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        河南省鶴壁新城淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)及應(yīng)用前景研究

        2016-03-16 08:21:23萬(wàn)利勤陳文芳張一博
        上海國(guó)土資源 2016年4期
        關(guān)鍵詞:熱容量鶴壁淺層

        李 霞,萬(wàn)利勤,陳文芳,張一博

        (1. 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081;2. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100088;3. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院,河南·鄭州 450045)

        河南省鶴壁新城淺層地?zé)崮苜Y源評(píng)價(jià)及應(yīng)用前景研究

        李 霞1,2,萬(wàn)利勤1,陳文芳3,張一博3

        (1. 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081;2. 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100088;3. 河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院,河南·鄭州 450045)

        以河南省鶴壁新城為研究對(duì)象,其構(gòu)造屬太行山東麓向華北平原的過(guò)渡地帶,主要為淇河沖洪積平原,淺層含水層多為松散巖類孔隙水。在區(qū)域綜合水文地質(zhì)調(diào)查、抽回水試驗(yàn)等研究基礎(chǔ)上,指出研究區(qū)淺層地?zé)崮芎畬涌臻g分布特征和賦存條件。按地下水源熱泵和土壤源熱泵兩種開發(fā)利用方式進(jìn)行適宜性分區(qū),得出研究區(qū)中東部主要區(qū)域?yàn)檫m宜區(qū),西北小部地區(qū)為不適宜區(qū),其余大部為較適宜區(qū)。采用容積法計(jì)算得出不同分區(qū)的淺層地?zé)崛萘亢涂衫昧?,為研究區(qū)淺層地?zé)崮芸砷_采潛力評(píng)價(jià)及政府發(fā)展規(guī)劃提供支撐。

        淺層地?zé)崮埽?資源評(píng)價(jià); 適宜性分區(qū);開發(fā)利用

        淺層地?zé)崮苁侵傅乇硪韵乱欢ㄉ疃确秶鷥?nèi)(一般為恒溫帶至200m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)值的熱能資源。隨著煤炭資源開發(fā)利用帶來(lái)的環(huán)境污染等負(fù)面問(wèn)題日益突出,環(huán)境效益良好的淺層地?zé)崮茉诖龠M(jìn)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)上具有重要意義[1]。鶴壁新區(qū)政府為減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴,改善區(qū)域環(huán)境,積極尋找并開發(fā)地?zé)豳Y源。李潔剛[2]、鄧曉穎[3,4]等對(duì)鶴壁深部地?zé)豳Y源進(jìn)行初步研究,查明該區(qū)深部熱儲(chǔ)富水性極為不均,構(gòu)造復(fù)雜,開發(fā)利用具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。王貴玲[5]指出,與傳統(tǒng)意義上認(rèn)為的地?zé)豳Y源相比,淺層地?zé)崮芫哂蟹浅C黠@的可再生性。在鶴壁市社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天,淺層地?zé)崮苜Y源作為一種新興的、能自然補(bǔ)給的綠色能源,得到極大重視和廣泛推廣。

        本文以河南省鶴壁市新城區(qū)為研究對(duì)象,其東起京港澳高速(含職教園區(qū)),西至京廣鐵路,北起渤海路,南至思德河一線(圖1),地理坐標(biāo):東徑114°15′~114°21′、北緯35°39′~35°47′,面積約70km2。通過(guò)開展區(qū)域綜合水文地質(zhì)調(diào)查,對(duì)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用進(jìn)行適宜性分區(qū),評(píng)價(jià)其可開采資源量,并提出初步的開發(fā)利用規(guī)劃。

        1 地質(zhì)構(gòu)造特征

        研究區(qū)地處太行山東麓向華北平原過(guò)渡地帶,地勢(shì)西北高,東南低,呈階梯狀降低趨勢(shì),地貌以丘陵和平原為主。區(qū)域地層屬華北地層區(qū),區(qū)內(nèi)主要出露寒武系、奧陶系、第三系,中生代地層缺失。區(qū)域構(gòu)造上位于新華夏系第二沉降帶的西部和太行山隆起帶的東南邊緣,南與秦嶺東西向復(fù)雜構(gòu)造帶相鄰,西與晉東南山字型東翼反射弧相接。本區(qū)經(jīng)歷了長(zhǎng)期、多次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng),尤以燕山—喜山期最為強(qiáng)烈,構(gòu)造行跡以斷裂為主,分別隸屬于晉東南山字型構(gòu)造、南北向構(gòu)造、華夏系構(gòu)造、新華夏系統(tǒng)構(gòu)造四種主要構(gòu)造體系[6]。

