安徽省宿州市城市规划区浅层地热能开发利用适宜性分区研究

黄多成，王守沛

（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001）

0 引言

宿州市位于安徽省北部，面积9787km2，人口650多万，辖砀山县、萧县、灵璧县、泗县及埇桥区，素有安徽省北大门之称。

宿州市铁路、公路、水路交通十分便捷。京沪铁路位于东郊，公路网四通八达，水路可连接洪泽湖、淮河，是东部沿海省市经济向中西部梯度发展的过渡地带和交通要道，具有良好交通区位优势，形成了公路、铁路、内河、航运等多种运输方式的交通网络。

宿州市城市规划区位于宿州市埇桥区主城区内。区内浅层地热能资源丰富，开采条件便利。对其开发利用将产生显著的经济效益、社会效益及环境效益。

1 浅层地热能储存条件

1.1 地层岩性条件

根据区域地层资料，地层发育较全。前第四系：属华北地层大区徐淮地层分区淮北地层小区。地表出露的地层以下古生界寒武系为主，且基岩出露面积小，余者多为第四系覆盖区。

第四系：该区第四系地层发育，厚80～100m，北薄南厚，成因类型以冲积为主，次为冲洪积。

1.2 水文地质条件

地下水按其赋存条件，可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和碎屑岩类裂隙水三类。

松散岩类孔隙水按其埋藏条件可分为浅层孔隙水、中深层孔隙水。碳酸盐岩裂隙岩溶水有裸露型、隐伏型、埋藏型三种分布形式，其中裸露型和隐伏型主要分布于宿北断裂以北的丘陵山区，在隐伏区上覆有0～50m厚的第四系松散堆积物；埋藏型主要分布于宿北断裂以南的桃园-朱仙庄煤矿之间的平原区，含水层主要为震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系灰岩、白云岩、泥质灰岩夹砂页岩、砾岩、砂岩等。水质较好，单井涌水量一般1000～3000m3/d。碎屑岩类裂隙水主要埋藏于宿北断裂以南的平原区，由古近系、二叠系、侏罗系、白垩系的碎屑岩组成，岩性主要为砂岩、砂页岩、钙质砾岩，安山质角砾岩、凝灰质砂砾岩,埋深在250～1000m之间,单井涌水量为100～1000m3/d。

1.3 岩土体热物性特征

热导率是指沿热流传递方向单位长度上温度降低1℃时单位时间内通过单位面积的热量，是反映物质导热能力的性质参数。热导率随岩性变化而变化，固结岩石的热导率明显大于松散层土体；相同岩性的热导率随深度增加而增大；根据室内岩土热物性测试资料，天然状态下，QS01 孔试样含水率15.18%～22.89%，湿密度1.93～2.18g/cm3，热导率0.922～1.623W/(m2K)，热导率随含水率和孔隙比减小而增大，随天然密度（干密度）增大而增大；比热容也随岩性变化而发生变化，固结岩石的比热容明显小于松散层土体；相同岩性的比热容随深度增加而减小；比热容随含水率和孔隙比减小而减小，随天然密度（干密度）增大而减小；岩石的风化程度越强，裂隙越发育，比热容越大。

1.4 地温场特征

浅层地温场是地表以下200m以浅岩土体温度分布及其变化状态的总和，受太阳照射和地球内热能综合作用，地温在地层中的变化就是岩土体热导率的效应。根据浅层地温场温度与深度的变化关系，将200m以浅地温层自上而下划分为变温带、恒温带和增温带。

变温带：本区变温带下限6～20m。太阳辐射热存在着日变化、年变化和多年变化的周期性变化，所以地下温度发生变化，进而形成了变温带。变温带温度的变化幅度随深度而减小。

恒温带：即变温带之下，地球内部的热能与太阳辐射热能的影响达到相对平衡的地带；该深度的地温基本保持恒定,称为恒温带。一般高于当地平均气温1～2℃。恒温带的深度和其相应的温度，在一定程度上反映了一个地区近地表处浅层的热状况。本区温度一般15.4～17.5℃，恒温带埋深上限6～20m，下限12～40m，厚2～25m。

