安徽省六安市城区浅层地热能开发利用适宜性评价

摘 要：随着我国城市化进程的推进，城市建设对能源的需求与日俱增，发展城市地区浅层地热能，减少化石能源的使用，拓宽城市地区浅层地热能市场已是大势所趋。以六安市城区为例，结合区内地质/水文地质条件、地层属性、施工条件及热物性，采用层次分析的方法综合确定各评价因子的权重值，采用综合指数法进行量化分析，针对地源型（地埋管）开发利用方式，利用MapGIS软件实现六安市城区浅层地热能适宜性评价的可视化。

关键词：浅层地热能；适宜性评价；层次分析法；综合指数法；可视化

Suitability evaluation of shallow geothermal energy development and utilization in Lu'an， Anhui Province

DING Meiqing

（313 Geological Team，Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Anhui Province， Lu'an 237000， Anhui， China）

Abstract： With the advancement of urbanization in China， the demand for energy in urban development is increasing steadily. It is an inevitable trend to develop shallow geothermal energy， reduce fossil energy use， and expand the shallow geothermal energy market in urban areas. Taking Lu'an City as an example， based on its geological/hydrogeological conditions， stratum attributes， construction conditions and thermophysical properties， this paper uses the analytic hierarchy process to comprehensively determine the weight value of each evaluation factor. Quantitative analysis is carried out with the comprehensive index method. In accordance with the development and utilization mode of ground source type （buried pipe）， MapGIS software is used to realize visualization of the suitability evaluation of shallow geothermal energy in the urban area of Lu'an City.

Keywords： shallow geothermal energy; suitability evaluation; analytic hierarchy process; comprehensive index method; visualization

城市及其周邊由于建筑物密集，人口密度大，加之城市化进程的纵深推进，城市发展对能源的需求与日俱增，发展城市地区浅层地热能，减少化石能源的使用，拓宽城市地区浅层地热能市场已是大势所趋（卫万顺等，2021；朱巍，2021；李宁波等，2020）。张建瑞等（2018）通过对焦作市浅层地热能的赋存条件和分布规律进行分析，评价了焦作市浅层地热能资源量，对浅层地热能开发利用适宜区进行了划分，并提出合理开发、可持续利用浅层地热能的建议；牛俊强等（2012）通过分析浅层地热能开发利用过程中出现的各种问题及对策，促进浅层地热能开发利用健康有序的发展，提出了宝贵的建议。在浅层地热能开发利用适宜性评价领域，邹鹏飞等（2020）对宿迁城市规划区浅层地热能开发利用进行适宜性评价；时国凯等（2022）在查明淮安城市规划区浅层地热能赋存条件的基础上采用层次分析法进行了浅层地热能开发利用适宜性评价，得出区内适宜采用地埋管地源热泵系统开发利用浅层地热能；王道山等（2020）选取含水层富水性、补给模数、地下水开采潜力、含水层岩性、地下水位埋深、含水层回灌能力、矿化度、总硬度和地下水的腐蚀性共9个要素指标进行赋值计算，对漯河市浅层地热能开发利用适宜性评价分析；赵季初等（2020）为了解决鲁北平原区农村冬季清洁供暖问题，总结了鲁北平原区内4个水文地质勘探孔抽水试验与回灌试验成果，对区内地下咸水浅层地热能开发利用条件进行研究和分析；李小等等（2021）通过研究分析延安市浅层地热现状，概化地层物性和相关参数，采用热储法对地热能热容量和换热功率进行计算，对区内浅层地热能开发利用进行适宜性分区和评价。这些研究成果为浅层地热能的开发利用提供了科学依据。

本文以安徽省六安市城区为例，综合调查区内浅层地热能、地质钻探、岩土热响应室内测试及现场试验、地温场监测和水质分析等基础资料，采用层次分析-综合指数法模型确定权重值，进行量化分析，实现城市地区浅层地热能开发利用适宜性分区，为日后城市基建、浅层地热能的开发和利用提供理论基础和实践依据。

1  浅层地温场分布特征

采用测量水温的方式测量地温，测量数据精确到0.1℃。利用安徽省地质环境监测总站地下水动态监测孔及岩土现场热响应试验孔进行1个气候年的地温动态监测，分析天然地温场在空间、时间上的变化规律。

