謝紀(jì)海, 夏冬生, 陶 良, 黃群龍, 張婭婷, 王小利, 柯 立

(1.武漢市測(cè)繪研究院,湖北 武漢 430074;2.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051)

淺層地?zé)崮苤冈谔栞椛浜蛢?nèi)熱的綜合作用下蘊(yùn)藏在地表一定深度(一般指埋深200 m)范圍內(nèi)巖土體、地表水及地下水中的可開發(fā)利用的熱能,溫度一般<25 ℃。由于淺層地?zé)崮芫哂锌裳h(huán)再生、儲(chǔ)量巨大以及利用方便等特點(diǎn),其作為一種潛力巨大、價(jià)格低廉的清潔能源對(duì)于緩解能源短缺和溫室效應(yīng)等問題具有廣闊的前景和顯著優(yōu)勢(shì)。

淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用受地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、技術(shù)能力及經(jīng)濟(jì)條件等諸多因素的制約,結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件,采用恰當(dāng)?shù)姆椒?評(píng)價(jià)資源量潛力,對(duì)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)意義。近年來,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者陸續(xù)開展關(guān)于淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用評(píng)價(jià)的研究。Thomas Kohl[1]以大量的地震剖面和鉆孔等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,通過對(duì)這些地質(zhì)體賦予屬性信息并計(jì)算獲得熱能的儲(chǔ)量和開發(fā)量。孫永泉[2]借助淺層地?zé)崮艿奶卣骱头植家?guī)律的調(diào)查研究,提出淺層地溫能的評(píng)價(jià)方法,以此完善淺層地?zé)崮苜Y源的資源量和可開采資源量的計(jì)算與評(píng)價(jià)。錢會(huì)等[3]討論淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用前景,同時(shí)將ArcGIS軟件運(yùn)用到淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)評(píng)價(jià)中。王貴玲等[4]對(duì)我國(guó)地下水源地源熱泵應(yīng)用的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià),但分區(qū)范圍較廣,對(duì)于各個(gè)地市的概況并沒有詳細(xì)的刻畫。本次研究根據(jù)武漢市城市地質(zhì)調(diào)查成果,結(jié)合武漢市實(shí)際條件,采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行區(qū)劃,并開展武漢市淺層地?zé)崮苜Y源量和潛力評(píng)價(jià),旨在為武漢市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

武漢市地理位置在東經(jīng)113°41′～115°05′,北緯29°58′～31°22′,全境面積8 494 km2,為湖北省面積的4.6%,其中,都市發(fā)展區(qū)范圍面積為3 469 km2。武漢市位于江漢平原東部,屬平原邊緣隆起地帶,北靠大別山,區(qū)內(nèi)地形北高南低,總體地貌表現(xiàn)為平原上殘丘突露景觀(約占總面積的5%),水系發(fā)達(dá)(約占總面積的25%),其余為剝蝕堆積低崗和沖洪積平原。區(qū)內(nèi)地層淺部為剝蝕堆積、沖洪積成因的第四系粘性土、砂層,深部基巖為古生界—新生界地層,巖性包括泥巖、砂巖、灰?guī)r、頁巖、硅質(zhì)巖等。武漢市第四系覆蓋地層薄,除武昌洪山廣場(chǎng)、漢陽王家灣古河道段外,厚度一般20～50 m,在低丘地段(如武漢大學(xué)、龜山、蛇山),基巖直接出露地表。

2 武漢都市發(fā)展區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)

2.1 因子體系

地源熱泵系統(tǒng)供暖制冷是城市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的最主要方式,通常分為地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)[5]。由于兩種地源熱泵利用形式要求的地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件有所不同,在對(duì)兩種地源熱泵進(jìn)行適宜性分區(qū)時(shí)所考慮的影響因子也不相同。在選取影響因子時(shí)既要考慮因子的可量化性,同時(shí)也要考慮因子的代表性以及在評(píng)判范圍內(nèi)的系統(tǒng)性。通過對(duì)兩種地源熱泵運(yùn)行影響因素研究,結(jié)合專家意見,分別建立武漢市地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵適宜性評(píng)判因子體系,如圖1和圖2所示。

表1 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性各評(píng)價(jià)因子權(quán)重Table 1 Weight of suitability evaluation factors of groundwater source heat pump system

表2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性各評(píng)價(jià)因子權(quán)重Table 2 Weight of suitability evaluation factors of ground-source heat pump system

圖1 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)判因子體系Fig.1 Suitability evaluation system of groundwater source heat pump system

圖2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)判因子體系Fig.2 Suitability evaluation system of ground-source heat pump system

