可再生的新型環(huán)保能源淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用前景廣闊。根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等因素,分別建立地下水熱泵和地埋管熱泵適宜分區(qū)評價(jià)體系,進(jìn)而對渭南城區(qū)淺層地?zé)崮?/a>適宜性分區(qū)進(jìn)行綜合評價(jià)。渭南地下水熱泵和地埋管熱泵適宜性分區(qū)根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)及不適宜區(qū),綜合分區(qū)在兩者的適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,在適合地下水熱泵的地區(qū)優(yōu)先選擇地下水熱泵。該方法旨在為渭南城區(qū)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)和支持,對構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有非常重要的意義。

 

  0引言.

 

  在能源短缺和環(huán)境污染的雙層壓力下,淺層地?zé)崮?/a>作為一種清潔可再生的新能源以其強(qiáng)大的生命力和競爭力日益受到國家和地方政府的重視。中國地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施了 2011年地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)査評價(jià)專項(xiàng)“全國地?zé)豳Y源調(diào)查評價(jià)”計(jì)劃項(xiàng)目,確定在全國29個(gè)省會城市開展淺層地?zé)崮苷{(diào)查評價(jià)工作,但渭南城區(qū)的淺層地?zé)?/a>能評價(jià)工作至今仍是空白。

  近年來,一些企業(yè)、單位先后在關(guān)中和陜南地區(qū)開發(fā)利用淺層地?zé)?/a>能。通過了解近幾年使用情況,總體效果良好但絕大多數(shù)分布在西安、漢中和寶雞等地,渭南的淺層地?zé)崮荛_發(fā)程度較低,開發(fā)潛力巨大。

 

  目前的淺層地?zé)崮?/a>工程多是由企業(yè)自發(fā)、自覺組織,工程施工前期的水源方案論證或淺層地?zé)崮芾?/a>可行性的研究工作不扎實(shí),地?zé)崮?/a>平衡、水量均衡研究欠缺,導(dǎo)致部分項(xiàng)目已經(jīng)造成地下水回灌不下去,或者系統(tǒng)總體效率降低等問題。

 

  綜上所述,盡早查明渭南城區(qū)淺層地熱能的分布規(guī)律,完成淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用規(guī)劃顯得非常迫切。本文通過適宜分區(qū)評價(jià)體系對渭南城區(qū)淺層地熱能適宜性進(jìn)行分區(qū),對該市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用提供了科學(xué)的理論指導(dǎo),對淺層地?zé)?/a>能這一新型能源的具體應(yīng)用提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對渭南城區(qū)能耗結(jié)構(gòu)的改善提供了積極的理論意義,對國家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有巨大的推動(dòng)作用。

 

  1評價(jià)方法.

 

  1.1分區(qū)目的.

 

  淺層地?zé)崮苜Y源蘊(yùn)藏在地下巖土體內(nèi),其儲藏、運(yùn)移以及開采利用都受到區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件等多種因素的影響,在不同區(qū)域蘊(yùn)藏于地下巖土體內(nèi)的淺層地溫資源規(guī)模和利用方式存在較大差異。地層巖性、厚度、含水層結(jié)構(gòu)、富水性、水位埋深、補(bǔ)給徑流條件等是制約淺層地?zé)?/a>能賦存分布及可利用性的主要因素。只有在淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用方式適宜性區(qū)劃的基礎(chǔ)上,才能進(jìn)一步進(jìn)行資源量計(jì)算和資源潛力評價(jià)。因此,對淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性進(jìn)行分區(qū)是淺層地?zé)崮苜Y源勘查評價(jià)的前提,可以為淺層地?zé)崮芾?/a>方式的選擇、開發(fā)利用規(guī)劃及政府管理提供可靠的依據(jù)。

 

  1.2分區(qū)原則.

 

  淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用方式適宜性區(qū)劃的原則以工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ),水文地質(zhì)條件為依托,熱泵應(yīng)用技術(shù)作為媒介,經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)并重,平面劃分與垂向控制結(jié)合。

 

  1.2.1 工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)原則.

 

  淺層地?zé)崮苜Y源賦存的基礎(chǔ)條件包括地質(zhì)條件,巖土體的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成熱物理性(熱容量和熱導(dǎo)率)及物理性質(zhì)等對淺層地?zé)崮苜Y源有重要影響的因素。開發(fā)利用適宜性區(qū)劃必須堅(jiān)持以工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)的原則。

 

  1.2.2水文地質(zhì)條件為依托原則.

