鄭州航空港區(qū)淺層地?zé)崮茉u價及潛力分析

郭麗麗，黃 凱，王 昕，趙海嬌

(河南省地勘局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

鄭州航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)(Zhengzhou Airport Economy Zone)，簡稱鄭州航空港區(qū)，是中國首個國家級航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)，規(guī)劃面積415km2。利用淺層地溫能供暖不僅可以增加適用人群的舒適感，而且有利于當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)環(huán)境和節(jié)約成本。

本次評價通過地下水源熱泵和地埋管熱泵兩個方面對航空港區(qū)的淺層地溫能進(jìn)行適宜性評價，進(jìn)而開展資源量和潛力評價，為航空港區(qū)的淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃和合理布局提供依據(jù)。

1 淺層地?zé)崮苜x存條件

1.1 第四系結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)鄭州市航空港區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，淺層地溫能的評價深度確定為200 m以淺。航空港綜合試驗(yàn)區(qū)地處黃河沖積的廣闊平原之上，歸類于沖積平原型城市，分布有厚度較大的第四紀(jì)沖洪積松散層；由于第四紀(jì)以來，地處緩慢沉降過程中，河流歷經(jīng)頻繁變遷，形成了第三系巖土性質(zhì)變化顯著，廣泛分布著中細(xì)砂、粉細(xì)砂、粉土、粘性土及軟土等土體特征。

1.2 水文地質(zhì)條件

地下水的含水類型主要為松散巖類孔隙水。實(shí)驗(yàn)區(qū)的水位埋深大部分都在5～10 m，東北角祥符劉村—閆家—前張村一帶的水位埋深在0～5 m，西北角的水位埋深變化較大，深達(dá)30～50 m，地下水流向總體自西北向東南。

根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評價區(qū)三官廟鎮(zhèn)—薛店鎮(zhèn)以南為富水性中等區(qū)(5～10 m3/h·m)，張莊鎮(zhèn)—八崗鎮(zhèn)一帶為富水性極弱區(qū)(<1 m3/h·m)。在圈后村—八李橋一帶為富水性弱區(qū)(1～5 m3/h·m)。整理分析抽水回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評價區(qū)薛店鎮(zhèn)—張莊鎮(zhèn)以西為回灌能力極弱區(qū)(單井回灌量<600 m3/d)，其余為回灌能力弱區(qū)(單井回灌量600～1 500 m3/d)。見圖1。

圖1 航空港區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)圖

根據(jù)采集水樣分析結(jié)果，航空港區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域礦化度為<1 g/L，在土墻村、薛店鎮(zhèn)和霍莊—河張一帶為1～3 g/L。 整體來說總硬度較大，超出規(guī)范值，其余均符合水源熱泵系統(tǒng)要求。

1.3 淺層地溫場特征

根據(jù)區(qū)內(nèi)的地溫測量點(diǎn)，淺層地溫從地表以淺26 m處往下波動很小，由此可以做出這樣的結(jié)論：調(diào)查區(qū)內(nèi)恒溫帶處于地淺26～27 m之間，恒溫帶溫度為16.9℃，且恒溫帶的溫度隨深度略有增大；松散層地溫梯度約為3.0℃/100m。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1 地下水抽、回灌試驗(yàn)研究

2.1.1 地下水抽回灌試驗(yàn)及水文地質(zhì)參數(shù)計算

評價區(qū)內(nèi)在不同水文地質(zhì)單元共布設(shè)4眼地下水換熱孔(ZS1和ZS2、ZS3和ZS4)，兩兩成對布置。單孔深度100 m，通過現(xiàn)場非穩(wěn)定流抽水和1個落程的回灌試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，采用直線圖法、水位恢復(fù)法和經(jīng)驗(yàn)法三種不同的方法分別求取各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)。試驗(yàn)成果見表1。

