裴 偉

為落實科學(xué)發(fā)展觀,建設(shè)綠色侯馬、生態(tài)侯馬,侯馬市政府對貫徹落實國務(wù)院有關(guān)節(jié)能減排戰(zhàn)略部署非常重視,以極大的熱情和力度來推動節(jié)能減排工作。為進(jìn)一步鼓勵、引導(dǎo)和規(guī)范行業(yè)的健康發(fā)展,侯馬市根據(jù)2008年12月13日,國土資源部下發(fā)的《關(guān)于大力推進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的通知》(國土資發(fā)[2008]249號),首先要對淺層地?zé)崮苓M(jìn)行調(diào)查研究、編制規(guī)劃、加強(qiáng)監(jiān)測3個方面入手,來促進(jìn)侯馬市淺層地?zé)崮芸茖W(xué)的、有序的開發(fā)利用。本文的目的就是:按照國家的有關(guān)規(guī)定,通過搜集現(xiàn)有資料和調(diào)查研究,對侯馬市的淺層地?zé)崮苜Y源的狀況,資源利用的合理性、可行性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性及對環(huán)境的影響等進(jìn)行分析論證,為淺層地?zé)崮苜Y源在侯馬市的利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用狀況

20世紀(jì)80年代初～90年代末,在我國暖通空調(diào)領(lǐng)域掀起了一股“熱泵熱”。進(jìn)入21世紀(jì)以來,國家相繼出臺了支持可再生能源開發(fā)利用的一些方針政策,地源熱泵行業(yè)有了較快的發(fā)展。

侯馬市淺層熱能的利用時間相對較早,但到目前為止一般都是建設(shè)單位的自主行為,在開發(fā)利用上存在很大的盲目性。往往都是施工單位或空調(diào)供應(yīng)商憑經(jīng)驗、憑想當(dāng)然選擇地源熱泵的應(yīng)用方式,所以大部分項目都沒有前期的淺層地?zé)崮軛l件的調(diào)查研究和論證工作,因而缺乏方案的優(yōu)越性。

2 地質(zhì)水文狀況

2.1 地層巖性狀況

侯馬市范圍內(nèi)除南部的紫金山區(qū)出露老的變質(zhì)巖系外,其余大部分地帶以第四系地層為主,由老到新概述如下:

前震旦系(Ar):裸露于紫金山南側(cè),以混合巖化花崗片麻巖、黑云母角閃片麻巖、斜長角閃片麻巖等為主,區(qū)域厚3000 m以上。

震旦系(z):零星出露于紫金山東側(cè)的山坡地帶,以石英巖狀砂巖夾含礫石英巖為主。

奧陶系(o):地表無出露,據(jù)地?zé)峋碧劫Y料,本區(qū)陷覆奧陶系灰?guī)r,以中奧陶灰?guī)r為主,巖性主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖,揭露厚度大于400 m,埋深700 m～1600 m不等。

第三系(N):地表無出露,廣布于第四系黃土之下。巖性以深紅、紫紅色粘土為主,其中多含鈣質(zhì)結(jié)核,間夾砂礫石層,區(qū)域厚0 m～1000 m。

第四系:該系是本區(qū)出露最廣泛的地層,又可進(jìn)一步劃分為上、中、下、更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。下更新統(tǒng)(Q1),地表無出露,鉆探證實區(qū)內(nèi)廣泛分布,巖性多為粘土、亞粘土間夾砂礫石層,厚0 m～290 m。中更新統(tǒng)(Q2),區(qū)內(nèi)廣泛分布,有出露也有埋藏,巖性以亞粘土、亞砂土夾鈣質(zhì)結(jié)核或砂礫石層,厚110 m～180 m。上更新統(tǒng)(Q3),廣布于山前傾斜平原及汾澮高階地區(qū),以亞砂土、亞粘土、砂礫石層為主,厚20 m～40 m。全新統(tǒng)(Q4),廣布于現(xiàn)代河谷內(nèi),以沖洪積相的亞砂土、亞粘土、砂礫石為主,厚0 m～30 m。

