鄭州市區(qū)淺層地?zé)崮苷{(diào)查與評(píng)價(jià)研究

韓玉龍，羅國(guó)杰

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

0 引言

此前，我國(guó)解決城鎮(zhèn)居民供暖及制冷、生活熱水供應(yīng)常用的方式主要有兩種：第一種是市政供暖，第二種是空調(diào)制冷供暖。隨著新能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用，淺層地?zé)崮茏鳛橐环N可循環(huán)再生的新型能源，經(jīng)水源熱泵技術(shù)提取后可實(shí)現(xiàn)供暖制冷，正成為一種新的供暖制冷方式。目前我國(guó)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用穩(wěn)步上升[1-5]，截至2017年底，國(guó)內(nèi)利用淺層地?zé)崮苣昃酆蠘?biāo)準(zhǔn)煤2000萬(wàn)噸，供暖制冷面積共計(jì)5.5億m2，主要集中于北京、天津、上海等人口密集的城區(qū)，其中京津冀地區(qū)開(kāi)發(fā)利用規(guī)模最大，約占全國(guó)的20%[5]。

本研究定量分析了鄭州市區(qū)淺層地?zé)崮艿馁Y源量與開(kāi)發(fā)利用潛力，并利用層次分析法進(jìn)行科學(xué)合理區(qū)劃，以期促進(jìn)淺層地?zé)崮茉卩嵵菔袇^(qū)的供熱(冷)得到有效應(yīng)用，緩解鄭州市區(qū)的資源與環(huán)境壓力。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)主要位于沖洪積平原區(qū)，區(qū)域200 m以內(nèi)深度范圍的水文地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。新近系巖性為黏土或泥巖、中砂、中粗砂、細(xì)砂互層，局部夾卵礫石；第四系為厚層黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粗、中、細(xì)砂層，西南山前和邙山一帶為粉質(zhì)黏土；西部臺(tái)塬區(qū)堆積有馬蘭黃土，為風(fēng)成黃土，第四系厚度大于100 m。隱伏斷裂發(fā)育，斷裂展布方向以NW向、近EW向?yàn)橹?。近EW向斷裂主要由中牟斷層、中牟北斷層、上街?jǐn)鄬?、須水?dāng)鄬?；NW向斷層主要有老鴉陳斷層、花園口斷層、古滎斷層等[6]。

圖1 鄭州市水文地質(zhì)圖(200 m 以內(nèi)深度范圍)

1.2 水文概況

根據(jù)研究區(qū)淺層地下水的儲(chǔ)含條件、水力性質(zhì)及水力特征：松散巖類孔隙水、賦存于第四系及新近系多種成因的松散沉積物中的地下水，是研究區(qū)主要含水類型。本次研究將200 m以內(nèi)淺層地下水含水層作為主要目的層，研究區(qū)水文地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。該含水層組底板埋深一般為45～55 m，局部埋深大于60 m，為潛水或微承壓水類型，厚度為25～45 m，其下部為一組粉質(zhì)黏土或粉土弱透水層[7]。富水性極強(qiáng)區(qū)位于市區(qū)沿黃河?xùn)|北部一帶，單位涌水量>7200 m3/d；富水性強(qiáng)區(qū)位于市區(qū)花園口—祭城—圃田一帶的黃河沖積平原，單位涌水量為2400～7200 m3/d；富水性中等區(qū)分布在京廣鐵路兩側(cè)的黃河沖積平原和墟前沖積平原以及上街區(qū)北部，單位涌水量為1200～2400 m3/d；富水性弱區(qū)主要分布于三李和西北部邙山黃土墟區(qū)，單位涌水量為240～1200 m3/d；富水性極弱區(qū)分布于上街區(qū)隴海鐵路南部，單位涌水量小于240 m3/d[8]。

圖2 鄭州市水文地質(zhì)剖面圖

2 淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)

淺層地?zé)崮苜Y源量評(píng)價(jià)主要從淺層熱容量和可換熱功率兩方面進(jìn)行。從淺層熱容量的結(jié)果可定量研究區(qū)200 m深度以內(nèi)淺層地?zé)崮艿目衫昧?，從可換熱功率的結(jié)果可定量出研究區(qū)200 m深度以內(nèi)淺層地?zé)崮艿目砷_(kāi)采量。

