渭南城区浅层地热能适宜性评价研究

  可再生的新型环保能源浅层地热能开发利用前景广阔。根据区域工程地质、水文地质条件等因素,分别建立地下水热泵和地埋管热泵适宜分区评价体系,进而对渭南城区浅层地热能适宜性分区进行综合评价。渭南地下水热泵和地埋管热泵适宜性分区根据工程地质和水文地质等条件划分为适宜区、较适宜区及不适宜区,综合分区在两者的适宜性分区的基础上进行,在适合地下水热泵的地区优先选择地下水热泵。该方法旨在为渭南城区浅层地热能的开发利用提供科学依据和支持,对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的意义。

 

  0引言.

 

  在能源短缺和环境污染的双层压力下,浅层地热能作为一种清洁可再生的新能源以其强大的生命力和竞争力日益受到国家和地方政府的重视。中国地质调查局组织实施了 2011年地质矿产调査评价专项“全国地热资源调查评价”计划项目,确定在全国29个省会城市开展浅层地热能调查评价工作,但渭南城区的浅层地热能评价工作至今仍是空白。

 

  近年来,一些企业、单位先后在关中和陕南地区开发利用浅层地热能。通过了解近几年使用情况,总体效果良好但绝大多数分布在西安、汉中和宝鸡等地,渭南的浅层地热能开发程度较低,开发潜力巨大。

 

  目前的浅层地热能工程多是由企业自发、自觉组织,工程施工前期的水源方案论证或浅层地热能利用可行性的研究工作不扎实,地热能平衡、水量均衡研究欠缺,导致部分项目已经造成地下水回灌不下去,或者系统总体效率降低等问题。

 

  综上所述,尽早查明渭南城区浅层地热能的分布规律,完成浅层地热能开发利用规划显得非常迫切。本文通过适宜分区评价体系对渭南城区浅层地热能适宜性进行分区,对该市浅层地热能开发利用提供了科学的理论指导,对浅层地热能这一新型能源的具体应用提供了宝贵的实践经验,对渭南城区能耗结构的改善提供了积极的理论意义,对国家节能减排战略目标的实现具有巨大的推动作用。

 

  1评价方法.

 

  1.1分区目的.

 

  浅层地热能资源蕴藏在地下岩土体内,其储藏、运移以及开采利用都受到区域地质、水文地质及工程地质条件等多种因素的影响,在不同区域蕴藏于地下岩土体内的浅层地温资源规模和利用方式存在较大差异。地层岩性、厚度、含水层结构、富水性、水位埋深、补给径流条件等是制约浅层地热能赋存分布及可利用性的主要因素。只有在浅层地热能资源开发利用方式适宜性区划的基础上,才能进一步进行资源量计算和资源潜力评价。因此,对浅层地热能开发利用适宜性进行分区是浅层地热能资源勘查评价的前提,可以为浅层地热能利用方式的选择、开发利用规划及政府管理提供可靠的依据。

 

  1.2分区原则.

 

  浅层地热能开发利用方式适宜性区划的原则以工程地质条件为基础,水文地质条件为依托,热泵应用技术作为媒介,经济效益与环境保护并重,平面划分与垂向控制结合。

 

  1.2.1 工程地质条件为基础原则.

 

  浅层地热能资源赋存的基础条件包括地质条件,岩土体的结构、物质组成热物理性(热容量和热导率)及物理性质等对浅层地热能资源有重要影响的因素。开发利用适宜性区划必须坚持以工程地质条件为基础的原则。

 

  1.2.2水文地质条件为依托原则.

 

  岩土体含水率、含水层分布、水动力条件、地下水径流特点给能量的赋存和运移创造了有利的条件,地下水质类型对于浅层地热能资源的开发应用方式也有影响。地下水对浅层地热能开发利用的控制作用不容忽视,而且水文地质条件决定了地下水地源热泵系统的回灌能力。开发利用适宜性区划必须紧紧依托水文地质条件。

 

  地下水地源热泵对水源的原则要求是:水量充足;地下水地源热泵系统一般要求温度为1025。C,渭南城区地下水温度一般在1524°C之间,水温适宜;水质适宜,供水稳定,以灌定采,保证回灌率达到100%且提水成本适中。

 

  1.2.3热泵应用技术是媒介原则.

 

  热泵技术可实现资源的有效开发利用,目前浅层地热能资源开发利用主要由地下水地源热泵和地埋管式地源热泵两种形式来实现。

 

  1.2.4经济效益与环境效益并重原则.

