崔慶崗

中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000

淺層地溫能指蘊含于地下 200m以淺的地下水和巖土體中、一種可再生的新型清潔能源[1-2]，具有資源儲量豐富、分布廣泛、埋藏淺、開采成本低等優(yōu)點[3]。合理開發(fā)利用淺層地溫能對節(jié)約傳統(tǒng)能源和控制環(huán)境污染具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益[4]。近年，國家大力推廣地源熱泵項目，由于缺乏前期勘查和開發(fā)利用規(guī)劃[5]，投資偏高、運行效率偏低的現(xiàn)象時有發(fā)生[6-9]。為更好的開發(fā)利用淺層地溫能資源，山東省于2015～2017年期間完成了17個地市主城區(qū)、新區(qū)、規(guī)劃區(qū)淺層地溫能資源評價[10-19]，研究歸納總結了地埋管換熱對巖土體影響、水源熱泵流量對地埋管深度的影響以及監(jiān)測系統(tǒng)建設等。肥城市淺層地溫能勘查工作起步晚，目前區(qū)內(nèi)尚未開發(fā)使用地源熱泵項目。

本文以肥城市城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能調(diào)查評價項目為依托，采用層次分析法，開展了淺層地溫能適宜性分區(qū)、資源潛力評價，估算了淺層地溫能熱容量及換熱功率。本文是肥城市首次利用實測數(shù)據(jù)開展淺層地溫能適宜性評價，可為后期淺層地溫能的合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)，能夠更好服務于當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展，同時也對其他相近地區(qū)淺層地溫能的開發(fā)利用和推廣提供參考數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 淺層地質(zhì)結構特征

研究區(qū)位于華北板塊（Ⅰ）魯西隆起區(qū)（Ⅱ）魯中隆起區(qū)（Ⅱa）東平-肥城隆斷（Ⅱa4）之東平凸起（Ⅱa41）和肥城凹陷（Ⅱa42）上，石炭-二疊系發(fā)育于肥城凹陷，其他發(fā)育于東平凸起上。

研究區(qū)位于山東省泰安市西部，屬于魯西地層分區(qū)。區(qū)內(nèi)幾乎被第四系覆蓋；其中，大站組主要分布于南部山區(qū)，為砂質(zhì)黏土、礫石，厚8.2～47m；臨沂組分布于康王河、沂河組兩側，上部為粘土質(zhì)砂，中下部為中粗砂、含礫砂，底部為砂礫層，厚25.4～48.7m；沂河組主要分布于康王河流域范圍內(nèi)，為中粗砂、含礫砂，厚25～29.5m。古生代地層局部出露于南部山區(qū)，其他區(qū)域隱伏于第四系之下，主要發(fā)育寒武系九龍群三山子組厚層含燧石結核白云巖、微晶白云巖，奧陶系馬家溝群東黃山組薄層泥質(zhì)白云巖夾角礫狀白云巖（厚75.42～79.21m）、北庵莊組厚層微晶灰?guī)r夾少量泥質(zhì)白云巖（厚33.65～192.10m）、五陽山組厚層含生物碎屑微晶灰?guī)r和微晶灰?guī)r（厚33.24～55.25m）以及石炭-二疊系砂巖、粉砂巖（圖1）。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of the study area

研究區(qū)發(fā)育主要斷裂構造有：肥城斷裂，位于研究區(qū)北側，延伸至老城鎮(zhèn)鮑屯一帶，傾向南，傾角40°～50°，北升南降，落差大于1000m，由多組斷裂交切而成，是肥城凹陷的主控斷裂；桃園斷裂，位于研究區(qū)南部，近東西向，傾向南東，傾角86°，正斷層；馬山斷裂，橫穿研究區(qū)中部，近南北向，傾向東，傾角82°～87°，正斷層，具導水性。

1.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)位于肥城-沂水單斜斷陷水文地質(zhì)亞區(qū)，含水巖組劃分為第四紀松散巖類孔隙水含水巖組和奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組兩種（圖2）。筆者曾對該區(qū)域的含水層厚度、單井涌水量、水化學類型、補涇排特征、水位埋深情況等水文地質(zhì)要素進行了探討，本文不再詳述[20]。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)立體圖Fig.2 Hydrogeological stereogram of the study area

