張 海 永

(山西省地質(zhì)調(diào)查院,山西 太原 030006)

山西斷陷盆地淺層地溫能開發(fā)適宜性分區(qū)方法

張 海 永

(山西省地質(zhì)調(diào)查院,山西 太原 030006)

以大同市為例，介紹了山西斷陷盆地平原區(qū)淺層地溫能的分區(qū)原則和分區(qū)方法，通過分析大同市地層巖性、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造和地裂縫地質(zhì)環(huán)境問題，統(tǒng)籌考慮大同市區(qū)域地質(zhì)條件、換熱方式及建設(shè)成本，對(duì)大同市進(jìn)行了淺層地溫能的開發(fā)利用適宜性分區(qū)，以選擇正確的開發(fā)利用方式。

淺層地溫能，適應(yīng)性，分區(qū)方法

0 引言

淺層地溫能是指儲(chǔ)存在地表以下一定深度范圍內(nèi)(一般為恒溫帶至200 m埋深)，溫度低于25 ℃，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的熱量。淺層地?zé)崮茏鳛橐环N可再生的低溫能源，廣泛存在于地表表層中，具有綠色環(huán)保、取用方便、高效節(jié)能、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，其開發(fā)利用對(duì)于改善能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)、構(gòu)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)有著重要意義。淺層地?zé)崮軆?chǔ)存在地下巖土體中，其儲(chǔ)存、運(yùn)移以及開發(fā)利用都嚴(yán)格受到區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的制約。第四系巖性、厚度、顆粒度、含水層厚度、富水性、水位埋深、補(bǔ)給徑流條件等是制約淺層地?zé)崮軆?chǔ)存、分布以及可利用性的主要因素。只有在淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)一步進(jìn)行資源量計(jì)算和資源潛力評(píng)價(jià)，只有依據(jù)地質(zhì)、水文條件進(jìn)行適宜性分區(qū)，才能正確選擇開發(fā)利用方式。

1 適宜性分區(qū)原則

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)原則是以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，水文地質(zhì)條件為依托，開發(fā)利用方式為媒介，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益并重，平面分區(qū)和垂向控制相結(jié)合。

1)地質(zhì)條件是淺層地?zé)崮苜Y源賦存的基礎(chǔ)條件。巖土體的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、顆粒度和熱導(dǎo)率等物理性質(zhì)因素制約著形成淺層地?zé)崮艿奈镔|(zhì)基礎(chǔ)。

2)巖土體的含水率、含水層的分布、地下水的水動(dòng)力條件、徑流條件等對(duì)能量的運(yùn)移創(chuàng)造了有利條件。

3)目前淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)利用方式主要為地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵，熱泵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)資源的有效開發(fā)利用。

4)選擇經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益都較好的開發(fā)利用方式。

5)平面上劃分出適宜性區(qū)域，垂向上要控制取熱的層位和深度。

2 適宜性分區(qū)依據(jù)

淺層地溫能適宜性分區(qū)主要依據(jù)是地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件調(diào)查成果資料和當(dāng)?shù)啬壳暗募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)條件資料。

1)地質(zhì)條件調(diào)查成果資料。對(duì)于山西斷陷盆地平原區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源來(lái)說(shuō)，第四系松散堆積物的堆積特征、沉積特征、地層巖性特征、分層結(jié)構(gòu)以及空間分布特征，對(duì)適宜性分區(qū)是至關(guān)重要的，是適宜性分區(qū)劃分的關(guān)鍵依據(jù)。

2)水文地質(zhì)條件調(diào)查成果資料。地下水的賦存空間條件、地下水的水動(dòng)力特征，對(duì)淺層地?zé)崮芰康倪\(yùn)移、對(duì)流起著重要作用；特別是含水層顆粒的粗細(xì)，含水層的富水性，回灌能力等，對(duì)于地下水地源熱泵適宜性來(lái)說(shuō)更是起著決定作用，因此，水文地質(zhì)條件調(diào)查成果資料也是淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)的重要依據(jù)。

