五蓮縣淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)

李 峰

1 研究背景

山東省淺層地溫能資源豐富，當(dāng)前山東正處在新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換關(guān)鍵時(shí)期，能源需求巨大，開發(fā)利用好淺層地溫能對(duì)保障能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展有重要推動(dòng)作用。本文對(duì)五蓮縣淺層地溫能開發(fā)利用潛力進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)，對(duì)進(jìn)一步淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)和淺層地溫能的開發(fā)利用提供依據(jù)和建議。

2 研究區(qū)概況

2.1 地質(zhì)概況

五蓮縣地處沂沭斷裂帶東側(cè)，膠南隆起中北部，膠萊盆地西南緣。出露地層自下而上可劃分為：古元古代粉子山群，中生代白堊紀(jì)萊陽(yáng)群、青山群、大盛群、王氏群，新生代第四紀(jì)更新統(tǒng)、全新統(tǒng)（圖1）。

圖1 五蓮縣研究區(qū)地質(zhì)圖

2.2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖性多樣，其含水巖組的分布受地層、巖性、地形地貌、氣象和水文等多種因素影響和控制。根據(jù)地下水的賦存條件、埋藏規(guī)律及各含水層間的水力聯(lián)系，將研究區(qū)地下水劃分為三種類型：松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水及基巖裂隙水（圖2）。

圖2 五蓮縣研究區(qū)水文地質(zhì)圖

3 研究區(qū)淺層地溫能開發(fā)地質(zhì)條件分析

3.1 巖土體結(jié)構(gòu)及熱物性參數(shù)

在200m 深度內(nèi)，研究區(qū)北部及南部洪凝鎮(zhèn)附近主要分布白堊系砂巖，以龍旺莊組為主；中部主要分布斜長(zhǎng)角閃巖。

通過測(cè)試，獲取研究區(qū)砂巖、巖漿巖、變質(zhì)巖的物理性質(zhì)（含水率、孔隙率、密度）和熱物理性質(zhì)（比熱容、熱導(dǎo)率）等，為淺層地溫能資源量計(jì)算和淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。巖土樣物理性質(zhì)及熱物性參數(shù)見表1。

表1 巖樣測(cè)試所得研究區(qū)熱物性參數(shù)

3.2 淺層地溫場(chǎng)及巖土體熱響應(yīng)特征

（1）平面地溫特征

通過地溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，地溫最高區(qū)位于五蓮縣東北部郭村店子—高澤鎮(zhèn)一帶，地溫大于16.5℃；地溫最低區(qū)位于高澤鎮(zhèn)焦家莊東北部及東官莊東部附近，地溫小于15.59℃。

平面上地溫的高低主要與所在地測(cè)量深度內(nèi)的地層巖性、第四系厚度、地下水水位埋深、巖溶裂隙發(fā)育程度等因素密切相關(guān)。從地層分布情況看，第四系由粘土、粉質(zhì)粘土及含水層砂層組成，保溫效果較好。監(jiān)測(cè)深度內(nèi)在第四系厚度較大區(qū)，地溫相對(duì)較高，一般高于15.0℃。

（2）垂向地溫特征

垂向上地溫變化特征與地層巖性、巖溶裂隙發(fā)育程度、含水層富水性及上覆第四系厚度等因素有關(guān)。表現(xiàn)在地溫梯度上（120m 測(cè)溫深度內(nèi)）白堊系以及新近系的火山碎屑巖是以碎屑巖類孔隙水為主要含水層，富水性一般，地溫梯度一般大于2.0℃/100m；區(qū)內(nèi)中元古帶四堡期的變質(zhì)巖和晚元古代晉寧期的巖漿巖由于裂隙不發(fā)育，富水性較差，地溫梯度一般小于1.5℃/100m。

在五蓮地區(qū)，巖性以花崗巖、變質(zhì)巖、碎屑巖類為主，恒溫帶深度16 ～22m，溫度14.5℃左右，地溫梯度1.07 ～1.21℃/100m（圖3、圖4）。