表1 地下水換熱孔抽灌成果表

2.1.2 灌抽比大小的影響因素分析

單位回灌量與單位涌水量的比值，簡稱灌抽比。灌抽比的大小受成井工藝、井管濾管孔隙率、巖性和回灌井間距等多種因素影響。

水文地質(zhì)條件相同的地區(qū)，灌抽比不同與成井工藝密切相關(guān)。如ZS1井與ZS2井兩井的灌抽比分別是37.61%與48.64%，兩井相距44 m。這是因?yàn)閆S1井采用清水反循環(huán)鉆進(jìn)，ZS2井采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，成井工藝不同，單位抽、回灌量也不同，灌抽比不同。ZS3井與ZS4井亦是如此。

2.1.3 抽、灌井間距的確定

利用含水層的有效孔隙度、抽水井和注水井距離(m)、含水層厚度(m)和穩(wěn)定的注水量(m3/h)計算得出回灌水到達(dá)抽水井的時間(熱短路時間)，同時考慮其回灌水影響范圍內(nèi)水溫的變化能否滿足熱泵系統(tǒng)運(yùn)行要求以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合本次對已有地溫空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效果的調(diào)查情況及抽灌試驗(yàn)成果，確定細(xì)顆粒地層中抽灌井間距不宜小于40 m，粗顆粒的含水層中間距不宜小于50 m。對于本次評價區(qū)內(nèi)最佳井間距為50～70 m。

2.2 現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)

通過設(shè)備模擬土壤源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行工況，對試驗(yàn)孔進(jìn)行放熱或取熱測試，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照巖土體的巖性、物理性質(zhì)分類，在對各種熱物性參數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)上進(jìn)行全孔段的加權(quán)平均。對全區(qū)主要城市熱物性參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出航空港區(qū)的綜合熱物性參數(shù)如表2，其導(dǎo)熱系數(shù)從大到小排序大致為：中砂>細(xì)砂>粉砂>粉質(zhì)粘土>粉土>粘土。

表2 鄭州航空港區(qū)綜合熱物性參數(shù)匯總表

表3 鄭州航空港區(qū)地埋管換熱孔測試參數(shù)及巖土熱物性計算值

評價區(qū)內(nèi)共布設(shè)4眼地埋管換熱孔(ZD1、ZD2、ZD3、ZD4),測試結(jié)果見表3。由現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，對比分析鉆孔所處的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件可知，富水性好，巖性顆粒粗、地下水徑流速度快的地區(qū)其綜合導(dǎo)熱系數(shù)最大，換熱效果最好；巖性顆粒都較細(xì)、地吸水徑流緩慢的地區(qū)綜合導(dǎo)熱系數(shù)較小，換熱效果最差。

3 淺層地?zé)崮苓m宜性評價

3.1 地下水地源熱泵適宜性評價

本次采用層次分析法建立評價體系。評價體系分為三層，從頂層至底層分別為系統(tǒng)目標(biāo)層(A)、屬性層(B)和要素指標(biāo)層(C)。A層是對地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性評價的一個總的判斷；B層是對地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性不同側(cè)面的反映，由供水條件、回灌條件和水化學(xué)條件三部分構(gòu)成；C層是描述各屬性指標(biāo)的最基礎(chǔ)要素，由含水層富水性、地下水位埋深、補(bǔ)給模數(shù)、地下水開采潛力、含水層巖性、地下水的腐蝕性、硬度和礦化度共8個指標(biāo)構(gòu)成。要素層中各要素占總目標(biāo)的最終權(quán)重如表4。含水層的供水條件和回灌條件是決定一個地區(qū)是否適合建設(shè)地下水源熱泵最重要的兩個方面。

評價結(jié)果表明，去除掉港區(qū)內(nèi)的禁建區(qū)，航空港區(qū)北部為地下水源熱泵不適宜區(qū)，主要為山前坡洪積傾斜平原、黃河古沖積平原，面積153.99 km2；受制約因素主要為含水層富水性。南部為較適宜區(qū)，主要為山前坡洪積傾斜平原南部、黃河沖積洼地區(qū)，面積260.00 km2。見圖2。

