合肥市淺層地溫場分布特征及影響因素分析

李 靜，張 帥，劉亞蘭，何黎明

（安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽·蚌埠 233000）

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表以下一定深度（200m以淺）范圍內(nèi)巖土體、地下水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能。淺層地溫能是一種可再生的清潔能源，大規(guī)模開發(fā)利用可用于改善各地能源結(jié)構(gòu)，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)碳中和非常有利。這種資源存在于地下不同的地質(zhì)體中，其賦存條件受區(qū)域地質(zhì)、構(gòu)造、水文等地質(zhì)條件影響，包括地層巖性特征、地質(zhì)構(gòu)造、地下水類型、補(bǔ)徑排條件及地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律等，這也造成各地淺層地溫場分布特征各不相同。同時(shí)該資源具有儲(chǔ)量大且穩(wěn)定、可循環(huán)再生、開發(fā)利用清潔環(huán)保、環(huán)境效益顯著等特點(diǎn)。

合肥市作為安徽省會(huì)，位于安徽省中部，江淮之間，為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，具有季風(fēng)明顯、四季分明，冬寒夏熱、春秋溫和，雨量適中等特點(diǎn)。合肥市區(qū)地處江淮分水嶺嶺脊的南側(cè)，屬于長江流域，區(qū)內(nèi)天然河流較多，主要河流有南淝河、十五里河、上派河及其支流，均通過巢湖流入長江。

1 地質(zhì)背景條件

合肥市200米以淺地層序列由老到新為：中生界侏羅系上統(tǒng)周公山組(J3z)，白堊系下統(tǒng)新莊組(K1x)，白堊系上統(tǒng)張橋組(K2z)；新生代古近系定遠(yuǎn)組(E1dy)和第四系（Q）。主要巖性為鈣質(zhì)泥巖、泥鈣質(zhì)粉細(xì)砂巖。地表絕大部分為第四系更新統(tǒng)棕黃、褐黃色黏土所覆蓋。（圖1）

圖1 合肥市基巖地質(zhì)圖Fig.1 The bedrock geological map of Hefei

不同方向多次活動(dòng)的斷裂構(gòu)造復(fù)合、疊加構(gòu)成了本區(qū)的基本構(gòu)造格局，主要斷層特征見表1。

表1 合肥市主要斷層及其基本特征Table 1 Characteristics of major faults in Hefei

根據(jù)研究區(qū)地下水的賦存條件及地層巖性組合特征，可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類（紅層）裂隙孔隙水和基巖裂隙水三種類型，其基本特征見表2。

表2 合肥市水文地質(zhì)特征Table 2 The hydrogeological characteristics of Hefei

2 地溫監(jiān)測孔數(shù)據(jù)采集及處理

根據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所發(fā)布的監(jiān)測技術(shù)要求，在合肥市淺層地溫能調(diào)查評價(jià)工作實(shí)施過程中，對研究區(qū)內(nèi)的15口地溫長觀孔進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測時(shí)間長達(dá)3年，監(jiān)測頻率為每月3次，監(jiān)測時(shí)間為每月5日、15日、25日。

根據(jù)監(jiān)測技術(shù)要求，監(jiān)測孔下入雙U型直徑32mm的PE管，管內(nèi)注滿清水，在成孔后靜置1個(gè)月，管內(nèi)水溫與地溫達(dá)到平衡，通過測量水溫取得地溫?cái)?shù)據(jù)。監(jiān)測深度根據(jù)監(jiān)測孔深100～200m不等，測溫儀器采用中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所研發(fā)的DCW-1型多通道地溫儀，測溫電纜為4線制PT1000鉑電阻測溫探頭。監(jiān)測時(shí)，從孔口緩慢下入測溫探頭，以免探頭下入過快擾動(dòng)管內(nèi)水溫，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差?？變?nèi)每2m一個(gè)測點(diǎn)，待測溫探頭下入到位后，穩(wěn)定30秒后測量溫度，并保存數(shù)據(jù)，每10m重復(fù)檢查一次，為防止儀器數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)手寫記錄測溫?cái)?shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)三年地溫基本無變化，所以本文僅選取2012年全年的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以代表工作區(qū)地溫變化規(guī)律。將各孔測溫?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)進(jìn)EXCEL中進(jìn)行統(tǒng)一處理分析，繪制溫度散點(diǎn)曲線圖，根據(jù)溫度變化曲線，確定變溫帶、恒溫帶及增溫帶，并計(jì)算地溫梯度（結(jié)果見表3）；根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合監(jiān)測孔坐標(biāo)用MAPGIS6.7軟件繪制地溫分布相關(guān)圖件。

