浅层地温能资源调查研究

浅层地温能资源调查研究浅层地温能资源调查研究 2014/09/24 重庆建筑杂志2014年第八期1浅层地温能分布特点和赋存条件1.1重点研究区地下水水位动态特征（1）地下水水位动态特征：基岩裂隙水的露头主要是民和泉水，民井水位埋深随地形而异，一般在50m以内，由于大气降雨和稻田水补给，动态明显随季节变化，一般夏秋初冬季节降雨较充沛，民井水位埋深浅，大部分可溢出井口，水量增大，冬末初春及伏旱时期地下水位显著降低约23m，水量也大减。（2）钻孔地下水水位监测及水量：主城区内18个钻孔深度在80-120m，终孔口径130mm；在完成每个钻探孔之后，进行水位监测得到普遍在520m左右，并对悦来、华岩镇和鸳鸯镇3个位置钻孔进行了为期一年的水位监测，地下水水位总体变化不大，根据季节、地下水补给量的不同地下水水位在05m之间浮动。因此可以认为，主城区内地下水水位普遍较为稳定。根据抽水试验成果得到18个钻孔日出水量大多在100m3以内，其中双凤桥、双龙湖、龙兴镇、华岩镇、鱼洞镇钻孔日出水量不足一吨，这主要是由重庆地区地下水特点决定的，重庆属基岩山区，主要以基岩裂隙水、岩溶水为主，地下水分布不均，补给很不均衡。1.2岩土体物理性质特征通过对重庆市各地区272组岩石样品的天然含水率、颗粒密度、孔隙率、吸水率、单轴抗压强度等物理性质进行室内测试，可以看出：（1）颗粒密度基本一致，在2.7g/cm3左右。（2）灰岩的孔隙率大多在1.43%，砂岩、泥岩的孔隙率在710%。（3）灰岩的天然含水率比砂岩、泥岩、页岩低。（4）灰岩的吸水率在0.10.7%，砂岩、泥岩的吸水率在24%。（5）不同岩性的单轴抗压强度差异较大。1.3岩土体热物理性质特征岩土体的传热性能取决于岩土体的热导率、热扩散系数和比热容等，该次研究收集了237组测试数据，部分有代表性的勘探点岩土体热物理性质见表1。从测试分析看出，不同岩性的热导率相差较大，其中泥岩页岩砂岩灰岩；不同岩性的热扩散系数相差较大，其中泥岩砂岩页岩灰岩；不同岩性的比热相差较小。1.4岩土体热响应特征现场热响应测试采用重庆南江水文地质队与重庆大学动力工程学院联合研制开发的型号为NJ-GH-10S10的岩土热响应测试仪，该仪器通过了中国地质调查局设备认证，采用“恒热流法”进行测试，测试了主城区双凤桥镇、礼嘉镇等10处，详见表2。从表2看出，各测试孔岩土平均导热系数差异较大，是由于不同地点水文地质条件、岩层结构的差异造成的，测试孔平均导热系数在1.933.1W/mK之间，平均值为2.62W/mK，总体上适合浅层地温能的开发利用。1.5浅层地温场特征钻孔初始平均温度测试采用无功循环法，共测试10个孔。孔内不同深度温度监测采用垂向布置温度传感器法，共监测15个孔，其中“南江地质队人和基地”采用全自动地温监测手段。从监测结果看，重庆主城区钻孔初始平均温度随地质结构、地貌条件不同而有所差异，不同孔监测值在17.7921.27之间，平均为19.83，其中歌乐山上的初始平均温度较低，适合的初始平均温度是浅层地温能开发利用的一大优势。通过孔内不同深度温度监测，主城区100m以浅地温梯度在0.71.5/50m之间。其中在渝北区的北部，沙坪坝区的西部地温梯度值较低；大渡口区南部、巴南区西部地温梯度值较大。这是由于地表盖层分布的岩土体岩性差异、地层裂缝、地下水等综合因素影响的，100m深度以浅的温度大致分布在19.020.5范围内。通过“南江地质队人和基地”100m孔深的全自动地温监测发现，该监测孔010m为变温层，离地表越近，受环境温度影响越大；10100m为恒温层，几乎不受环境温度影响5。2浅层地温能适宜性分区针对重庆基岩山区地层地质、水文地质、生态环境保护、政策法规等条件，采用综合指标法，将浅层地温能适宜性分区分为：适宜区、较适宜区、不适宜区和禁用区。综合考虑专家的建议指标6、其它城市的经验指标7、重庆市地质结构、地域特点以及项目开发利用情况，浅层地温能适宜性分区影响指标包括地下富水性、地下水水质、平均热导率、平均比热容、钻孔难易度。分别利用层次分析法8和非结构性模糊赋权法9，确定影响指标权重大小，利用综合指数法得到各指标的综合权重，见表3。利用综合指数法将工作区内不同地点按照不同指标的指标赋值乘以指标权重相加，最后得到当地的适宜性分区评价的总分，79分的为适宜区，57分的为较适宜区，15分的为不适宜区，禁用区直接打分为0分。