淺層地溫能資源調(diào)查研究范文
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《重慶建筑雜志》2014年第八期
1.1重點(diǎn)研究區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)特征（1）地下水水位動(dòng)態(tài)特征：基巖裂隙水的露頭主要是民和泉水，民井水位埋深隨地形而異，一般在50m以內(nèi)，由于大氣降雨和稻田水補(bǔ)給，動(dòng)態(tài)明顯隨季節(jié)變化，一般夏秋初冬季節(jié)降雨較充沛，民井水位埋深淺，大部分可溢出井口，水量增大，冬末初春及伏旱時(shí)期地下水位顯著降低約2～3m，水量也大減。（2）鉆孔地下水水位監(jiān)測(cè)及水量：主城區(qū)內(nèi)18個(gè)鉆孔深度在80-120m，終孔口徑130mm；在完成每個(gè)鉆探孔之后，進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)得到普遍在5～20m左右，并對(duì)悅來、華巖鎮(zhèn)和鴛鴦鎮(zhèn)3個(gè)位置鉆孔進(jìn)行了為期一年的水位監(jiān)測(cè)，地下水水位總體變化不大，根據(jù)季節(jié)、地下水補(bǔ)給量的不同地下水水位在0～5m之間浮動(dòng)。因此可以認(rèn)為，主城區(qū)內(nèi)地下水水位普遍較為穩(wěn)定。根據(jù)抽水試驗(yàn)成果得到18個(gè)鉆孔日出水量大多在100m3以內(nèi)，其中雙鳳橋、雙龍湖、龍興鎮(zhèn)、華巖鎮(zhèn)、魚洞鎮(zhèn)鉆孔日出水量不足一噸，這主要是由重慶地區(qū)地下水特點(diǎn)決定的，重慶屬基巖山區(qū)，主要以基巖裂隙水、巖溶水為主，地下水分布不均，補(bǔ)給很不均衡。
1.2巖土體物理性質(zhì)特征通過對(duì)重慶市各地區(qū)272組巖石樣品的天然含水率、顆粒密度、孔隙率、吸水率、單軸抗壓強(qiáng)度等物理性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試，可以看出：（1）顆粒密度基本一致，在2.7g/cm3左右。（2）灰?guī)r的孔隙率大多在1.4～3%，砂巖、泥巖的孔隙率在7～10%。（3）灰?guī)r的天然含水率比砂巖、泥巖、頁巖低。（4）灰?guī)r的吸水率在0.1～0.7%，砂巖、泥巖的吸水率在2～4%。（5）不同巖性的單軸抗壓強(qiáng)度差異較大。
1.3巖土體熱物理性質(zhì)特征巖土體的傳熱性能取決于巖土體的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)和比熱容等，該次研究收集了237組測(cè)試數(shù)據(jù)，部分有代表性的勘探點(diǎn)巖土體熱物理性質(zhì)見表1。從測(cè)試分析看出，不同巖性的熱導(dǎo)率相差較大，其中泥巖＜頁巖＜砂巖＜灰?guī)r；不同巖性的熱擴(kuò)散系數(shù)相差較大，其中泥巖＜砂巖＜頁巖＜灰?guī)r；不同巖性的比熱相差較小。
1.4巖土體熱響應(yīng)特征現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試采用重慶南江水文地質(zhì)隊(duì)與重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院聯(lián)合研制開發(fā)的型號(hào)為NJ-GH-10S10的巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀，該儀器通過了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局設(shè)備認(rèn)證，采用“恒熱流法”進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試了主城區(qū)雙鳳橋鎮(zhèn)、禮嘉鎮(zhèn)等10處，詳見表2。從表2看出，各測(cè)試孔巖土平均導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，是由于不同地點(diǎn)水文地質(zhì)條件、巖層結(jié)構(gòu)的差異造成的，測(cè)試孔平均導(dǎo)熱系數(shù)在1.93～3.1W/m•K之間，平均值為2.62W/m•K，總體上適合淺層地溫能的開發(fā)利用。
