六安市淺層地熱資源賦存特征及開發利用潛力評價

王 奎，徐澤棟

(安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽 六安 237000)

傳統的能源主要是煤炭、石油等化石類礦產資源，在使用過程中既一次性消耗能源又產生大量的污染，能源危機和環境污染已給人們的生存環境帶來嚴重影響和威脅，因此，節能減排、尋找并利用新型能源是當務之急，大勢所趨[1-2]。地熱資源是一種潔凈的可再生能源，具有熱流密度大、容易收集和輸送、參數穩定、使用方便等優點，在供暖、供熱、制冷、醫療、洗浴、康樂、水產、溫室等行業有著廣泛的利用前景[3]。淺層地熱能是指蘊藏在地表以下一定深度范圍內巖土體、地下水、地表水中具有開發利用價值的熱能，是一種清潔的可再生資源，其開發利用對節能減排，保護環境具有重要作用[4]。本文通過對研究區現有水工環地質資料進行分析，并補充鉆探、現場測試等工作，查明研究區淺層地熱能蘊藏的地質能條件、分布規律。同時進行淺層地熱能開發利用適宜性分區和區域淺層地熱能評價，為淺層地熱能開發利用規劃和布局提供依據[5]。一方面，可以加快推動六安市地熱資源的科學勘查、有序開發、合理利用和有效保護。另一方面，可以更好地服務于六安市城市產業發展，對六安市的經濟社會發展起到積極作用[6]。

1 研究區地熱地質條件

1.1 地形地貌

六安市位于安徽西部的大別山北麓，亦稱皖西地區，是大別山區域中心城市。六安東經116°00′～116°50′，北緯31°17′～32°07′。

金安、裕安區地貌趨勢為南高北低，從南向北依次為高起伏低山、低起伏低山、高丘、中低丘、平原，地形標高由南向北逐漸降低，平原、丘陵標高一般為30～250 m，具有明顯的山地、丘陵、平原的地貌單元特征[7]。

1.2 地層

區內地層多為第四系松散層覆蓋，基巖僅出露侏羅系周公山組(見圖1)。

圖1 研究區地質圖

第四系全新統主要分布于五里橋、城北一帶，部為粘土、亞粘土、亞砂土、下部為中粗砂及砂礫石層，為河漫灘相及河床相沖積物，厚度小于20 m。

第四系上更新統主要分布于市區平橋鄉、先生店鄉一帶，巖性為灰黃色、棕黃色粘土、亞粘土，結構中密，塊狀構造，含鐵、錳質結核，局部有薄層鐵、錳質富集層，核徑一般在2～4 mm，網狀裂隙發育，總厚0～30 m。

侏羅系主要分布于市區中南部，勘查區西南也有少量露頭，為侏羅系周公山組，為一套紫紅色、磚紅色礫巖、砂巖、粉砂巖等，中細粒、粉細粒結構，薄層、中厚層、厚層狀構造。

1.3 地質構造

研究區第四系之下為巨厚層的“紅層”，為一單斜構造，巖層傾角5°～15°。斷裂構造不發育，未同見規模較大的斷層。緊臨勘查區南、北均有規模較大的區域性斷層，走向近東西。

研究區內巖漿巖不發育，僅少量巖脈，為中生代侵入巖，巖性為閃長巖、正長巖。

1.4 研究區水文地質條件

1.4.1 含水巖組劃分

研究區位于江淮丘陵區南部，江淮分水嶺西側，為貧水區，主要由以下含水巖組組成。

1)松散巖類孔隙含水巖組

第四系全新統孔隙含水巖組主要分布于老淠河一級階地區，一般具雙層結構，上部5～15 m為粘土、亞粘土、粉土。下部為中粗砂、礫(卵)石層，該層含水較豐富，通過對一些有機井的單位走防調查，一般地段單井涌水量100～200 m3/d，少部分有礫(卵)石層(古河道)地段，單井涌水量大于1 000 m3/d。水位埋深0.5～2 m，隨季節性變化顯著，居民用水一般為壓水井。

