淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)的因素分析

淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)的因素分析

平坦地溫能是指埋在地表以下一定深度（通常200m）范圍內(nèi)的巖石和地下水充分利用價值的熱量。它的熱儲存器是巖石和地下水。淺層地溫能作為一種資源并不是用之不竭、取之不盡的,過量開采會造成資源枯竭。因此,以合理開發(fā)利用和保護淺層地溫能資源為目的的調(diào)查評價工作尤為重要,其中淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)是調(diào)查評價工作的基礎(chǔ)。不同地區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用條件有較大差異,適宜區(qū)劃分的具體方法和評價因子也有所不同。國外尚未開展淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)工作。在我國,已有研究者對淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)劃分進行了研究,如江劍等結(jié)合北京、河北地區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,提出應(yīng)用層次分析法進行淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)。筆者結(jié)合長春地區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,嘗試應(yīng)用模糊數(shù)學方法進行淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)和評價,以期探討不同地區(qū),應(yīng)用不同評價方法的可行性。1地下水體的熱物性參數(shù)淺層地熱資源是指蘊藏在地表以下巖石和地下水中的熱能。其熱儲條件分析包括地埋管換熱方式和地下水換熱方式2種。地埋管換熱系統(tǒng)以巖土體作為介質(zhì),由埋于地下的密閉循環(huán)管構(gòu)成換熱器,利用管路中流動的循環(huán)液作為介質(zhì)進行熱交換。因此巖土體的熱物性參數(shù)主要與地層結(jié)構(gòu)、巖性、地下水的運動速度、地下恒溫帶溫度、巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)和平均比熱容等因素有關(guān)。地下水體儲存熱能的條件取決于地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地下水水動力條件和水化學條件。地質(zhì)、水文地質(zhì)條件控制了地下水賦存環(huán)境和水資源量多少;地下水動力條件控制了地下水的運移能力;水化學條件決定地下水體是否符合利用條件。對上述3個方面綜合分析,得出影響地下水體熱儲條件的主要因素有8個:含水層厚度、單井涌水量、可開采資源量、地下水位埋深、含水層的回灌能力(回灌系數(shù))、滲透系數(shù)、地下水水質(zhì)和地下水水溫。2研究領(lǐng)域的總結(jié)2.1地下水質(zhì)區(qū)基巖帶長春市區(qū)地層由第四系松散巖類和白堊系基巖兩大巖類組成。根據(jù)淺層地熱賦存的特點(淺層地熱是取用地下200m以上巖土體的地溫),長春城區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)可劃分為3種類型。第1種類型是位于賈家洼子-八里鋪-興隆溝以西的廣大地區(qū),即研究區(qū)1。其地質(zhì)結(jié)構(gòu)為:上部是第四系黃土狀亞黏土,厚25m以上;下部是白堊系姚家組紅泥巖。這一帶的顯著特點是地層基本無含水層(僅小南一帶第四系底部有1~3m厚砂礫石層)。第2種類型是賈家洼子-八里鋪-興隆溝基巖裂隙含水帶及其以東到伊通河西岸的階地陡坎地帶,即研究區(qū)2。地質(zhì)結(jié)構(gòu):上部約10~15m厚的黃土狀亞黏土,下伏1~3m厚砂礫石層;第四系地層下部基巖是白堊系青山口組粉細砂巖和粉砂質(zhì)泥巖及泉頭組砂巖泥巖。