 

  在当前的技术经济条件下,坚持经济效益与环境保护并重,选择经济效益和环境效益都较好的开发利用方式。

 

  1.2.5 平面划分与垂向控制结合原则.

 

  主要是指平面上要划分出适宜性区域,垂向上要控制取热层位及深度的原则。

 

  1.3分区范围.

 

  依据渭南市目前的调查进展和实际开发利用情况,兼顾渭南市主城区远期(2020年)规划范围,确定本次工作区范围:北至西安大环线,东至黄渭高速,南至西潼高速南线,渭河以南西至零河、渭河以北西至渭南行政边界,面积约278km2。

 

  1.4分区类型.

 

  渭南城区浅层地热能资源开发利用分区主要指地下水热泵适宜性分区和地埋管热泵适宜性分区。

 

  两者适宜性分区根据工程地质、水文地质条件划分为适宜区、较适宜区及不适宜区,综合分区在适宜性和经济性分区的基础上进行,在适合地下水热泵的地区优先选择地下水热泵。

 

  1.5分区方法.

 

  本次综合评价采用综合指数法。综合指数法是将一组相同或不同指数值通过统计学处理,使不同计量单位、性质的指标值标准化’最后转化成一个综合指数,以准确地评价工作的综合水平。

 

  对于地下水源热泵,浅层地热能适宜性分区主要考虑含水层岩性、分布、埋深、厚度、富水性、渗透性,地下水温、水位动态变化,水源地保护、地质灾害等因素。主要指标见表1。

 

  表1地下水源热泵适宜性分区单项指标分区 单位涌水量单位回灌量 地下水位特殊地区(m3/d  m)单位涌水量年下降量(m)适宜区 >500>80%<0.8—3项指标均符合较适宜区 300500 50%80% 0. 81. 5一除适宜区和不适宜区以外的其他地区ny重要水源地保护区、地面~不适宜区 <300<50%>1.5任一项指标符合沉降严重区对于地埋管热泵,浅层地热能适宜性分区主要考虑岩土体特性、地下水的分布和渗流情况、地下空间利用等因素。竖直地埋管热泵适宜分区主要指标见表2。

 

  表2竖直地埋管热泵适宜性分区分区指标(地表以下200m范围内)分区第四系厚度(m) 卵石层总厚度(m) 含水层总厚度(m)适宜区>100<5>30三项指标均应满足较适宜区 <30或5010051010-30不符合适宜区和不适宜区分区条件不适宜区3050>10<10至少二项指标符合1.6分区实例根据上述分区体系,应用MapGIS6. 7软件,结合渭南城区地形地貌条件、水文地质条件以及试验数据等资料,划分出适宜性分区界限,采用编辑子系统拓补查错和拓补重建及图面整饰等工作,从而分别得到地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统的适宜性分区评价图(图1、图2)。

 

  2.1地下水地源热泵系统适宜性划分.

 

  渭南城区地下水地源热泵系统适宜性可划分为3个区(图1)。由图可知,适宜性的划分与水文地质特征的差异密切相关。

 

  地下水地源热泵适宜区分布于渭南城区北部河漫滩等强富水带地区,这些地区地层岩性上部为粉质砂土,疏松,孔隙发育,具微层理,偶见瓦砾碎片;下部为含砾中粗砂。地层导水性好,单井出水量都在500m3/d  m以上,且地下水埋深适中,单井回灌水量比单位涌水量大于80%,适宜地下水抽灌,多年平均水位下降量小于0. 8m,为采用地下水地源热泵系统的适宜区,适宜区面积为113. 7km2,占调查区总面积的40.9%。

 

  地下水地源热泵较适宜分布于渭河两侧一级阶地处。地层岩性上部主要为浅黄色、棕黄色砂质黏土,孔隙发育,疏松可塑;下部岩性主要是中粗砂和砂砾石夹砂质黏土层。该地段地下水的抽灌条件相对较好,为采用地下水地源热泵系统的较适宜区,较适宜区面积为116. 90km2,占调查区总面积的42. 05%。

 

  地下水地源热泵不适宜区一部分分布于调查区南部渭河二级阶地及黄土塬区,本区富水性较差,二级阶地顶部为一层砂质黏土,连续性好,层位稳定,透水性弱,也不适宜开展地下水地源热泵工程;另一部分为渭河南岸一级阶地和漫滩处的白杨、罗刘和东郊3个水源及渭河北岸一级阶地范围内的龙背水源地,不适宜区面积为47. 40km2,占调査区总面积的17.05%。

 