1.5淺層地溫場(chǎng)特征鉆孔初始平均溫度測(cè)試采用無功循環(huán)法，共測(cè)試10個(gè)孔。孔內(nèi)不同深度溫度監(jiān)測(cè)采用垂向布置溫度傳感器法，共監(jiān)測(cè)15個(gè)孔，其中“南江地質(zhì)隊(duì)人和基地”采用全自動(dòng)地溫監(jiān)測(cè)手段。從監(jiān)測(cè)結(jié)果看，重慶主城區(qū)鉆孔初始平均溫度隨地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地貌條件不同而有所差異，不同孔監(jiān)測(cè)值在17.79℃～21.27℃之間，平均為19.83℃，其中歌樂山上的初始平均溫度較低，適合的初始平均溫度是淺層地溫能開發(fā)利用的一大優(yōu)勢(shì)。通過孔內(nèi)不同深度溫度監(jiān)測(cè)，主城區(qū)100m以淺地溫梯度在0.7～1.5℃/50m之間。其中在渝北區(qū)的北部，沙坪壩區(qū)的西部地溫梯度值較低；大渡口區(qū)南部、巴南區(qū)西部地溫梯度值較大。這是由于地表蓋層分布的巖土體巖性差異、地層裂縫、地下水等綜合因素影響的，100m深度以淺的溫度大致分布在19.0℃～20.5℃范圍內(nèi)。通過“南江地質(zhì)隊(duì)人和基地”100m孔深的全自動(dòng)地溫監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該監(jiān)測(cè)孔0~10m為變溫層，離地表越近，受環(huán)境溫度影響越大；10~100m為恒溫層，幾乎不受環(huán)境溫度影響[5]。
2淺層地溫能適宜性分區(qū)
針對(duì)重慶基巖山區(qū)地層地質(zhì)、水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、政策法規(guī)等條件，采用綜合指標(biāo)法，將淺層地溫能適宜性分區(qū)分為：適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)和禁用區(qū)。綜合考慮專家的建議指標(biāo)[6]、其它城市的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)[7]、重慶市地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地域特點(diǎn)以及項(xiàng)目開發(fā)利用情況，淺層地溫能適宜性分區(qū)影響指標(biāo)包括地下富水性、地下水水質(zhì)、平均熱導(dǎo)率、平均比熱容、鉆孔難易度。分別利用層次分析法[8]和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法[9]，確定影響指標(biāo)權(quán)重大小，利用綜合指數(shù)法得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重，見表3。利用綜合指數(shù)法將工作區(qū)內(nèi)不同地點(diǎn)按照不同指標(biāo)的指標(biāo)賦值乘以指標(biāo)權(quán)重相加，最后得到當(dāng)?shù)氐倪m宜性分區(qū)評(píng)價(jià)的總分，7～9分的為適宜區(qū)，5～7分的為較適宜區(qū)，1～5分的為不適宜區(qū)，禁用區(qū)直接打分為0分。采用MAPGIS地質(zhì)制圖軟件首先將重慶市劃分為5km×5km的網(wǎng)格，主城區(qū)劃分為1km×1km的網(wǎng)格，然后添加網(wǎng)格點(diǎn)、制作各要素基礎(chǔ)圖件、各基本圖件疊加，最后通過MAPGIS出圖。圖1為重慶主城區(qū)地埋管適宜性分區(qū)圖。重慶一般研究區(qū)的適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)分別占22.85%、36.37%、40.78%，適宜區(qū)與較適宜區(qū)占總調(diào)查面積的59.2%。重慶主城區(qū)調(diào)查面積1681.5km2內(nèi)，適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)分別占18.51%、80.37%、1.12%；適宜區(qū)主要分布在各背斜兩翼紅層丘陵區(qū)的J1z、J1zl、J2x地層，以及各向斜軸部臺(tái)丘地區(qū)的J3sn、J3p地層中；較適宜區(qū)主要分布在各背斜兩翼低山區(qū)的T3xj地層及紅層丘陵地區(qū)的J2s地層；不適宜區(qū)主要分布在各背斜軸部槽谷地區(qū)的T1f、T1j、T2l地層；適宜區(qū)與較適宜區(qū)總共占的面積比例達(dá)98.88%（不含禁用區(qū)），表明重慶主城區(qū)范圍可以大量利用淺層地溫能資源。重慶一般研究區(qū)、主城區(qū)的適宜區(qū)與較適宜區(qū)分別占總調(diào)查面積的59.2%、98.88%，所占比例相差較大的主要原因是：一般研究區(qū)范圍大，所包含的地層復(fù)雜多樣，不適宜區(qū)主要集中在渝東北和渝東南地區(qū)，該地區(qū)主要以灰?guī)r地層為主，不適宜淺層地溫能的開發(fā)利用；而重慶主城區(qū)以砂泥巖地層為主，且該地層適宜淺層地溫能的開發(fā)利用。