 

  巖土體含水率、含水層分布、水動(dòng)力條件、地下水徑流特點(diǎn)給能量的賦存和運(yùn)移創(chuàng)造了有利的條件,地下水質(zhì)類型對于淺層地?zé)崮苜Y源的開發(fā)應(yīng)用方式也有影響。地下水對淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的控制作用不容忽視,而且水文地質(zhì)條件決定了地下水地源熱泵系統(tǒng)的回灌能力。開發(fā)利用適宜性區(qū)劃必須緊緊依托水文地質(zhì)條件。

 

  地下水地源熱泵對水源的原則要求是:水量充足;地下水地源熱泵系統(tǒng)一般要求溫度為1025。C,渭南城區(qū)地下水溫度一般在1524°C之間,水溫適宜;水質(zhì)適宜,供水穩(wěn)定,以灌定采,保證回灌率達(dá)到100%且提水成本適中。

 

  1.2.3熱泵應(yīng)用技術(shù)是媒介原則.

 

  熱泵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)資源的有效開發(fā)利用,目前淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用主要由地下水地源熱泵和地埋管式地源熱泵兩種形式來實(shí)現(xiàn)。

 

  1.2.4經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益并重原則.

 

  在當(dāng)前的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境保護(hù)并重,選擇經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益都較好的開發(fā)利用方式。

 

  1.2.5 平面劃分與垂向控制結(jié)合原則.

 

  主要是指平面上要?jiǎng)澐殖鲞m宜性區(qū)域,垂向上要控制取熱層位及深度的原則。

 

  1.3分區(qū)范圍.

 

  依據(jù)渭南市目前的調(diào)查進(jìn)展和實(shí)際開發(fā)利用情況,兼顧渭南市主城區(qū)遠(yuǎn)期(2020年)規(guī)劃范圍,確定本次工作區(qū)范圍:北至西安大環(huán)線,東至黃渭高速,南至西潼高速南線,渭河以南西至零河、渭河以北西至渭南行政邊界,面積約278km2。

 

  1.4分區(qū)類型.

 

  渭南城區(qū)淺層地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用分區(qū)主要指地下水熱泵適宜性分區(qū)和地埋管熱泵適宜性分區(qū)。

 

  兩者適宜性分區(qū)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)及不適宜區(qū),綜合分區(qū)在適宜性和經(jīng)濟(jì)性分區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,在適合地下水熱泵的地區(qū)優(yōu)先選擇地下水熱泵。

 

  1.5分區(qū)方法.

 

  本次綜合評價(jià)采用綜合指數(shù)法。綜合指數(shù)法是將一組相同或不同指數(shù)值通過統(tǒng)計(jì)學(xué)處理,使不同計(jì)量單位、性質(zhì)的指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化’最后轉(zhuǎn)化成一個(gè)綜合指數(shù),以準(zhǔn)確地評價(jià)工作的綜合水平。

 

  對于地下水源熱泵,淺層地?zé)崮?/a>適宜性分區(qū)主要考慮含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性,地下水溫、水位動(dòng)態(tài)變化,水源地保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害等因素。主要指標(biāo)見表1。

 

  表1地下水源熱泵適宜性分區(qū)單項(xiàng)指標(biāo)分區(qū) 單位涌水量單位回灌量 地下水位特殊地區(qū)(m3/d  m)單位涌水量年下降量(m)適宜區(qū) >500>80%<0.8—3項(xiàng)指標(biāo)均符合較適宜區(qū) 300500 50%80% 0. 81. 5一除適宜區(qū)和不適宜區(qū)以外的其他地區(qū)ny重要水源地保護(hù)區(qū)、地面~不適宜區(qū) <300<50%>1.5任一項(xiàng)指標(biāo)符合沉降嚴(yán)重區(qū)對于地埋管熱泵,淺層地?zé)崮?/a>適宜性分區(qū)主要考慮巖土體特性、地下水的分布和滲流情況、地下空間利用等因素。豎直地埋管熱泵適宜分區(qū)主要指標(biāo)見表2。

 