圖2 航空港區(qū)水源熱泵適宜性分區(qū)圖 圖3 航空港區(qū)地源熱泵適宜性分區(qū)圖

表4 地下水源熱泵適宜性評價各要素占總目標(biāo)的最終權(quán)重

3.2 地埋管地源熱泵適宜性評價

地埋管地源熱泵適宜性評價同樣采用層次分析法。A層是對地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性評價的一個總的判斷；B層是由水文地質(zhì)條件、地層熱物理特征和施工條件三部分構(gòu)成；C層是描述各屬性指標(biāo)的最基礎(chǔ)要素，由松散層厚度、地下水徑流條件、地下水水位埋深、地下水水質(zhì)、土體導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、淺層地溫場特征、地層可鉆性和環(huán)境條件共9個指標(biāo)構(gòu)成。要素層中各要素占總目標(biāo)的最終權(quán)重如表5。評價對結(jié)果影響最大的因素分別為松散層厚度、土層導(dǎo)熱系數(shù)、地下水徑流條件以及地層可鉆性。

表5 地埋管地源熱泵適宜性評價各要素占總目標(biāo)的最終權(quán)重

評價結(jié)果顯示，去除掉港區(qū)內(nèi)的禁建區(qū)，剩余區(qū)域內(nèi)松散層厚度大、土層導(dǎo)熱系數(shù)大、地下水徑流條件及地層可鉆性好，為地埋管適宜區(qū)。見圖3。

4 淺層地溫能資源量評價

4.1 淺層地?zé)崛萘坑嬎?/h3>

4.1.1 計算方法

根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》[1]，結(jié)合工作區(qū)地質(zhì)條件，本次計算深度確定為地表以下200 m。計算面積為鄭州航空港區(qū)適宜淺層地溫能開發(fā)利用的面積(全部扣去區(qū)內(nèi)河流的面積)即394.56 km2。采用體積法計算淺層地?zé)崛萘?。分別計算在包氣帶和含水層中單位溫差儲藏的熱量，然后合并計算評價區(qū)內(nèi)地質(zhì)體的地?zé)崛萘俊?/p>

4.1.2 計算參數(shù)

在含水介質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合地形地貌、地下水位埋深等地質(zhì)條件進(jìn)行淺層地?zé)崛萘坑嬎惴謪^(qū)，在此基礎(chǔ)上確定各區(qū)參數(shù)。航空港區(qū)此次分為五個區(qū)，見圖4，每個區(qū)的參數(shù)選取見表6，其中ρw和Cw分別為水的密度和比熱容。

圖4 航空港區(qū)淺層地?zé)崛萘坑嬎惴謪^(qū)圖

表6 鄭州航空港綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)淺層地?zé)崛萘坑嬎惴謪^(qū)及參數(shù)取值表

計算可知，鄭州航空港綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜區(qū)的總面積為394.56 km2，區(qū)內(nèi)的淺層地?zé)崛萘?50.91×1012kJ/℃，其中包氣帶熱容量為12.58×1012kJ/℃，飽水帶熱容量為238.33×1012kJ/℃。

4.2 淺層地溫能換熱功率計算

4.2.1 地下水地源熱泵換熱功率

采用地下水量折算法，按照《淺層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》[1]地下水換熱功率計算公式，以航空港區(qū)地下水地源熱泵較適宜區(qū)為基礎(chǔ)，考慮涌水量、土地利用率等條件的差異進(jìn)行分區(qū)，在此基礎(chǔ)上確定各區(qū)參數(shù)。其中地下水利用溫差△T夏季利用溫差取10℃；冬季利用溫差取5℃；水的密度ρw與比熱容Cw取常量。最終確定各分區(qū)其余參數(shù)及計算結(jié)果見表7。

