周亞醒

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州　272100)

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魯西地區(qū)淺層地溫能地?zé)岬刭|(zhì)條件與開發(fā)利用適宜性評價

周亞醒

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州272100)

在查明區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用層次分析法，對魯西地區(qū)地埋管地源熱泵和地下水地源熱泵兩種方式的開發(fā)利用進(jìn)行了適宜性評價，并按不同類別，將魯西地區(qū)淺層地溫能開發(fā)劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)等3個區(qū)。該項(xiàng)目對制定長遠(yuǎn)能源區(qū)劃，指導(dǎo)淺層地?zé)豳Y源開發(fā)利用工作，促進(jìn)魯西地區(qū)新興接替能源開發(fā)利用具有非常重要的意義。

淺層地溫能；地埋管換熱方式；地下水換熱方式；層次分析法；適宜性評價；魯西地區(qū)

引文格式：周亞醒.魯西地區(qū)淺層地溫能地?zé)岬刭|(zhì)條件與開發(fā)利用適宜性評價[J].山東國土資源，2015,31(8)：45-49.ZHOU Yaxing. Geological Conditions of Geothermal and Suitability Evaluation on Development and Utilization of Shallow Geothermal Energy in Luxi Area[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(8):45-49.

人類生產(chǎn)和生活離不開能源的開發(fā)和利用，隨著社會的不斷發(fā)展，能源供需、經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)矛盾日益突出，大力開發(fā)新能源是解決能源短缺、改善生態(tài)環(huán)境的必由之路。淺層地?zé)崮苁且环N新型可再生的清潔能源，資源儲量大、分布廣，大力開發(fā)淺層地溫能對節(jié)約能源和控制環(huán)境污染具有很大價值[1]，對其進(jìn)行適宜性評價可為下一步的開發(fā)利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，可更好的服務(wù)于當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。

1　地?zé)岬刭|(zhì)條件

魯西地區(qū)位于山東省中南部和西南部，包括菏澤市、濟(jì)寧市、棗莊市、臨沂市、泰安市和萊蕪市，總面積5.39萬km2；地形東高西低，東部為低山丘陵區(qū)，向西依次過渡為山前平原、黃泛平原；氣候類型屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸氣候。

地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性及地形地貌的組合決定了地?zé)岬刭|(zhì)條件的差異。因此，將研究區(qū)劃分為魯西平原、魯中南中低山丘陵和魯東低山丘陵三部分分別予以論述(圖1)[3-5]。

圖1　研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件分區(qū)圖

1.1魯西平原區(qū)

該區(qū)含水巖組類型為松散巖類孔隙地下水，由黃河沖積平原和山前沖洪積平原2部分組成。

1.1.1黃河沖積平原區(qū)

該區(qū)松散層厚度大于200m，總體上可分為淺層、中層和深層3個層位，在水質(zhì)上具有淡、咸、淡的垂直分布規(guī)律。淺層孔隙含水層埋深在60m或80m以內(nèi)，砂層厚度10～30m，富水性受古河道帶展布影響明顯，古河道主流帶砂層顆粒相對較粗，富水性較好，單井涌水量一般1000～3000m3/d；邊緣地帶砂層顆粒變細(xì)，富水性減弱，單井涌水量500～1000m3/d；古河道間帶富水性弱，單井涌水量一般小于500m3/d。該區(qū)地下水位埋深大部分地區(qū)在1～6m之間。

1.1.2山前沖洪積平原

該區(qū)松散層厚度多在50～200m之間，含水巖性以中粗砂或含礫中粗砂為主，顆粒粗、透水性好，富水性強(qiáng)，單井涌水量一般1000～5000m3/d，部分地區(qū)大于5000m3/d。地下水位埋深由山前往平原地區(qū)逐步變淺，一般地區(qū)埋深4～10m。

1.2魯中南中低山丘陵區(qū)

該區(qū)含水巖組類型包括松散巖類孔隙地下水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水等2種類型。松散巖類孔隙含水巖組，松散層厚度一般小于20m，含水巖性多為粉質(zhì)粘土夾卵礫石或碎石，含水層厚度一般3～10m，單井涌水量一般1000m3/d左右。碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組發(fā)育深度小于400m，含水層一般富水性較弱，單井涌水量多小于500m3/d；山前隱伏地區(qū)，灰?guī)r裂隙巖溶發(fā)育程度較高，含水層富水性強(qiáng)，單井涌水量一般1000～5000m3/d；地下水位埋深自山區(qū)到隱伏區(qū)逐漸變淺，山區(qū)一般埋深20～50m，最大埋深大于100m，隱伏區(qū)水位埋深一般為5～10m。

