渭南城區淺層地熱能適宜性評價研究

  可再生的新型環保能源淺層地熱能開發利用前景廣闊。根據區域工程地質、水文地質條件等因素,分別建立地下水熱泵和地埋管熱泵適宜分區評價體系,進而對渭南城區淺層地熱能適宜性分區進行綜合評價。渭南地下水熱泵和地埋管熱泵適宜性分區根據工程地質和水文地質等條件劃分為適宜區、較適宜區及不適宜區,綜合分區在兩者的適宜性分區的基礎上進行,在適合地下水熱泵的地區優先選擇地下水熱泵。該方法旨在為渭南城區淺層地熱能的開發利用提供科學依據和支持,對構建資源節約型和環境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現有能源結構、促進國家節能減排戰略目標的實現具有非常重要的意義。

 

  0引言.

 

  在能源短缺和環境污染的雙層壓力下,淺層地熱能作為一種清潔可再生的新能源以其強大的生命力和競爭力日益受到國家和地方政府的重視。中國地質調查局組織實施了 2011年地質礦產調査評價專項“全國地熱資源調查評價”計劃項目,確定在全國29個省會城市開展淺層地熱能調查評價工作,但渭南城區的淺層地熱能評價工作至今仍是空白。

 

  近年來,一些企業、單位先后在關中和陜南地區開發利用淺層地熱能。通過了解近幾年使用情況,總體效果良好但絕大多數分布在西安、漢中和寶雞等地,渭南的淺層地熱能開發程度較低,開發潛力巨大。

 

  目前的淺層地熱能工程多是由企業自發、自覺組織,工程施工前期的水源方案論證或淺層地熱能利用可行性的研究工作不扎實,地熱能平衡、水量均衡研究欠缺,導致部分項目已經造成地下水回灌不下去,或者系統總體效率降低等問題。

 

  綜上所述,盡早查明渭南城區淺層地熱能的分布規律,完成淺層地熱能開發利用規劃顯得非常迫切。本文通過適宜分區評價體系對渭南城區淺層地熱能適宜性進行分區,對該市淺層地熱能開發利用提供了科學的理論指導,對淺層地熱能這一新型能源的具體應用提供了寶貴的實踐經驗,對渭南城區能耗結構的改善提供了積極的理論意義,對國家節能減排戰略目標的實現具有巨大的推動作用。

 

  1評價方法.

 

  1.1分區目的.

 

  淺層地熱能資源蘊藏在地下巖土體內,其儲藏、運移以及開采利用都受到區域地質、水文地質及工程地質條件等多種因素的影響,在不同區域蘊藏于地下巖土體內的淺層地溫資源規模和利用方式存在較大差異。地層巖性、厚度、含水層結構、富水性、水位埋深、補給徑流條件等是制約淺層地熱能賦存分布及可利用性的主要因素。只有在淺層地熱能資源開發利用方式適宜性區劃的基礎上,才能進一步進行資源量計算和資源潛力評價。因此,對淺層地熱能開發利用適宜性進行分區是淺層地熱能資源勘查評價的前提,可以為淺層地熱能利用方式的選擇、開發利用規劃及政府管理提供可靠的依據。

 

  1.2分區原則.

 

  淺層地熱能開發利用方式適宜性區劃的原則以工程地質條件為基礎,水文地質條件為依托,熱泵應用技術作為媒介,經濟效益與環境保護并重,平面劃分與垂向控制結合。

 

  1.2.1 工程地質條件為基礎原則.

 

  淺層地熱能資源賦存的基礎條件包括地質條件,巖土體的結構、物質組成熱物理性(熱容量和熱導率)及物理性質等對淺層地熱能資源有重要影響的因素。開發利用適宜性區劃必須堅持以工程地質條件為基礎的原則。

 

  1.2.2水文地質條件為依托原則.

 

  巖土體含水率、含水層分布、水動力條件、地下水徑流特點給能量的賦存和運移創造了有利的條件,地下水質類型對于淺層地熱能資源的開發應用方式也有影響。地下水對淺層地熱能開發利用的控制作用不容忽視,而且水文地質條件決定了地下水地源熱泵系統的回灌能力。開發利用適宜性區劃必須緊緊依托水文地質條件。

 

  地下水地源熱泵對水源的原則要求是:水量充足;地下水地源熱泵系統一般要求溫度為1025。C,渭南城區地下水溫度一般在1524°C之間,水溫適宜;水質適宜,供水穩定,以灌定采,保證回灌率達到100%且提水成本適中。

 

  1.2.3熱泵應用技術是媒介原則.

 

  熱泵技術可實現資源的有效開發利用,目前淺層地熱能資源開發利用主要由地下水地源熱泵和地埋管式地源熱泵兩種形式來實現。

 

  1.2.4經濟效益與環境效益并重原則.

