安徽省宿州市城市規劃區淺層地熱能開發利用適宜性分區研究

黃多成，王守沛

（安徽省地質環境監測總站，安徽合肥 230001）

0 引言

宿州市位于安徽省北部，面積9787km2，人口650多萬，轄碭山縣、蕭縣、靈璧縣、泗縣及埇橋區，素有安徽省北大門之稱。

宿州市鐵路、公路、水路交通十分便捷。京滬鐵路位于東郊，公路網四通八達，水路可連接洪澤湖、淮河，是東部沿海省市經濟向中西部梯度發展的過渡地帶和交通要道，具有良好交通區位優勢，形成了公路、鐵路、內河、航運等多種運輸方式的交通網絡。

宿州市城市規劃區位于宿州市埇橋區主城區內。區內淺層地熱能資源豐富，開采條件便利。對其開發利用將產生顯著的經濟效益、社會效益及環境效益。

1 淺層地熱能儲存條件

1.1 地層巖性條件

根據區域地層資料，地層發育較全。前第四系：屬華北地層大區徐淮地層分區淮北地層小區。地表出露的地層以下古生界寒武系為主，且基巖出露面積小，余者多為第四系覆蓋區。

第四系：該區第四系地層發育，厚80～100m，北薄南厚，成因類型以沖積為主，次為沖洪積。

1.2 水文地質條件

地下水按其賦存條件，可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水和碎屑巖類裂隙水三類。

松散巖類孔隙水按其埋藏條件可分為淺層孔隙水、中深層孔隙水。碳酸鹽巖裂隙巖溶水有裸露型、隱伏型、埋藏型三種分布形式，其中裸露型和隱伏型主要分布于宿北斷裂以北的丘陵山區，在隱伏區上覆有0～50m厚的第四系松散堆積物；埋藏型主要分布于宿北斷裂以南的桃園-朱仙莊煤礦之間的平原區，含水層主要為震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系灰巖、白云巖、泥質灰巖夾砂頁巖、礫巖、砂巖等。水質較好，單井涌水量一般1000～3000m3/d。碎屑巖類裂隙水主要埋藏于宿北斷裂以南的平原區，由古近系、二疊系、侏羅系、白堊系的碎屑巖組成，巖性主要為砂巖、砂頁巖、鈣質礫巖，安山質角礫巖、凝灰質砂礫巖,埋深在250～1000m之間,單井涌水量為100～1000m3/d。

1.3 巖土體熱物性特征

熱導率是指沿熱流傳遞方向單位長度上溫度降低1℃時單位時間內通過單位面積的熱量，是反映物質導熱能力的性質參數。熱導率隨巖性變化而變化，固結巖石的熱導率明顯大于松散層土體；相同巖性的熱導率隨深度增加而增大；根據室內巖土熱物性測試資料，天然狀態下，QS01 孔試樣含水率15.18%～22.89%，濕密度1.93～2.18g/cm3，熱導率0.922～1.623W/(m2K)，熱導率隨含水率和孔隙比減小而增大，隨天然密度（干密度）增大而增大；比熱容也隨巖性變化而發生變化，固結巖石的比熱容明顯小于松散層土體；相同巖性的比熱容隨深度增加而減小；比熱容隨含水率和孔隙比減小而減小，隨天然密度（干密度）增大而減小；巖石的風化程度越強，裂隙越發育，比熱容越大。

1.4 地溫場特征

淺層地溫場是地表以下200m以淺巖土體溫度分布及其變化狀態的總和，受太陽照射和地球內熱能綜合作用，地溫在地層中的變化就是巖土體熱導率的效應。根據淺層地溫場溫度與深度的變化關系，將200m以淺地溫層自上而下劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。

變溫帶：本區變溫帶下限6～20m。太陽輻射熱存在著日變化、年變化和多年變化的周期性變化，所以地下溫度發生變化，進而形成了變溫帶。變溫帶溫度的變化幅度隨深度而減小。