1.3魯東低山丘陵區(qū)

該區(qū)含水巖組類型包括松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和巖漿巖類裂隙水等3種類型?？紫端饕植加谏介g谷地和河谷平原地區(qū)，含水砂層厚度一般3～10m，地下水位埋深1～5m，單井涌水量多小于500m3/d。巖漿巖類裂隙含水層總體發(fā)育狀況差，富水性弱，單井涌水量多小于100m3/d，水位埋深一般小于10m。碎屑巖類孔隙裂隙含水層裂隙、孔隙發(fā)育差，富水性弱，單井涌水量一般小于100m3/d，局部地段大于500m3/d，水位埋深多在10m以淺。

2　開發(fā)利用適宜性評價

根據(jù)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用方式可分為地埋管地源熱泵和地下水地源熱泵2種類型，其適宜性評價應(yīng)依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件、換熱方式及建設(shè)成本等綜合評定[6]。

2.1評價方法

采用由美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty提出的層次分析法進(jìn)行評價。其原理是使復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維層次化，將決策過程中定性和定量的因素有機(jī)的結(jié)合起來，將人的主觀性以數(shù)量的形式表達(dá)出來；其優(yōu)點(diǎn)是使決策條理化、科學(xué)化，提高決策的有效性[7]。

首先，采用yaahp(version6.0)層次分析法軟件，把需要評價的問題進(jìn)行分解組合，建立遞階層析結(jié)構(gòu)，并生成判斷矩陣，一致性比小于0.1時，判斷矩陣檢驗(yàn)通過，軟件將自動生成各層各要素的權(quán)重系數(shù)；其次，利用MapGIS軟件將野外調(diào)查、取樣分析和以往研究成果的數(shù)據(jù)編制評價要素分區(qū)圖，根據(jù)對上層指標(biāo)的影響大小對各評價要素進(jìn)行賦值；最后，運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)處理方法對研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)剖分，將每一柵格的各評價要素剩以相對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，然后累加求和，根據(jù)求和值大小進(jìn)行綜合適宜性分區(qū)。

2.2評價體系的構(gòu)建

評價體系由目標(biāo)層、屬性層和要素指標(biāo)層3層構(gòu)成，目標(biāo)層為適宜區(qū)劃分[8]。地埋管地源熱泵屬性層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，施工條件和巖土體熱物性參數(shù)構(gòu)成，要素層由第四系厚度、含水層厚度、分層水質(zhì)狀況、地下水水位埋深、鉆進(jìn)條件、城市覆蓋率及地面施工條件、平均熱導(dǎo)率和平均熱容等8個要素構(gòu)建(圖2)。

圖2　地埋管地源熱泵適宜性層次分析法評價體系圖

地下水地源熱泵屬性層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，地下水動力場條件，水溫場條件，水化學(xué)條件和地質(zhì)環(huán)境條件等5個指標(biāo)構(gòu)成；要素層由含水層單位涌水量、結(jié)構(gòu)、厚度、回灌能力，地下水水位埋深、含水層滲透系數(shù)、補(bǔ)給模數(shù)，平均熱導(dǎo)率、50m深度處的地溫，水質(zhì)分區(qū)、硬度分區(qū)，地下水水源地保護(hù)區(qū)、地下水水位年降幅等13個指標(biāo)構(gòu)成(圖3)。

圖3　地下水地源熱泵適宜性層次分析法評價體系圖

2.3評價要素的賦值

對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并以是否適宜

建設(shè)地埋管地源熱泵系統(tǒng)為比較標(biāo)準(zhǔn)，對各要素按1～9之間的范圍值進(jìn)行打分，越有利于地埋管地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的所獲分值越高，從而將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為介于1～9之間可發(fā)相互比較運(yùn)算的無量綱數(shù)值。各個要素具體賦值見表1、表2。