第四系上更新統裂隙、孔隙含水巖層分布于二級階地區，厚度0～30 m，由粘土、亞粘土、含礫亞粘土等組成，富水性及滲透性均較差，局部粘土網狀裂隙較發育，含裂隙、孔隙潛水及上層滯水，水位埋深2～10 m，隨季節性變化顯著，單井出水量一般小于5 m3/d，枯水期民井水量較少，大旱之年大部分民井瀕于干涸。

2)碎屑巖類裂隙、孔隙含水巖組

隱伏于第四系之下，廣布全區，城區出露地表的主要為侏羅系周公山組，厚度大，分布穩定，巖性為紫紅色、淺棕色、灰白色長石石英砂巖、長石石英細砂巖，夾泥巖、泥質頁巖和礫巖，水位埋深3～10 m，單井涌水量一般小30 m3/d，為弱富水含水層，但局部受斷層影響，節理、裂隙發育地段，巖性破碎，滲透性較好，單井出水量100～300 m3/d。

1.4.2 研究區地下水補給、徑流、排泄條件

松散巖類孔隙水直接接受大氣降水滲透補給，豐水期受地表水體滲流補給，多具潛水性質，地下水徑流小范圍受地形、地貌影響。但總的徑流方向與地表徑流基本一致。總體向老淠河方向排泄，即由東向西排泄，另外排泄方式為大氣蒸發及人工開采。

查區內碎屑巖類裂隙、孔隙水補給、徑流、排泄條件同區域深層地下水補給、徑流、排泄條件基本一致[8]。

1.4.3 研究區地下水化學特征

城區一級階地區地下水化學類型主要為HCO3·Cl-Ca型或HCO3·Cl--Ca·Na型水，pH值7.4～7.8，礦化度0.548～0.591 g/L，有機物磷、酚及重金屬元素含量均符合標準。其中NO3-含較高，說明淺層地下水受化肥輕度污染。二級階地區水質類型為HCO3--Ca·Na，礦化度均為小1 g/L的淡水[9]。

2 研究區地溫場條件

2.1 地溫場垂向分布特征

地溫變化是巖土體熱導率效應，恒溫帶以下地溫主要受地球內部熱能控制。根據地溫場溫度隨深度的變化，將200 m以淺自上而下劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。如圖2所示。據地溫監測資料，研究區內地溫場垂向變化特征為：

圖2 地溫垂向變化圖

2.1.1 變溫帶

變溫帶是指地溫場靠近地表的部分，主要受太陽輻射的影響，其溫度變化幅度隨深度的增加呈現規律性遞減。本區10～20 m以淺年內地溫隨氣溫變化明顯。地下3.2 m深處年內最高20.9℃，最低14.2℃，變幅6.7℃；地下5 m深處年內最高19.3℃，最低15.9℃，變幅3.4℃。區內變溫帶下限深度10～12 m。

2.1.2 恒溫帶

恒溫帶是指地表以下溫度常年基本保持不變的地帶，該層熱能受地球內熱形成的增溫帶與上覆變溫帶影響達到相對平衡。本區溫度一般16.1℃～18.2℃，恒溫帶上限埋深10～12 m，下限深度約為20～45 m，厚8～25 m。

2.1.3 增溫帶

增溫帶是指恒溫帶以下主要受地球內部熱能影響的地帶。本區增溫帶上限深度約為20～45 m，其下由淺到深溫度漸增為增溫帶。本區增溫帶平均增溫率為1.5℃/100左右。

2.2 地溫場平面分布特征

研究區由于地層巖性、地層結構及地下水動力等地質條件在平面上存在較明顯的差異，其地溫場特征也有不同。區內西部沿淠河地帶，恒溫帶上限深度較東部地區淺，上限深度一般10～18 m。在區內中部及東部地區，恒溫帶上限埋深一般20 m左右。區內中心城區及東部地帶恒溫帶平均溫度一般大于17.7℃，北部部地區恒溫帶平均溫度一般小于17.2℃，其余大部分地區恒溫帶平均溫度一般17.2℃～17.7℃。恒溫帶厚度厚8～25 m。如圖3所示。