2.2 水文地質(zhì)條件及地下水資源狀況

1)基巖裂隙水:分布在紫金山等變質(zhì)巖區(qū),因地勢較高,風(fēng)化裂隙發(fā)育,大氣降水直接滲入,形成基巖裂隙水,具潛水特征,徑流途徑短,一般以小泉的形式排泄。泉流量大小與降水量密切相關(guān)。

2)松散巖類孔隙水:廣布于松散巖類沉積區(qū),據(jù)含水量的埋深、水力特征,進(jìn)一步劃分為淺層(潛)水、中層(承壓)水、深層(承壓)水。

a.淺層(潛)水:區(qū)內(nèi)分布廣泛,汾河、澮河谷地及低階地區(qū)含水巖組為上更新統(tǒng)及全新統(tǒng),高階地區(qū)含水巖組為上更新統(tǒng),含水層具雙層結(jié)構(gòu),下部砂礫石含水,具微承壓性,上部粘性土含裂隙水,與下部微承壓水水力聯(lián)系密切,水位一致,底板埋深30 m～40 m,水位埋深小于10 m,單井涌水量500 m3/d～1000 m3/d,水質(zhì)類型復(fù)雜,多為 HCO3?SO4-Na?Mg 型、HCO3?SO4型,礦 化度較高,一般1000mg/L～3000mg/L。

b.中層(承壓)水:廣布于盆地中,含水層為中更新統(tǒng)沖洪積、河湖相砂層,頂板埋深平原淺、山前深,平原區(qū)一般50 m～100 m,山前一般80 m～120 m。含水層物質(zhì)來源不一,巖性、厚度、富水性差異較大,總體來說:河谷區(qū)好于高階地,洪積扇上部好于下部。山前傾斜平原區(qū)單井涌水量500 m3/d～1000 m3/d,高階地區(qū)300 m3/d～1000 m3/d,河谷區(qū)1000 m3/d～1500 m3/d。受開采影響,水位埋深變化較大,汾河谷地30 m～50 m,山前傾斜平原80 m～120 m,電廠一帶大于100 m。

c.深層(承壓)水:區(qū)內(nèi)分布廣泛,含水巖組為下更新統(tǒng)及第三系上更新統(tǒng)的砂礫石層,目前開采較少。下更新統(tǒng)地下水賦存條件、分布規(guī)律與中更新統(tǒng)含水巖組基本一致,但含水層埋藏較深,其頂板埋深一般150 m～280 m,底板埋深一般350 m～460 m。據(jù)侯馬市海關(guān)地?zé)峥碧劫Y料顯示,下更新統(tǒng)底板埋深405 m,厚120 m,巖性為河湖相沉積的亞砂土、亞粘土及中細(xì)砂或砂礫石層。水位埋深同中層水一致。

本區(qū)地下水的徑流方向總體上由東到西,一方面接受來自曲沃方向的側(cè)向徑流,再加上本區(qū)的降水入滲,構(gòu)成了本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給項,除部分排泄于下游外,主要為人工開采,現(xiàn)已在電廠水源地周圍形成了較大的人工開采降落漏斗。

3 淺層地?zé)崮芊謪^(qū)分析

Ⅰ區(qū)分布在紫金山等變質(zhì)巖區(qū),因地勢較高,風(fēng)化裂隙發(fā)育,大氣降水直接滲入,形成基巖裂隙水,具有潛水的特征,徑流途徑短,一般以小泉的形式排泄。底板埋深在30 m～40 m之間,水位埋深小于10 m,單井涌水量在500 m3/d～1000 m3/d之間,水質(zhì)類型復(fù)雜,多為 HCO3?SO4-Na?Mg 型、HCO3?SO4型,礦化度較高,一般1000mg/L～3000mg/L。地下水回灌量在55%～65%之間,是可小規(guī)模利用地下水換熱方式的地區(qū)。如要選擇地下水換熱方式,抽回灌井比例宜為1∶3。