2.2 方法概述

本次研究采用模糊綜合評(píng)判法進(jìn)行適宜性分區(qū)。模糊綜合評(píng)判法是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則,考慮與評(píng)價(jià)事物相關(guān)事物的各個(gè)因素對(duì)其所作的綜合評(píng)價(jià)[6]。由于模糊綜合評(píng)判決策是對(duì)受多種因素影響的事物作出全面評(píng)價(jià)的高效決策方法,因此其作為一種數(shù)學(xué)應(yīng)用方法在各學(xué)科領(lǐng)域均得到廣泛運(yùn)用。模糊綜合評(píng)判法具體步驟如下:

(1) 建立評(píng)判因子集。因子集是由影響評(píng)判事物的所有因子組成的集合,即

U={u1,u2,u3,…,um}

(1)

式中:U為因子集,ui(i=1,2,3…,m)代表各影響因子,如本次研究選取的含水層出水能力、含水層回灌能力、地下水位埋深、地下水水質(zhì)等因子,這些因子一般具有不同程度的模糊性。

(2) 建立評(píng)價(jià)集。評(píng)價(jià)集是針對(duì)評(píng)判對(duì)象做出的所有可能評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合,即

V={v1,v2,v3,…,vn}

(2)

式中:V為評(píng)價(jià)集,vi(i=1,2,3…,n)為評(píng)判結(jié)果,如本次研究中適宜性結(jié)果分為三個(gè)等級(jí):適宜區(qū)、較適宜區(qū)、適宜性差區(qū)。運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法,在綜合考慮所有評(píng)價(jià)因子的前提下,從評(píng)價(jià)集中選取最合理的元素作為評(píng)價(jià)結(jié)果。

(3) 建立權(quán)重集。評(píng)價(jià)過程中,不同的因子對(duì)評(píng)判對(duì)象的影響程度不同,因此需要建立反映各因子重要程度的權(quán)重集,即

(3)

(4)

(5)

此矩陣為一模糊矩陣,可視為從因子集U到評(píng)價(jià)集V的模糊關(guān)系矩陣。本次研究中,地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜評(píng)價(jià)模糊評(píng)判矩陣分別為8×3和7×3的矩陣。對(duì)于矩陣中各評(píng)判因子對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集的隸屬度,為滿足模糊綜合評(píng)判方法的要求,首先對(duì)各個(gè)影響因子進(jìn)行相應(yīng)評(píng)語集的數(shù)值化,對(duì)于連續(xù)型因子可采用連續(xù)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行隸屬度的連續(xù)取值,對(duì)于離散型或者很難量化的因子,根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、專家咨詢以及相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行隸屬度的取值。

(5) 模糊綜合評(píng)判。結(jié)合各個(gè)因子在評(píng)判中的重要程度,綜合考慮各個(gè)因子的影響,可用如下公式做出模糊綜合評(píng)判:

(6)

(7)

2.3 評(píng)判結(jié)果

本次研究以mapgisK9軟件為工具,將各因子矢量圖進(jìn)行空間疊加分析計(jì)算獲得綜合圖,運(yùn)用前文提到的模糊綜合評(píng)判方法將綜合圖的屬性值進(jìn)行運(yùn)算,獲取最終的模糊綜合評(píng)判屬性值,并借助mapgisK9軟件的聚類歸并功能對(duì)圖形進(jìn)行處理,同時(shí)對(duì)影響分區(qū)的特殊指標(biāo)(巖溶地面塌陷高易發(fā)區(qū)、軟土地面沉降高易發(fā)區(qū)、應(yīng)急水源地等)進(jìn)行一票否決,最終形成武漢都市發(fā)展區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖(圖3)和武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖(圖4),表3為兩種地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

圖3 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖Fig.3 Suitability zoning map of groundwater source heat pump system

圖4 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖Fig.4 Suitability zoning map of ground-source heat pump system

表3 兩種地源熱泵系統(tǒng)分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Results of two heat pump systems suitability zoning

注:適宜區(qū)、較適宜區(qū)及適宜性差區(qū)均不包含水域面積。

如圖3所示,地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)范圍較小,主要在長(zhǎng)江、漢江一級(jí)階地前緣至中緣,其特點(diǎn)為可利用的地下水資源量豐富且含水層出水、回灌能力強(qiáng)。適宜性差區(qū)主要分為兩類:一類是武漢市白沙洲地區(qū)、中南軋鋼廠等地下水禁采區(qū)和漢南等地,該區(qū)共同的特點(diǎn)是分布于長(zhǎng)江岸邊,地層結(jié)構(gòu)上覆為第四系砂層,賦存有松散巖類孔隙承壓水,下伏地層為石炭—二疊系灰?guī)r,巖溶發(fā)育,賦存裂隙巖溶水,兩種地下水互相連通,在地下水動(dòng)力和巖溶作用下,抽水極易誘發(fā)巖溶地面塌陷;另一類是調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)一級(jí)階地后緣及隱伏巖溶上部為隔水層地區(qū),其單井出水量小,開發(fā)利用成本較高,分析評(píng)價(jià)綜合得分低,上述地區(qū)被劃分為地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性差區(qū)。

