田小林

仁懷中樞城區(qū)巖土熱物性特征及地源熱泵開(kāi)發(fā)建議

田小林1,2

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義 563000；2.貴州淺層地溫能開(kāi)發(fā)有限公司，貴陽(yáng) 550081）

巖土體的綜合熱物性質(zhì)是決定地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)、保障淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)對(duì)仁懷中樞城區(qū)水文地質(zhì)條件及熱響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析研究，該區(qū)為受斷裂及地形綜合控制的地下水富集區(qū)和疏干區(qū)兩種巖溶水系統(tǒng)，地下水富集區(qū)相對(duì)疏干區(qū)巖土綜合熱物性較好，地源熱泵工程開(kāi)發(fā)利用前應(yīng)按巖土熱物性質(zhì)分區(qū)設(shè)計(jì)，以提高資源利用效率和降低建設(shè)成本。

地下水；巖土體；熱物性特征；地源熱泵；開(kāi)發(fā)利用

仁懷中樞城區(qū)位于貴州遵義仁懷市鹽津河右岸臺(tái)地，發(fā)育寒武系婁山關(guān)組(∈2-3)白云巖，巖溶發(fā)育、含水巖組富水性強(qiáng)。受地形地貌及斷裂構(gòu)造控制，形成了以中樞斷層為界、北西盤(pán)地下水富集、南西盤(pán)地下水貧乏的水文地質(zhì)條件差異（韓至鈞和金占省，1996）?？傮w呈現(xiàn)地下水富集區(qū)巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率、地溫恢復(fù)時(shí)間、單位換熱量等均優(yōu)于地下水疏干區(qū)的熱物性特征。查明巖土熱物性特征及其分布規(guī)律，才能因地制宜合理規(guī)劃及開(kāi)發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

仁懷中樞城區(qū)位于貴州大婁山脈西段北側(cè)、云貴高原向四川盆地過(guò)渡的山地斜坡地帶，揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱畢節(jié)北東向構(gòu)造變形區(qū)之東北部、大婁山隆起褶皺帶之北西側(cè)，地質(zhì)構(gòu)造以北東向斷裂構(gòu)造為主，控制著含水巖組展布和地下水分布（王明章等，2018）。碳酸鹽巖以白云巖及灰?guī)r為主，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，溶孔、溶隙構(gòu)成地下水運(yùn)移、徑流和富集的有利空間，碎屑巖主要以泥頁(yè)巖及砂巖為主，含水介質(zhì)發(fā)育弱，地下水較貧乏，巖石導(dǎo)熱性較差，巖土熱物性參數(shù)相對(duì)較小。在地下水相對(duì)富集的碳酸鹽巖分布區(qū)，受地下水及地層巖性綜合控制，巖土熱物性參數(shù)相對(duì)疏干區(qū)往往更大，是地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)利用最為有利的區(qū)域。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 地下水系統(tǒng)

中樞城區(qū)處于中樞斷層帶，分布寒武系婁山關(guān)組(∈2-3)白云巖，巖溶發(fā)育、富水性強(qiáng)，含水介質(zhì)以溶孔、溶隙為主，含水性較為均勻。地形地貌上處于鹽津河深切河谷右岸邊緣，北西部以湄潭組（O1）泥巖、頁(yè)巖等相對(duì)隔水層為界、南東部以鹽津河最低排泄基準(zhǔn)面為界，形成半封閉地下水系統(tǒng)（王明章等，2015）。受中樞斷層控制，斷層上盤(pán)地下水富集而構(gòu)成區(qū)內(nèi)富水臺(tái)地，出露泉水點(diǎn)多，泉流量0.83～5.6L/s，鉆孔涌水量432.0m3/d，地下水位埋深4.0m；斷層下盤(pán)因鹽津河深切割而形成地下水疏干區(qū)，基本無(wú)泉水點(diǎn)出露，鉆孔一般水位埋深20.5～40.6m、涌水量22.46～68.26m3/d。