Ⅱ區(qū)分布在南部的衛(wèi)家莊—史店—復(fù)興村一帶,包括小韓、驛橋、上馬、秦村,該區(qū)以粉細(xì)砂、中粗砂為主,50 m以下主要以粉土、粉質(zhì)粘土為主,只在50 m～70m地層夾有卵礫石,厚度在5 m以下,地下水埋深較淺,含水層厚度大于30 m,周圍土體平均導(dǎo)熱系數(shù)在1.3～1.8之間,是豎直地埋管換熱器的適宜地區(qū),單孔換熱功率在48 W/m～52 W/m。

該區(qū)地下水含量一般,水質(zhì)一般,單井涌水量在320 m3/(d?m)～400 m3/(d?m)之間,單井回灌量在55%～70%之間,抽回灌井比例宜在 1∶2～ 1∶3之間。

Ⅲ區(qū)是指汾河、澮河現(xiàn)代河谷及兩側(cè)的沖洪積高階區(qū),由東北向西南緩傾斜,地形坡度小于10°。該區(qū)第四系含水層厚度為150 m,以粉土、粉質(zhì)粘土為主,60 m～90 m夾有卵礫石,含水層厚度大于30 m,周圍土體平均導(dǎo)熱系數(shù)在1.2～1.5之間,是豎直地埋管換熱器較適宜地區(qū),單孔換熱功率在47 W/m～52 W/m。

該區(qū)地下水含量一般,水質(zhì)一般,單井涌水量在320 m3/(d?m)～400 m3/(d?m)之間,單井回灌量在55%～70%之間,抽回灌井比例宜在 1∶2～ 1∶3之間。

4 環(huán)境評價

4.1 淺層地?zé)崮荛_發(fā)對環(huán)境的影響

地源熱泵是一種先進(jìn)的技術(shù),它高效、節(jié)能、環(huán)保、有利于可持續(xù)發(fā)展,具有顯著的環(huán)保效益。目前,地源熱泵的驅(qū)動能源是電,電能是清潔能源。因此,在地源熱泵應(yīng)用場合無污染。

本項目采用的可再生能源系統(tǒng)不會對環(huán)境產(chǎn)生有害影響。采用地埋管采暖制冷時,北方地埋管冬季的溫度最低-3℃左右,夏季最高可達(dá)到34℃左右,溫度的波動幅度要小于室外氣溫的波動幅度,并且冬季吸熱、夏季排熱,維持地下溫度場的相對平衡。土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展至今,還未發(fā)現(xiàn)因地埋管的吸熱和放熱破壞地下溫度場,造成不利影響的相關(guān)報道。

4.2 防止淺層地?zé)崮芾卯a(chǎn)生不利環(huán)境影響的措施

在應(yīng)用地表水源熱泵時,出于生物學(xué)的原因,常要求地表水源熱泵的排水溫度不低于2℃。并要注意吸熱量和放熱量的平衡,以免造成對水生物的影響。地下水源熱泵必須有可靠的回灌措施,保證水能100%的回灌到同一含水層中。

使用土壤源熱泵技術(shù),要嚴(yán)格遵循《中華人民共和國可再生能源法》《中華人民共和國節(jié)約能源法》及相關(guān)法律法規(guī)與GB 50366-2005地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范及相關(guān)規(guī)范的要求。要注意同一地域資源的開采數(shù)量,切忌過度開采。在地埋管地源熱泵系統(tǒng)方案設(shè)計前,應(yīng)對工程場區(qū)內(nèi)巖土體地質(zhì)條件進(jìn)行勘察。要注意地埋管工程不得不造成建筑物基礎(chǔ)的影響,并對地埋管工程進(jìn)行熱平衡分析計算,防止出現(xiàn)過冷或過熱的現(xiàn)象。