第四紀松散巖類孔隙水大致以康王河為界，流域范圍內(nèi)以沂河組為主，流域以北第四系以臨沂組為主，水位埋深多小于10m，年降幅2～5.8m；南部第四系以大站組、臨沂組為主，幾乎不含孔隙水或含水量極少。第四紀孔隙水受人類工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)活動影響較大，淺部極易遭受污染。2018年10月20日在蔣莊社區(qū)南、孫莊社區(qū)西、南儀仙村東、東大封村南鐵路北10m以淺采集4件水質(zhì)分析樣，水化學類型分別為SO4·HCO3-Ca、HCO3-Ca、SO4-Ca、HCO3-Ca·Mg，SO42-、NO3-、總硬度等含量普遍較高，水質(zhì)量類型為Ⅳ～Ⅴ類。第四紀松散巖類孔隙水水位動態(tài)屬氣象水文型，豐水期水位升高，枯水期水位下降明顯。第四系底部多普遍發(fā)育一層含砂粘土及粘土層，隔絕第四紀孔隙水與奧陶紀裂隙巖溶水之間的水力聯(lián)系，僅在康王河南側通過“天窗”與巖溶水發(fā)生聯(lián)系。

奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水多隱伏于第四系之下，僅在南部龍山公園、母豬山一帶裸露于地表。水位埋深介于45～110m，年降幅為12.78～33.74m，水化學類型以 HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg 為主，陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子有由HCO3-向SO42-變化的趨勢，說明經(jīng)濟發(fā)展中工農(nóng)業(yè)及其他行業(yè)有可能引起了SO42-污染，導致水化學類型發(fā)生了變化。裂隙巖溶水大致以康王河為界，流域范圍內(nèi)水質(zhì)量為優(yōu)良區(qū)，外圍水質(zhì)量為良好級，為地下水上游補給區(qū)；基本上未受到污染，水質(zhì)量為Ⅱ～Ⅲ類水。水位動態(tài)變化與大氣降水關系密切，屬氣象水文型，具有明顯滯后現(xiàn)象，為肥城市城市規(guī)劃區(qū)主要的集體供水水源地。

1.3 地溫場分布特征

本次研究采用鉆孔穩(wěn)態(tài)測溫法，在肥城市城市規(guī)劃區(qū)共測量深井24眼，含水巖組類型為奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，編號為 C01～C24，測溫時間2020年3月25日～2020年4月2日；奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水動態(tài)監(jiān)測井 4眼，編號為C02、C16、C19、C22，監(jiān)測時間2019年12月1日～2020年10月30日；第四系松散巖類孔隙水動態(tài)監(jiān)測井13眼，編號為Q01～Q13，監(jiān)測時間2018年1月5日～2018年11月20日（圖3）。

根據(jù)測溫數(shù)據(jù)顯示[20]：研究區(qū)大面積區(qū)域200m以淺的地溫介于 17～18℃；最高溫位于西大封-朱莊-金槐-冉莊一帶，地溫大于18℃，呈南北向展布，這應該與近南北向馬山斷裂、東西向肥城斷裂及桃園斷裂錯斷導致深部熱量上涌有關；最低溫位于康王河流域范圍，地溫普遍大于17℃，可能是康王河流域地下水徑流較強、地下水垂向流動較快導致的。

從地溫梯度曲線圖來看（圖3），研究區(qū)地溫梯度曲線與地溫展布特征是一致的。最高值位于研究區(qū)西部，王瓜店鎮(zhèn)蔣莊-新鎮(zhèn)村、西大封-朱莊-金槐-冉莊一帶，呈現(xiàn)由東到西遞進增加的趨勢，地溫梯度大于2.5℃/100m，最高值位于西大封社區(qū)，地溫梯度達到4.73℃/100m；冉莊一帶的地溫梯度也超過2.5℃/100m；老城鎮(zhèn)西百尺一帶地溫梯度大于2.0℃/100m；其他大范圍區(qū)域內(nèi)地溫梯度小于1.0℃/100m。