圖3 地溫場平面分布圖

2.3 地溫場季節性變化特征

本區按候平均氣溫(每5 d為一候，每5 d的平均氣溫為候平均氣溫)劃分四季：候平均氣溫<10℃為冬季、>22℃為夏季，10℃～22℃為春秋。本地春、秋季各2個月，冬、夏季各4個月；其冬夏長、春秋短。降雨量夏多冬少，春秋適中。從氣象資料直觀地看出地溫場受外界影響的因素及其影響程度，在夏季主要受強烈的光輻射和大氣高溫影響，其次為降水；冬季主要受低溫影響[6]。如圖4所示。

區內5 m處年內地溫15.9℃～19.3℃，變幅達3.4℃，10～15 m處平均溫度17.7℃～18.5℃，變幅0.5℃～0.7℃，地溫年變幅歲地層深度增加而減小；地溫隨季節性氣候變化影響較小。研究區夏季月平均氣溫最大值為29.3℃(8月)，地表溫度高于氣溫及恒溫帶地溫。夏季0.8 m、1.6 m和3.2 m深處的地溫值均小于氣溫值，1.6 m、3.2 m深處地溫最大值分別為23.5℃(8月)和20.9℃(10月)分別滯后氣溫最大值1個月和2個月。而5m深處年內最高溫度多發生在11月份，年內變幅可達5℃，滯后氣溫最大值3個月；10～15m深處最高溫度多發生在11、12月份，與氣溫最高值約滯后3～4個月。0.4 m深處地溫值與氣溫值動態變化基本一致，區內恒溫帶地溫隨季節變化影響反應比較滯緩。

研究區冬季月平均氣溫最小值為3.6℃(1月)，變溫帶地溫均高于地表溫度和大氣溫度。1.6 m、3.2 m深處地溫最小值分別為11.3℃(3月)和14.2℃(4月)，分別滯后氣溫最小值2個月和3個月。地溫場5～10 m深處最低溫度15.9℃～18.9℃，多發生在3、4月份。區內恒溫帶溫度最低溫度均發生在4、5月份，溫度值18.1℃～18.2℃。

3 地熱資源開發利用潛力評價

本文結合利用方式適宜性分區和可利用土地系數分區，對本區淺層地熱能資源潛力進行分析評價。資源潛力評價直接采用單位面積可利用量的供暖和制冷面積表示。適宜性分區為基本計算區，可利用土地系數為計算亞區，在適宜性分區的基礎上按可利用土地系數分區計算資源潛力。通過可利用資源量，得到計算區冬季和夏季的換熱功率；根據當地普通住宅冬季供暖、夏季制冷負荷分別50 w/m2，70 w/m2，換熱功率分別除以供暖、制冷負荷計算出冬季可供暖、夏季可制冷面積。根據不同可利用土地系數分區的面積，計算出各分區單位面積內的可供暖、可制冷面積，即資源潛力[10]。根據計算所得的潛力數值并結合適宜性分區和可利用土地系數分區，繪制資源潛力評價分區圖，如圖5所示。

圖4 不同深度地溫年內變化圖

圖5 地源型、地表水源型利用方式資源潛力分區

綜合統計分析，地源型資源按單U統計，六安市淺層地熱能總可利用功率為18.39×106kw；冬季總供暖面積148.62×106m2，夏季制冷面積為156.44×106m2，地源型冬季供暖面積70.40×106m2，占總可利用功率的82.41%，夏季制冷面積100.57×106m2，占總可利用功率的90.37%；六安市淺層地熱能開發利用面積624.33 km2，平均每平方公里冬季可供暖面積為2.38×105m2，平均每平方公里夏季可制冷面積2.51×105m2。