恒溫帶：即變溫帶之下，地球內部的熱能與太陽輻射熱能的影響達到相對平衡的地帶；該深度的地溫基本保持恒定,稱為恒溫帶。一般高于當地平均氣溫1～2℃。恒溫帶的深度和其相應的溫度，在一定程度上反映了一個地區近地表處淺層的熱狀況。本區溫度一般15.4～17.5℃，恒溫帶埋深上限6～20m，下限12～40m，厚2～25m。

增溫帶：恒溫帶以下主要受地球內部熱能影響的地帶，總體特征是溫度隨深度增加而逐漸升高。不同地區地溫梯度不同，這主要與控熱的地質構造、熱儲層結構及水文地質條件等相關。本區增溫帶上限深度一般12～40m，符離集以北增溫帶地溫梯度0.5℃/100m左右，其余地區1.7～3.2℃/100m。

2 分區依據與方法

2.1 分區依據

①相關技術要求；②區內地質、水文地質等相關資料；③現場熱響應測試及巖土體熱物性試驗資料；④參照已有淺層地熱能開發利用工程。

2.2 評價方法

參照相關規范要求，運用不同利用方式適宜性分區的關鍵因子為基礎，運用層次分析法進行適宜性分區。

2.3 分區指標

2.3.1 地源型淺層地熱能開發利用適宜性分區

根據規范要求及以往工作經驗，選取了工作區的地質、地形、地貌、水文地質條件、施工條件、熱物性、地質災害等評價指標，上述條件中地形、地貌、地質災害為分區前置條件。

2.3.2 地下水源型淺層地熱能開發利用適宜性分區

水文地質特征（水量、水溫、水位、水質）、含水層的出水能力及回灌能力是影響地下水源型換熱系統運行效果的重要因素，而環境地質條件適宜性對分區起決定性作用。當環境地質條件差的地區，無論其它條件好壞，都不適宜應用地下水源型換熱方式。綜合考慮，以地質、水文地質條件和地下水動力場條件為適宜性分區主要的評價指標。

2.3.3 地表水源型開發利用適宜性分區

地表水體循環利用量、水深、水溫、距建筑物的距離、地表水的用途和水源保護狀況等作為主要分區指標。

2.4 分區類型

依據淺層地熱能賦存條件結合工作區淺層地熱能開發利用方式。

2.4.1 地源型開發利用適宜性分區

地源型開發利用方式分適宜區（Ⅰ）、較適宜區（Ⅱ）、一般適宜區（Ⅲ）、差適宜區（Ⅳ）、不適宜區（Ⅴ）五類,并可進一步分出亞區。

2.4.2 地下水源型開發利用適宜性分區

地下水源型開發利用方式劃分為適宜區、較適宜區、不適宜區三種類型。

2.4.3 地表水源型開發利用適宜性分區

地表水源型開發利用方式為適宜區及不適宜區兩類。

3 適宜性分區

3.1 評價體系建立[1]

3.1.1 地源型淺層地熱能開發利用適宜性分區評價體系

其評價體系由三個層次構成：

（1）目標層：地源型利用方式適宜性劃分；

（2）屬性層：由地質條件、水文地質條件、施工條件、熱物性、地形、地貌、地質災害構成；

（3）要素層：由地層巖性結構、地下水徑流條件、巖土體固結程度、城市覆蓋率、綜合熱導率、平均比熱容、地貌形態及地質災害易發程度作為層次分析的要素層。

據此建立地源型利用方式適宜性劃分層次結構模型（圖1）。

圖1 地源型開發利用適宜性劃分結構圖Figure 1.Structure chart of suitability division of development and utilization of the ground sourced

3.1.2 地下水源型淺層地熱能開發利用適宜性分區評價體系

其評價體系亦由三個層次構成：

（1）目標層：地下水源型利用方式適宜性劃分；

（2）屬性層：由地質及水文地質條件、地下水動力場條件等構成；

（3）要素層：由單井涌水量、含水層厚度、含水層回灌能力、地下水位埋深、地下水位變化速率、補給模數作為層次分析的要素層。

據此建立地下水型利用方式適宜性劃分層次結構模型（圖2）。

圖2 地下水源型開發利用適宜性劃分結構圖Figure 2.Structure chart of suitability division of development and utilization of the groundwater sourced