圖1 仁懷中樞區(qū)域水文地質(zhì)略圖

1.下降泉(編號(hào)；流量L/s)；2.上升泉(編號(hào)；流量L/s)；3.鉆孔(編號(hào)；涌水量m3/d、靜止水位m)；4.正斷層；5.逆斷層；6.地層界線；7.地層代號(hào)；8.地下水流向

2.2 地下水補(bǔ)給

補(bǔ)給區(qū)分布于中樞城區(qū)北東、中樞斷層上盤(pán)桐梓紅花園組(O1)及婁山關(guān)組(∈2-3)碳酸鹽巖裸露區(qū)，地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，沿中樞鎮(zhèn)-長(zhǎng)遠(yuǎn)溪呈帶狀展布，補(bǔ)給面積大、地形較為平緩，裸露碳酸鹽巖地層巖溶發(fā)育，地下水補(bǔ)給條件較好。

表1 地下水天然排泄點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

2.3 地下水徑流

地下水徑流受富水臺(tái)地北西側(cè)帶狀連續(xù)分布湄潭組（O1）泥巖、頁(yè)巖等相對(duì)隔水地層、南東側(cè)中樞阻水?dāng)鄬涌刂?，沿中樞斷層上盤(pán)婁山關(guān)組(∈2-3)白云巖由長(zhǎng)遠(yuǎn)溪-中樞鎮(zhèn)-楊家堡方向徑流，富水臺(tái)地地形平緩，地下水徑流緩慢。中樞斷層下盤(pán)至鹽津河谷區(qū)域受河流深切割，地下水分散式朝鹽津河谷方向徑流，地形坡度大，徑流速度快，形成地下水疏干區(qū)。

2.4 地下水排泄

該區(qū)共有10處泉水點(diǎn)出露，總排泄量24.39L/s。在中樞斷層下盤(pán)至鹽津河區(qū)域，地下水在鹽津河谷邊緣以巖溶大泉形式出露排泄，有2處巖溶大泉，總排泄量達(dá)130.0L/s。

3 巖土熱物性特征

3.1 導(dǎo)熱特征

在中樞斷層上盤(pán)富水臺(tái)地，ZK1號(hào)鉆孔地下水埋深4.0m、涌水量432.0m3/d、綜合導(dǎo)熱系數(shù)為4.26w/m·℃；在下盤(pán)地下水疏干區(qū)，ZK2—ZK4號(hào)鉆孔地下水埋深20.5～40.6m、涌水量22.46～68.26m3/d、綜合導(dǎo)熱系數(shù)為2.74～2.99w/m·℃，反映了地下水豐富的區(qū)域巖土體綜合導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大、導(dǎo)熱性能相對(duì)較好（莊宇和潘小平，2010）。

圖2 仁懷中樞富水臺(tái)地剖面示意圖

1.白云巖；2.石灰?guī)r；3.泥質(zhì)白云巖；4.泥質(zhì)灰?guī)r；5.斷層；6.地層代號(hào)

3.2 熱擴(kuò)散特征

中樞城區(qū)ZK1號(hào)鉆孔熱擴(kuò)散率為0.85×10-6m2/s，ZK2—ZK4號(hào)鉆孔為1.01～1.04×10-6m2/s。ZK1號(hào)鉆孔處于地下水富集區(qū)，地下水有較大比熱容，加之流動(dòng)特性，對(duì)換熱量迅速擴(kuò)散，是其熱擴(kuò)散率大于下盤(pán)的主要原因。中樞斷層上盤(pán)地下水富集區(qū)巖土熱擴(kuò)散率大于下盤(pán)地下水疏干區(qū)，上盤(pán)是地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)相對(duì)更為有利的水文地質(zhì)部位。