圖3 碎屑巖類深度-地溫曲線圖

圖4 巖漿巖、變質(zhì)巖類深度-地溫曲線圖

在研究區(qū)施工的地質(zhì)鉆孔中開展現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)，根據(jù)具體孔深下入相應(yīng)深度的地埋管。獲取地層綜合熱導(dǎo)率、平均孔深換熱量、初始平均地溫等參數(shù)，為垂直地埋管熱泵的設(shè)計(jì)和區(qū)域淺層地溫能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 熱響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

4 淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)

本次淺層地溫能資源量計(jì)算主要為淺層地溫能熱容量計(jì)算，計(jì)算范圍為研究區(qū)范圍。用體積法計(jì)算淺層地溫能熱容量，計(jì)算地表以下200m 和120m深度淺層地溫能熱容量，為后期淺層地溫能開發(fā)利用提供依據(jù)。

4.1 淺層地溫能熱容量計(jì)算

整個(gè)研究區(qū)共劃分計(jì)算區(qū)域52 個(gè)。依據(jù)前期獲得的資料，對(duì)研究區(qū)每一計(jì)算區(qū)域的面積、各地層厚度、地下水埋深詳細(xì)劃分，確定包氣帶及飽水帶厚度。然后根據(jù)相應(yīng)公式分別計(jì)算120m 和200m各層熱容量，累加獲得研究區(qū)總熱容量。計(jì)算成果見表3。

4.2 分區(qū)方法

采用指標(biāo)法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行淺層地溫能適宜性分區(qū)。對(duì)于地埋管熱泵，采用指標(biāo)法進(jìn)行淺層地溫能適宜性分區(qū)主要考慮巖土體特性、地下水的分布和滲流情況、巖土體導(dǎo)熱性能等因素。地埋管換熱系統(tǒng)適宜分區(qū)主要指標(biāo)見表4。

表4 地埋管換熱方式適宜性分區(qū)

4.3 適宜性分區(qū)

經(jīng)指標(biāo)法淺層地溫能適宜性分析，研究區(qū)淺層地溫能適宜性中等面積21.38，占比61%，此部分覆蓋薄層第四系，松散巖土體厚度較厚；適宜性差13.66，占比39%，主要位于河流、湖泊、水庫(kù)所在位置，地形起伏較大，有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，地質(zhì)環(huán)境較差。分區(qū)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 研究區(qū)淺層地溫能適宜性分區(qū)圖（指標(biāo)法）

5 結(jié)論

（1）對(duì)五蓮縣淺層地溫能適宜性調(diào)查項(xiàng)目的成果資料進(jìn)行整理分析，取得淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)的相關(guān)參數(shù)。

（2）依據(jù)野外調(diào)查成果所得水文地質(zhì)條件和室內(nèi)試驗(yàn)所得的巖土體物理及熱物性參數(shù)等，對(duì)飽水帶和包氣帶按相應(yīng)公式分別計(jì)算得出研究區(qū)淺層地溫能熱容量。

（3）采用指標(biāo)法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行淺層地溫能適宜性分區(qū)，將五蓮縣研究區(qū)劃分為：地埋管地源熱泵適宜性中等區(qū)和適宜性差等區(qū)。

（4）通過野外調(diào)查結(jié)果及淺層地溫能適宜性分區(qū)結(jié)果，對(duì)五蓮縣研究區(qū)淺層地溫能適宜性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)：

① 研究區(qū)地下水資源分布面積較小，在河谷地帶遠(yuǎn)離河床的區(qū)域雖然富水性稍好但是第四系厚度很薄，最厚也不足10m，含水層水源多為季節(jié)性河流的側(cè)向補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給，地下水位受季節(jié)性豐枯水期影響較大，因此不適宜發(fā)展地下水源熱泵。

② 從第四系厚度、枯、豐水期地下水位埋深、地層巖性等方面綜合來看大部分地區(qū)適合發(fā)展地源熱泵工程建設(shè)。