這一地帶特點是含水層較多,砂礫石層賦存孔隙承壓水,單井涌水量100~500m3/d,基巖富水性好,青口山組含水層單井用水量大于1000m3/d,泉頭組3-4段弱富水,單井涌水量100~300m3/d。第3種類型是伊通河谷地區(qū),即研究區(qū)3。地層結(jié)構(gòu):一級階地區(qū),地表分布1~3m厚黏土、亞黏土,其下為1~5m厚的砂礫石層;基巖是泉頭組1-2段砂巖砂礫巖、泥巖,富水性差。這一地區(qū)的特點是第四系砂礫石層富水性好,單井涌水量500~2000m3/d。2.2巖石熱導(dǎo)率測定巖石的導(dǎo)熱系數(shù)受巖石的含水量、密度、礦物成分及所含雜質(zhì)等因素影響。主要礦物的熱導(dǎo)率分別如下:長石、白云母、絹云母、沸石類為5.30W/(m·℃);黑云母、綠泥石、綠簾石為5.51W/(m·℃);磁鐵礦、方解石、黃玉為5.56W/(m·℃);角閃石、輝石、橄欖石為5.19W/(m·℃);白云石、菱鎂礦為5.44W/(m·℃);石英為7.12W/(m·℃);水為0.59W/(m·℃)(18℃時測定)。長春地區(qū)常見巖土的熱導(dǎo)率參考值見表1。從表1可看出,不同巖土的熱導(dǎo)率差別可達數(shù)倍,即使同種巖土的熱導(dǎo)率也常常有差別,因為影響巖土熱導(dǎo)率的主要因素是含水量和密度。巖石密度越大,導(dǎo)熱率也越大,堅硬致密巖石導(dǎo)熱性優(yōu)于疏松巖石;含水量大的巖石較同類含水量小的巖石導(dǎo)熱率大。在實際應(yīng)用中,某一種巖石或礦物的熱導(dǎo)率對于淺層地溫能換熱系統(tǒng)設(shè)計意義不大,通常使用的是在現(xiàn)場測試孔、使用專用儀器測得的地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)。長春市區(qū)3種類型地層結(jié)構(gòu)實測綜合導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.168、1.401、1.612W/(m·℃)。3長春區(qū)土木工程適宜性分類體系3.1建立評價體系熱儲條件評價主要考慮地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及巖體熱物性系數(shù),從節(jié)約土地的角度出發(fā),只考慮垂直地埋管方式。筆者提出如圖1所示的評價體系。評價體系由3層構(gòu)成,從頂層至底層分別為目標層、屬性層和要素指標層。從理論上講,地源熱泵式淺層地溫的開發(fā),在任何地層結(jié)構(gòu)地區(qū)都適用,但需考慮施工工藝及經(jīng)濟技術(shù)合理性。長春市區(qū)冬天寒冷,重點應(yīng)考慮區(qū)域地下熱均衡。因此長春市區(qū)地埋管式地源熱泵評價,只結(jié)合地形地貌考慮施工工藝及經(jīng)濟技術(shù)合理性即可。3.2水源熱泵應(yīng)用地下主流系統(tǒng)的確定在水量豐富的地段可采用地下水源熱泵換熱系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地溫能,若只考慮水量:單井涌水量30m3/h,能為大中型建筑物供熱;單井涌水量10~20m3/h,只能為小型建筑物供熱。水源熱泵換熱系統(tǒng)效率高于土源熱泵,因此在水資源量豐富的地區(qū),多采用地下水源熱泵開發(fā)利用淺層地溫能。結(jié)合長春市區(qū)具體條件,提出長春市區(qū)開發(fā)利用淺層地溫能地下水源熱泵適宜區(qū)的評價體系。4模糊綜合評判法地下水源熱泵適宜區(qū)評價體系是由多因素、多層次級構(gòu)成的(圖2)。評價指標共分3層:目標層(A)、亞目標層(B)、指標層(C)。其中,B又劃分為B1-B3;C劃分為C1-C8。適宜區(qū)評價有許多方法,但其又是一個模糊概念,無法用一個絕對的判據(jù)來劃分,因此適合用模糊綜合評判法進行綜合評價。首先由指標C1-C6、C7、C8綜合評判B1-B3,再由B1-B3綜合評價目標層A。在模糊綜合評判中,核心工作是確定各個指標對目標的貢獻大小以及各個指標在評價區(qū)內(nèi)的分布和強度,并給出量化指標。