        圖1 鶴壁新城交通位置Fig.1 The traffc map of new Hebi city

        2 淺層地?zé)崮軆?chǔ)存條件

        2.1 含水層空間分布特征

        研究區(qū)主要為淇河沖洪積平原,目標(biāo)含水層為松散巖類孔隙水,多為潛水或半承壓水。含水介質(zhì)由中上更新統(tǒng)砂、卵礫石層組成,分布規(guī)律是扇的主流帶較厚,顆粒較粗,向兩側(cè)及下部逐漸變薄、變細(xì)。地下水位埋深5~20m不等,含水層厚度20m左右,自西北向東南運(yùn)移。

        2.2 含水層富水性及回灌能力

        松散巖類孔隙水的富水性因含水層巖性、厚度及其所處地質(zhì)、地貌部位不同而不同,將出水量統(tǒng)一換算成5m降深,以單井涌水量的大小劃分含水層的富水性,分為>3000、1000~3000、<1000m3/d三個(gè)級(jí)別,各級(jí)別的分布范圍及含水層特征見表1、圖2所示。

        表1 含水層富水特征Table 1 The characteristics of water abundance in aquifer

        而含水層的回灌能力與含水層巖性、富水性及水位埋深均有關(guān)。綜合考慮以上因素,以區(qū)域含水層的富水性為主,結(jié)合水位埋深,將含水層的回灌能力劃分為>3000、1500~3000、500~1500m、<500m3/d四個(gè)級(jí)別,見表2、圖2所示。

        表2 含水層回灌能力Table 2 The recharge capacity of aquifer

        圖2 鶴壁新城綜合水文地質(zhì)圖Fig.2 The integrated hydrological geological map of new Hebi city

        2.3 淺層地溫場(chǎng)特征

        根據(jù)本次調(diào)查測(cè)量結(jié)果,鶴壁新城淺層地下水水溫在13~17℃范圍,大部分在15~17℃之間;水溫小于15℃的淺層地下水分布在鶴煤大道北側(cè),主要集中在區(qū)域北東部,在其他區(qū)域零星分布。

        3 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)

        蘇永強(qiáng)等認(rèn)為,進(jìn)行淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)是正確選擇開發(fā)利用方式,進(jìn)一步評(píng)價(jià)資源量的前提和基礎(chǔ)[7]。以地質(zhì)、水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ),熱泵應(yīng)用類型為條件,同時(shí)結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)等因素,依據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈煸u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0225-209)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo),按照地下水換熱系統(tǒng)和地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行適宜性分區(qū)。

        3.1 地下水換熱方式適宜性分區(qū)

        對(duì)于地下水換熱方式,適宜性分區(qū)指標(biāo)主要考慮單位涌水量(m3/(d·m))、回灌條件(單位回灌量與單位涌水量的比值)、地下水位年下降量及其他因素。

        鶴壁新城目前地下水的開采尚未引起地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,且工作區(qū)尚無(wú)水源地保護(hù)區(qū);單位涌水量大部分地區(qū)大于300m3/(d·m);選取全區(qū)6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行抽回灌試驗(yàn),數(shù)據(jù)顯示單位回灌量與單位涌水量百分比平均為26.25%;根據(jù)研究區(qū)牛莊、田山電器、高村2009~2011年長(zhǎng)觀孔地下水位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料,地下水位年變幅為0.15~0.75m,年平均降幅均小于0.8m。綜上,根據(jù)地下水換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),總體評(píng)價(jià)為地下水式換熱系統(tǒng)較適宜及適宜。

        為開發(fā)利用規(guī)劃研究,綜合考慮評(píng)價(jià)四項(xiàng)指標(biāo)因素,將研究區(qū)地下水換熱方式劃分出三個(gè)區(qū),即適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū),其分布范圍和劃分依據(jù)見表3所示。

        表3 鶴壁新城地下水換熱方式適宜性分區(qū)Table 3 The suitability zoning of groundwater exchange heat in new Hebi city

        3.2 地埋管換熱方式適宜性分區(qū)

        對(duì)于地埋管換熱方式,適宜性分區(qū)指標(biāo)主要考慮巖土體特性、地下水分布和滲流情況、地下水空間利用等因素。

        根據(jù)鶴壁市區(qū)域地層資料和研究區(qū)內(nèi)的成井資料,第四系厚度一般在50~100m之間,巖性主要為礫石、卵礫石、中細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、黏土;地下水位埋深為5~20m;從地層剖面上看,卵礫石層厚度均大于10m,厚度較大,直接影響到鉆進(jìn)條件和經(jīng)濟(jì)效益,根據(jù)地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),全區(qū)評(píng)價(jià)均為不適宜區(qū)。

        4 淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)