表7 地下水適宜區(qū)換熱功率計算參數(shù)取值表

4.2.2 地埋管地源熱泵換熱功率

評價深度以淺地層概化為均勻?qū)訝?，按照穩(wěn)定傳熱條件計算U型地埋管的單孔換熱功率，然后根據(jù)單孔換熱功率計算評價區(qū)換熱功率?！稖\層地?zé)崮芸辈樵u價規(guī)范》[1]地埋管換熱功率計算公式，最終確定航空港區(qū)各分區(qū)計算參數(shù)見表8。各分區(qū)計算成果見表9。

表8 地埋管適宜區(qū)換熱功率計算參數(shù)取值表

表9 地埋管地源熱泵換熱功率計算成果表

5 淺層地?zé)崮軡摿υu價

5.1 地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵潛力評價

鄭州航空港綜合試驗(yàn)區(qū)地下水地源熱泵和地埋管熱泵系統(tǒng)潛力評價結(jié)果如表10。

表10 鄭州航空港綜合試驗(yàn)區(qū)淺層地溫能潛力計算成果

5.2 潛力綜合評價

在進(jìn)行淺層地溫能潛力綜合評價時，各分區(qū)資源量的計算原則為：在二者重合的區(qū)域計算資源量時，按照地埋管資源量占2/3、地下水資源量占1/3的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合計；在不重復(fù)的區(qū)域，各自計算資源量，三者合計為鄭州航空港區(qū)淺層地溫能總資源量。在考慮土地利用系數(shù)的情況下，鄭州航空港綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)淺層地溫能可開采資源量為90.96×1012kJ/a，折合標(biāo)煤310.38萬 t/a；夏季換熱功率398.76×104kW，冬季換熱功率467.61×104kW；夏季可制冷面積54.14×106m2/a，冬季可供暖面積94.25×106m2/a；夏季制冷潛力28.19×104m2/km2，冬季制冷潛力50.18×104m2/km2。

6 結(jié)論建議

6.1 結(jié)論

(1)通過抽回灌試驗(yàn)和現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)資料綜合分析，鄭州航空港綜合試驗(yàn)區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)總面積260.00 km2；除掉禁建區(qū)和河流之外，剩余全區(qū)為地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)，總面積為394.56 km2。

(2)考慮土地利用系數(shù)的情況下，地下水地源熱泵系統(tǒng)可利用的淺層地溫能資源量25.49×1012kJ/a；折合標(biāo)煤86.96萬 t/a； 地埋管地源熱泵系統(tǒng)可利用的淺層地溫能資源量106.71×1012kJ/a；折合標(biāo)煤364.11萬 t/a；

6.2 建議

(1)現(xiàn)有水源熱泵對節(jié)約成本和環(huán)境保護(hù)起到一定的作用，但是目前由于前期缺乏專業(yè)的地質(zhì)勘查工作，容易形成回灌率不合格甚至不回灌的現(xiàn)象，從而造成水資源的浪費(fèi)，長此以往，個別地區(qū)甚至形成地質(zhì)災(zāi)害。因此，各級地方政府應(yīng)該制定強(qiáng)制性措施，在項(xiàng)目實(shí)施前必須進(jìn)行淺層地?zé)崮芸辈樵O(shè)計論證工作，使工程項(xiàng)目施工質(zhì)量有所保障。

(2)加強(qiáng)管理，改變目前管理缺位、管理越位和多頭管理的被動狀態(tài)，反對技術(shù)工作行政化的傾向。淺層地溫能開發(fā)管理涉及規(guī)劃、國土、城建、水利、環(huán)保、電力、房地產(chǎn)等相關(guān)部門，建議改革與發(fā)展委員會牽頭，制定淺層地溫能管理的規(guī)定，加強(qiáng)熱泵工程的前期、后期監(jiān)管，促進(jìn)航空港區(qū)淺層地溫能健康有序發(fā)展。