 

  在當前的技術經濟條件下,堅持經濟效益與環境保護并重,選擇經濟效益和環境效益都較好的開發利用方式。

 

  1.2.5 平面劃分與垂向控制結合原則.

 

  主要是指平面上要劃分出適宜性區域,垂向上要控制取熱層位及深度的原則。

 

  1.3分區范圍.

 

  依據渭南市目前的調查進展和實際開發利用情況,兼顧渭南市主城區遠期(2020年)規劃范圍,確定本次工作區范圍:北至西安大環線,東至黃渭高速,南至西潼高速南線,渭河以南西至零河、渭河以北西至渭南行政邊界,面積約278km2。

 

  1.4分區類型.

 

  渭南城區淺層地熱能資源開發利用分區主要指地下水熱泵適宜性分區和地埋管熱泵適宜性分區。

 

  兩者適宜性分區根據工程地質、水文地質條件劃分為適宜區、較適宜區及不適宜區,綜合分區在適宜性和經濟性分區的基礎上進行,在適合地下水熱泵的地區優先選擇地下水熱泵。

 

  1.5分區方法.

 

  本次綜合評價采用綜合指數法。綜合指數法是將一組相同或不同指數值通過統計學處理,使不同計量單位、性質的指標值標準化’最后轉化成一個綜合指數,以準確地評價工作的綜合水平。

 

  對于地下水源熱泵,淺層地熱能適宜性分區主要考慮含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性,地下水溫、水位動態變化,水源地保護、地質災害等因素。主要指標見表1。

 

  表1地下水源熱泵適宜性分區單項指標分區 單位涌水量單位回灌量 地下水位特殊地區(m3/d  m)單位涌水量年下降量(m)適宜區 >500>80%<0.8—3項指標均符合較適宜區 300500 50%80% 0. 81. 5一除適宜區和不適宜區以外的其他地區ny重要水源地保護區、地面~不適宜區 <300<50%>1.5任一項指標符合沉降嚴重區對于地埋管熱泵,淺層地熱能適宜性分區主要考慮巖土體特性、地下水的分布和滲流情況、地下空間利用等因素。豎直地埋管熱泵適宜分區主要指標見表2。

 

  表2豎直地埋管熱泵適宜性分區分區指標(地表以下200m范圍內)分區第四系厚度(m) 卵石層總厚度(m) 含水層總厚度(m)適宜區>100<5>30三項指標均應滿足較適宜區 <30或5010051010-30不符合適宜區和不適宜區分區條件不適宜區3050>10<10至少二項指標符合1.6分區實例根據上述分區體系,應用MapGIS6. 7軟件,結合渭南城區地形地貌條件、水文地質條件以及試驗數據等資料,劃分出適宜性分區界限,采用編輯子系統拓補查錯和拓補重建及圖面整飾等工作,從而分別得到地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統的適宜性分區評價圖(圖1、圖2)。

 

  2.1地下水地源熱泵系統適宜性劃分.

 

  渭南城區地下水地源熱泵系統適宜性可劃分為3個區(圖1)。由圖可知,適宜性的劃分與水文地質特征的差異密切相關。

 

  地下水地源熱泵適宜區分布于渭南城區北部河漫灘等強富水帶地區,這些地區地層巖性上部為粉質砂土,疏松,孔隙發育,具微層理,偶見瓦礫碎片;下部為含礫中粗砂。地層導水性好,單井出水量都在500m3/d  m以上,且地下水埋深適中,單井回灌水量比單位涌水量大于80%,適宜地下水抽灌,多年平均水位下降量小于0. 8m,為采用地下水地源熱泵系統的適宜區,適宜區面積為113. 7km2,占調查區總面積的40.9%。

 

  地下水地源熱泵較適宜分布于渭河兩側一級階地處。地層巖性上部主要為淺黃色、棕黃色砂質黏土,孔隙發育,疏松可塑;下部巖性主要是中粗砂和砂礫石夾砂質黏土層。該地段地下水的抽灌條件相對較好,為采用地下水地源熱泵系統的較適宜區,較適宜區面積為116. 90km2,占調查區總面積的42. 05%。

 

  地下水地源熱泵不適宜區一部分分布于調查區南部渭河二級階地及黃土塬區,本區富水性較差,二級階地頂部為一層砂質黏土,連續性好,層位穩定,透水性弱,也不適宜開展地下水地源熱泵工程;另一部分為渭河南岸一級階地和漫灘處的白楊、羅劉和東郊3個水源及渭河北岸一級階地范圍內的龍背水源地,不適宜區面積為47. 40km2,占調査區總面積的17.05%。