2.4權(quán)重的確定

采用yaahp(version6.0)層次分析法軟件構(gòu)造比較矩陣，經(jīng)檢驗(yàn)比較矩陣的一致性后，確定第四系厚度、含水層厚度和鉆進(jìn)條件等3個因素對地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)影響較大，含水層單位涌水量、回灌能力和滲透系數(shù)對地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)影響比較大，各要素層在目標(biāo)層中所占的權(quán)重計(jì)算結(jié)果分別見表3。

表1　地埋管地源熱泵系統(tǒng)各要素賦值

表2　地下水地源熱泵系統(tǒng)各要素賦值

表3　各要素層權(quán)重賦值

2.5評價結(jié)果

(1)魯西地區(qū)地埋管地源熱泵適宜性可劃分為3個(圖4)。

圖4　地埋管換熱方式地源熱泵適宜性分區(qū)圖

適宜區(qū)：主要分布于黃河沖積平原和山前沖積平原等松散層厚度大于100m的地區(qū)，面積1.78萬km2，主要包括整個菏澤，濟(jì)寧的任城區(qū)、兗州區(qū)、梁山、魚臺、金鄉(xiāng)、嘉祥的北部以及汶上的南部。該區(qū)地層巖性以中砂、中粗砂、粘土和粉質(zhì)粘土為主，水資源豐富，地下水徑流條件較好，有利于地埋管鉆孔的施工，適宜地埋管地源熱泵的建設(shè)。

較適宜區(qū)：主要分布于魯東南低山丘陵區(qū)和魯中南低山丘陵區(qū)，總面積3.44萬km2，主要包括泰安、臨沂和棗莊的大部，萊蕪的全部，濟(jì)寧曲阜的大部、嘉祥的南部和汶上北部。該區(qū)地層包括2種類型：其一，第四系厚度小于30m，含水層厚度小于10m。無卵石層，大部分為基巖山區(qū)；該區(qū)含水巖組厚度小，下伏基巖厚度大，一般較適宜地埋管地源熱泵的建設(shè)。其二，第四系厚度50～150m，含水層厚度一般在10～20m；該區(qū)含水巖組厚一般較大，較適宜地埋管地源熱泵工程建設(shè)。

不適宜區(qū)：主要分布于山前沖積平原前沿地帶，面積0.17萬km2，成條帶狀分布于東平銀山--寧陽伏山--汶上軍屯--曲阜息陬鄉(xiāng)--鄒城郭里--滕州張汪--微山傅村一帶，郯城重坊--馬頭一帶。該區(qū)第四系厚度在30～50m，地層結(jié)構(gòu)中卵石層厚度較大，含水層總厚度小于10m，十分不利于地埋管的施工和下管，不適宜地埋管地源熱泵的建設(shè)。

(2)魯西地區(qū)地下水地源熱泵適宜性可劃分為3個區(qū)(圖5)。

圖5　地下水換熱方式地源熱泵適宜性分區(qū)圖

適宜區(qū)：主要分布在山前沖積平原、河流河谷和魯中南山區(qū)的富水地段，面積0.63萬km2，主要包括濟(jì)寧市的汶上--兗州--嘉祥北部--曲阜東南部--鄒城石墻、馬坡和微山留莊--歡城一帶；臨沂市的沂水龍家圈--姚店子，費(fèi)縣城區(qū)北部--城北，河?xùn)|區(qū)相公、冊山鎮(zhèn)--蒼山長城--郯城楊集，蘭山區(qū)朱保--馬廠湖--蒼山礦坑--仲村和蒼山神山鎮(zhèn)東北部一帶；泰安市的肥城王瓜店--王莊和東平州城、接山--寧陽泗店一帶；萊蕪市的萊城區(qū)大王莊西南，萊城區(qū)方下--鋼城區(qū)顏莊一帶。該區(qū)單井涌水量和井孔回灌能力強(qiáng)，適宜建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)。