采用MAPGIS地质制图软件首先将重庆市划分为5km5km的网格，主城区划分为1km1km的网格，然后添加网格点、制作各要素基础图件、各基本图件叠加，最后通过MAPGIS出图。图1为重庆主城区地埋管适宜性分区图。重庆一般研究区的适宜区、较适宜区、不适宜区分别占22.85%、36.37%、40.78%，适宜区与较适宜区占总调查面积的59.2%。重庆主城区调查面积1681.5km2内，适宜区、较适宜区、不适宜区分别占18.51%、80.37%、1.12%；适宜区主要分布在各背斜两翼红层丘陵区的J1z、J1zl、J2x地层，以及各向斜轴部台丘地区的J3sn、J3p地层中；较适宜区主要分布在各背斜两翼低山区的T3xj地层及红层丘陵地区的J2s地层；不适宜区主要分布在各背斜轴部槽谷地区的T1f、T1j、T2l地层；适宜区与较适宜区总共占的面积比例达98.88%（不含禁用区），表明重庆主城区范围可以大量利用浅层地温能资源。重庆一般研究区、主城区的适宜区与较适宜区分别占总调查面积的59.2%、98.88%，所占比例相差较大的主要原因是：一般研究区范围大，所包含的地层复杂多样，不适宜区主要集中在渝东北和渝东南地区，该地区主要以灰岩地层为主，不适宜浅层地温能的开发利用；而重庆主城区以砂泥岩地层为主，且该地层适宜浅层地温能的开发利用。3浅层地温能开发利用潜力3.1热容量计算对于热容量的计算采用体积法10，该方法从能量平衡的角度出发，计算结果安全可靠。岩土体的密度、比热容c、孔隙率、含水量；因岩性、地质结构和地域的不同而有所差异，水的密度、比热容分别取w=1000kg/m3、cw=4.18kJ/kg。通过计算得到重庆市一般研究区、重点研究区（土壤源地源热泵开发形式）地下100m以浅的热容量分别约为1.9761016kJ/、4.05921014kJ/。3.2换热功率计算利用现场热响应试验取得岩土体热导率和地埋管换热器传热系数等基础数据，计算单孔换热功率。再根据单孔换热功率及浅层地温能计算面积，求得区域地埋管换热功率10。(1）重庆一般研究区：重庆市土地利用率=7%11，建设绿地面积的比例及地埋管使用率20%；地埋管换热器与岩土体间的可利用温差取t=15；换热系数按现场热响应测试值的平均值，取ks=2.67W（m）进行计算得到在100m以浅深度范围内，重庆一般研究区内可利用资源量约为0.77108kW。(2）重点研究区域：土地利用率在已建成区按7%，规划区按22.14%；地源热泵开发利用面积折算系数0.3511，每个换热孔占地面积25m2；根据已运行项目情况，冬夏季地埋管换热器中进出水温度分别按5/8、33/30，传热介质平均温度分别按6.5、31.5计算；岩土体地温平均值19.5，夏季可利用温差t=12，冬季可利用温差t=13；地埋管换热器传热系数ks取热响应测试值的平均值。重庆市地埋管热泵系统适宜区和较适宜区面积为1662.86km2，换热孔深度（长度）为100m时，冬季换热功率为2.2734107kW，夏季换热功率为2.0985107kW。主城区100m地埋管计算功率结果（夏季）如图2所示。4结语结合重庆市的自然地理、地形地貌、气象水文、地层岩性、地质构造等特征进行重庆市浅层地温能资源调查研究。研究表明：(1）重庆市浅层地温能赋存条件较好，岩土体导热系数在1.933.1W/mK之间，100m以浅平均地温在1920.5，地下水水位普遍较浅。(2）适宜区与较适宜区所占比重较大，其中一般研究区占59.2%，主城区占98.88%（不含禁用区），表明重庆地区可以大量开发利用浅层地温能资源。(3）重庆全市及主城区100m以浅的热容量分别为1.9761016kJ/、4.05921014kJ/，按换热功率计算，可利用资源量全市约为0.77108kW，主城区冬夏季分别为2.2734107kW、2.0985107kW，资源潜力巨大。该研究成果为重庆市可持续开发利用浅层地温能资源提供了重要的数据支持和指导作用，为编制开发利用规划提供了可靠的依据，对同类地质条件地区开展浅层地温能资源调查评价具有重要示范作用。作者：刘贤燕彭清元陶嘉祥单位：重庆市地勘局南江水文地质工程地质队 上一个文章： 钢筋混凝土连梁破坏机理研究下一个文章： 矩形张拉膜结构的应变