        4.1 評(píng)價(jià)方法

        (1)淺層地?zé)崛萘坑?jì)算

        根據(jù)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法[8]和田廷山[9]對(duì)淺層地?zé)崮艿难芯?,熱容量采用容積法計(jì)算包氣帶和飽水帶中的單位溫差儲(chǔ)藏的熱量。

        包氣帶地?zé)崛萘坑?jì)算公式:QR=QS+QW+QA、QS=ρSCS(1-φ)MdΔT、QW=ρWCWωMdΔT、QA=ρACA(φ-ω)MdΔT。式中,QR為地?zé)崛萘浚╧J);QS為巖土體中的熱容量(kJ);QW為巖土體中所含水的熱容量(kJ);QA為巖土體中所含空氣的熱容量(kJ);ρS為巖土體密度(kg/ m3);ρW為水密度(kg/m3);ρA為空氣密度(kg/m3);CS為巖土體比熱容(kJ/kg·℃);CW為水比熱容(kJ/kg·℃);CA為空氣比熱容(kJ/kg·℃);φ為巖土體孔隙率;ω為巖土體含水率;M為評(píng)價(jià)區(qū)域面積(km2);d為包氣帶厚度(m);ΔT為利用溫差(℃)。

        飽水帶地?zé)崛萘坑?jì)算公式:QR=QS+QW、QS=ρSCS(1-φ) MdΔT、QW=ρWCWωMdΔT。式中,各字母代表含義同上,但d表示地下水面至計(jì)算下限的巖土體厚度(m),包括需要計(jì)算的含水層和相對(duì)隔水層。

        (2)可利用量計(jì)算

        淺層地?zé)崮艿牡叵滤畵Q熱方式利用單井換熱功率計(jì)算,公式為:Q可=Qh×N×t、Qh=qWΔTρWCW×1.16×10-5。式中,Q可為單位面積上淺層地?zé)崮芸衫昧浚╧J);N為單位面積可布井?dāng)?shù);t為熱泵系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間(d);qw為評(píng)價(jià)區(qū)單井出水量(m3/d);Qh為單井換熱功率(kw);ΔT為地下水利用溫差(℃)。

        4.2 參數(shù)確定

        計(jì)算參數(shù)主要為各巖土體物性參數(shù)和評(píng)價(jià)區(qū)面積參數(shù)。巖土體密度、孔隙率、含水量、比熱容等參數(shù)通過(guò)研究成果確定[10];水和空氣的密度、比熱容選取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù);評(píng)價(jià)范圍為地下水換熱方式適宜區(qū)和較適宜區(qū)的面積值;利用溫差值根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)確定;單井出水量根據(jù)區(qū)域富水性選?。桓鶕?jù)區(qū)域含水層情況采用合理布井方式確定最佳井間距,并由此計(jì)算單位面積可布設(shè)井?dāng)?shù)量;系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間根據(jù)研究區(qū)實(shí)際工程運(yùn)行情況確定。各參數(shù)取值見表4、表5所示。

        4.3 計(jì)算結(jié)果

        將表4中的參數(shù)代入淺層地?zé)崛萘肯鄳?yīng)計(jì)算公式中,得出:鶴壁新城淺層地?zé)崮苓m宜區(qū)熱容量為21.70×1012kJ,較適宜區(qū)為44.08×1012kJ,包氣帶熱容量為11.07×1012kJ,飽水帶為54.71×1012kJ,總熱容量為65.78×1012kJ,結(jié)果詳見表6。

        表4 熱容量計(jì)算參數(shù)取值Table 4 The parameter values of thermal capacity calculation

        表5 地下水源熱泵適宜區(qū)與較適宜區(qū)可利用量計(jì)算參數(shù)取值Table 5 The parameter values of available amount in the suitable area and more appropriate area of groundwater heat pump

        表6 鶴壁新城淺層地?zé)崮軣崛萘坑?jì)算結(jié)果Table 6 The calculation of shallow geothermal heat capacity in new Hebi city

        將表5中的參數(shù)代入可利用量計(jì)算公式中,得出:鶴壁新城淺層地?zé)崮艿叵滤畵Q熱方式適宜區(qū)可利用量為10.10×1012kJ/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤34.47×104t,冬季可供暖面積21.84×106m2/a,夏季可制冷面積23.40×106m2/a;地下水換熱方式較適宜區(qū)可利用量為35.22×1012kJ/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤126.17×104t,冬季可供暖面積54.35×106m2/a,夏季可制冷面積114.29×106m2/a,結(jié)果詳見表7。

        表7 鶴壁新城淺層地?zé)崮艿叵滤畵Q熱方式可利用量計(jì)算結(jié)果Table 7 The available calculation results on groundwater heat mode of shallow geothermal heat capacity in new Hebi city

        4.4 綜合評(píng)價(jià)