3.1.3 地表水源型淺層地熱能開發利用適宜性分區評價體系

地表水源型利用方式分區主要考慮因素：地表水體的水溫、水質、流量、水位、容量、深度、面積及其動態變化。

3.2 分區評價

根據層次分析法的要求，在評價體系隸屬關系的基礎上，通過調查統計和室內數據分析研究，采用1-9標度法，分析比較屬性層和要素層中各個因素的重要性，構造比較矩陣。通過計算，檢驗比較矩陣的一致性，然后對比較矩陣進行調整，達到可以接受的一致性。最后求得要素層中各種要素在目標層中的權重[1～2]。

3.2.1 地源型淺層地熱能開發利用適宜性分區評價

采用MapGIS 軟件繪制各種要素圖件，對每幅圖件中的各個范圍賦值。然后將評價區劃分成1km2的網格，將網格圖和已經賦值的圖件進行疊加，運用空間分析功能對各圖件提取賦值。采用綜合指數法將每個網格上的賦值分別與其相對應的權重相乘，然后求和，得到每個網格點上的分值。根據分值的分布情況確定適宜性分區劃分標準，由此劃分出地源型利用方式不同的適宜性分區。

表1 地源型利用方式適宜性分區結果表Table 1.Results of suitability zoning of the utilization modes of the ground sourced

3.2.2 地下水源型淺層地熱能開發利用適宜性分區評價

采用與地源型淺層地熱能開發利用適宜性分區評價相似的方法，劃分出地下水源型利用方式的不同適宜區。

表2 地下水源型換熱方式適宜性分區結果表Table 2.Results of suitability zoning of the groundwater sourced heat transfer modes

3.2.3 地表水源型淺層地熱能開發利用適宜性分區

本區主要河流有新汴河、沱河、濉河，由于河水均較淺，且具季節性分布特點,因此本區均為地表水源型不適宜區。

3.3 綜合評價

綜合考慮地源型及地下水源方式經濟性及長期運行可能對環境造成的影響，工作區主要為地源型方式適宜地區，部分為地下水源型適宜區（圖3）。本區由于地表水資源匱乏，地表水源型利用方式不適宜。

圖3 淺層地熱能開發利用適宜性區劃圖Figure 3.Suitability zoning map of shallow geothermal energy development and utilization

4 結論

（1）本區地源型利用方式劃分適宜、較適宜、一般適宜及差適宜區四類。

適宜區主要分布在中心城區，面積343.87km2，新汴河兩岸,為單一松散層區，這種松散層區的比熱容比較大，巖土體結構比較松散，鉆進成本相對較低。

較適宜區分為較適宜區半固結巖類亞區和固結巖類亞區兩個亞區，面積16.50km2，半固結巖類亞區主要分布符離集以北和武樓—李橋以南,為雙層結構，松散層厚度為50～100m，比熱容相對較大，鉆進成本較低。固結巖類亞區主要分布在符離集北部呈馬鞍分布，下伏寒武系白云巖、灰巖，比熱容相對較大。

一般適宜區為松散層厚度30～50m 的雙層結構區,面積30.64km2。主要分布符離集中部區域黃樓-王樓一帶，鉆探施工難度比較大，經濟成本比較高，比熱容和綜合熱導率一般。

中丘以上地區為差適宜區，面積21.85km2。主要分布在符離集西北部和東北部，松散層厚度小于30m，地質鉆進成本較高。

（2）地下水源型利用方式分為較適宜區和不適宜區兩類。較適宜區分布于評價區中南部，面積114.81km2。單井涌水量一般1000～3000m3/d，含水層有效厚度一般大于20m；回灌能力相對較好，可采取一抽多灌形式開發利用。

不適宜區主要分布于評價區中北部及西南部，面積298.05km2。單井涌水量小于1000m3/d，砂層較薄，回灌能力差的地區。

（3）本區地表水體較淺，地表水源型利用方式總體不適宜。

從淺層地熱能資源賦存條件并結合經濟技術和環境影響條件綜合評價，本區淺層地熱能開發利用主要適宜地源型利用方式，局部為地下水源型利用方式，但須確保及時回灌及有效保護地質環境。