如圖4所示,武漢市全市基本適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè),僅武昌白沙洲、漢陽中南軋鋼廠、漢南紗帽局部地區(qū)由于近年來多次發(fā)生巖溶塌陷,地埋管鉆孔施工及外界因素影響易誘發(fā)巖溶塌陷,影響項(xiàng)目建設(shè)、長(zhǎng)期使用的可靠性,被劃分為適宜性差區(qū),其他區(qū)域?yàn)檫m宜區(qū)和較適宜區(qū)。其中適宜區(qū)為巖土層比熱容大、導(dǎo)熱系數(shù)大、換熱量較大、施工條件較好的地區(qū),較適宜區(qū)換熱條件及施工條件次于適宜區(qū)。需要強(qiáng)調(diào)的是地埋管地源熱泵工程施工過程中會(huì)對(duì)應(yīng)急水源地含水層帶來不同程度的污染,如多層含水層串通,施工泥漿、添加劑等不利影響,因此在應(yīng)急水源地區(qū)域開展地埋管地源熱泵工程時(shí),要加強(qiáng)環(huán)境影響評(píng)估、改進(jìn)施工工藝,嚴(yán)格審批。

3 武漢都市發(fā)展區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力分析評(píng)價(jià)

3.1 淺層地?zé)崮軣崛萘坑?jì)算

本次采用體積法對(duì)武漢都市發(fā)展區(qū)淺層地?zé)崮苓m宜區(qū)和較適宜區(qū)進(jìn)行熱容量計(jì)算。由于武漢市地下水水位埋深一般為1.4～1.7 m,故計(jì)算時(shí)將土體視為飽和狀態(tài)?？紤]武漢市地質(zhì)條件及目前淺層地?zé)崮荛_發(fā)技術(shù)水平,且各地地源熱泵系統(tǒng)最大施工鉆孔深度為120 m,本次研究以地下120 m為計(jì)算深度。熱容量計(jì)算公式如下:

QR=QS+QW
QS=ρSCS(1-φ)Md
QW=ρwCwφMd

(8)

式中:QR為淺層地?zé)崮軣崛萘?kJ/℃;QS為巖土體骨架的熱容量,kJ/℃;QW為巖土體所含水中的熱容量,kJ/℃。ρS為巖土體密度,kg/m3;CS為巖土體骨架的比熱容,kJ/kg·℃;φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率);M為計(jì)算面積,m2;d為計(jì)算厚度,m;ρw為水密度,kg/m3;Cw為水比熱容,取4.18 kJ/kg·℃。

武漢市120 m以淺淺層地?zé)崮軣崛萘坑?jì)算分區(qū)(不包含地表水區(qū)域和適宜性差區(qū)),主要是根據(jù)收集整理的鉆孔資料,結(jié)合武漢地區(qū)巖土體物理、熱物性經(jīng)驗(yàn)參數(shù)綜合計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖5所示,武漢都市發(fā)展區(qū)地?zé)崮苋萘糠譃橐韵?級(jí):<3.00、3.00～3.20、3.20～3.40、3.40～3.60、>3.60(單位:1011kJ/℃·km2),且大部分區(qū)域單位面積熱容量值為3.00～3.70(1011kJ/℃·km2),武漢市都市發(fā)展區(qū)淺層地?zé)崛菘偭咳绫?所示。

圖5 武漢都市發(fā)展區(qū)淺層地?zé)崮軣崛萘坑?jì)算分區(qū)圖Fig.5 Suitability zoning map of shallow geothermal energy capacity in metropolitan development area of Wuhan注:適宜性差區(qū)為兩種地源熱泵系統(tǒng)適宜性差區(qū)相交區(qū)域

表4 武漢都市發(fā)展區(qū)淺層地?zé)崮芸側(cè)萘縏able 4 Total capacity of shallow geothermal energy in metropolitan development area of Wuhan City

注:1 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)熱取1.75×1010J。

3.2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)可利用資源量計(jì)算

考慮到武漢都市發(fā)展區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)分布范圍較小,本次研究以地埋管地源熱泵系統(tǒng)為例,研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)換熱功率計(jì)算方法如下:

