體的熱容量范圍，以免造成地表水體的污染。地下水源型換熱系統(tǒng)和地表水源型換熱系統(tǒng)稱為水源型熱泵系統(tǒng)。

4.2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀

蕪湖市位于長江中下游地區(qū)，地處北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤，四季分明，雨量充沛，梅雨顯著，日照充足，無霜期長。區(qū)內(nèi)往年僅在熱電廠附近幾家單位和小區(qū)利用熱電廠的余熱集中供暖，供暖面積規(guī)模較小。其供暖分散，夏季以電風(fēng)扇為主，冬季不取暖；近幾年，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的逐步提高，分體式空調(diào)和電取暖器開始作為建筑空氣調(diào)節(jié)的主要方式。目前蕪湖市淺層地溫能開發(fā)利用工程已投入使用的有6處，其中有5處為地源型熱泵系統(tǒng)、1處為地下水源型熱泵系統(tǒng)。

5 開發(fā)利用特點(diǎn)和主要問題

5.1 開發(fā)利用特點(diǎn)

本區(qū)淺層地?zé)崮苜x存特點(diǎn)，決定了其利用方式主要為地源型、地下水源型。該區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用處于初始階段，有6處淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程已建成使用，對促進(jìn)本區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用有示范推廣意義。

5.2 主要問題

（1）本區(qū)目前開發(fā)利用淺層地?zé)崮苌腥狈γ鞔_的政策導(dǎo)向。還不夠規(guī)范；其開發(fā)利用尚處初始階段，開發(fā)力度還不大。

（2）開發(fā)利用淺層地?zé)崮転樾屡d產(chǎn)業(yè)，區(qū)內(nèi)需要在淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性評價(jià)的基礎(chǔ)上，編制開發(fā)利用規(guī)劃，為合理開發(fā)利用和管理提供技術(shù)依據(jù)。

（3）已有6處淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程中有5處為地源型熱泵系統(tǒng)、1處為地下水源型熱泵系統(tǒng)，較傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)造價(jià)較高。尤其是大量的地埋管換熱器集中在建筑物基礎(chǔ)之下，需要充裕的地下空間，運(yùn)行過程會(huì)對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。

（4）淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用工程的審批、設(shè)計(jì)、勘察、施工和驗(yàn)收，以及后期的監(jiān)測與管理的整套程序還沒有明確的管理部門。