圖3 研究區(qū)地溫梯度等值線圖Fig.3 Geothermal gradient contour map of the study area

從裂隙巖溶水水位、水溫動態(tài)曲線圖來看，研究區(qū)C02井（圖4a）水位埋深66.63～81.96m，年變幅15.33m，井底水溫17.8～18.0℃，年變幅0.2℃；C16井（圖4b）水位埋深60.44～94.18m，年變幅33.74m，井底水溫16.3～16.7℃，年變幅0.4℃；C22井（圖4d）水位埋深84.76～97.54m，年變幅12.78m，井底水溫16.5～16.6℃，年變幅0.1℃；C19井（圖4c）于2020年7月份干涸報廢停止動態(tài)監(jiān)測。由此可見，水溫年變幅未超過0.5℃，地溫比較穩(wěn)定；水位動態(tài)變化與大氣降水關系密切，最低水位多出現(xiàn)在6～8月份。此外，奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水是肥城市城市規(guī)劃區(qū)主要供水水源地，水位動態(tài)受開采強度的影響十分明顯，開采程度高則水位變幅大，相反開采程度低則水位變幅小。

圖4 研究區(qū)裂隙巖溶水水位、水溫動態(tài)監(jiān)測曲線圖Fig.4 Dynamic monitoring graph of water level and temperature of fractured karst water in the study area

2 適宜性評價方法概述

淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要分為地埋管地源熱泵和地下水源熱泵兩種方式[21-22]?？紤]到肥城市城市規(guī)劃區(qū)的集體供水水源以奧陶紀裂隙巖溶水為主，水源地井施工深度在70～300m不等，與淺層地溫能開發(fā)200m以淺的深度上是重疊的，為防止水質(zhì)污染等問題出現(xiàn)，建議優(yōu)先選擇地埋管熱泵系統(tǒng)，該方法換熱量大，不涉及地下水回灌問題，對環(huán)境無污染。本次適宜性評價以地埋管地源熱泵為主。

2.1 適宜性分區(qū)方法

層次分析法（AHP）是由20世紀70年代美國運籌學家Saaty等[23]提出的，是一種能對復雜、模糊問題做出決策的定性與定量相結合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，根據(jù)問題性質(zhì)和完成目標，將問題分解為不同的組成因素[24-26]。這種方法可量化決策者的經(jīng)驗判斷，適用于難以完全定量分析的問題，在實踐過程中得到了廣泛應用。本次通過yaahp軟件，采用層次分析法，綜合考慮研究區(qū)地質(zhì)特征[27]和其他檢驗指標[28-29]，建立分區(qū)評價體系，最終歸結為最底層（方案、措施、指標等）相對于最高層（總目標）的相對重要權值進行排序。

2.2 適宜性評價指標構建

通過實地調(diào)查、統(tǒng)計分析，參照《淺層地溫能勘查評價規(guī)范》[30]地埋管換熱適宜性分區(qū)原則，考慮影響肥城市地埋管地源熱泵建設和效益的主要因素有3類：地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地下水動力條件和巖土體熱物性特征。而生態(tài)保護區(qū)、水源地保護區(qū)則起到?jīng)Q定性作用，只要出現(xiàn)其中一個，不論前幾個指標好壞都不適宜開發(fā)利用地埋管地源熱泵（表1）。

表1 地埋管換熱適宜性分區(qū)[30]Table 1 Heat exchange suitability zoning of the buried pipes

本次評價體系由 3層構成，從頂層至底層分別由系統(tǒng)目標層 O（Object)、屬性層 A（Attribute）和要素指標層F（Factor）組成。O層是系統(tǒng)的總目標，即肥城市城市規(guī)劃區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)；A是屬性指標層，由地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，地下水動力場條件和巖土體熱物性等3個指標構成；F是要素指標層，選擇第四系厚度、含水層厚度、分層水質(zhì)狀況、地下水水位埋深、鉆探施工難度、城市覆蓋率、巖溶發(fā)育情況、平均熱導率、平均熱容、地溫等10個指標組成（圖5）。

圖5 地埋管地源熱泵適宜性層次分析法評價體系圖Fig.5 AHP evaluation system chart of ground source heat pump suitability

2.3 適宜性評價步驟

根據(jù)層次分析法要求，在評價體系的層次隸屬關系的基礎上，分別比較同一層次各要素之間的相對重要性，經(jīng)檢驗比較矩陣的一致性后，采用1～9標度法給出各要素的分值，給出要素層中各要素在目標層中所占的權重。評價要素的相對權重反映出各個要素對地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)“貢獻”的大小，權重越大，表明參數(shù)對適宜性分區(qū)的影響越大，對分區(qū)結果的貢獻就越大（表2，表3）。

表2 屬性層各要素對目標層的權重Table 2 Weights of attribute layer essential factors to target layer

表3 各要素層對目標層的最終權重Table 3 Final weights of each essential factor layer to target layer