  表2豎直地埋管熱泵適宜性分區(qū)分區(qū)指標(biāo)(地表以下200m范圍內(nèi))分區(qū)第四系厚度(m) 卵石層總厚度(m) 含水層總厚度(m)適宜區(qū)>100<5>30三項(xiàng)指標(biāo)均應(yīng)滿足較適宜區(qū) <30或5010051010-30不符合適宜區(qū)和不適宜區(qū)分區(qū)條件不適宜區(qū)3050>10<10至少二項(xiàng)指標(biāo)符合1.6分區(qū)實(shí)例根據(jù)上述分區(qū)體系,應(yīng)用MapGIS6. 7軟件,結(jié)合渭南城區(qū)地形地貌條件、水文地質(zhì)條件以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)等資料,劃分出適宜性分區(qū)界限,采用編輯子系統(tǒng)拓補(bǔ)查錯(cuò)和拓補(bǔ)重建及圖面整飾等工作,從而分別得到地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性分區(qū)評價(jià)圖(圖1、圖2)。

 

  2.1地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性劃分.

 

  渭南城區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性可劃分為3個(gè)區(qū)(圖1)。由圖可知,適宜性的劃分與水文地質(zhì)特征的差異密切相關(guān)。

 

  地下水地源熱泵適宜區(qū)分布于渭南城區(qū)北部河漫灘等強(qiáng)富水帶地區(qū),這些地區(qū)地層巖性上部為粉質(zhì)砂土,疏松,孔隙發(fā)育,具微層理,偶見瓦礫碎片;下部為含礫中粗砂。地層導(dǎo)水性好,單井出水量都在500m3/d  m以上,且地下水埋深適中,單井回灌水量比單位涌水量大于80%,適宜地下水抽灌,多年平均水位下降量小于0. 8m,為采用地下水地源熱泵系統(tǒng)的適宜區(qū),適宜區(qū)面積為113. 7km2,占調(diào)查區(qū)總面積的40.9%。

 

  地下水地源熱泵較適宜分布于渭河兩側(cè)一級階地處。地層巖性上部主要為淺黃色、棕黃色砂質(zhì)黏土,孔隙發(fā)育,疏松可塑;下部巖性主要是中粗砂和砂礫石夾砂質(zhì)黏土層。該地段地下水的抽灌條件相對較好,為采用地下水地源熱泵系統(tǒng)的較適宜區(qū),較適宜區(qū)面積為116. 90km2,占調(diào)查區(qū)總面積的42. 05%。

 

  地下水地源熱泵不適宜區(qū)一部分分布于調(diào)查區(qū)南部渭河二級階地及黃土塬區(qū),本區(qū)富水性較差,二級階地頂部為一層砂質(zhì)黏土,連續(xù)性好,層位穩(wěn)定,透水性弱,也不適宜開展地下水地源熱泵工程;另一部分為渭河南岸一級階地和漫灘處的白楊、羅劉和東郊3個(gè)水源及渭河北岸一級階地范圍內(nèi)的龍背水源地,不適宜區(qū)面積為47. 40km2,占調(diào)査區(qū)總面積的17.05%。

 

  2.2地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性劃分渭南城區(qū)地埋管熱泵經(jīng)濟(jì)性劃分為3個(gè)區(qū)(圖2)。由圖可知,適宜性的劃分與巖土體的熱物理性和水文地質(zhì)特征密切相關(guān)。

 

  調(diào)査區(qū)第四系地層廣布。第四紀(jì)早更新世晚期,黃土臺塬地區(qū)相對提升,露出湖面,堆積了后期的風(fēng)成黃土。第四紀(jì)中更新世早期,臺塬以北仍繼續(xù)沉降,并伴有淺湖相沉積。中更新世晚期至近代,總的趨勢仍以下沉為主,但其沉降速度與幅度均較第四紀(jì)中更新世早期以前大大減弱,且沉降在時(shí)空上具差異性,呈不均勻運(yùn)動(dòng)。渭河形成于中更新世晚期,主槽擺動(dòng)于現(xiàn)今主河床附近,巖性、巖相則隨之變異;近主河道以粗粒物質(zhì)為主,且厚度大;遠(yuǎn)主河道則細(xì)粒相物質(zhì)較多。由于沉降幅度越來越小,因此,第四紀(jì)中更新世之后各期沉積物厚度依次漸薄。

 

