吳振，王松濤，祝子惠，宋委，衣偉虹

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊　261021)

威海市環(huán)翠區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)研究

吳振，王松濤，祝子惠，宋委，衣偉虹

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊261021)

淺層地熱能資源作為一種可再生、環(huán)保、清潔、儲量巨大的新型能源資源，逐漸被人們認識、接受和重視。該文選取層次分析法、綜合指數(shù)法為主要研究方法，對威海市環(huán)翠區(qū)進行了淺層地熱能適宜性分區(qū)，為威海市環(huán)翠區(qū)更好的開發(fā)利用淺層地熱能資源提供了重要的依據(jù)。

淺層地熱能；適宜性分區(qū)；環(huán)翠區(qū)；威海市

引文格式：吳振，王松濤，祝子惠，等.威海市環(huán)翠區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)研究[J].山東國土資源，2015,31(2)：28-31.WU Zhen, WANG Songtao, ZHU Zihui, etc.Partitioning Study on Utilization and Development of Shallow Geothermal Energy in Huancui District of Weihai City[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(2):28-31.

隨著國家對節(jié)能減排和環(huán)境保護力度的加強，經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，公共建筑和住宅供暖、制冷已成為普遍的需求，在發(fā)達國家，供暖和制冷的能耗占總能耗的25%～30%[1]。近年來，在全國可再生能源建筑應用政策的推動下，許多地區(qū)已經(jīng)陸續(xù)開始建設淺層地熱能資源系統(tǒng)，并收到了較好的應用效果[2]。威海市環(huán)翠區(qū)淺層地熱能資源豐富，開采條件便利，合理的開發(fā)利用該資源對促進經(jīng)濟發(fā)展，緩解資源緊張，為人們創(chuàng)造更便利的生活具有十分重要的意義。該文在對環(huán)翠區(qū)淺層地熱能資源進行詳細調(diào)查分析的基礎上，選取層次分析法、綜合指數(shù)法為主要研究方法，對威海市環(huán)翠區(qū)進行了淺層地熱能適宜性分區(qū)，為威海市環(huán)翠區(qū)更好的開發(fā)利用淺層地熱能資源提供了重要的依據(jù)[3-4]。

1　淺層地能熱賦存條件

1.1地質(zhì)條件

研究區(qū)位于膠東半島的東端，在大地構造位置上屬于揚子板塊與華北板塊碰撞帶，區(qū)內(nèi)巖石主要由侵入巖、變質(zhì)巖以及少量中生代火山巖組成，地層缺失較多。

1.2水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水類型，按其賦存特征，可分為松散巖類孔隙水、變質(zhì)巖-巖漿巖類裂隙水兩類。

1.3巖土體熱物性特征

研究區(qū)內(nèi)熱導率的變化規(guī)律是：東西方向上中間高兩邊低。比熱容與熱導率呈現(xiàn)大致相反的趨勢，比熱容的高值區(qū)主要分布在工作區(qū)的北西部張村鎮(zhèn)一帶，低值區(qū)位于溫泉鎮(zhèn)。其中溫泉鎮(zhèn)最低，為0.84kJ/kg·℃。

1.4地溫場特征

地殼淺層地溫場在垂向上的變化特征受地層巖性、結構、孔隙度、當?shù)貧夂?、地下水活動等多種因素的影響，從上至下依次為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。

根據(jù)工作區(qū)內(nèi)測溫資料分析，將24m作為工作區(qū)恒溫層深度，并參與地溫梯度及熱儲溫度的計算。

威海市環(huán)翠區(qū)100m以淺地層的平均地溫梯度值一般0.3～3.0℃/100m，不同地區(qū)地層的增溫帶(100m以淺)的地溫梯度特征值不同。