2.4 評價要素賦值

本次對各個區(qū)域范圍進行屬性賦值，其中，第四系厚度影響埋管深度；含水層厚度影響著地埋管系統(tǒng)換熱效果；地下水分層水質(zhì)狀況則制約著地埋管施工深度或施工工藝；地下水水位埋深反映了包氣帶厚度，地層是否飽水影響著地埋管換熱效果；地層巖性、厚度、硬度以及砂屑顆粒大小影響著地埋管成井費用和投資大??；城市建筑覆蓋率決定著是否有空間施工熱泵系統(tǒng)；巖溶發(fā)育程度決定了地埋管現(xiàn)場施工難度；熱導率、比熱容等熱物性參數(shù)對埋管的單位孔深換熱量的影響非常大；地溫決定地埋管取熱性能。本次適宜性評價對數(shù)據(jù)標準化，以是否適宜建設地埋管地源熱泵系統(tǒng)為比較標準，對各個要素的范圍值在1～9之間打分，越有利于地埋管地源熱泵系統(tǒng)應用則所獲分值越高，從而將所有數(shù)據(jù)轉化為可以互相比較運算的無量綱數(shù)值（表4）。

表4 研究區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)各要素賦值表Table 4 Assignment table of each essential factor of ground source heat pump system in the study area

3 適宜性評價

本次對研究區(qū)采用 0.5km×0.5km 網(wǎng)格結點，選取第四系厚度、含水層厚度、分層水質(zhì)狀況、地下水水位埋深、鉆探施工難度、城市覆蓋率、巖溶發(fā)育程度、平均熱導率、平均比熱容、地溫等10個要素賦值，提取各參評要素屬性賦值，將每個網(wǎng)格點上的屬性賦值與其相對應的權重值相乘，累加求和，最終可得適宜性評價的最終得分。根據(jù)各工作區(qū)實際情況，將分值0～5的區(qū)域設定為地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜差區(qū)，分值5～7的區(qū)域設定為適宜中等區(qū)，分值7～9的區(qū)域設定為適宜區(qū)。因此，研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜性劃分為適宜性中等區(qū)和適宜性差區(qū)（圖6）[20]。

圖6 研究區(qū)地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖Fig.6 Suitability zoning map for development and utilization of ground source heat pump in the study area

適宜中等區(qū)（Ⅰ區(qū)）：位于研究區(qū)大部分區(qū)域，面積為79.19km2，約占全區(qū)總面積的98.25%。大部分地區(qū)被第四系松散巖類覆蓋，隱伏地層巖性主要為奧陶系碳酸鹽巖類。第四系厚度平原區(qū)以臨沂組、沂河組為主，厚度多介于30～50m，孔隙水含量豐富；南部山區(qū)以大站組為主，厚10～30m，幾乎不含孔隙水或含水量極少。200m以淺，裂隙巖溶水含水層厚度介于32.87～52.18m。第四紀松散巖類孔隙水多遭受不同程度的污染，奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水質(zhì)量為優(yōu)良-良好，水質(zhì)不同且相差較大。裂隙巖溶水水位埋深45～110m。鉆進條件上，第四系巖性以多層中砂、粗砂及泥質(zhì)等為主，下部隱伏地層為奧陶系灰?guī)r，為裂隙巖溶水，巖溶較發(fā)育。城市覆蓋率中等，地面施工條件較好。50m以淺的地溫為14.86～19.91℃。灰?guī)r導熱系數(shù)為 1.571～5.439w/m·℃，平均值3.569w/m·℃；第四系導熱系數(shù)為 0.281～2.076w/m·℃，平均值0.899w/m·℃?；?guī)r容積比熱容為 0.556～2.572MJ/m3·℃，平均值2.013MJ/m3·℃；第四系容積比熱容為 0.207～3.985MJ/m3·℃，平均值1.282MJ/m3·℃。

適宜差區(qū)（Ⅱ區(qū)）：包括白云山公園一帶（Ⅱ1，1.01km2）、龍山公園一帶（Ⅱ2，0.40km2），分布于工作區(qū)南部，面積為 1.41km2，約占全區(qū)總面積的1.75%，為生態(tài)保護區(qū)。

4 資源潛力評價

參照《淺層地溫能勘查評價規(guī)范》[30]，采用體積法計算研究區(qū)200m以淺包氣帶和飽水帶中的單位溫差賦存熱量。淺層地溫能潛力評價指標主要包括熱容量、換熱功率。

