长沙浅层地热研究区试验结果与地质构造讨论

  浅层地质和水文地质条件分析

 

  区域地质、水文地质和地热地质条件决定了浅层地热能开发利用的方式和规模。根据地层岩体水平、垂向结构变化特征，将研究区分为8个子区（图3）。考虑钻探施工流程及工艺，地层组合简单的区域浅层地温能开发利用成本较低。

 

  研究区内地下水分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水、红层孔隙裂隙水和基岩裂隙水四大类型。降水是其主要补给来源。

 

  水样分析结果表明各类地下水的理化性质相似。水温在18.0～20.0 ℃之间，主要呈弱酸性；矿化度介于49～1 043 mg/L。水化学类型以HCO3-Ca 型和 HCO3-Ca·Mg 型为主。研究区西北部星城镇、东部捞刀河沿岸以及南部大托铺的第四系松散孔隙水部分水样中的Cl-、 SO2-4含量较高。

 

  选取星城镇、捞湖垸及大托铺三个富水地段，以一抽一回的方式进行抽水回灌试验。位于捞刀河和浏阳河下游河间的捞湖垸地段，抽水试验单井涌水量可达1 662.3 m?/d，渗透系数可达34.86 m/d。湘江西岸的星城镇富水地段含水层富水性相对较差（表1）。三组试验的回灌率均达到100%，各回灌井水位上升幅度均不大，能满足一个抽水井对应一个回灌井的抽、回灌系统运行要求。

 

  地热地质条件分析

 

  由实测的钻孔地温数据可知，在100 m深度范围内，随着深度增加，各处地温差值由2.2 ℃左右逐渐减小至1.8℃左右。平面上，不同深度的地温高值主要出现在研究区中、东部的平原区。平原区分布有一定厚度的第四系冲积物，而北、西、南部主要分布低山和丘陵。相对而言，较厚的第四系冲积物的保温性能较好，地温较高。以ZK3钻孔的地温剖面为例，地下2 m处的地温与气温接近，随着深度增加，地温逐渐降低。深度10～20 m 之间地温下降速度逐渐减小直至稳定在 19.5 ℃。深度继续增加，地温逐渐上升（图4）。实测长沙地区恒温带深度在20 m左右，温度为19～20 ℃。钻孔地温梯度实测数据中，最小值0.69 ℃/100 m，最大值 2.05 ℃/100m （岩浆岩区），平均值为 1.40 ℃/100 m。长沙位于我国南方地温梯度的低值区，地温梯度明显低于中国南方地区地温梯度平均值 （2.41 ℃/100m）。局部构造是长沙地温梯度的主要控制因素。相对高值点一般沿断裂带分布，如左脚桥—坪田冲压性断裂西北的ZK9（1.90 ℃/100 m）、施家港—天顶关压性断裂与曹家弯—竹山屋断裂间的ZK4（1.74 ℃/100 m）。

 

  将研究区岩土体概化为5类。将热物性测定结果按岩土体类别加权平均，得到研究区内不同岩土体的热物性参数（表2）。岩土体热物性受地层、岩性、构造、地下水、人类环境等多种因素的影响。研究区内热导率高值区集中在湘江以西、捞刀河以北地区，热导率值大于1.92 W/(m·°C)；湘江以东浏阳河沿岸第四系覆盖区以及大托铺地区热导率值较低，小于1.68 W/(m ·°C)。比热容高值区分布于西南部，大于1.09 kJ/(kg·°C)；靳江河—捞湖垸一带为比热容的低值区，小于0.82 kJ/(kg·°C)。长沙地区岩土体相对较高的热导率可导致地温梯度相对较低。

 

  现场热响应试验可以准确获得岩土体的综合热物性参数。采用线热源模型计算各钻孔现场热响应试验数据。导热系数最高点为ZK6、ZK7 钻孔。两孔之间孔距 50 m，第四系厚度相差近24 m。两孔之间产状较陡的断层形成一个局部富水的强径流区，导致两孔出现导热系数、每延米换热功率的高值区。

 

  浅层地热能热容量

 

  基于按岩性结构划分出的8个子区，利用岩土热物性测量和现场热响应试验获得的数据和体积法估算各子区浅层地热能热容量。结果表明，面积最大的I砂岩区浅层地热能储量最高，约1.14×1014kJ/℃，其次为III 板岩区，约 9.12×10的13次方kJ/℃，最低为VI 花岗岩区，约1.65×10的12次方kJ/℃。不同分区浅层地热能储量的差异主要源于面积不同，同时岩体热物性也有影响。