1.1  地温场垂向分布特征

受岩石和土体导热系数的影响，地温无时无刻不在变化，地球内部热量主要控制着恒温带以下的地温（张利伟等，2022；赵鑫鑫等，2022）。在200 m以浅范围，地温场随着深度的增加，可分为变温带、恒温带和增温带。据本次地温监测资料，选取能代表区内环境地质特征的，且地温测量稳定的LDW01监测孔，总结地温场垂向变化特征，见图1和图2。

变温带：该层地下3.5 m处年最高温度21.5℃，最低温度13.8℃，变化幅度7.7℃；地下5 m处年最高温度20.1℃，最低温度16.2℃，变化幅度3.9℃。区内变温带下限深度9～13 m。

恒温带：该层热能相对平衡，温度一般18.1～18.5℃，恒温带上限埋深9～11 m，下限深度19～45 m，厚8～26 m。

增温带：研究区增温带上限深度为19～44 m，其下由浅至深温度逐渐增加为增温带，平均增温率为1.4℃·（100 m）-1。

1.2  地温场平面分布特征

研究区在平面上地层岩性及结构和地下水动力等地质条件存在明显差异，其地温场特征也有所迥异。恒温带平面分布特征的划分主要依据区内13个地温监测孔的实测地温数据，結合浅层地热能综合调查、岩土现场热响应试验和本地城区年平均气温资料而综合确定（李腾超等，2020；张鹏等，2007）。区内西侧位于淠河周边，恒温带上限深度小于东侧区域，上限深度一般9～17 m；东侧及中部地区，恒温带上限深度约为21 m；区内中心城区及东部地带恒温带平均温度大于17.6℃，北侧地带恒温带平均温度小于17.3℃，剩余部分大范围地区恒温带平均温度为17.3～17.6℃（图 3）。恒温带厚度约9～25 m。

2  评价方法研究

适宜性评价分析方法有很多，目前广泛应用的有综合指数法、层次分析法、权重分析法、专家打分法、主成分分析法以及系统动力学法。此外，上述分析方法并非独立参与评价的，往往是将上述两种及两种以上的方法互相结合，构建指标体系后再使用。

研究区适宜性分析主要为地源型（地埋管）开发利用方式，选取安徽省六安市城区，采用层次分析法综合确定各评价因子的权重值，运用综合指数法进行量化分析，借助MapGIS软件实现六安市城区浅层地热能开发利用适宜性分析的可视化。

2.1  构建评价体系

适宜性划分层次结构模型：根据图4所示层次结构，建立开发利用适宜性划分层次结构模型。

要素层共有9项指标。1）第四系厚度：区内第四系为较固结及固结类地层，第四系松散层厚度小于35 m，统一划分为单一基岩地层结构。2）地下水水位：区内松散岩类孔隙水埋深多为1.9～3.0 m，承压水埋深多为2.0～4.1 m；碎屑岩类孔隙裂隙潜水单井涌水量10～100 m3·d-1，承压水单井涌水量10～100 m3·d-1，含水层顶板埋深小于100 m。3）地下水径流条件：区内地下水径流条件主要体现在地下水的径流强度，即单位时间内通过单位过水断面的水量——渗透速度来表征，计算公式为：渗流速度=水力梯度×岩土体渗流系数。4）地下水水质：区内松散岩和碎屑岩类孔隙水及承压水水质均较好，均为HCO3-Ca·Na型，溶解性总固体小于1 g·L-1。5）地层岩性：区内地层属华北地层大区淮河地层小区，根据浅层地热能开发利用特点，结合安徽省地质条件，区内地层岩性主要划分为松散岩类、半固结及固结岩类地层。6）钻进条件：岩类较松散，利于钻进；岩类固结坚硬，不利于钻进。按照区内较固结及固结岩类评价钻进条件，可将地层岩性固结程度分为两大类别。其一是新生界第三系及中生界白垩系的较固结地层，其二是中生界侏罗系的固结岩类地层。7）城市功能分区：分为城市地区土地现状和城市周边土地两部分，描绘出城市地区功能分区范围。8）地层热传导系数：结合区内地质条件，地层综合热导系数可分为松散岩类和固结岩类。9）地层比热容：评价方法与综合热导率相同。