2.1 計(jì)算方法及參數(shù)選取

2.1.1 淺層熱容量

2.1.1.1 計(jì)算方法

淺層熱容量主要包括包氣帶與飽水帶，本次研究使用體積法分別計(jì)算單位溫差儲(chǔ)熱量，再合并結(jié)果，得出研究區(qū)200 m深度以內(nèi)總的熱容量[9]。

1)包氣帶層

QR=QS+QW+QA

(1)

式中：QR為淺層地?zé)崛萘?，kJ/℃；QS為巖土體中的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體中水的熱容量，kJ/℃；QA為巖土體中空氣的熱容量，kJ/℃。其中：

QS=ρS·CS(1-φ)M·d1

(2)

式中：ρS為巖土體密度，kg/m3；CS為巖土體比熱容，kJ/kg·℃；φ為巖土體的孔隙率；M為計(jì)算區(qū)面積；d1為包氣帶厚度，m；其中：

QW=ρw·Cw·ω·M·d1

(3)

式中：ρw為水密度，kg/m3；Cw為水比熱容，kJ/kg·℃；ω為巖土體含水量；其中：

QA=ρA·CA(φ-ω)M·d1

(4)

式中：ρA為空氣的密度，kg/m3；CA空氣的比熱容，kJ/kg·℃。

2)飽水帶層

QR=QS+QW

(5)

式中：QR為淺層地?zé)崛萘?，kJ/℃；QS為巖土體中的熱容量，kJ/℃；QW為巖土體中所含水的熱容量，kJ/℃。其中：

QW=ρw·CW·ω·M·d2

(6)

式中：d2為計(jì)算下限到含水層頂板巖土體厚度，m。

2.1.1.2 淺層熱容量計(jì)算參數(shù)的選取

1)計(jì)算面積M：為研究區(qū)的計(jì)算分區(qū)面積，本次研究將鄭州市區(qū)淺層地?zé)崮芊症鱾€(gè)區(qū)。

2)計(jì)算下限到含水層頂板巖土體厚度d2：根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件，淺層地下水含水層底板埋深最大為200 m，故本次研究計(jì)算下限取200 m，其減去包氣帶厚度即為d2[10]。其他主要計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要計(jì)算參數(shù)選取統(tǒng)計(jì)

2.1.2 可換熱功率

2.1.2.1 計(jì)算方法

1)根據(jù)不同計(jì)算分區(qū)的富水性確定各地下水循環(huán)利用量；

2)根據(jù)提取溫差，按照式(7)、式(8)分別計(jì)算研究區(qū)地下水地源熱泵夏季、冬季功率[11]。

具體計(jì)算公式：

(7)

Qh=qW·ΔT·ρW·CW×1.16×10-5

(8)

2.1.2.2 主要計(jì)算參數(shù)的選取

以鄭州市區(qū)地下水地源熱泵適宜和較適宜區(qū)為前提，考慮分區(qū)涌水量、土地利用率等條件的差異性，在此基礎(chǔ)上確定各區(qū)參數(shù)(表2)。

1)地下水利用溫差：根據(jù)已運(yùn)行良好的水源熱泵系統(tǒng)取水井抽水試驗(yàn)可知，夏季取8°C；冬季取5°C；

2)最佳井距d：根據(jù)研究區(qū)已運(yùn)行良好的水源熱泵，地下水地源熱泵抽灌比一般為1∶2[12]。

表2 鄭州市區(qū)主要計(jì)算參數(shù)選取統(tǒng)計(jì)

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 淺層熱容量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算方法，并結(jié)合表1的各參數(shù)值，計(jì)算得鄭州市區(qū)淺層地?zé)崮艿牡責(zé)崛萘靠倿?93.85×1012kJ/℃，其中儲(chǔ)存于包氣帶熱容量40.09×1012kJ/℃，飽水帶熱容量為453.76×1012kJ/℃。若研究區(qū)當(dāng)?shù)販\層地?zé)崮苁冀K保持完全開(kāi)發(fā)利用，且夏冬季的換熱間歇時(shí)，恢復(fù)地層間溫度導(dǎo)致的地?zé)嵯牟豢紤]，換熱溫差取5℃時(shí)，1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量為2.92×107kJ，研究區(qū)每年可開(kāi)發(fā)利用的地?zé)崮芄灿?jì)4.94×1015kJ，約等于燃燒16 831.12萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤所獲得的能量。綜上所述，鄭州市淺層地?zé)崮芴N(yùn)藏量豐富[13]。