本區地源型利用方式冬季/夏季資源潛力較水源型的大，地源型利用方式冬季/夏季資源潛力雙U型的略大于單U型的，適宜性分區范圍分布幾乎全區。從經濟效益和環境影響程度綜合考慮，本區淺層地熱能開發利用主要適宜地源型利用方式，其次為地表水源型[11]。

4 開發利用建議

4.1 開發利用適宜性

結合研究區淺層地熱資源賦存條件，采用層次分析法分別對淺層地熱能開發利用的地源型、地下水源型和地表水源型方式進行了適宜性分區。

(1)本區地源型方式劃分較適宜和差適宜兩類，較適宜區分布于區內絕大部地區，其進一步分為較固結巖類亞區和固結巖類亞區。較固結巖類亞區松散層厚度一般10～30 m，固結巖類亞區松散層厚度小于10 m；差適宜區主要為高丘地區，分布在區內東南部三十里鎮和南部九公寨兩地，面積較小[12]。

(2)地表水源型方式適宜區主要為淠河和淠河總干渠2處地表水體兩側外延0.5 km的區域。部分地段使用時應考慮河流岸崩可能對工程造成的危害。

(3)從淺層地熱能資源開發利用并結合經濟技術和環境影響條件綜合評價，本市遠期城市規劃區淺層地熱能開發利用主要適宜地源型方式，其次為地表水源型[13]。

4.2 開發利用建議

通過對六安市淺層地熱資源進行調查，對地熱能分布特征進行研究，對其開發利用做出如下建議：

(1)需要依據相關規范對淺層地熱能開發利用工程進行前期評估論證及場地淺層地熱能勘查，為工程設計、施工提供技術依據。

(2)研究區開發利用淺層地熱能資源需要因地制宜，根據適宜性分區進行不同的開發利用方式，同時可與六安市其他可再生能源結合，做到綜合利用。

(3)對研究區進行淺層地熱能地質環境監測工作，在利用地熱資源的同時注意保護地質環境，開發利用和保護淺層地熱能資源及其地質環境需要技術依據進行支撐[14]。

(4)目前六安市內淺層地熱能開發利用尚處起步階段，建議開展淺層地熱能開發利用及保護相關知識的宣傳普及，采取相應的政策激勵扶持，以推進該地區淺層地熱能開發利用[15]。

5 結語

本文通過對六安市地熱能的賦存特征和潛力評價進行簡要論述，得出如下相關結論。

(1)研究區內地質構造對淺層地熱能條件起控制作用，松散層厚度小于30 m，下伏地層主要為古近系、白堊系、侏羅系，地層巖性主要為紫紅、棕紅色厚層礫巖及泥巖等。為單一較固結巖類及固結巖類地層結構。

(2)研究區內淺層地熱能地溫場分布。西部沿淠河地帶，恒溫帶上限深度較東部地區淺，上限深度10～13 m。恒溫帶平均溫度17.5℃～17.8℃。區內中部及東部地區，恒溫帶上限深度15～17 m，厚度25 m左右，恒溫帶平均溫度17.7℃～18.3℃。增溫帶分布45 m以深，平均增溫率為2～3℃/100m。

(3)六安市地層巖性、地下水、地層結構及氣候條件是淺層地熱能時空分布的主要影響因素，具有良好的淺層地熱能賦存條件，一年內約8個月可對淺層地熱能開發利用有需求。

(4)工作區淺層地熱總熱容量為16.77×1013kJ，工作區淺層地熱能資源可利用總量19.06×1013kJ/a，地源型按單U計，工作區淺層地熱能冬季總供暖面積148.62×106m2，夏季總制冷面積為156.44×106m2，平均每平方公里冬季可供暖面積為2.38×105m2，平均每平方公里夏季可制冷面積2.51×105m2。

(5)研究區淺層地熱能資源豐富，資源開發利用潛力較大，適宜地源型方式，沿淠河及淠河總干渠兩側適宜于地表水源型。