  地埋管地源熱泵適宜區(qū)分布于調(diào)查區(qū)南部二級階地處。本區(qū)第四紀(jì)地層厚度大,表層為晚更新世風(fēng)積黃土層,很適合地埋管地源熱泵工程建設(shè),該區(qū)域?yàn)榈芈窆艿卦礋岜眠m宜區(qū)。地埋管地源熱泵適宜區(qū)總面積為20. 94km2,占調(diào)查區(qū)面積的7.53%。

 

  地埋管地源熱泵較適宜區(qū)分布于調(diào)查區(qū)內(nèi)渭河兩岸河漫灘及一級階地等地。上部為粉質(zhì)砂土,淺黃色、灰黃色,疏松,孔隙發(fā)育,具微層理,偶見瓦礫碎片;中部為含礫中粗砂,灰黃色、褐黃色,成分以石英、長石為主,粒度不均,分選性較差,礫石成分主要是石英巖、花崗巖,偶見鈣質(zhì)結(jié)核小礫,礫石直徑一般為0.30.5cm,大者9cm,圓度較好。下部巖性主要為砂質(zhì)黏土。該區(qū)域綜合傳熱系數(shù)較高,單孔換熱功率較大,鉆孔施工難度相對較容易,該地段為地埋管地源熱泵較適宜區(qū)。地埋管地源熱泵較適宜區(qū)面積為237. 98km2,占調(diào)查區(qū)面積的85.61%。

 

  地埋管地源熱泵不適宜區(qū)分布調(diào)查區(qū)中南部和西南部一級階地處,上部地層為零河、沈河等第四紀(jì)全新世晚期洪積層,第四系厚度薄,卵石層總厚度大,分選性差,常見有磚、瓦碎片及腐殖物。這些區(qū)域?yàn)榈芈窆艿卦礋岜貌贿m宜區(qū)。地埋管地源熱泵不適宜區(qū)面積為19. 08km2,占調(diào)查區(qū)面積的6.86%。

 

  2.3渭南城區(qū)淺層地?zé)崮芾?/a>形式綜合區(qū)劃.

  以地下水和地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)為基礎(chǔ),疊加圖層形成淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)圖。

 

  對渭南城區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用,地埋管地源熱泵或地下水地源熱泵的適宜區(qū)及較適宜區(qū)面積為258. 92km2,占調(diào)査區(qū)總面積的93.14%。地下水和地埋管都不適宜區(qū)的面積為19. 08km2,占調(diào)査區(qū)面積的6.86%。

 

  結(jié)合地下水與地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)圖可以看出,地埋管熱泵較適宜級別及以上區(qū)域主要分布在第四系堆積物厚度較大的區(qū)域,這是由于現(xiàn)代鉆井技術(shù)的提高使得鉆探成本降低,且具有易施工、進(jìn)尺快、熱傳導(dǎo)性高等優(yōu)點(diǎn)。地下水熱泵較適宜以上區(qū)域主要分布在較大的沖積湖積平原,另有少量分布在沖積洪積河谷地帶,這些地帶富水性好,回灌能力強(qiáng),水文地質(zhì)條件良好。地下水熱泵適宜區(qū)與地埋管熱泵適宜區(qū)空間上并不是重疊關(guān)系,具有一定的互補(bǔ)性。

 

  3結(jié)論.

 

  淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)是資源調(diào)查評價(jià)工作的主要內(nèi)容,根據(jù)渭南城區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等分區(qū)條件,地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性分為:適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。在地質(zhì)條件適宜區(qū)優(yōu)先選擇地下水源熱泵系統(tǒng),在不適宜利用地下水的區(qū)域優(yōu)先選擇地埋管熱泵系統(tǒng),鼓勵(lì)新建或改建的公共建筑、居民樓、農(nóng)村集中建設(shè)的住宅采用淺層地?zé)?/a>能,政府投資的公益性項(xiàng)目優(yōu)先利用淺層地?zé)?/a>能。

  淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)的主要依據(jù)是資源賦存的地質(zhì)條件和水文條件。利用指標(biāo)法確定渭南城區(qū)淺層地?zé)崮?/a>適宜性分區(qū),評價(jià)結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確,能客觀反映評價(jià)區(qū)開發(fā)利用適宜性特征,為渭南城區(qū)淺層地?zé)崮?/a>的合理開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)和支持,對淺層地熱能這一新型能源的具體應(yīng)用提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對渭南城區(qū)能耗結(jié)構(gòu)的改善和國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有巨大的推動(dòng)作用。