表3 合肥市恒溫帶要素及地溫梯度表Table 3 Elements of constant temperature zone and geothermal gradient table in Hefei

3 淺層地溫場分布特征

3.1 地溫垂向分布特征

恒溫帶是指地面以下溫度常年保持不變的地帶，且沿深度方向略有上升。在自然狀態(tài)下，該帶地溫受太陽能和大地?zé)崃鞯木C合作用，地球內(nèi)部熱能形成的增溫帶與上層變溫帶的影響在這個(gè)區(qū)域內(nèi)處于相對平衡。

根據(jù)測溫孔溫度變化曲線圖，各深度點(diǎn)溫度在時(shí)間和深度方向的變化規(guī)律，確定各孔變溫帶、恒溫帶和增溫帶分布特征。研究區(qū)內(nèi)整體上恒溫帶深度在12～32m左右，平均溫度在17.4℃左右；變溫帶在12m以上區(qū)域，溫度隨季節(jié)變化，溫度曲線呈花瓣?duì)罘稚ⅲ?2m以下為增溫帶，同一監(jiān)測孔不同時(shí)間溫度曲線斜率大致相同，基本不受氣溫影響（圖2）。但因巖性、構(gòu)造影響，各監(jiān)測孔變溫帶、恒溫帶、增溫帶及恒溫帶平均溫度有所區(qū)別。

圖2 DRK15孔地溫隨深度變化曲線Fig.2 DRK15 curve of variation of hole-ground temperature with depth

3.2 地溫平面分布特征

將15個(gè)地溫監(jiān)測孔的12個(gè)月的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分別計(jì)算出各孔20m、50m、100m溫度的平均值和溫度為19℃的埋深，并繪制不同深度的溫度分布圖。

相同深度的地溫分布呈現(xiàn)以下特征：埋深20m基本處于恒溫帶內(nèi)，巖性以第四系黏土、砂土為主，地溫由西部向東南部逐漸升高，由17.0℃升至17.8℃，巢湖周邊最高達(dá)到17.8℃（圖3）。埋深50m基本處在古近系、白堊系、侏羅系紅層地層中，巖性以泥巖、砂巖為主，地溫由西南向東北逐漸升高，在中北部達(dá)到最高溫度18.4℃，位于北北東與北西、近東西斷層交匯處（圖4）。埋深100m地層巖性與50m處基本相同，均是古近系、白堊系、侏羅系紅層泥巖、砂巖，溫度平面分布變化較大，從19.0℃升至20.2℃，也遵從由西向東遞增的規(guī)律，東北部及東南部溫度都較高（≥20℃），位于北北東與北西、近東西斷層交匯處（圖5）。

圖3 20m深度地溫分布圖Fig.3 Distribution Map of ground temperature at 20m depth

圖4 50m深度地溫分布圖Fig.4 Distribution Map of ground temperature at 50m depth

圖5 100m深度地溫分布圖Fig.5 Distribution Map of ground temperature at 100m depth

相同溫度的地溫分布特征表現(xiàn)為：19℃的埋深由西向東遞減，這與各深度處的溫度分布圖相吻合。19℃的埋深由西（100m）向東遞減（70m），大致呈北北東方向，等值線中心為與斷層交會(huì)處，說明該處在相同的溫度下埋深較淺，反映出北北東方向斷裂是導(dǎo)熱斷裂（圖6）。