4.1水源熱泵回灌影響含水層水質(zhì)的因素地下水水量是影響能否利用水源熱泵的決定性因素,地下水水量因素權(quán)重賦值大。在應(yīng)用水源熱泵時,回灌水不應(yīng)污染含水層,否則會對熱泵運行有影響。指標層各指標的權(quán)重賦值應(yīng)考慮到如下幾個方面。1)含水層厚度對地下水資源量大小及建井結(jié)構(gòu)影響很大,一般來說,含水層厚度越大,供水能力越強;含水層顆粒越細,越易進入水源熱泵機組,會磨損設(shè)備,并且會影響回灌井的回灌能力。因此,含水層厚度越大、顆粒越粗,賦值應(yīng)越大。2)單井涌水量反映了取水井的產(chǎn)水能力,單井涌水量越大,說明含水層富水性越好,賦值應(yīng)越大。3)由于水是熱的良好載體,熱容量大,熱的傳導(dǎo)和對流使得連續(xù)水體的溫度保持一致,因此含水層的滲透系數(shù)越大,熱的傳導(dǎo)和對流越強,賦值應(yīng)越大。4)含水層可開采資源量大,說明該地區(qū)地下水補給源多,地下水循環(huán)利用量多,越適宜水源熱泵的應(yīng)用?？砷_采資源量越大,賦值應(yīng)越大。5)地下水位埋深大,會增加取水成本。地下水位埋深越小,賦值越大。6)水的硬度越大,水源機組和管路越易結(jié)垢,影響使用壽命。硬度越小賦值越大。7)地下水水溫越高,可取的熱量越多。水溫越高賦值越大。8)水文地質(zhì)條件是影響回灌能力的主要因素?；毓嘞禂?shù)大的地區(qū),賦值越大。B1、B2、B3的權(quán)重分別為0.8、0.1、0.1;C1-C8的權(quán)重分別為0.15、0.30、0.15、0.05、0.15、0.20、1.00、1.00。4.2屬函數(shù)的結(jié)構(gòu)4.2.1開發(fā)潛力指標本文共包含有8個指標。其中,有的指標值越大其對評價目標的影響就越好,即評價目標也就越往好的方向發(fā)展,此區(qū)域的開發(fā)潛力就越大,如含水層厚度、單井涌水量等,故稱這些指標為正指標;而有些指標值越大其對評價目標的影響就越不好,如地下水位埋深和硬度等,說明評價目標在往壞的方向發(fā)展,稱這類指標為負指標。4.2.2質(zhì)量隸屬度的繪制根據(jù)模糊集理論,各參評因子的實際值對各級環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量的隸屬程度用隸屬度μ(x)來刻畫(隸屬度越大,隸屬資格越高),隸屬度用隸屬函數(shù)表示。這里隸屬函數(shù)選用線性隸屬函數(shù)(具體公式略)構(gòu)造出隸屬函數(shù)矩陣。4.3構(gòu)造評價矩陣根據(jù)3.2節(jié)所建立的長春市地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū),3個區(qū)的指標實測值及分級標準見表2和表3。對于1區(qū),將上表中各指標的實際值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中(其中C4應(yīng)代入負指標的隸屬函數(shù)),得到隸屬函數(shù)級矩陣:權(quán)重行向量WC=(C1,C2,C3,C4,C5,C6)=(0.15,0.30,0.15,0.05,0.15,0.20),進行模糊變換,得B1對第二層的隸屬程度BB1=(0.95,0.00,0.05),同理求得BB2=(0,0,1),BB3=(0.2,0.8,0.0)。對BB1、BB2和BB3進行二級評判,得到評價矩陣:亞目標層權(quán)向量的WB=(0.8,0.1,0.1),與評價矩陣進行二級模糊綜合評判:根據(jù)最大隸屬度原則,本區(qū)的可持續(xù)開發(fā)潛力屬于評語等級的第1級,即適宜區(qū)。同理對2、3區(qū)進行評判。根據(jù)最大隸屬度原則,2、3區(qū)的可持續(xù)開發(fā)潛力均為適宜區(qū)。綜上所述,長春市在研究區(qū)1,宜用地源熱泵開發(fā)淺層地熱資源;研究區(qū)2和研究區(qū)3也可采用地源熱泵,但這2個區(qū)水量較豐富,采用地下水源熱泵的效率要高于地源熱泵。5水源熱泵適宜性評價1)根據(jù)地層結(jié)構(gòu)和巖石導(dǎo)熱性分析,長春市區(qū)可劃分