表2 巖土熱物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.3 地溫恢復(fù)特征

地溫恢復(fù)時(shí)間的長(zhǎng)短在地源熱泵工程中，是評(píng)價(jià)地溫場(chǎng)均衡程度和換熱效率的重要依據(jù)。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水溫測(cè)量及熱響應(yīng)試驗(yàn)：S7號(hào)上升泉及ZK1—ZK4號(hào)鉆孔水溫均為17.6℃，ZK1—ZK4號(hào)鉆孔初始地溫均為17.5℃，反映巖土體初始地溫與地下水溫一致、具有相同淺層地溫場(chǎng)背景。結(jié)合熱響應(yīng)試驗(yàn)地溫恢復(fù)數(shù)據(jù)，ZK1號(hào)鉆孔停止加熱6h地溫恢復(fù)至17.5℃，ZK2—ZK4號(hào)鉆孔地溫恢復(fù)時(shí)間分別為10.5h、12h和11.5h，充分說(shuō)明在地下水作用下地溫恢復(fù)更快、更能高效促進(jìn)地溫場(chǎng)均衡（尹陳等，2020）。

3.4 綜合換熱特征

根據(jù)熱響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，ZK1號(hào)鉆孔單位換熱量為72.35w/m，ZK2—ZK4號(hào)鉆孔為52.64～57.22w/m，充分反映地下水富集區(qū)換熱效率大于地下水疏干區(qū)。在地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)工程中，上盤(pán)地下水富集區(qū)所需地埋鉆孔數(shù)量可大幅減少，經(jīng)濟(jì)建設(shè)成本相對(duì)下盤(pán)地下水疏干區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)因具備較強(qiáng)的熱擴(kuò)散能力，換熱效果相對(duì)下盤(pán)地下水疏干區(qū)更好、保證程度更高。

4 地源熱泵開(kāi)發(fā)建議

中樞城區(qū)地埋管地源熱泵工程應(yīng)根據(jù)上下盤(pán)巖土熱物性特征分布規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)部署，優(yōu)先考慮部署在上盤(pán)地下水富集區(qū)，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)的利益最大化。開(kāi)發(fā)利用前應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)條件進(jìn)行地埋鉆孔合理布設(shè)及充分論證，避免盲目開(kāi)發(fā)。

韓至鈞，金占省. 1996. 貴州省水文地質(zhì)志[M]. 北京：地震出版社.

王明章，陳萍，王中美，王詩(shī)揚(yáng). 2018. 貴州省巖溶地下水系統(tǒng)及地下水賦存規(guī)律研究[M]. 北京：地質(zhì)出版社.

王明章，張林，王偉，陳萍，陳登齊，洪運(yùn)勝. 2015. 貴州省巖溶區(qū)地下水與地質(zhì)環(huán)境[M]. 北京：地質(zhì)出版社.

莊宇，潘小平. 2010. 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的換熱工區(qū)巖土體溫度變化研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì). 37(6)：134-139.

尹陳，田小林，湯自華，楊婷婷，吳嵐. 2020. 地下水對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)換熱量影響分析[J]. 西部探礦工程. 32(11)：155-157.

Thermal Properties of Rock and Soil and Development Suggestion of Ground Source Heat Pump in the Zhongshu City Proper, Renhuai

TIAN Xiao-lin1,2

(1-The 114th Geological Brigade, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources, Zunyi, Guizhou 563000; 2-Guizhou Shallow Geothermal Energy Development Co. , Ltd., Guiyang 550081)

Comprehensive analysis of hydrogeological conditions and thermal response test data indicates that there are two karst water systems such as groundwater enrichment area and groundwater drainage area controlled by fault and landform in the Zhongshu city proper, Renhuai. Combined thermophysical properties of the groundwater enrichment area is better than that of groundwater drainage area. The design of development and utilization of ground source heat pump project should be compartmentalized according to the thermal properties of rock and soil in order to improve resource utilization efficiency and reduce construction cost.

groundwater; rock mass; thermal property; ground source heat pump; development and utilization

2020-06-28

貴州省地礦局地質(zhì)科研項(xiàng)目“黔北地區(qū)不同水文地質(zhì)條件下碳酸鹽巖熱物性特征研究”(黔地礦科合[2019]18號(hào))

田小林（1986-），男，貴州遵義市人，工程碩士，高級(jí)工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)及地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)工作

P641.2

A

1006-0995（2021）01-0074-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.014