 

  2.2地埋管地源熱泵系統適宜性劃分渭南城區地埋管熱泵經濟性劃分為3個區(圖2)。由圖可知,適宜性的劃分與巖土體的熱物理性和水文地質特征密切相關。

 

  調査區第四系地層廣布。第四紀早更新世晚期,黃土臺塬地區相對提升,露出湖面,堆積了后期的風成黃土。第四紀中更新世早期,臺塬以北仍繼續沉降,并伴有淺湖相沉積。中更新世晚期至近代,總的趨勢仍以下沉為主,但其沉降速度與幅度均較第四紀中更新世早期以前大大減弱,且沉降在時空上具差異性,呈不均勻運動。渭河形成于中更新世晚期,主槽擺動于現今主河床附近,巖性、巖相則隨之變異;近主河道以粗粒物質為主,且厚度大;遠主河道則細粒相物質較多。由于沉降幅度越來越小,因此,第四紀中更新世之后各期沉積物厚度依次漸薄。

 

  地埋管地源熱泵適宜區分布于調查區南部二級階地處。本區第四紀地層厚度大,表層為晚更新世風積黃土層,很適合地埋管地源熱泵工程建設,該區域為地埋管地源熱泵適宜區。地埋管地源熱泵適宜區總面積為20. 94km2,占調查區面積的7.53%。

 

  地埋管地源熱泵較適宜區分布于調查區內渭河兩岸河漫灘及一級階地等地。上部為粉質砂土,淺黃色、灰黃色,疏松,孔隙發育,具微層理,偶見瓦礫碎片;中部為含礫中粗砂,灰黃色、褐黃色,成分以石英、長石為主,粒度不均,分選性較差,礫石成分主要是石英巖、花崗巖,偶見鈣質結核小礫,礫石直徑一般為0.30.5cm,大者9cm,圓度較好。下部巖性主要為砂質黏土。該區域綜合傳熱系數較高,單孔換熱功率較大,鉆孔施工難度相對較容易,該地段為地埋管地源熱泵較適宜區。地埋管地源熱泵較適宜區面積為237. 98km2,占調查區面積的85.61%。

 

  地埋管地源熱泵不適宜區分布調查區中南部和西南部一級階地處,上部地層為零河、沈河等第四紀全新世晚期洪積層,第四系厚度薄,卵石層總厚度大,分選性差,常見有磚、瓦碎片及腐殖物。這些區域為地埋管地源熱泵不適宜區。地埋管地源熱泵不適宜區面積為19. 08km2,占調查區面積的6.86%。

 

  2.3渭南城區淺層地熱能利用形式綜合區劃.

 

  以地下水和地埋管地源熱泵適宜性分區為基礎,疊加圖層形成淺層地熱能開發利用適宜性分區圖。

 

  對渭南城區淺層地熱能開發利用,地埋管地源熱泵或地下水地源熱泵的適宜區及較適宜區面積為258. 92km2,占調査區總面積的93.14%。地下水和地埋管都不適宜區的面積為19. 08km2,占調査區面積的6.86%。

 

  結合地下水與地埋管地源熱泵適宜性分區圖可以看出,地埋管熱泵較適宜級別及以上區域主要分布在第四系堆積物厚度較大的區域,這是由于現代鉆井技術的提高使得鉆探成本降低,且具有易施工、進尺快、熱傳導性高等優點。地下水熱泵較適宜以上區域主要分布在較大的沖積湖積平原,另有少量分布在沖積洪積河谷地帶,這些地帶富水性好,回灌能力強,水文地質條件良好。地下水熱泵適宜區與地埋管熱泵適宜區空間上并不是重疊關系,具有一定的互補性。

 

  3結論.

 

  淺層地熱能開發利用適宜性分區是資源調查評價工作的主要內容,根據渭南城區工程地質、水文地質等分區條件,地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統的適宜性分為:適宜區、較適宜區和不適宜區。在地質條件適宜區優先選擇地下水源熱泵系統,在不適宜利用地下水的區域優先選擇地埋管熱泵系統,鼓勵新建或改建的公共建筑、居民樓、農村集中建設的住宅采用淺層地熱能,政府投資的公益性項目優先利用淺層地熱能。

 

  淺層地熱能開發利用適宜性分區的主要依據是資源賦存的地質條件和水文條件。利用指標法確定渭南城區淺層地熱能適宜性分區,評價結果科學準確,能客觀反映評價區開發利用適宜性特征,為渭南城區淺層地熱能的合理開發利用提供了科學依據和支持,對淺層地熱能這一新型能源的具體應用提供了寶貴的實踐經驗,對渭南城區能耗結構的改善和國家節能減排的戰略目標的實現具有巨大的推動作用。