安徽省六安市城區淺層地熱能開發利用適宜性評價

摘 要：隨著我國城市化進程的推進，城市建設對能源的需求與日俱增，發展城市地區淺層地熱能，減少化石能源的使用，拓寬城市地區淺層地熱能市場已是大勢所趨。以六安市城區為例，結合區內地質/水文地質條件、地層屬性、施工條件及熱物性，采用層次分析的方法綜合確定各評價因子的權重值，采用綜合指數法進行量化分析，針對地源型（地埋管）開發利用方式，利用MapGIS軟件實現六安市城區淺層地熱能適宜性評價的可視化。

關鍵詞：淺層地熱能；適宜性評價；層次分析法；綜合指數法；可視化

Suitability evaluation of shallow geothermal energy development and utilization in Lu'an， Anhui Province

DING Meiqing

（313 Geological Team，Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Anhui Province， Lu'an 237000， Anhui， China）

Abstract： With the advancement of urbanization in China， the demand for energy in urban development is increasing steadily. It is an inevitable trend to develop shallow geothermal energy， reduce fossil energy use， and expand the shallow geothermal energy market in urban areas. Taking Lu'an City as an example， based on its geological/hydrogeological conditions， stratum attributes， construction conditions and thermophysical properties， this paper uses the analytic hierarchy process to comprehensively determine the weight value of each evaluation factor. Quantitative analysis is carried out with the comprehensive index method. In accordance with the development and utilization mode of ground source type （buried pipe）， MapGIS software is used to realize visualization of the suitability evaluation of shallow geothermal energy in the urban area of Lu'an City.

Keywords： shallow geothermal energy; suitability evaluation; analytic hierarchy process; comprehensive index method; visualization

城市及其周邊由于建筑物密集，人口密度大，加之城市化進程的縱深推進，城市發展對能源的需求與日俱增，發展城市地區淺層地熱能，減少化石能源的使用，拓寬城市地區淺層地熱能市場已是大勢所趨（衛萬順等，2021；朱巍，2021；李寧波等，2020）。張建瑞等（2018）通過對焦作市淺層地熱能的賦存條件和分布規律進行分析，評價了焦作市淺層地熱能資源量，對淺層地熱能開發利用適宜區進行了劃分，并提出合理開發、可持續利用淺層地熱能的建議；牛俊強等（2012）通過分析淺層地熱能開發利用過程中出現的各種問題及對策，促進淺層地熱能開發利用健康有序的發展，提出了寶貴的建議。在淺層地熱能開發利用適宜性評價領域，鄒鵬飛等（2020）對宿遷城市規劃區淺層地熱能開發利用進行適宜性評價；時國凱等（2022）在查明淮安城市規劃區淺層地熱能賦存條件的基礎上采用層次分析法進行了淺層地熱能開發利用適宜性評價，得出區內適宜采用地埋管地源熱泵系統開發利用淺層地熱能；王道山等（2020）選取含水層富水性、補給模數、地下水開采潛力、含水層巖性、地下水位埋深、含水層回灌能力、礦化度、總硬度和地下水的腐蝕性共9個要素指標進行賦值計算，對漯河市淺層地熱能開發利用適宜性評價分析；趙季初等（2020）為了解決魯北平原區農村冬季清潔供暖問題，總結了魯北平原區內4個水文地質勘探孔抽水試驗與回灌試驗成果，對區內地下咸水淺層地熱能開發利用條件進行研究和分析；李小等等（2021）通過研究分析延安市淺層地熱現狀，概化地層物性和相關參數，采用熱儲法對地熱能熱容量和換熱功率進行計算，對區內淺層地熱能開發利用進行適宜性分區和評價。這些研究成果為淺層地熱能的開發利用提供了科學依據。

本文以安徽省六安市城區為例，綜合調查區內淺層地熱能、地質鉆探、巖土熱響應室內測試及現場試驗、地溫場監測和水質分析等基礎資料，采用層次分析-綜合指數法模型確定權重值，進行量化分析，實現城市地區淺層地熱能開發利用適宜性分區，為日后城市基建、淺層地熱能的開發和利用提供理論基礎和實踐依據。

1? 淺層地溫場分布特征

采用測量水溫的方式測量地溫，測量數據精確到0.1℃。利用安徽省地質環境監測總站地下水動態監測孔及巖土現場熱響應試驗孔進行1個氣候年的地溫動態監測，分析天然地溫場在空間、時間上的變化規律。