2.2.2 可換熱功率計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前述計(jì)算方法與參數(shù)，在考慮分區(qū)當(dāng)?shù)赝恋乩孟禂?shù)的情況下，可得出研究區(qū)夏季總換熱功率為421.69×104kW，冬季總換熱功率為169.34×104kW，合計(jì)為591.03×104kW，可折合標(biāo)準(zhǔn)煤為98萬(wàn)噸。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 換熱功率計(jì)算成果

2.3 淺層地?zé)崮苜Y源潛力評(píng)價(jià)

2.3.1 評(píng)價(jià)方法

先計(jì)算得出單位面積上可提取的淺層地?zé)崮苜Y源量，在計(jì)算出計(jì)算分區(qū)的資源量，累加求得研究區(qū)內(nèi)總的資源量[14]。

計(jì)算采用公式(9)和(10)：

Q年=M'×(Q夏+Q冬)

(9)

Q夏(冬)=Qh夏(冬)×N×t

(10)

式中：Q年為計(jì)算區(qū)淺層地?zé)崮芸砷_(kāi)采資源量，kJ/a；M′為計(jì)算區(qū)面積，km2；Q夏(冬)單位面積上夏(冬)季資源量，kJ/km2；Qh夏(冬)為地下水地源熱泵夏(冬)級(jí)換熱功率，kW；N為單位面積可布抽、灌井對(duì)數(shù)；n為單位面積可布換熱孔數(shù)；t為熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，d。

2.3.2 主要計(jì)算參數(shù)的選取

1)計(jì)算面積M′=分區(qū)面積×折減系數(shù)×土地利用系數(shù)；折減系數(shù)取0.6～0.9。

2)運(yùn)行時(shí)間t：根據(jù)實(shí)際情況取120 d[15]。

2.3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前述方法，計(jì)算得出研究區(qū)淺層地?zé)崮軉挝幻娣e上夏季資源量為2.39×107kJ/km2、冬季資源量為1.5×107kJ/km2，研究區(qū)淺層地?zé)崮芸砷_(kāi)采資源總量為65.76×107kJ/a，折合標(biāo)準(zhǔn)煤年21.46萬(wàn)噸，可制冷總面積年520.38×104m2，可供暖總面積年487.85×104m2[16]。綜上所述，鄭州市淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用潛力較大，地?zé)崮軆?chǔ)藏量完備，可在現(xiàn)有技術(shù)成熟的條件下大力開(kāi)展淺層地?zé)崮艿氖褂?。?jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 地下水地源熱泵潛力計(jì)算成果

3 水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)水資源管理區(qū)劃

3.1 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

3.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

影響水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的因素有很多，根據(jù)研究區(qū)淺層地下水的水文特點(diǎn)，并以科學(xué)性、可操作性、完整性的評(píng)價(jià)原則為基礎(chǔ)，本次研究選取供水、回灌以及水化條件來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合收集的資料情況，所選取的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)又分別包括不同的要素[17]。

供水條件B1：本次研究選取富水性(C1)、開(kāi)采潛力(C2)及補(bǔ)給模數(shù)(C3)。

回灌條件B2：本次研究選取含水層巖性(C4)和埋深(C5)構(gòu)成回灌條件的要素組成。

水化學(xué)條件B3：本次研究選取硬度(C6)、礦化度(C7)和腐蝕性(C8)[18]。

3.1.2 評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

層次分析法是把影響評(píng)估決策的相關(guān)評(píng)估指標(biāo)分解成決策—基準(zhǔn)—方案的層次遞進(jìn)關(guān)系，并在此層次結(jié)構(gòu)上進(jìn)行定性元素的定量化分析的一種方法[19]。

本次研究將評(píng)價(jià)體系分為三層，目標(biāo)層是對(duì)水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性的總體評(píng)價(jià)，屬性層是水源熱泵系統(tǒng)適宜性的影響條件，要素層是描述屬性層各指標(biāo)性質(zhì)的最基本要素，總體層次結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 地下水地源熱泵適應(yīng)性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 權(quán)重系數(shù)的確定

在評(píng)價(jià)體系的層次結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，各指標(biāo)相互對(duì)比，構(gòu)造判斷矩陣，用1～9級(jí)標(biāo)度法量化，并確保判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣和權(quán)重見(jiàn)表5至表9。

