長春市區淺層地溫能開發利用方式適宜性分區評價

王 楠，曹劍峰，趙繼昌，李書光

1.吉林大學環境與資源學院，長春 130026 2.長春工程學院水利與環境學院，長春 130021 3.中國地質環境監察院，北京 100081 4.吉林大學地球科學學院，長春 130021

長春市區淺層地溫能開發利用方式適宜性分區評價

王 楠1，2，曹劍峰1，趙繼昌3，李書光4

1.吉林大學環境與資源學院，長春 130026 2.長春工程學院水利與環境學院，長春 130021 3.中國地質環境監察院，北京 100081 4.吉林大學地球科學學院，長春 130021

淺層地溫能開發利用方式適宜性分區受地質條件、水文地質條件、巖石的導熱性等因素控制。依據長春市地層巖性特征、含水層分布及富水性和巖石導熱性，將長春市區劃分為3個地層結構區：賈家洼子－八里鋪－興隆溝基巖裂隙含水帶以西區（1區），賈家洼子－八里鋪－興隆溝基巖裂隙含水帶及其以東到伊通河西岸階地陡坎區（2區）和伊通河谷地區（3區）。各區的綜合導熱系數實測值分別是1.168、1.401和1.612。對影響適宜性分區的相關因素進行分析，建立了地源熱泵和地下水源熱泵適宜區的評價指標體系，并提出了適宜區、較適宜區和不適宜區的劃分標準。采用模糊綜合評判法對3個地層結構區進行了適宜性評價。評價結果是1區適宜采用地源熱泵開采淺層地熱資源，2區和3區均適宜采用地下水源熱泵開采淺層地熱資源。

長春市；淺層地溫能；適宜性分區；評價體系；模糊綜合評判

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度（一般200m）范圍內巖土體、地下水中具有開發利用價值的熱能，其熱儲介質是巖土體和地下水體［1］。淺層地溫能作為一種資源并不是用之不竭、取之不盡的，過量開采會造成資源枯竭。因此，以合理開發利用和保護淺層地溫能資源為目的的調查評價工作尤為重要，其中淺層地溫能開發利用方式適宜性分區是調查評價工作的基礎。不同地區淺層地溫能開發利用條件有較大差異，適宜區劃分的具體方法和評價因子也有所不同。國外尚未開展淺層地溫能開發利用方式適宜性分區工作。在我國，已有研究者對淺層地溫能開發利用方式適宜性分區劃分進行了研究，如江劍等結合北京、河北地區的地質、水文地質條件，提出應用層次分析法進行淺層地熱能開發利用適宜性分區［2］。筆者結合長春地區的地質、水文地質條件，嘗試應用模糊數學方法進行淺層地溫能開發利用方式適宜性分區和評價，以期探討不同地區，應用不同評價方法的可行性。

1 適宜區劃分的內容

淺層地熱資源是指蘊藏在地表以下巖石和地下水中的熱能。其熱儲條件分析包括地埋管換熱方式和地下水換熱方式2種。地埋管換熱系統以巖土體作為介質，由埋于地下的密閉循環管構成換熱器，利用管路中流動的循環液作為介質進行熱交換。因此巖土體的熱物性參數主要與地層結構、巖性、地下水的運動速度、地下恒溫帶溫度、巖土體的導熱系數和平均比熱容等因素有關［3－4］。

地下水體儲存熱能的條件取決于地質、水文地質條件、地下水水動力條件和水化學條件［5］。地質、水文地質條件控制了地下水賦存環境和水資源量多少；地下水動力條件控制了地下水的運移能力；水化學條件決定地下水體是否符合利用條件。對上述3個方面綜合分析，得出影響地下水體熱儲條件的主要因素有8個：含水層厚度、單井涌水量、可開采資源量、地下水位埋深、含水層的回灌能力（回灌系數）、滲透系數、地下水水質和地下水水溫［6］。

2 研究區概況

2.1 長春市區地層結構及巖性

長春市區地層由第四系松散巖類和白堊系基巖兩大巖類組成。根據淺層地熱賦存的特點（淺層地熱是取用地下200m以上巖土體的地溫），長春城區地質結構可劃分為3種類型。

第1種類型是位于賈家洼子－八里鋪－興隆溝以西的廣大地區，即研究區1。其地質結構為：上部是第四系黃土狀亞黏土，厚25m以上；下部是白堊系姚家組紅泥巖。這一帶的顯著特點是地層基本無含水層（僅小南一帶第四系底部有1～3m厚砂礫石層）。

第2種類型是賈家洼子－八里鋪－興隆溝基巖裂隙含水帶及其以東到伊通河西岸的階地陡坎地帶，即研究區2。地質結構：上部約10～15m厚的黃土狀亞黏土，下伏1～3m厚砂礫石層；第四系地層下部基巖是白堊系青山口組粉細砂巖和粉砂質泥巖及泉頭組砂巖泥巖。這一地帶特點是含水層較多，砂礫石層賦存孔隙承壓水，單井涌水量100～500m3／d，基巖富水性好，青口山組含水層單井用水量大于1 000m3／d，泉頭組3－4段弱富水，單井涌水量100～300m3／d。

第3種類型是伊通河谷地區，即研究區3。地層結構：一級階地區，地表分布1～3m厚黏土、亞黏土，其下為1～5m厚的砂礫石層；基巖是泉頭組1－2段砂巖砂礫巖、泥巖，富水性差。這一地區的特點是第四系砂礫石層富水性好，單井涌水量500～2 000m3／d。