1.1? 地溫場垂向分布特征

受巖石和土體導熱系數的影響，地溫無時無刻不在變化，地球內部熱量主要控制著恒溫帶以下的地溫（張利偉等，2022；趙鑫鑫等，2022）。在200 m以淺范圍，地溫場隨著深度的增加，可分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。據本次地溫監測資料，選取能代表區內環境地質特征的，且地溫測量穩定的LDW01監測孔，總結地溫場垂向變化特征，見圖1和圖2。

變溫帶：該層地下3.5 m處年最高溫度21.5℃，最低溫度13.8℃，變化幅度7.7℃；地下5 m處年最高溫度20.1℃，最低溫度16.2℃，變化幅度3.9℃。區內變溫帶下限深度9～13 m。

恒溫帶：該層熱能相對平衡，溫度一般18.1～18.5℃，恒溫帶上限埋深9～11 m，下限深度19～45 m，厚8～26 m。

增溫帶：研究區增溫帶上限深度為19～44 m，其下由淺至深溫度逐漸增加為增溫帶，平均增溫率為1.4℃·（100 m）-1。

1.2? 地溫場平面分布特征

研究區在平面上地層巖性及結構和地下水動力等地質條件存在明顯差異，其地溫場特征也有所迥異。恒溫帶平面分布特征的劃分主要依據區內13個地溫監測孔的實測地溫數據，結合淺層地熱能綜合調查、巖土現場熱響應試驗和本地城區年平均氣溫資料而綜合確定（李騰超等，2020；張鵬等，2007）。區內西側位于淠河周邊，恒溫帶上限深度小于東側區域，上限深度一般9～17 m；東側及中部地區，恒溫帶上限深度約為21 m；區內中心城區及東部地帶恒溫帶平均溫度大于17.6℃，北側地帶恒溫帶平均溫度小于17.3℃，剩余部分大范圍地區恒溫帶平均溫度為17.3～17.6℃（圖 3）。恒溫帶厚度約9～25 m。

2? 評價方法研究

適宜性評價分析方法有很多，目前廣泛應用的有綜合指數法、層次分析法、權重分析法、專家打分法、主成分分析法以及系統動力學法。此外，上述分析方法并非獨立參與評價的，往往是將上述兩種及兩種以上的方法互相結合，構建指標體系后再使用。

研究區適宜性分析主要為地源型（地埋管）開發利用方式，選取安徽省六安市城區，采用層次分析法綜合確定各評價因子的權重值，運用綜合指數法進行量化分析，借助MapGIS軟件實現六安市城區淺層地熱能開發利用適宜性分析的可視化。

2.1? 構建評價體系

適宜性劃分層次結構模型：根據圖4所示層次結構，建立開發利用適宜性劃分層次結構模型。

要素層共有9項指標。1）第四系厚度：區內第四系為較固結及固結類地層，第四系松散層厚度小于35 m，統一劃分為單一基巖地層結構。2）地下水水位：區內松散巖類孔隙水埋深多為1.9～3.0 m，承壓水埋深多為2.0～4.1 m；碎屑巖類孔隙裂隙潛水單井涌水量10～100 m3·d-1，承壓水單井涌水量10～100 m3·d-1，含水層頂板埋深小于100 m。3）地下水徑流條件：區內地下水徑流條件主要體現在地下水的徑流強度，即單位時間內通過單位過水斷面的水量——滲透速度來表征，計算公式為：滲流速度=水力梯度×巖土體滲流系數。4）地下水水質：區內松散巖和碎屑巖類孔隙水及承壓水水質均較好，均為HCO3-Ca·Na型，溶解性總固體小于1 g·L-1。5）地層巖性：區內地層屬華北地層大區淮河地層小區，根據淺層地熱能開發利用特點，結合安徽省地質條件，區內地層巖性主要劃分為松散巖類、半固結及固結巖類地層。6）鉆進條件：巖類較松散，利于鉆進；巖類固結堅硬，不利于鉆進。按照區內較固結及固結巖類評價鉆進條件，可將地層巖性固結程度分為兩大類別。其一是新生界第三系及中生界白堊系的較固結地層，其二是中生界侏羅系的固結巖類地層。7）城市功能分區：分為城市地區土地現狀和城市周邊土地兩部分，描繪出城市地區功能分區范圍。8）地層熱傳導系數：結合區內地質條件，地層綜合熱導系數可分為松散巖類和固結巖類。9）地層比熱容：評價方法與綜合熱導率相同。