增温带：恒温带以下主要受地球内部热能影响的地带，总体特征是温度随深度增加而逐渐升高。不同地区地温梯度不同，这主要与控热的地质构造、热储层结构及水文地质条件等相关。本区增温带上限深度一般12～40m，符离集以北增温带地温梯度0.5℃/100m左右，其余地区1.7～3.2℃/100m。

2 分区依据与方法

2.1 分区依据

①相关技术要求；②区内地质、水文地质等相关资料；③现场热响应测试及岩土体热物性试验资料；④参照已有浅层地热能开发利用工程。

2.2 评价方法

参照相关规范要求，运用不同利用方式适宜性分区的关键因子为基础，运用层次分析法进行适宜性分区。

2.3 分区指标

2.3.1 地源型浅层地热能开发利用适宜性分区

根据规范要求及以往工作经验，选取了工作区的地质、地形、地貌、水文地质条件、施工条件、热物性、地质灾害等评价指标，上述条件中地形、地貌、地质灾害为分区前置条件。

2.3.2 地下水源型浅层地热能开发利用适宜性分区

水文地质特征（水量、水温、水位、水质）、含水层的出水能力及回灌能力是影响地下水源型换热系统运行效果的重要因素，而环境地质条件适宜性对分区起决定性作用。当环境地质条件差的地区，无论其它条件好坏，都不适宜应用地下水源型换热方式。综合考虑，以地质、水文地质条件和地下水动力场条件为适宜性分区主要的评价指标。

2.3.3 地表水源型开发利用适宜性分区

地表水体循环利用量、水深、水温、距建筑物的距离、地表水的用途和水源保护状况等作为主要分区指标。

2.4 分区类型

依据浅层地热能赋存条件结合工作区浅层地热能开发利用方式。

2.4.1 地源型开发利用适宜性分区

地源型开发利用方式分适宜区（Ⅰ）、较适宜区（Ⅱ）、一般适宜区（Ⅲ）、差适宜区（Ⅳ）、不适宜区（Ⅴ）五类,并可进一步分出亚区。

2.4.2 地下水源型开发利用适宜性分区

地下水源型开发利用方式划分为适宜区、较适宜区、不适宜区三种类型。

2.4.3 地表水源型开发利用适宜性分区

地表水源型开发利用方式为适宜区及不适宜区两类。

3 适宜性分区

3.1 评价体系建立[1]

3.1.1 地源型浅层地热能开发利用适宜性分区评价体系

其评价体系由三个层次构成：

（1）目标层：地源型利用方式适宜性划分；

（2）属性层：由地质条件、水文地质条件、施工条件、热物性、地形、地貌、地质灾害构成；

（3）要素层：由地层岩性结构、地下水径流条件、岩土体固结程度、城市覆盖率、综合热导率、平均比热容、地貌形态及地质灾害易发程度作为层次分析的要素层。

据此建立地源型利用方式适宜性划分层次结构模型（图1）。

图1 地源型开发利用适宜性划分结构图Figure 1.Structure chart of suitability division of development and utilization of the ground sourced

3.1.2 地下水源型浅层地热能开发利用适宜性分区评价体系

其评价体系亦由三个层次构成：

（1）目标层：地下水源型利用方式适宜性划分；

（2）属性层：由地质及水文地质条件、地下水动力场条件等构成；

（3）要素层：由单井涌水量、含水层厚度、含水层回灌能力、地下水位埋深、地下水位变化速率、补给模数作为层次分析的要素层。

据此建立地下水型利用方式适宜性划分层次结构模型（图2）。

图2 地下水源型开发利用适宜性划分结构图Figure 2.Structure chart of suitability division of development and utilization of the groundwater sourced