 

  整个研究区包气带浅层地热能热容量约为6.19×10的12次方kJ/℃，饱水带热容量约为3.27×10的14次方kJ/℃，总热容约为3.34×10的14次方kJ/℃。第四系松散岩类覆盖的区域面积占34.2%，浅层地热能储量占34.4%。基岩出露区域面积占65.8%，浅层地热能储量占65.6%。第四系松散岩类沉积物对浅层地热能储量几乎没有影响。这主要是由于研究区内第四系松散沉积物厚度较薄。

  地下水地源热泵适宜性分区

 

  影响地下水地源热泵系统的因素众多，相互作用复杂，共同制约着热泵系统的效率。

 

  进行地下水地源热泵适宜性分区评价必须“因地制宜”地筛选评价指标。本次评价选择供水条件、回灌条件以及水化学条件构建热泵系统适宜性分区评价的指标体系。供水条件直接决定了地下水地源热泵系统能否进行开发，主要考虑富水性、渗透系数和开采潜力3个因素。回灌条件是次重要因素，主要考虑含水层岩性、地下水位埋深等。水化学条件是水质方面的影响因素，选择地下水结垢性、矿化度和腐蚀性作为水化学条件的评价要素。

 

  由层次分析法得到各要素权重如表4所示。对评价结果影响较大的因素包含含水层的富水性、水位埋深、地下水开采潜力、含水层岩性和渗透系数。这几个要素是含水层抽水能力和回灌能力的综合体现，主要决定了一个地区是否适合建设地下水地源热泵。

 

  根据各指标评分及权重，用综合指数法求得各分区综合评价指数，利用ArcGIS软件得到研究区地下水地源热泵适宜性分区图。

 

  评价结果表明，长沙市总体上不适宜开发地下水地源热泵，不适宜区面积占82.3%，较适宜区占 17.7%，没有适宜区。研究区第四系松散层较广，但是厚度不大，一般为20 m左右，最深不过40 m。除了星城镇、捞湖垸、大托铺等几个富水地段外，其他区域第四系含水层富水性较弱。同时，研究区200 m以浅的范围内基岩含水层富水性弱或极弱。因此除靠近河流的部分地区外，研究区不适宜开发地下水地源热泵系统。

 

  地埋管地源热泵适宜性分区

 

  理论上地埋管地源热泵系统的适宜区较广，但需结合考虑施工工艺、技术经济的合理性等实际因素。研究区第四系松散层厚度较小，基岩大片分布。结合土地利用情况，仅考虑垂直地埋管地源热泵适宜性分区。选择水文地质条件、地层属性、施工条件等构建评价指标体系。水文地质条件方面主要考虑地下水水位、地下水流动条件、地下水水质3个因素。地层是地埋管地源热泵系统的载体，具有较大影响，主要考虑地层岩性、岩体的热传导率和比热容等因素。施工条件主要考虑城市覆盖情况及钻井难易程度两个因素。

 

  由层次分析法得到各要素权重如表5所示。对地埋管地源热泵的评价结果影响较大的因素包括地层岩性、钻井条件、地层岩体导热率，而水文地质条件的影响相对较小。

 

  长沙第四系松散层在200 m以浅的三维空间内所占的比例远小于基岩。因此，对以富水性较弱、径流条件较差的基岩为主要载体的浅层地热能开发而言，地层属性和施工条件在要素指标权重值中占主导地位。

 

  评价结果表明，长沙市适宜开发地埋管地源热泵，适宜区面积占62.6%，较适宜区占 33.9%，不适宜区仅占 3.5% 。

 

  相对于第四系分布较广、厚度较大的天津、北京、郑州等城市，长沙第四系松散层厚度较薄且以高导热率的基岩为主，使得研究区相对适宜建设地埋管地源热泵系统。

 

  地源热泵系统换热功率

 

  利用岩土热物性和现场热响应试验数据估算地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区的换热功率。冬、夏两季地埋管内流体平均温度分别取10和35 ℃，换热功率估算结果如表6所示。冬、夏两季换热功率分别为1.25×10的7和1.66×10的7kW。研究区地源热泵系统在夏季可利用的温差较冬季高，所以夏季换热功率比冬季高。捞刀河—浏阳河沿岸适宜区、长沙县较适宜区和咸嘉湖—后湖较适宜区等夏季换热功率较冬季高38%左右，差异最大。丁字乡较适宜区夏季换热功率较冬季高21%左右，差异最小。不同子区内的差异主要来源于岩土体温度的差异。

 

  浅层地热能资源潜力

 

