安徽省六安市城区浅层地热能开发利用适宜性评价研究

城市及其周边由于建筑物密集，人口密度大，加之城市化进程的纵深推进，城市发展对能源的需求与日俱增，发展城市地区浅层地热能，减少化石能源的使用，拓宽城市地区浅层地热能市场已是大势所趋，通过对焦作市浅层地热能的赋存条件和分布规律进行分析，评价了焦作市浅层地热能资源量，对浅层地热能开发利用适宜区进行了划分，并提出合理开发、可持续利用浅层地热能的建议；在浅层地热能开发利用适宜性评价领域，区内适宜采用地埋管地源热泵系统开发利用浅层地热能；选取含水层富水性、补给模数、地下水开采潜力、含水层岩性、地下水位埋深、含水层回灌能力、矿化度、总硬度和地下水的腐蚀性共9个要素指标进行赋值计算，对漯河市浅层地热能开发利用适宜性评价分析；为了解决鲁北平原区农村冬季清洁供暖问题，总结了鲁北平原区内4个水文地质勘探孔抽水试验与回灌试验成果，对区内地下咸水浅层地热能开发利用条件进行研究和分析；这些研究成果为浅层地热能的开发利用提供了科学依据。

本文以安徽省六安市城区为例，综合调查区内浅层地热能、地质钻探、岩土热响应室内测试及现场试验、地温场监测和水质分析等基础资料，为日后城市基建、浅层地热能的开发和利用提供理论基础和实践依据。

1 浅层地温场分布特征

采用测量水温的方式测量地温，测量数据精确到0.1℃。利用安徽省地质环境监测总站地下水动态监测孔及岩土现场热响应试验孔进行1个气候年的地温动态监测，分析天然地温场在空间、时间上的变化规律。

1.1 地温场垂向分布特征

受岩石和土体导热系数的影响，地温无时无刻不在变化，地球内部热量主要控制着恒温带以下的地温。在200 m以浅范围，地温场随着深度的增加，可分为变温带、恒温带和增温带。据本次地温监测资料，选取能代表区内环境地质特征的，且地温测量稳定的LDW01监测孔，总结地温场垂向变化特征，见图1。

变温带：该层地下3.5 m处年最高温度21.5℃，最低温度13.8℃，变化幅度7.7℃；地下5 m处年最高温度20.1℃，最低温度16.2℃，变化幅度3.9℃。区内变温带下限深度9～13 m。

恒温带：该层热能相对平衡，温度一般18.1～18.5℃，恒温带上限埋深9～11 m，下限深度19～45 m，厚8～26 m。

增温带：研究区增温带上限深度为19～44 m，其下由浅至深温度逐渐增加为增温带，平均增温率为1.4℃·（100 m)-1。

1.2 地温场平面分布特征

研究区在平面上地层岩性及结构和地下水动力等地质条件存在明显差异，其地温场特征也有所迥异。恒温带平面分布特征的划分主要依据区内13个地温监测孔的实测地温数据，结合浅层地热能综合调查、岩土现场热响应试验和本地城区年平均气温资料而综合确定。区内西侧位于淠河周边，恒温带上限深度小于东侧区域，上限深度一般9～17 m；东侧及中部地区，恒温带上限深度约为21 m；区内中心城区及东部地带恒温带平均温度大于17.6℃，北侧地带恒温带平均温度小于17.3℃，剩余部分大范围地区恒温带平均温度为17.3～17.6℃。恒温带厚度约9～25 m。

 图1 研究区内变温带地温垂向变化图

2 评价方法研究

适宜性评价分析方法有很多，目前广泛应用的有综合指数法、层次分析法、权重分析法、专家打分法、主成分分析法以及系统动力学法。此外，上述分析方法并非独立参与评价的，往往是将上述两种及两种以上的方法互相结合，构建指标体系后再使用。

研究区适宜性分析主要为地源型（地埋管）开发利用方式，选取安徽省六安市城区，采用层次分析法综合确定各评价因子的权重值，运用综合指数法进行量化分析，借助MapGIS软件实现六安市城区浅层地热能开发利用适宜性分析的可视化。

2.1 构建评价体系

适宜性划分层次结构模型：根据层次结构，建立开发利用适宜性划分层次结构模型。

要素层共有9项指标。1）第四系厚度：区内第四系为较固结及固结类地层，第四系松散层厚度小于35 m，统一划分为单一基岩地层结构。2）地下水水位：区内松散岩类孔隙水埋深多为1.9～3.0 m，承压水埋深多为2.0～4.1 m；碎屑岩类孔隙裂隙潜水单井涌水量10～100 m3·d-1，承压水单井涌水量10～100 m3·d-1，含水层顶板埋深小于100 m。3）地下水径流条件：区内地下水径流条件主要体现在地下水的径流强度，即单位时间内通过单位过水断面的水量——渗透速度来表征，计算公式为：渗流速度=水力梯度×岩土体渗流系数。4）地下水水质：区内松散岩和碎屑岩类孔隙水及承压水水质均较好，均为HCO3-Ca·Na型，溶解性总固体小于1 g·L-1。5）地层岩性：区内地层属华北地层大区淮河地层小区，根据浅层地热能开发利用特点，结合安徽省地质条件，区内地层岩性主要划分为松散岩类、半固结及固结岩类地层。6）钻进条件：岩类较松散，利于钻进；岩类固结坚硬，不利于钻进。按照区内较固结及固结岩类评价钻进条件，可将地层岩性固结程度分为两大类别。其一是新生界第三系及中生界白垩系的较固结地层，其二是中生界侏罗系的固结岩类地层。7）城市功能分区：分为城市地区土地现状和城市周边土地两部分，描绘出城市地区功能分区范围。8）地层热传导系数：结合区内地质条件，地层综合热导系数可分为松散岩类和固结岩类。9）地层比热容：评价方法与综合热导率相同。

研究区内恒温带平面分布特征图

3 适宜性评价结果

3.1 分区方法

通过上述网格剖分（1 000 m×1 000 m网格）及对每个网格进行赋值，运用综合指数法将所得赋值与其相对应的权重值相乘后求和，可得到各网格点分值。根据分值确定适宜性分区划分标准，划分出不同的适宜性分区。

3.2 分区评价结果

综上所述，研究区内适宜性评价主要为地埋管地源热泵开发利用方式，分区划分标准为：分值在0～5范围内为不适宜区，>5～7范围内为较适宜区，>7～9范围内为适宜区。

适宜区：区内无分布。

较适宜区：主要分为2种类型。1）较固结岩类：主要分布在区内中、西部地区，第四系松散层厚度小于35 m，下伏地层为下新生界第三系及中生界白垩系细砂岩、粉砂岩、泥岩；2）固结岩类亚区：主要分布在区内东、东南部地区，第四系松散层厚度小于10 m，下伏地层为中生界侏罗系砂岩、砾岩及中细砂岩夹粉砂岩。

不适宜区：分布于区内三十里铺局部地区，范围较小。为高丘地貌，开发利用适宜性较差。

 地源型（地埋管）开发利用适宜性分区评价图

4 结论

安徽省六安市城区浅层地热能地源型（地埋管）开发利用适宜性划分为较适宜区和不适宜性区两种类型。其中较适宜区面积共519.96 km2，占评价区总面积的92.85%；不适宜区面积共40.04 km2，占评价区总面积的7.15%。因此，六安市城区大部分范围内均适宜地源型（地埋管）地热的开发利用。

在建立评价体系过程中未考虑城市地质灾害因素，在以后的工作和实践中应详细调查地面沉降、裂缝城市地质灾害，完善评价体系。