3)環(huán)境地質(zhì)條件調(diào)查成果資料。地下水水源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)必須了解地下水的水質(zhì)分布狀況，不同層位地下水的水質(zhì)，防止地下水的污染。地面沉降、地裂縫可直接影響開發(fā)利用工程的安全,因此，環(huán)境地質(zhì)條件調(diào)查成果資料也是淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)的重要依據(jù)。

3 適宜性分區(qū)方法

淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要采用指標(biāo)法。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件、換熱方式及建設(shè)成本，進(jìn)行適宜性分區(qū)，分為：適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。

1)對(duì)于地下水換熱方式，淺層地溫能適宜性分區(qū)主要考慮200 m以淺含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性，地下水溫、水質(zhì)、水位動(dòng)態(tài)變化，水源地保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害等因素。主要指標(biāo)見表1。

表1 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)主要指標(biāo)表

2)對(duì)于地埋管換熱方式，淺層地溫能適宜性分區(qū)主要考慮巖土體特性、地下水的分布和滲流情況等因素。豎直地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要指標(biāo)見表2。

表2 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)主要指標(biāo)表

4 大同市地質(zhì)條件

1)地層巖性。大同市平原區(qū)200 m以淺地層主要為新生界新近系和第四系地層。新近系厚度最大可達(dá)900 m，巖性為粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、砂礫石層。第四系下更新統(tǒng)厚度120 m～180 m，巖性以亞砂土、亞粘土為主。第四系中更新統(tǒng)厚度50 m～120 m，巖性為亞砂土、亞粘土、砂礫卵石等。第四系上更新統(tǒng)厚度20 m～50 m，巖性為亞砂土、亞粘土。第四系全新統(tǒng)僅分布于御河、十里河、里八莊河河谷及低階地區(qū)，厚度一般為10 m～20 m，巖性為亞砂土、薄層亞粘土。

2)地質(zhì)構(gòu)造。大同市位于山西省斷陷盆地之一大同盆地的東北部，盆地西部為呂梁—太行斷塊中云崗坳的北部云崗向斜，東部為桑干河新裂陷。由于經(jīng)受的構(gòu)造變動(dòng)頻繁而復(fù)雜，其斷裂與褶皺比較發(fā)育。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線走向?yàn)楸睎|—南西向，主要褶皺與斷裂有：云崗向斜、泉寺頭斷裂、水峪斷裂、白洞—楊家窯逆斷層、青磁窯逆斷層、口泉斷裂等。

3)水文地質(zhì)條件。大同市盆地區(qū)主要含水層為松散巖類孔隙水含水層，埋藏深度一般為100 m～150 m，局部達(dá)200 m以上，含水層巖性以第四系中、上更新統(tǒng)的洪積、沖積的砂礫石層為主。

靠近山前大斷裂一側(cè)的洪積扇是最富水地帶之一，洪積扇的形態(tài)、結(jié)構(gòu)完整，粗顆粒的卵石、礫石和砂層發(fā)育，厚度大，地下水補(bǔ)給源好，水量充沛，尤其是軸部富水性極強(qiáng)，單井出水量每天可達(dá)萬(wàn)立方米。雷公山—七峰山前洪積群由十里河、口泉河、鵝毛口河及大小峪口五個(gè)洪積扇組成，其中十里河洪積扇單井出水量1 000 m3/d左右，較富地區(qū)達(dá)1 500 m3/d～2 000 m3/d。鵝毛口洪積扇單井出水量1 500 m3/d～2 000 m3/d。大峪口、小峪口洪積扇單井出水量1 500 m3/d～2 000 m3/d。

十里河、口泉、御河河谷階地區(qū)含水層為全新統(tǒng)山間河流相沖洪積砂礫石層。含水層厚度一般2 m～10 m，富水性中等～富，單井涌水量800 m3/d～1 400 m3/d。