表5 目標(biāo)層與屬性層判斷矩陣

表6 屬性層與要素指標(biāo)層制約因子判斷矩陣Ⅰ

表7 屬性層與要素指標(biāo)層制約因子判斷矩陣Ⅱ

表8 屬性層與要素指標(biāo)層制約因子判斷矩陣Ⅲ

表9 要素層中各要素占總目標(biāo)的最終權(quán)重

由表9的各要素最終權(quán)重系數(shù)可看出，本次評(píng)價(jià)對(duì)總體結(jié)果影響較大的要素依次為富水性(權(quán)重為0.349)、巖性(權(quán)重為0.260)、開(kāi)采潛力(權(quán)重為0.124)、埋深(權(quán)重為0.130)。這4個(gè)基本要素是含水層涌水和回灌能力的綜合反映。由此可見(jiàn)，含水層的供水和回灌條件是決定研究區(qū)是否適合水源熱泵最重要的兩個(gè)指標(biāo)[4]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)的矢量化

矢量化過(guò)程即對(duì)各要素指標(biāo)層編制分區(qū)圖，包括對(duì)底圖的配準(zhǔn)并矢量化，最終將所有圖件歸納到統(tǒng)一坐標(biāo)下分析處理，采用ArcGIS軟件實(shí)現(xiàn)[20]。

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化：評(píng)價(jià)所用數(shù)據(jù)的種類各不相同，導(dǎo)致量綱也不同，無(wú)法直接相互進(jìn)行比較使用。為使數(shù)據(jù)具有可比性并方便計(jì)算使用，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化賦值[21]。

本次標(biāo)準(zhǔn)化處理以水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)適宜性為前提，對(duì)各要素在1～9之間打分，將所有數(shù)據(jù)賦值為介于1～9之間的無(wú)量綱數(shù)值。各要素的具體賦值見(jiàn)表10。

表10 各要素賦值

3.2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

將研究區(qū)按200 m×200 m的網(wǎng)格比例進(jìn)行剖分，將8項(xiàng)評(píng)價(jià)要素的屬性賦值鏈接到每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上。采用綜合指數(shù)法，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的分值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘，然后求和，得出每個(gè)點(diǎn)上的總分值。根據(jù)分值的分布情況，制定水源熱泵各個(gè)適宜區(qū)的分?jǐn)?shù)范圍值，并劃分適宜區(qū)。

根據(jù)本次評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果的分值分布情況，將分值0～5劃分為水源熱泵不適宜區(qū)，該區(qū)主要位于鄭州市黃河保護(hù)區(qū)和水源地保護(hù)區(qū)，分區(qū)面積為32.6 km2，占比為5.08%；將分值5～6.25劃為水源熱泵較適宜區(qū)，該區(qū)主要位于鄭州市區(qū)西南部和西北部的黃土臺(tái)塬，分區(qū)面積為191.01 km2，占比為29.76%；將分值6.25～9劃為水源熱泵適宜區(qū)，該區(qū)主要位于黃河岸邊，市區(qū)中東部一帶，分區(qū)面積為418.24 km2，占比為65.16%。最終分區(qū)結(jié)果見(jiàn)圖4。

總體來(lái)說(shuō)，鄭州市水源熱泵開(kāi)發(fā)適宜區(qū)范圍較大，且地下淺層地?zé)崮軆?chǔ)備量豐富，可作為新型能源供給夏季制冷和冬季供暖，以求節(jié)約煤炭等不可再生資源。

圖4 鄭州市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)

4 結(jié)論

1)運(yùn)用體積法算出鄭州市區(qū)200 m 深度范圍內(nèi)淺層地?zé)崛萘繛?93.85×1012kJ/℃，約等于燃燒16 854.38萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤所獲得的能量，鄭州市的淺層地?zé)崮芴N(yùn)含量豐富。

2)按照地下水利用溫差，夏季利用溫差取8°C，最佳井距50 m，采用1抽2灌方式，確定鄭州市區(qū)總換熱功率合計(jì)591.03×104kW，折合為標(biāo)準(zhǔn)煤為98萬(wàn)噸。

3)按照供暖負(fù)荷50 W/m2、制冷負(fù)荷75 W/m2折算可供暖與可制冷總面積，得出鄭州市區(qū)淺層地?zé)崮芸芍评淇偯娣e為520.38×104m2/a，可供暖總面積為487.85×104m2/a，每年相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤21.46萬(wàn)噸。

4)采用層次分析法進(jìn)行了鄭州市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)的適宜性分區(qū)，分析得出：研究區(qū)水源熱泵不適宜區(qū)占比為5.08%，水源熱泵較適宜區(qū)占比為29.76%，水源熱泵適宜區(qū)占比為65.16%。