2.2  权重的确定

按照层次分析法的要求，基于评价体系的从属关系，通过现场调查、样品检测试验及理论分析，运用1-9标度法，对属性层和要素层中各个因素分别进行比较，确定其相对重要性。各个因素的重要性与对适宜性划分影响程度呈正相关，据此构建比较矩阵。通过对比较矩阵的不断计算，检验和调整，使其达到一致性。最终求出各要素在目标层中的权重值。

各要素重要程度比较及有效权重表的确定见表1至表5。

2.3  绘制各要素图件

运用MapGIS软件绘制各要素图件，分别对图件中的各个影响因素赋值（越有利于换热系统的条件赋值越高）。随后采用网格剖分法对研究区进行剖分（1 000 m × 1 000 m网格），把剖分好的网格图与各因素已赋值图件进行叠加分析并获得赋值。

1）绘制地质/水文地质条件要素图件及赋值：结合第四系松散层厚度等值线图，确定赋值。第四系松散层厚度小于35 m，统一划分为单一基岩地层结构。见表6。

2）绘制地下水径流条件要素图件及赋值：由地下水位埋藏深度等值线图和岩土体渗流系数表示，在相同类别地层中，径流条件与热交换效率成正比，径流条件越好，赋值越大。研究区内地势相对平坦，水力梯度约为1∶5 000，几乎不影响地热能的交换效率，因此没有将地下水水位、地下水径流条件和地下水水质纳入评分赋值系统中去。见表6。

3）绘制施工条件要素图件及赋值：通过整理以往工作所得松散层厚度等值线图、区域基岩地质图以及现场编录所得钻孔柱状图，综合表示岩土体固结程度，固结程度越高，赋值越小。见表7。

4）城市覆盖率：覆盖率与施工条件成反比，其值越小，赋值越高。见表7。

5）绘制热物性要素图件及赋值：通过测试岩土体热物性参数并进行岩性类比，在评价深度范围内，垂直方向上采用加权平均值法求得各地层综合热传导率，其值越大，赋值越高。见表8。

6）平均比热容：评价方法与综合热导率相同。见表8。

3  适宜性评价结果

3.1  分区方法

通过上述网格剖分（1 000 m × 1 000 m网格）及对每个网格进行赋值，运用综合指数法将所得赋值与其相对应的权重值相乘后求和，可得到各网格点分值。根据分值确定适宜性分区划分标准，划分出不同的适宜性分区。

3.2  分区评价结果

综上所述，研究区内适宜性评价主要为地埋管地源热泵开发利用方式，分区划分标准为：分值在0～5范围内为不适宜区，>5～7范围内为较适宜区，>7～9范围内为适宜区（许雪洁等，2017；陈玲等，2022；赵立敏等，2022）。适宜性分区评价结果见图5。

适宜区：区内无分布。

较适宜区：主要分为2种类型。1）较固结岩类：主要分布在区内中、西部地区，第四系松散层厚度小于35 m，下伏地层为下新生界第三系及中生界白垩系细砂岩、粉砂岩、泥岩；2）固结岩类亚区：主要分布在区内东、东南部地区，第四系松散层厚度小于10 m，下伏地层为中生界侏罗系砂岩、砾岩及中细砂岩夹粉砂岩。

不适宜区：分布于区内三十里铺局部地区，范围较小。为高丘地貌，开发利用适宜性较差。

4  结论

安徽省六安市城区浅层地热能地源型（地埋管）开发利用适宜性划分为较适宜区和不适宜性区两种类型。其中较适宜区面积共519.96 km2，占评价区总面积的92.85%；不适宜区面积共40.04 km2，占评价区总面积的7.15%。因此，六安市城区大部分范围内均适宜地源型（地埋管）地热的开发利用。

在建立评价体系过程中未考虑城市地质灾害因素，在以后的工作和实践中应详细调查地面沉降、裂缝城市地质灾害，完善评价体系。

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收稿日期：2022-12-05；修回日期：2023-01-19

基金项目：安徽省公益性地质工作项目（2009-11）资助

作者简介：丁美青（1993- ），男，硕士，工程师，主要从事水工环地质工作。E-mail：dmq110750113@163.com

引用格式：丁美青，2023.安徽省六安市城区浅层地热能开发利用适宜性评价［J］.城市地质，18（1）：55-61