4)環(huán)境地質(zhì)條件。大同市環(huán)境地質(zhì)問題主要表現(xiàn)為地下水降落漏斗和構(gòu)造地裂縫。大同市出現(xiàn)的主要地下水降落漏斗有四個(gè)，分別是：城西漏斗、城南漏斗、城北古店—白馬城漏斗和御河鐵路橋漏斗。大同市地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于1983年，當(dāng)時(shí)長(zhǎng)不足5 km，其后日益加劇，1990年已形成長(zhǎng)10.5 km的地裂縫帶，1994年發(fā)展到24 km，截止到2006年已發(fā)展到10條，總長(zhǎng)度達(dá)34.5 km的地裂縫帶。地裂縫分布的優(yōu)勢(shì)方位為NE向，與區(qū)域主構(gòu)造線方向一致。地裂縫的分布影響地埋管工程的施工和工程的安全，是影響地埋管工程的因素之一。

5 分區(qū)結(jié)果

根據(jù)以上分區(qū)方法和指標(biāo)，大同市地下水地源熱泵的適宜區(qū)分布于北部的御河上游沖洪積扇區(qū)，含水層巖性主要為砂卵礫石，單位涌水量大于500 m3/(d·m)，能滿足1抽1灌，面積為8.91 km2；較適宜區(qū)分布于御河河谷階地及沖積平原區(qū)，含水層巖性主要為砂卵礫石，單位涌水量250 m3/(d·m)～500 m3/(d·m)，回灌能力較強(qiáng)，面積為25.53 km2；不適宜區(qū)主要分布于除上述區(qū)以外區(qū)域，含水層富水性差，回灌能力弱的地區(qū)，面積為470.70 km2。

地埋管地源熱泵的適宜區(qū)分布于十里河河谷階地中段區(qū)和御河西部古河道及東部沖積平原區(qū)，卵礫石層厚度小于5 m，面積為76.05 km2；較適宜區(qū)分布于御河、十里河河谷階地區(qū)、沖積平原區(qū)、山前傾斜平原和工作區(qū)南部低階地區(qū)、御河、十里河、口泉河山前洪積扇區(qū)及東部和北部黃土丘陵區(qū)，卵礫石層厚度除沖積平原區(qū)、山前洪積扇區(qū)大于10 m，局部5 m～10 m外，一般均小于5 m；含水層厚度除河谷階地區(qū)、山前洪積扇區(qū)大于30 m，黃土丘陵區(qū)小于10 m外，其他區(qū)域?yàn)?0 m～30 m，面積為429.20 km2；不適宜區(qū)主要分布于工作區(qū)中低山區(qū)和地裂縫兩側(cè)區(qū)域，面積為2.28 km2。

[1] 淺層地溫能勘查評(píng)價(jià)規(guī)范[S].

[2] 馬漢田,張宏民.山西省主要城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告[R].太原:山西省地質(zhì)調(diào)查院,2010：53-55.

[3] 衛(wèi)萬(wàn)順,鄭桂森，冉偉彥，等.淺層地溫能資源評(píng)價(jià)[M].北京：中國(guó)大地出版社，2010：4-63.

[4] 張海永，馬漢田.山西省六大盆地重點(diǎn)地區(qū)淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)[R].太原：山西省地質(zhì)調(diào)查院，2014.

On shallow geothermal resource development adaptability partitioning methods at graben basin in Shanxi

ZHANG Hai-yong

(ShanxiGeologicalSurveyInstitute,Taiyuan030006,China)

Taking Datong as the example, the paper introduces the partition principle and methods for the shallow geothermal resource development adaptability partitioning methods at graben basin in Shanxi, and undertakes its development adaptability partition in Datong according to the analysis of formation lithology, hydrogeology conditions, geological structures, geological environment for ground fractures, general consideration about the geological condition, heat transfer approach, and construction cost in Datong, so as to select the correct development approaches.

shallow geothermal resource, adaptability, partition method

1009-6825(2014)34-0200-02

2014-09-24

張海永(1982- )，男，工程師

TK529

A