Dq=D×n×τ

(9)

式中:Dq為換熱功率,kW;D為單孔換熱功率,kW;換熱鉆孔數(shù);τ為土地利用系數(shù),主城區(qū)取18.81%,新城區(qū)取12.39%。

參考武漢市地埋管地源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),根據(jù)以上公式可分別得出武漢市地埋管地源熱泵系統(tǒng)夏季制冷期換熱功率為5.65×107kW,冬季采暖期換熱功率為4.85×107kW。經(jīng)統(tǒng)計(jì),武漢都市發(fā)展區(qū)城鎮(zhèn)集中建設(shè)區(qū)范圍內(nèi)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積為1 411.01 km2,且夏季制冷和冬季供暖分別按120天和90天計(jì),則獲得武漢都市發(fā)展區(qū)建設(shè)集中用地中地埋管地源熱泵系統(tǒng)可交換熱量如表5所示。

表5 武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)交換總熱量Table 5 Total heat exchanger capacity of ground-source heat pump system in metropolitan development area of Wuhan City

3.3 地埋管地源熱泵換熱潛力分析

根據(jù)武漢市各類建筑占比、實(shí)際利用冷熱負(fù)荷進(jìn)行測(cè)算、估算,結(jié)合省會(huì)城市淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),估算得出武漢市建筑物夏季平均制冷負(fù)荷為79.9 W/m2,冬季平均供暖負(fù)荷為58.3 W/m2,則利用地埋管總體制冷供暖換熱功率計(jì)算可得,武漢都市發(fā)展區(qū)集中建設(shè)區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)1 411.01 km2范圍內(nèi)的制冷和供暖面積分別為7.11×108m2和8.37×108m2。由于巖土體物理性質(zhì)參數(shù)的不同,研究區(qū)單位面積地埋管淺層地?zé)崮艿目衫觅Y源量也不同,根據(jù)不同區(qū)域的資源利用量可計(jì)算獲得研究區(qū)內(nèi)單位面積內(nèi)制冷和供暖面積,獲得武漢都市發(fā)展區(qū)制冷和供暖潛力評(píng)價(jià)圖(圖6)。

圖6 武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)潛力評(píng)價(jià)圖Fig.6 Assessment of application potential of ground-source heat pump system in metropolitan development area of Wuhan City

如圖所示,單位面積(1 km2)夏季可制冷面積在40×104～75×104m2,冬季可供暖面積范圍為45×104～85×104m2。主城區(qū)與新城區(qū)相比,雖然主城區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地范圍內(nèi)的地埋管土地利用率要低于新城區(qū),但主城區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地與新城區(qū)相當(dāng),故在城鎮(zhèn)集中建設(shè)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行潛力對(duì)比,主城區(qū)要普遍高于新城區(qū)。

4 結(jié)論

本次研究以武漢都市發(fā)展區(qū)為研究對(duì)象,采用模糊綜合評(píng)判方法對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性進(jìn)行區(qū)劃,在適宜性劃分的基礎(chǔ)上,對(duì)都市發(fā)展區(qū)地?zé)崮苋萘窟M(jìn)行計(jì)算,同時(shí),以地埋管地源熱泵系統(tǒng)為例,對(duì)地埋管淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用潛力進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià),主要結(jié)論如下:

(1) 淺層地?zé)崮苓m宜性區(qū)劃中,根據(jù)兩種不同的地源熱泵系統(tǒng)特征,采用不同的評(píng)價(jià)因子體系進(jìn)行模糊綜合評(píng)判,評(píng)判結(jié)果顯示,武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)及較適宜區(qū)范圍可達(dá)研究區(qū)面積80%以上,但地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜及較適宜范圍僅有15%左右。

(2) 武漢都市發(fā)展區(qū)內(nèi)(除淺層地?zé)崮苓m宜性差區(qū))淺層地?zé)崮苡?jì)算總?cè)萘繛?.51×1014kJ/℃,折合標(biāo)準(zhǔn)煤為5.42×107t/℃。

(3) 在武漢都市發(fā)展區(qū)城鎮(zhèn)集中建設(shè)區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)和較適宜區(qū)(1 411.01 km2)范圍內(nèi),地埋管地源熱泵系統(tǒng)可利用資源總量為4.82×1014kJ,折合標(biāo)準(zhǔn)煤2 741.97萬t,制冷和供暖面積分別可達(dá)7.11×108m2和8.37×108m2,單位面積(1 km2)制冷和供暖面積都在40×104m2以上,開發(fā)潛力可觀。

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