4.1 淺層地溫能熱容量

按照第四系淺層松散巖孔隙水以及奧陶系碳酸鹽巖裂隙巖溶水的地下水水位埋深和地層巖性，研究區(qū)分為較適宜Ⅰ-1區(qū)和Ⅰ-2區(qū)2個計算小區(qū)（圖7）。

圖7 研究區(qū)資源儲量計算分區(qū)圖Fig.7 Zoning map of reserves in the study area

（1）Ⅰ-1區(qū)大致位于康王河以北，主要出露第四系臨沂組和沂河組，孔隙水埋深2～10m，第四系全部以飽水帶計算；劃分為第四系飽水帶、灰?guī)r包氣帶、灰?guī)r飽水帶等3個計算區(qū)域；計算厚度依據(jù)ZK2、ZK3、ZR1、ZR2、ZR3、ZR4鉆孔數(shù)據(jù)獲得。

（2）Ⅰ-2區(qū)大致位于康王河以南的低山丘陵區(qū)，主要出露第四系大站組、臨沂組，孔隙水含量有限，第四系全部以包氣帶計算；劃分為第四系包氣帶、灰?guī)r包氣帶、灰?guī)r飽水帶等3個計算區(qū)域；計算厚度依據(jù) ZK1、ZK4、ZR5、ZR6、ZR7鉆孔數(shù)據(jù)獲得。

經(jīng)計算，研究區(qū)200m以淺的淺層地溫能容量為 28.5266×1012kJ/℃，其中，包氣帶淺層地溫容量為4.4895×1012kJ/℃，飽水帶淺層地溫容量為24.0371×1012kJ/℃。

4.2 淺層地溫能換熱功率

淺層地溫能換熱功率指在200m以淺的巖土體、地下水單位時間內(nèi)的熱交換量[31]。土地利用系數(shù)取值0.06[32]，在考慮土地利用系數(shù)的情況下，研究區(qū)200m以淺地埋管地源熱泵可利用換熱功率為 25.50×105kW，其中夏季可利用功率15.66×105kW；冬季可利用功率9.84×105kW。

4.3 淺層地溫能潛力評價

山東省公用建筑和民用建筑單位面積冷熱負荷指標比例3：2，老建筑和節(jié)能建筑指標各按50%計[33]，即夏季制冷負荷70W/m2、供暖負荷55W/m2計算可供暖面積和可制冷面積。在考慮土地利用系數(shù)的情況下，研究區(qū)200m以淺地埋管熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)面積 79.19km2，夏季可制冷面積 2237.143萬m2，冬季可供暖面積1789.091萬m2。2016年11月城區(qū)集中供熱面積650萬m2，若采用地源熱泵的方式集體供暖，完全可以滿足整個城市規(guī)劃區(qū)的供暖要求，淺層地溫能開發(fā)潛力巨大。

5 結論

本次采用層次分析法，對肥城市地埋管換熱方式進行適宜性評價：

（1）研究區(qū)地埋管地源熱泵建設和效益的主要因素有3類：地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地下水動力條件和巖土體熱物性特征，選擇第四系厚度、含水層厚度、分層水質(zhì)狀況、地下水水位埋深、鉆探施工難度、城市覆蓋率、巖溶發(fā)育情況、平均熱導率、平均熱容、地溫等10個指標組成要素指標層。

（2）研究區(qū)地埋管式地源熱泵適宜性劃分為適宜性中等區(qū)和適宜性差區(qū)，適宜性中等區(qū)面積79.19km2，約占總面積的98.25%。適宜差區(qū)包括白云山公園、龍山公園，面積為 1.41km2，為生態(tài)保護區(qū)。

（3）研究區(qū)200m以淺的淺層地溫能容量為28.5266×1012kJ/℃；地埋管地源熱泵可利用換熱功率為 25.50×105kW。其中，夏季可利用功率15.66×105kW，可制冷面積2237.143萬m2；冬季可利用功率 9.84×105kW，可供暖面積 1789.091萬m2。可以滿足全區(qū)供暖要求，開發(fā)潛力巨大。

合理開發(fā)淺層地溫能可節(jié)省常規(guī)能源，減少污染物向大氣中排放，科學利用淺層地溫能具有十分重要的意義，為肥城市城市規(guī)劃區(qū)淺層地溫能的開發(fā)利用提供重要數(shù)據(jù)支持和指導作用。