較適宜區(qū)：主要分布在黃河古河道、沖洪積扇的前緣和魯中南山區(qū)的富水地段的外圍，面積0.94萬km2，主要包括菏澤市的鄄城舊城--李進(jìn)土堂，鄆城武安--郭屯，東明武勝橋--鄄城什集--牡丹區(qū)皇鎮(zhèn)、大黃集--東明沙窩鄉(xiāng)和巨野大謝集--成武大田集一帶；濟(jì)寧市的梁山館驛--嘉祥大張樓--任城區(qū)唐口，梁山黑虎廟鎮(zhèn)西南部地段，泗水金莊--曲阜陵城--任城區(qū)石橋和泗水苗館--泉林一帶；棗莊市的滕州大塢--西崗，東郭--東沙河，羊莊--西集，濱湖--龍陽鎮(zhèn)--張汪，柴胡店--薛城城區(qū)西北部，薛城區(qū)陶莊--市中區(qū)永安、稅郭及孟莊和臺兒莊區(qū)泥溝--邳莊一帶；臨沂市的沂水許家湖--沂南大莊，蒙陰縣城西南--桃墟、垛莊，平邑仲村西北地區(qū)，平邑縣城附近地區(qū)和蒼山磨山--羅莊區(qū)高都--河?xùn)|區(qū)太平--郯城縣城區(qū)一帶；泰安市的泰山區(qū)范鎮(zhèn)--岱岳區(qū)大汶口--東平老湖口及新泰果都--寧陽鄉(xiāng)飲鄉(xiāng)，泰安市城區(qū)東南部，東平商老莊--新湖，岱岳區(qū)大汶口--寧陽汶陽南部，寧陽磁窯--新泰樓德和新泰小協(xié)--汶南鎮(zhèn)南部一帶；萊蕪市的萊城區(qū)口鎮(zhèn)--楊莊、牛泉和萊城區(qū)茶葉口--和莊一帶。這些地區(qū)單井涌水量和井孔回灌能力較強(qiáng)，較適宜建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)。

不適宜區(qū)：主要分布在在地下水富水性較差或基巖山區(qū)，面積3.82萬km2，主要包括菏澤市的鄆城--巨野--定陶--曹縣和東明縣--菏澤市城區(qū)北部一帶；濟(jì)寧市的梁山趙堆--嘉祥馬村--魚臺唐馬，泗水中冊--鄒城田黃、石墻南部和微山韓莊北部一帶；棗莊市的山亭店子--北莊--嶧城區(qū)峨山--臺兒莊區(qū)張山子一帶；臨沂市的沂水馬站--平邑流峪--蒼山車輞--臨沭玉山一帶；泰安市的岱岳區(qū)下港--東平梯門和新泰岳家莊--寧陽葛石一帶；萊蕪市的萊城區(qū)雪野--辛莊一帶；該地區(qū)井孔單位涌水量較小，含水層回灌能力差，不適宜建設(shè)地下水地源熱泵系統(tǒng)。

3　結(jié)論

(1)對比地埋管地源熱泵和地下水地源熱泵兩種換熱方式，魯西地區(qū)更適宜地埋管地源熱泵建設(shè)。

(2)結(jié)合地埋管地源熱泵和地下水地源熱泵兩種換熱方式，從水文地質(zhì)單元來看，魯西平原區(qū)普遍適宜淺層地溫能的開發(fā)利用，而魯中南低山丘陵區(qū)和魯東低山丘陵區(qū)則較適宜淺層地溫能的開發(fā)利用。

[1]周爽.淺談淺層地溫能[J].吉林農(nóng)業(yè)，2011，262(12)：248.

[2]劉剛,楊亞賓.山東省魯北地區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源評價[J].山東國土資源，2014，30(6)：45-48.

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Geological Conditions of Geothermal and Suitability Evaluation on Development and Utilization of Shallow Geothermal Energy in Luxi Area

ZHOU Yaxing

(Lunan Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Yanzhou 272100, China)

On the basis of identifing geological conditions of regional geothermal energy, by using analytic hierarchy process (AHP) method, suitability evaluation of two modes of development and utilization of ground heat in Luxi area has been carried out, such as buried pipe pump and ground source heat pump. According to different categories, development of shallow geothermal energy in Luxi area can be divided into suitable area, relative suitable area and not suitable area. This project will formulate a long-term energy planning, guide the development and utilization of shallow geothermal resources, and promote replacing energy development and utilization in Luxi area.

Shallow geothermal energy; heat transfer by buried pipe; underground heat transfer mode; AHP; suitability evaluation; Luxi area

2015-03-14；

2015-04-03；編輯：王敏

周亞醒(1981—)，女，河北安平人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail：xingxing400732@126.com

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