3.1.3 地表水源型浅层地热能开发利用适宜性分区评价体系

地表水源型利用方式分区主要考虑因素：地表水体的水温、水质、流量、水位、容量、深度、面积及其动态变化。

3.2 分区评价

根据层次分析法的要求，在评价体系隶属关系的基础上，通过调查统计和室内数据分析研究，采用1-9标度法，分析比较属性层和要素层中各个因素的重要性，构造比较矩阵。通过计算，检验比较矩阵的一致性，然后对比较矩阵进行调整，达到可以接受的一致性。最后求得要素层中各种要素在目标层中的权重[1～2]。

3.2.1 地源型浅层地热能开发利用适宜性分区评价

采用MapGIS 软件绘制各种要素图件，对每幅图件中的各个范围赋值。然后将评价区划分成1km2的网格，将网格图和已经赋值的图件进行叠加，运用空间分析功能对各图件提取赋值。采用综合指数法将每个网格上的赋值分别与其相对应的权重相乘，然后求和，得到每个网格点上的分值。根据分值的分布情况确定适宜性分区划分标准，由此划分出地源型利用方式不同的适宜性分区。

表1 地源型利用方式适宜性分区结果表Table 1.Results of suitability zoning of the utilization modes of the ground sourced

3.2.2 地下水源型浅层地热能开发利用适宜性分区评价

采用与地源型浅层地热能开发利用适宜性分区评价相似的方法，划分出地下水源型利用方式的不同适宜区。

表2 地下水源型换热方式适宜性分区结果表Table 2.Results of suitability zoning of the groundwater sourced heat transfer modes

3.2.3 地表水源型浅层地热能开发利用适宜性分区

本区主要河流有新汴河、沱河、濉河，由于河水均较浅，且具季节性分布特点,因此本区均为地表水源型不适宜区。

3.3 综合评价

综合考虑地源型及地下水源方式经济性及长期运行可能对环境造成的影响，工作区主要为地源型方式适宜地区，部分为地下水源型适宜区（图3）。本区由于地表水资源匮乏，地表水源型利用方式不适宜。

图3 浅层地热能开发利用适宜性区划图Figure 3.Suitability zoning map of shallow geothermal energy development and utilization

4 结论

（1）本区地源型利用方式划分适宜、较适宜、一般适宜及差适宜区四类。

适宜区主要分布在中心城区，面积343.87km2，新汴河两岸,为单一松散层区，这种松散层区的比热容比较大，岩土体结构比较松散，钻进成本相对较低。

较适宜区分为较适宜区半固结岩类亚区和固结岩类亚区两个亚区，面积16.50km2，半固结岩类亚区主要分布符离集以北和武楼—李桥以南,为双层结构，松散层厚度为50～100m，比热容相对较大，钻进成本较低。固结岩类亚区主要分布在符离集北部呈马鞍分布，下伏寒武系白云岩、灰岩，比热容相对较大。

一般适宜区为松散层厚度30～50m 的双层结构区,面积30.64km2。主要分布符离集中部区域黄楼-王楼一带，钻探施工难度比较大，经济成本比较高，比热容和综合热导率一般。

中丘以上地区为差适宜区，面积21.85km2。主要分布在符离集西北部和东北部，松散层厚度小于30m，地质钻进成本较高。

（2）地下水源型利用方式分为较适宜区和不适宜区两类。较适宜区分布于评价区中南部，面积114.81km2。单井涌水量一般1000～3000m3/d，含水层有效厚度一般大于20m；回灌能力相对较好，可采取一抽多灌形式开发利用。

不适宜区主要分布于评价区中北部及西南部，面积298.05km2。单井涌水量小于1000m3/d，砂层较薄，回灌能力差的地区。

（3）本区地表水体较浅，地表水源型利用方式总体不适宜。

从浅层地热能资源赋存条件并结合经济技术和环境影响条件综合评价，本区浅层地热能开发利用主要适宜地源型利用方式，局部为地下水源型利用方式，但须确保及时回灌及有效保护地质环境。