1.5環(huán)境地質(zhì)特征

環(huán)境地質(zhì)條件是限制淺層地熱能開發(fā)利用的重要因素，淺層地熱能作為清潔能源，它的開發(fā)利用要以不破壞地質(zhì)環(huán)境為前提。威海市環(huán)翠區(qū)地處膠東半島，區(qū)內(nèi)廣布不同時期、不同類型的花崗巖，天然條件下，誘發(fā)地質(zhì)災害發(fā)生的因素較小。根據(jù)威海市地質(zhì)環(huán)境條件和多年監(jiān)測結果顯示，主要環(huán)境地質(zhì)問題有地下水超采降落漏斗、海水入侵等。

2　分區(qū)原則與方法

2.1評價原則

(1)地質(zhì)條件為基礎。地質(zhì)條件是淺層地熱能資源賦存的基礎條件，巖、土體的物理性質(zhì)、熱物理性質(zhì)對淺層地熱能資源有重要的影響。

(2)水文地質(zhì)條件為依托。含水層分布、水動力條件對能量的賦存和運移有較大的制約作用；地下水質(zhì)類型對于淺層地熱能資源的開發(fā)應用方式也有影響；而且水文地質(zhì)條件對于地下水地源熱泵系統(tǒng)回灌有重要影響。

(3)淺層地熱能開發(fā)利用與地質(zhì)環(huán)境保護相結合，如地下水位降落漏斗、海咸水入侵等。

2.2評價方法

對威海市環(huán)翠區(qū)淺層地熱能開發(fā)利用適宜性分區(qū)，采用層次分析法(采用yaahp軟件)和綜合指數(shù)法相結合的方法[5]。

3　適宜性

3.1評價體系建立

評價體系由3層構成，從頂層到底層分別由系統(tǒng)目標層(O層)，屬性層(A層)和要素指標層(F層)組成。O層是系統(tǒng)的總目標，即地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)劃分。A層是屬性指標層，由水文地質(zhì)條件特征和地溫度、施工工藝和經(jīng)濟合理性等指標組成。F層是要素指標層，選擇第四系厚度、地下水水質(zhì)、地下水位埋深、比熱容、熱導率、地溫梯度、回填材料、埋管深度、熱泵系統(tǒng)投資、運行成本等10個指標作為要素指標層，建立層次結構模型(圖1)，進行綜合評價指標計算，在此基礎上進行地源熱泵適宜性劃分。從而選取出經(jīng)濟、技術合理、現(xiàn)有施工工藝可行、不會造成不同層位含水層溝通、污染的適合區(qū)域和適宜深度。

圖1　地埋管熱泵層次分析法結構圖

3.2評價因子權重確定

根據(jù)建立的地埋管地源熱泵系統(tǒng)分區(qū)評價體系，利用層次分析法(采用yaahp軟件)計算出影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)的各評價因子的權重，2個要素重要性之比采用1～9標度法，各比值含義、各評價因子賦值情況及最終計算結果見表1。

表1　各因子權重計算結果

3.3綜合評價

將整個工作區(qū)劃分為1km×1km的網(wǎng)格，取每個網(wǎng)格的中心點，并將各點的編號和坐標賦為其屬性。把網(wǎng)格剖分圖與已經(jīng)賦屬性完畢的圖件進行疊加，通過GIS制圖軟件的空間分析功能對各圖層提取賦值，得到每個單元格中心點對應的屬性疊加，然后將數(shù)據(jù)導出，對各因子不同值進行評分，結合各因子權重，計算每個網(wǎng)格中心點的綜合得分情況。

結合專家意見并考慮實際情況，將總得分7～9分的劃分為適宜區(qū)(Ⅰ級)，5～7分劃分為較適宜區(qū)(Ⅱ級)，然后利用MapGIS繪圖軟件繪制初步的適宜性分區(qū)圖(表2)。

表2　地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性評價分區(qū)指標

按上述評分結果，最終得出地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)(圖2)，其中較適宜區(qū)(Ⅱ級區(qū))為：該區(qū)域地層儲蓄和熱傳遞能力等條件好，同時施工成本較低，該區(qū)域面積約為714.01km2，重點區(qū)面積141.10km2。不適宜區(qū)(Ⅲ級區(qū))為：該區(qū)域雖地層儲蓄和熱傳遞能力等條件較好，但咸水層的存在導致施工成本增加，該區(qū)域面積約為23.42km2，重點區(qū)面積8.90km2(表3)。