2.2? 權重的確定

按照層次分析法的要求，基于評價體系的從屬關系，通過現場調查、樣品檢測試驗及理論分析，運用1-9標度法，對屬性層和要素層中各個因素分別進行比較，確定其相對重要性。各個因素的重要性與對適宜性劃分影響程度呈正相關，據此構建比較矩陣。通過對比較矩陣的不斷計算，檢驗和調整，使其達到一致性。最終求出各要素在目標層中的權重值。

各要素重要程度比較及有效權重表的確定見表1至表5。

2.3? 繪制各要素圖件

運用MapGIS軟件繪制各要素圖件，分別對圖件中的各個影響因素賦值（越有利于換熱系統的條件賦值越高）。隨后采用網格剖分法對研究區進行剖分（1 000 m × 1 000 m網格），把剖分好的網格圖與各因素已賦值圖件進行疊加分析并獲得賦值。

1）繪制地質/水文地質條件要素圖件及賦值：結合第四系松散層厚度等值線圖，確定賦值。第四系松散層厚度小于35 m，統一劃分為單一基巖地層結構。見表6。

2）繪制地下水徑流條件要素圖件及賦值：由地下水位埋藏深度等值線圖和巖土體滲流系數表示，在相同類別地層中，徑流條件與熱交換效率成正比，徑流條件越好，賦值越大。研究區內地勢相對平坦，水力梯度約為1∶5 000，幾乎不影響地熱能的交換效率，因此沒有將地下水水位、地下水徑流條件和地下水水質納入評分賦值系統中去。見表6。

3）繪制施工條件要素圖件及賦值：通過整理以往工作所得松散層厚度等值線圖、區域基巖地質圖以及現場編錄所得鉆孔柱狀圖，綜合表示巖土體固結程度，固結程度越高，賦值越小。見表7。

4）城市覆蓋率：覆蓋率與施工條件成反比，其值越小，賦值越高。見表7。

5）繪制熱物性要素圖件及賦值：通過測試巖土體熱物性參數并進行巖性類比，在評價深度范圍內，垂直方向上采用加權平均值法求得各地層綜合熱傳導率，其值越大，賦值越高。見表8。

6）平均比熱容：評價方法與綜合熱導率相同。見表8。

3? 適宜性評價結果

3.1? 分區方法

通過上述網格剖分（1 000 m × 1 000 m網格）及對每個網格進行賦值，運用綜合指數法將所得賦值與其相對應的權重值相乘后求和，可得到各網格點分值。根據分值確定適宜性分區劃分標準，劃分出不同的適宜性分區。

3.2? 分區評價結果

綜上所述，研究區內適宜性評價主要為地埋管地源熱泵開發利用方式，分區劃分標準為：分值在0～5范圍內為不適宜區，>5～7范圍內為較適宜區，>7～9范圍內為適宜區（許雪潔等，2017；陳玲等，2022；趙立敏等，2022）。適宜性分區評價結果見圖5。

適宜區：區內無分布。

較適宜區：主要分為2種類型。1）較固結巖類：主要分布在區內中、西部地區，第四系松散層厚度小于35 m，下伏地層為下新生界第三系及中生界白堊系細砂巖、粉砂巖、泥巖；2）固結巖類亞區：主要分布在區內東、東南部地區，第四系松散層厚度小于10 m，下伏地層為中生界侏羅系砂巖、礫巖及中細砂巖夾粉砂巖。

不適宜區：分布于區內三十里鋪局部地區，范圍較小。為高丘地貌，開發利用適宜性較差。

4? 結論

安徽省六安市城區淺層地熱能地源型（地埋管）開發利用適宜性劃分為較適宜區和不適宜性區兩種類型。其中較適宜區面積共519.96 km2，占評價區總面積的92.85%；不適宜區面積共40.04 km2，占評價區總面積的7.15%。因此，六安市城區大部分范圍內均適宜地源型（地埋管）地熱的開發利用。

在建立評價體系過程中未考慮城市地質災害因素，在以后的工作和實踐中應詳細調查地面沉降、裂縫城市地質災害，完善評價體系。

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收稿日期：2022-12-05；修回日期：2023-01-19

基金項目：安徽省公益性地質工作項目（2009-11）資助

作者簡介：丁美青（1993- ），男，碩士，工程師，主要從事水工環地質工作。E-mail：dmq110750113@163.com

引用格式：丁美青，2023.安徽省六安市城區淺層地熱能開發利用適宜性評價［J］.城市地質，18（1）：55-61