5 侯馬市淺層地?zé)崮苎芯拷Y(jié)論與建議

5.1 侯馬市淺層地?zé)崮苎芯拷Y(jié)論

侯馬市位于山西省南部、汾河與澮河交匯處,地處亞溫帶,有冬季供熱夏季供冷的需求,且供熱與供冷天數(shù)相當(dāng),適合有蓄熱及蓄冷特點的土壤源熱泵系統(tǒng),適合地源熱泵系統(tǒng)。

結(jié)合侯馬的地質(zhì)性況,建議在局部區(qū)域進(jìn)行地下水源的淺層地?zé)崮芾?在大部分區(qū)域進(jìn)行地埋管項目的開發(fā)和利用。

地下水源熱泵系統(tǒng):可采資源量冬季為0.22×107kW;夏季0.23×106kW。按此開采強(qiáng)度,一個采暖季(120 d)可以從巖土體中取出總熱量:1.7×1013kJ,其中Ⅰ區(qū)為1.17×1012kJ,Ⅱ區(qū)為7.92×1012kJ,Ⅲ區(qū)為7.92×1012kJ。按此開采強(qiáng)度,一個制冷季(60 d)可以從巖土體中排放總熱量:3.158×1013kJ,其中Ⅰ區(qū)為2.18×1012kJ,Ⅱ區(qū)為1.47×1013kJ,Ⅲ區(qū)為1.47×1013kJ。

地埋管地源熱泵系統(tǒng):淺層地?zé)崮芙?jīng)初步估算,Ⅰ區(qū)夏季可開采資源量0.12×107kW;冬季可開采資源量0.16×107kJ。Ⅱ區(qū)夏季可開采資源量0.18×107kW,冬季可開采資源量0.23×107kW;Ⅲ區(qū)夏季可開采資源量 0.18×107kJ;冬季可開采資源量0.23×107kW。按此開采強(qiáng)度,一個采暖季(120 d)可以從巖土體中取出總熱量:Ⅰ區(qū)為4.15×1012kJ;Ⅱ區(qū)為 5.96×1012kJ;Ⅲ區(qū)為5.96×1012kJ。一個制冷季(60 d)可以從巖土體中排放總熱量:Ⅰ區(qū)為3.1×1012kJ,Ⅱ區(qū)為 4.7×1012kJ,Ⅲ區(qū)為 4.7×1012kJ。

5.2 侯馬市淺層地?zé)崮芙ㄔO(shè)

1)建議出臺相關(guān)政策,設(shè)立專門機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)推廣應(yīng)用,初級階段可提供免費(fèi)的相關(guān)信息服務(wù)。

2)要搞好淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的總體規(guī)劃,在適宜區(qū)內(nèi)盡量合理、均衡布局。防止一哄而上,盲目發(fā)展,過度開發(fā),避免工程項目過于集中,相互影響。要因地制宜,采用淺層地?zé)崮軗Q熱形式。

3)建議確定采用淺層地?zé)崮艿姆秶Ｈ缭陂_發(fā)條件適宜地區(qū),鼓勵新建或改建的較大項目采用淺層地?zé)崮艿取?/p>

4)要搞好機(jī)井設(shè)計,嚴(yán)格成井工藝,不允許用農(nóng)業(yè)井的經(jīng)驗打空調(diào)井。要對打空調(diào)井的打井隊伍加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn),實行市場準(zhǔn)入制度,加強(qiáng)管理,保證工程質(zhì)量。

5)對已建工程要加強(qiáng)后期觀測研究工作,定期進(jìn)行水量、水質(zhì)和水溫檢測,總結(jié)經(jīng)驗,不斷改進(jìn)。

6)建議有關(guān)部門加強(qiáng)對水資源的管理,搞好技術(shù)服務(wù),決不允許只抽不灌、多抽少灌或?qū)⑽菜低蹬诺?否則地下水資源枯竭了,熱泵工程也就報廢了。