圖2　威海市環(huán)翠區(qū)淺層地熱能適宜性分區(qū)

適宜性分區(qū)分布范圍分布面積/km2重點區(qū)面積/km2較適宜區(qū)(Ⅱ級區(qū))環(huán)翠區(qū)大部分區(qū)域714.01141.10不適宜區(qū)(Ⅲ級區(qū))雙島灣兩側(cè)、楊家灣附近23.428.90

3.4地下水地源熱泵適宜性分區(qū)

該次調(diào)查工作主要調(diào)查100m以淺的淺層地熱能，在該區(qū)為主要含水層組，依照規(guī)范和該區(qū)水文地質(zhì)條件，在依照任務書基礎上，把基巖風化裂隙帶含水層組納入地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)范疇。

根據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》(DZ/T0225-2009)，淺層地熱能水源熱泵適宜性分區(qū)主要考慮含水層的巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性、水溫、水質(zhì)、水位動態(tài)變化，以及水源地保護和地質(zhì)災害等因素(表4)。

表4　地下水換熱方式適宜性分區(qū)

該次工作共進行鉆孔抽水、回灌試驗6組，主要部署在松散巖類孔隙水和基巖裂隙水水量較大的地區(qū)，調(diào)查區(qū)內(nèi)單位涌水量較小，水位埋深較淺，鉆孔單井回灌系數(shù)較小(表5)，為地下水地源熱泵不適宜區(qū)。

4　結論

(1)通過層次分析法、模糊數(shù)學綜合評判法等方法將威海市環(huán)翠區(qū)劃分為地埋管地源熱泵適宜區(qū)、不適宜區(qū)。

表5　工作區(qū)單井回灌試驗成果

(2)調(diào)查區(qū)內(nèi)單位涌水量較小，水位埋深較淺，鉆孔單井回灌系數(shù)較小，為地下水地源熱泵不適宜區(qū)。

[1]阮傳俠，林黎，趙蘇民，等.天津市淺層地熱能資源評價及開發(fā)利用條件分析[A]//中國地熱能：成就與展望——李四光倡導中國地熱能開發(fā)利用40周年紀念大會暨中國地熱發(fā)展研討會論文集[C].2010：137-149.

[2]王松濤，吳振，王華軍.基巖地區(qū)地埋管換熱器傳熱特性的測試研究[J].河北工業(yè)大學學報，2012，41(6)：69-73.

[3]周念滬.地熱資源開發(fā)利用實務全書[M].北京：中國地質(zhì)科學出版社，2005.

[4]胡彩萍，潘擁軍.東營市地熱資源開發(fā)保護與行政保障措施探討[J].山東國土資源，2012，28(9)：77-79.

[5]衛(wèi)萬順，鄭桂森，欒英波，等.淺層地溫能資源地質(zhì)勘查評價體系探討：以北京平原區(qū)淺層地溫能資源地質(zhì)勘查為例[J].城市地質(zhì)，2010，5(1):1-6.

Partitioning Study on Utilization and Development of Shallow Geothermal Energy in Huancui District of Weihai City

WU Zhen, WANG Songtao, ZHU Zihui, SONG Wei, YI Weihong

(No,4 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources, Shandong Weifang 261021, China)

As a new renewable, environmental protection, clean energy with huge reserves, shallow geothermal energy resources has gradually been recognized, accepted and valued. In this paper, by using AHP and comprehensive index method as the main research methods, suitability zoning of shallow geothermal energy in Huancui district of Weihai city has been carried out. It will provide an important basis for development and utilization of shallow geothermal energy resources in Huancui district of Weihai city.

Shallow geothermal energy resources; suitability zoning; Huancui district; Weihai city

2014-03-20；

2014-06-05；編輯：曹麗麗

吳振(1985—)，男，山東濰坊人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作；E-mail：sdwfwz@126.com

P621

B

①吳振、王松濤等，山東省威海市環(huán)翠區(qū)淺層地熱能資源調(diào)查評價項目，2011年