        鶴壁新城淺層地?zé)崮苜Y源主要儲(chǔ)存在恒溫帶至200m以淺的松散沉積物中,主要開發(fā)利用方式為地下水換熱方式。本次淺層地?zé)崛萘坎捎萌莘e法計(jì)算,可利用量采用地下水量折算法。計(jì)算區(qū)域?yàn)檫m宜區(qū)和較適宜區(qū),見圖3所示。計(jì)算得出鶴壁新城淺層地?zé)崮芸偀崛萘繛?5.78×1012kJ,總可利用量為45.32×1012kJ/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤154.64×104t,冬季可供暖面積76.19×106m2/a,夏季可制冷面積137.69×106m2/a。由此可見,鶴壁新城的淺層地?zé)崮苜Y源儲(chǔ)量十分巨大。

        圖3 鶴壁新城淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)及資源分布Fig.3 The development and utilization on shallow geothermal heat capacity of suitability zoning and resource distribution in new Hebi city

        5 結(jié)論

        (1)研究區(qū)大部分為淇河沖洪積平原,目的含水層主要為松散巖類孔隙水,含水介質(zhì)由中上更新統(tǒng)砂、卵礫石層組成,厚度較大,補(bǔ)給和覆水條件良好,適宜于地溫空調(diào)的建設(shè)。

        (2)研究區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用方式為地下水換熱方式,采用熱儲(chǔ)法對(duì)淺層地?zé)崛萘窟M(jìn)行計(jì)算,采用地下水量折算法對(duì)可利用量進(jìn)行計(jì)算,得出鶴壁新城總地?zé)崛萘?5.78×1012kJ,地下水換熱方式適宜區(qū)和較適宜區(qū)可開利用量為45.32×1012kJ/a,折合標(biāo)準(zhǔn)煤154.64×104t,冬季可供暖面積76.19×106m2/a,夏季可制冷面積137.69×106m2/a,淺層地?zé)崮苜Y源豐富,開發(fā)利用潛力巨大,能滿足區(qū)域供暖和制冷需求,開發(fā)利用前景廣闊。

        (3)在適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上,結(jié)合地溫空調(diào)開發(fā)利用現(xiàn)狀,對(duì)地溫空調(diào)井的分布、開采量和回灌量、合理井間距、抽灌比等進(jìn)行規(guī)劃。

        (4)建議政府相關(guān)部門可借鑒發(fā)達(dá)地區(qū)成功經(jīng)驗(yàn),更好地為當(dāng)?shù)販\層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用服務(wù)。加強(qiáng)對(duì)地溫空調(diào)井水質(zhì)、水溫及水量的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)工作,分析地溫空調(diào)井在開發(fā)利用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化,以便及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

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        Abstract: New Hebi City (the study area) ranges from the Beijing-Hongkong-Macao Highway (with vocational education park) in the east to the Beijing-Guangzhou railway in the west; and from the Bohai sea road in the north to the Side River line in the south. The geological structure of this area is a transition zone from the eastern Taihang Mountain foothills to the North China Plain, mainly occupying the Qi River alluvial-proluvial plain. Shallow aquifers in the area mostly contain unconsolidated pore water. In this paper, through comprehensive regional hydrogeological investigation, water withdrawal testing, and other research, spatial distribution characteristics and conditions of occurrence in the shallow geothermal aquifer are indicated in the study area. According to which of two ways of exploiting shallow geothermal heat (i.e., groundwater source heat pumps or ground source heat pumps) is used, New Hebi City is divided into different suitability partitions. This includes suitable regions (mainly in the central and eastern areas), an unsuitable region (smaller and in the northwest area), and a sub-suitable region (most of the remaining area). Shallow geothermal capacity and availability in the different partitions are calculated by the volumetric method, in order to provide support for exploitation of the shallow geothermal potential and for urban planning of development.

        Evaluation of shallow geothermal energy resources and application prospects in New Hebi City, Henan Province, China

        LI Xia1,2, WAN Li-Qin1, CHEN Wen-Fang3, ZHANG Yi-Bo3
        (1. China Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081, China; 2. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100088, China; 3. First Institute of Geological Environment Survey, Henan Bureau of Geo-Exploration & Mineral Development, Henan Zhengzhou 450045, China)

        shallow geothermal energy; resources assessment; suitability partition; exploitation utilization

        P314

        A

        2095-1329(2016)04-0072-05

        10.3969/j.issn.2095-1329.2016.04.020

        2016-05-26

        2016-09-23

        李霞(1984-),女,工程師,博士生,主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)研究.

        電子郵箱: lx2003cg@163.com

        聯(lián)系電話: 010-62170330

        中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“東營(yíng)地區(qū)及典型城市地下地質(zhì)空間利用環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”(12120114079201)

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