  2.2地埋管地源热泵系统适宜性划分渭南城区地埋管热泵经济性划分为3个区(图2)。由图可知,适宜性的划分与岩土体的热物理性和水文地质特征密切相关。

 

  调査区第四系地层广布。第四纪早更新世晚期,黄土台塬地区相对提升,露出湖面,堆积了后期的风成黄土。第四纪中更新世早期,台塬以北仍继续沉降,并伴有浅湖相沉积。中更新世晚期至近代,总的趋势仍以下沉为主,但其沉降速度与幅度均较第四纪中更新世早期以前大大减弱,且沉降在时空上具差异性,呈不均匀运动。渭河形成于中更新世晚期,主槽摆动于现今主河床附近,岩性、岩相则随之变异;近主河道以粗粒物质为主,且厚度大;远主河道则细粒相物质较多。由于沉降幅度越来越小,因此,第四纪中更新世之后各期沉积物厚度依次渐薄。

 

  地埋管地源热泵适宜区分布于调查区南部二级阶地处。本区第四纪地层厚度大,表层为晚更新世风积黄土层,很适合地埋管地源热泵工程建设,该区域为地埋管地源热泵适宜区。地埋管地源热泵适宜区总面积为20. 94km2,占调查区面积的7.53%。

 

  地埋管地源热泵较适宜区分布于调查区内渭河两岸河漫滩及一级阶地等地。上部为粉质砂土,浅黄色、灰黄色,疏松,孔隙发育,具微层理,偶见瓦砾碎片;中部为含砾中粗砂,灰黄色、褐黄色,成分以石英、长石为主,粒度不均,分选性较差,砾石成分主要是石英岩、花岗岩,偶见钙质结核小砾,砾石直径一般为0.30.5cm,大者9cm,圆度较好。下部岩性主要为砂质黏土。该区域综合传热系数较高,单孔换热功率较大,钻孔施工难度相对较容易,该地段为地埋管地源热泵较适宜区。地埋管地源热泵较适宜区面积为237. 98km2,占调查区面积的85.61%。

 

  地埋管地源热泵不适宜区分布调查区中南部和西南部一级阶地处,上部地层为零河、沈河等第四纪全新世晚期洪积层,第四系厚度薄,卵石层总厚度大,分选性差,常见有砖、瓦碎片及腐殖物。这些区域为地埋管地源热泵不适宜区。地埋管地源热泵不适宜区面积为19. 08km2,占调查区面积的6.86%。

 

  2.3渭南城区浅层地热能利用形式综合区划.

 

  以地下水和地埋管地源热泵适宜性分区为基础,叠加图层形成浅层地热能开发利用适宜性分区图。

 

  对渭南城区浅层地热能开发利用,地埋管地源热泵或地下水地源热泵的适宜区及较适宜区面积为258. 92km2,占调査区总面积的93.14%。地下水和地埋管都不适宜区的面积为19. 08km2,占调査区面积的6.86%。

 

  结合地下水与地埋管地源热泵适宜性分区图可以看出,地埋管热泵较适宜级别及以上区域主要分布在第四系堆积物厚度较大的区域,这是由于现代钻井技术的提高使得钻探成本降低,且具有易施工、进尺快、热传导性高等优点。地下水热泵较适宜以上区域主要分布在较大的冲积湖积平原,另有少量分布在冲积洪积河谷地带,这些地带富水性好,回灌能力强,水文地质条件良好。地下水热泵适宜区与地埋管热泵适宜区空间上并不是重叠关系,具有一定的互补性。

 

  3结论.

 

  浅层地热能开发利用适宜性分区是资源调查评价工作的主要内容,根据渭南城区工程地质、水文地质等分区条件,地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统的适宜性分为:适宜区、较适宜区和不适宜区。在地质条件适宜区优先选择地下水源热泵系统,在不适宜利用地下水的区域优先选择地埋管热泵系统,鼓励新建或改建的公共建筑、居民楼、农村集中建设的住宅采用浅层地热能,政府投资的公益性项目优先利用浅层地热能。

 

  浅层地热能开发利用适宜性分区的主要依据是资源赋存的地质条件和水文条件。利用指标法确定渭南城区浅层地热能适宜性分区,评价结果科学准确,能客观反映评价区开发利用适宜性特征,为渭南城区浅层地热能的合理开发利用提供了科学依据和支持,对浅层地热能这一新型能源的具体应用提供了宝贵的实践经验,对渭南城区能耗结构的改善和国家节能减排的战略目标的实现具有巨大的推动作用。