  利用地埋管地源热泵系统开发长沙浅层地热能的潜力评估结果如图6所示。总体上，长沙市浅层地热能的开发潜力在夏季为(4.22±0.31)×10的5次方m2/km2，在冬季为(3.82±0.17)×10的5次方m2/km2。不同区域之间浅层地热能资源潜力存在一定的差异。夏季浅层地热能资源潜力最大的区域是咸嘉湖—后湖较适宜区，达4.59×105m2/km2；最小的区域是湘江西适宜区，为3.84×105m2/km2。冬季浅层地热能资源潜力最大区域是圭塘河较适宜区，达4.00×10的5次方m2/km2；最小的区域是湘江西适宜区，为3.49×10的5次方m2/km2。按夏、冬两季浅层地热能资源潜力总和排序，咸嘉湖—后湖较适宜区和圭塘河较适宜区分列前两名，而大托铺适宜区和湘江西适宜区排最后两名。可见，浅层地热能开发利用的适宜区域不一定是资源潜力最大的区域。

 

  浅层地热能开发的经济效益和环境效益

 

  开发浅层地热能有巨大的经济、环境效益。浅层地热能开发利用的经济效益可从地源热泵空调系统在能源和资金节约量两个方面，采用类比标准煤的方法进行折算。

 

  结果表明，长沙浅层地热能开发利用可节省标准煤1.21×10的7次方t/a，节约资金约 85.0 亿元。研究区浅层地热能资源开发的经济效益较好，主要源于：可利用温差大，空调利用时间长。目前长沙市的能源消费以煤炭和电力为主，煤炭消费占能源消费总量的比重过高。开发浅层地热能可大大减少长沙的能源消费量，提高能源效率，同时节约的资金达2012年GDP 的 1.3%。

 

  浅层地热能的开发利用可减少化石能源使用带来的环境污染。根据相关规范估算长沙市浅层地热能开发1 a相当节煤量所对应的减排量。SO2和NOx是长沙大气中的主要污染物，也是形成酸雨的主要物质。长沙市开发利用浅层地热能可以减少SO2、NOx和粉尘排放量约3.75×10的5次方t/a。这有利于改善愈发严重的大气污染。浅层地热能的开发利用尤其可以减少温室气体CO2的排放，减排量约2.89×10的7次方t/a，有利于减缓我国碳排放的增长趋势。此外，浅层地热能的开发利用还可节省环境治理费用总计约33.7亿元。

 

  我国在“十一五”规划中提出节能减排具体目标，“十二五”规划又指出树立绿色、低碳发展理念。上述结果表明大力发展浅层地热能具有明显的经济、环境效益，有利于实现节能减排和低碳发展。

 

  1） 长沙浅层地温梯度实测数据介于 0.69 ℃/100 m～1.98 ℃/100 m，平均值为1.40℃/100 m，低于中国南方地区地温梯度平均值。

 

  2）长沙市浅层地热能的总资源量为 3.34×10的14次方kJ/℃。由于厚度较薄，第四系松散岩类沉积物对浅层地热能储量几乎没有影响。

 

  3）长沙第四系松散层厚度一般仅 20 m 左右，而 200 m 以浅广泛分布砂岩、泥岩、板岩、花岗岩、碳酸盐岩等基岩，且基岩导热率较高，富水性为弱或极弱。由此，长沙相对适宜建设地埋管地源热泵系统。

 

  4）地埋管地源热泵系统的适宜区面积占 62.6%，较适宜区面积为占 33.9%；地下水地源热泵系统没有适宜区，较适宜区占17.7%。地下水地源热泵的较适宜区域全部为地埋管地源热泵的适宜区。除了市中心建城区和工程地质条件较差的岳麓山外均为地埋管地源热泵系统适宜区、较适宜区。仅靠近河流的部分地区较适宜建设地下水地源热泵系统。

 

  5）地埋管地源热泵系统可利用的浅层地热能资源总量达 3.55×10的14次方kJ/a，约相当于浅层地层温度变化±1 ℃吸收或放出的热量。地埋管地源热泵系统冬季换热功率为1.25×10的7次方kW，夏季换热功率达 1.66×10的7次方kW；开发潜力在夏季为(4.22±0.31)×10的5次方m2/km2，在冬季为(3.82±0.17)×10的5次方m2/km2。

 

  6）由于可利用温差大且空调利用时间长，在长沙开发浅层地热能有较好的经济和环境效益。据估算，开发浅层地热能可节省标准煤1.21×10的7次方t/a，并减少 CO2和大气污染物排放。