3淺層地溫能開發(fā)利用潛力
3.1熱容量計(jì)算對(duì)于熱容量的計(jì)算采用體積法[10]，該方法從能量平衡的角度出發(fā)，計(jì)算結(jié)果安全可靠。巖土體的密度ρ、比熱容c、孔隙率Φ、含水量ω；因巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地域的不同而有所差異，水的密度、比熱容分別取ρw=1000kg/m3、cw=4.18kJ/kg•℃。通過計(jì)算得到重慶市一般研究區(qū)、重點(diǎn)研究區(qū)（土壤源地源熱泵開發(fā)形式）地下100m以淺的熱容量分別約為1.976×1016kJ/℃、4.0592×1014kJ/℃。
3.2換熱功率計(jì)算利用現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)取得巖土體熱導(dǎo)率和地埋管換熱器傳熱系數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算單孔換熱功率。再根據(jù)單孔換熱功率及淺層地溫能計(jì)算面積，求得區(qū)域地埋管換熱功率[10]。(1）重慶一般研究區(qū)：重慶市土地利用率=7%[11]，建設(shè)綠地面積的比例及地埋管使用率20%；地埋管換熱器與巖土體間的可利用溫差取Δt=15℃；換熱系數(shù)按現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)測(cè)試值的平均值，取ks=2.67W（m•℃）進(jìn)行計(jì)算得到在100m以淺深度范圍內(nèi)，重慶一般研究區(qū)內(nèi)可利用資源量約為0.77×108kW。(2）重點(diǎn)研究區(qū)域：土地利用率在已建成區(qū)按7%，規(guī)劃區(qū)按22.14%；地源熱泵開發(fā)利用面積折算系數(shù)0.35[11]，每個(gè)換熱孔占地面積25m2；根據(jù)已運(yùn)行項(xiàng)目情況，冬夏季地埋管換熱器中進(jìn)出水溫度分別按5/8℃、33/30℃，傳熱介質(zhì)平均溫度分別按6.5℃、31.5℃計(jì)算；巖土體地溫平均值19.5℃，夏季可利用溫差Δt=12℃，冬季可利用溫差Δt=13℃；地埋管換熱器傳熱系數(shù)ks取熱響應(yīng)測(cè)試值的平均值。重慶市地埋管熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積為1662.86km2，換熱孔深度（長(zhǎng)度）為100m時(shí)，冬季換熱功率為2.2734×107kW，夏季換熱功率為2.0985×107kW。主城區(qū)100m地埋管計(jì)算功率結(jié)果（夏季）如圖2所示。
4結(jié)語
結(jié)合重慶市的自然地理、地形地貌、氣象水文、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等特征進(jìn)行重慶市淺層地溫能資源調(diào)查研究。研究表明：(1）重慶市淺層地溫能賦存條件較好，巖土體導(dǎo)熱系數(shù)在1.93～3.1W/m•K之間，100m以淺平均地溫在19～20.5℃，地下水水位普遍較淺。(2）適宜區(qū)與較適宜區(qū)所占比重較大，其中一般研究區(qū)占59.2%，主城區(qū)占98.88%（不含禁用區(qū)），表明重慶地區(qū)可以大量開發(fā)利用淺層地溫能資源。(3）重慶全市及主城區(qū)100m以淺的熱容量分別為1.976×1016kJ/℃、4.0592×1014kJ/℃，按換熱功率計(jì)算，可利用資源量全市約為0.77×108kW，主城區(qū)冬夏季分別為2.2734×107kW、2.0985×107kW，資源潛力巨大。該研究成果為重慶市可持續(xù)開發(fā)利用淺層地溫能資源提供了重要的數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)作用，為編制開發(fā)利用規(guī)劃提供了可靠的依據(jù)，對(duì)同類地質(zhì)條件地區(qū)開展淺層地溫能資源調(diào)查評(píng)價(jià)具有重要示范作用。
作者：劉賢燕彭清元陶嘉祥單位：重慶市地勘局南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)