圖6 19℃埋深等值線圖Fig.6 Contour map of buried depth of 19 degrees

地溫梯度分布特征表現(xiàn)為研究區(qū)內(nèi)地層增溫率在2.2～4.1℃/100m之間，工作區(qū)東北部和南部地溫梯度較大，分別達(dá)到4.0℃/100m和3.6℃/100m，而西部則較低，為2.4℃/100m，地溫梯度高值沿北北東方向斷層展布，也反映出該斷層是導(dǎo)熱斷層。

4 淺層地溫場影響因素分析

通過對比圖5～圖7可知，研究區(qū)內(nèi)地溫場整體呈現(xiàn)西低東高的分布特點(diǎn)，無論100m地溫等值線圖，還是地溫梯度圖都可以看出，在斷裂交會(huì)處，形成了兩個(gè)高值異常閉合區(qū)域，地溫都達(dá)到20℃，地溫梯度也在兩處達(dá)到3.4℃/100m和4.0℃/100m，地溫場分布明顯受到斷裂控制。

圖7 地溫梯度分布圖Fig.7 Geothermal gradient map

研究區(qū)地下水徑流方向自西北向東南，對比圖3可知，20m地溫分布呈現(xiàn)西北低東南高的特征，與地下水徑流方向基本一致，表明在補(bǔ)給區(qū)地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，徑流速度快，能快速將溫度帶走，到排泄區(qū)速度減慢，溫度也慢慢積累升高，地溫場分布受地下水補(bǔ)徑排條件影響。

對比圖1可知研究區(qū)東部及東南部廣泛分布著古近系地層，相比白堊、侏羅紅層，古近系地層時(shí)代相對較新，較白堊、侏羅地層巖石膠結(jié)強(qiáng)度低，結(jié)構(gòu)較松散，更有利于熱傳導(dǎo)。

綜合分析認(rèn)為合肥市淺層地溫場分布主要受地質(zhì)構(gòu)造控制，同時(shí)地下水補(bǔ)徑排條件及地層巖性也對地溫分布產(chǎn)生一定影響。

5 結(jié)論

（1）通過實(shí)測和分析，合肥市淺層地溫場溫度在平面形態(tài)上呈西低東高的分布特征，垂向地溫分布特征表現(xiàn)為沿縱向埋深變溫帶溫度受氣溫影響隨季節(jié)變化，呈現(xiàn)冬季低夏季高的特點(diǎn)；恒溫帶及增溫帶溫度常年基本保持恒定，且沿縱向埋深溫度逐漸升高。

（2）根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究區(qū)地溫場變溫帶埋深在12m以淺，恒溫帶深度在12～32m左右，平均溫度在17.4℃左右，32m以下為增溫帶，地溫梯度在2.3～4.1℃之間，且在兩處斷裂交會(huì)處出現(xiàn)地溫梯度高值異常封閉區(qū)，地溫梯度分別高達(dá)3.4℃/100m和4.0℃/100m。

（3）綜合分析表明，研究區(qū)淺層地溫場分布主要受地質(zhì)構(gòu)造條件控制，北東向、北西西向及近東西向斷層均為區(qū)內(nèi)導(dǎo)熱構(gòu)造，同時(shí)受地層巖性及地下水補(bǔ)徑排條件影響，紅層泥巖、砂巖導(dǎo)熱性好且富水性差，不斷接受深部大地?zé)崃鞯臒崃坎⒗鄯e，在斷裂交會(huì)處呈現(xiàn)地溫高異常特征。

（4）研究區(qū)200m以淺巖性以泥巖、砂巖為主，膠結(jié)程度差，結(jié)構(gòu)松散，且地下水貧乏，因此淺層地溫能的開發(fā)利用適宜采用地埋管型地源熱泵，另外應(yīng)注重在開發(fā)利用的同時(shí)加強(qiáng)能效及地溫場監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，為合理開發(fā)利用淺層地溫能提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。