2.2 長春市區巖石的導熱性

巖石的導熱系數受巖石的含水量、密度、礦物成分及所含雜質等因素影響［7］。主要礦物的熱導率分別如下：長石、白云母、絹云母、沸石類為5.30W／（m·℃）；黑云母、綠泥石、綠簾石為5.51W／（m·℃）；磁鐵礦、方解石、黃玉為5.56W／（m·℃）；角閃石、輝石、橄欖石為5.19W／（m·℃）；白云石、菱鎂礦為5.44W／（m·℃）；石英為7.12 W／（m·℃）；水為0.59W／（m·℃）（18℃時測定）。

長春地區常見巖土的熱導率參考值見表1。

表1 長春市區常見巖土的熱導率參考值Table 1 Reference value of rock and soil thermal conductivity in Changchun district

從表1可看出，不同巖土的熱導率差別可達數倍，即使同種巖土的熱導率也常常有差別，因為影響巖土熱導率的主要因素是含水量和密度［8］。巖石密度越大，導熱率也越大，堅硬致密巖石導熱性優于疏松巖石；含水量大的巖石較同類含水量小的巖石導熱率大。

在實際應用中，某一種巖石或礦物的熱導率對于淺層地溫能換熱系統設計意義不大，通常使用的是在現場測試孔、使用專用儀器測得的地層綜合導熱系數。長春市區3種類型地層結構實測綜合導熱系數分別為1.168、1.401、1.612W／（m·℃）。

3 長春市區巖土體適宜性分區評價體系

3.1 地埋管式地源熱泵適宜區熱儲條件評價體系

熱儲條件評價主要考慮地質、水文地質條件及巖體熱物性系數，從節約土地的角度出發，只考慮垂直地埋管方式［9］。筆者提出如圖1所示的評價體系。評價體系由3層構成，從頂層至底層分別為目標層、屬性層和要素指標層。從理論上講，地源熱泵式淺層地溫的開發，在任何地層結構地區都適用，但需考慮施工工藝及經濟技術合理性。長春市區冬天寒冷，重點應考慮區域地下熱均衡。因此長春市區地埋管式地源熱泵評價，只結合地形地貌考慮施工工藝及經濟技術合理性即可［10］。

3.2 地下水源熱泵適宜區熱儲條件評價體系

圖1 地源熱泵適宜性分區評價體系Fig.1 Evaluation system of geothermal energy

在水量豐富的地段可采用地下水源熱泵換熱系統開發利用淺層地溫能，若只考慮水量：單井涌水量30m3／h，能為大中型建筑物供熱；單井涌水量10～20m3／h，只能為小型建筑物供熱。水源熱泵換熱系統效率高于土源熱泵，因此在水資源量豐富的地區，多采用地下水源熱泵開發利用淺層地溫能。結合長春市區具體條件，提出長春市區開發利用淺層地溫能地下水源熱泵適宜區的評價體系。

4 長春市區地下水源熱泵適宜區評價

地下水源熱泵適宜區評價體系是由多因素、多層次級構成的（圖2）。評價指標共分3層：目標層（A）、亞目標層（B）、指標層（C）。其中，B又劃分為B1－B3；C劃分為C1－C8。適宜區評價有許多方法，但其又是一個模糊概念，無法用一個絕對的判據來劃分，因此適合用模糊綜合評判法進行綜合評價。首先由指標C1－C6、C7、C8綜合評判B1－B3，再由B1－B3綜合評價目標層A。

在模糊綜合評判中，核心工作是確定各個指標對目標的貢獻大小以及各個指標在評價區內的分布和強度［11］，并給出量化指標。

4.1 各指標權重的確定

地下水水量是影響能否利用水源熱泵的決定性因素，地下水水量因素權重賦值大。在應用水源熱泵時，回灌水不應污染含水層，否則會對熱泵運行有影響。

圖2 地下水源熱泵適宜區評價指標體系Fig.2 The evaluation index system of groundwater source heat pumps

指標層各指標的權重賦值應考慮到如下幾個方面。1）含水層厚度對地下水資源量大小及建井結構影響很大，一般來說，含水層厚度越大，供水能力越強；含水層顆粒越細，越易進入水源熱泵機組，會磨損設備，并且會影響回灌井的回灌能力。因此，含水層厚度越大、顆粒越粗，賦值應越大。2）單井涌水量反映了取水井的產水能力，單井涌水量越大，說明含水層富水性越好，賦值應越大。3）由于水是熱的良好載體，熱容量大，熱的傳導和對流使得連續水體的溫度保持一致，因此含水層的滲透系數越大，熱的傳導和對流越強，賦值應越大。4）含水層可開采資源量大，說明該地區地下水補給源多，地下水循環利用量多，越適宜水源熱泵的應用。可開采資源量越大，賦值應越大。5）地下水位埋深大，會增加取水成本。地下水位埋深越小，賦值越大。6）水的硬度越大，水源機組和管路越易結垢，影響使用壽命。硬度越小賦值越大。7）地下水水溫越高，可取的熱量越多。水溫越高賦值越大。8）水文地質條件是影響回灌能力的主要因素。回灌系數大的地區，賦值越大［12］。B1、B2、B3的權重分別為0.8、0.1、0.1；C1－C8的權重分別為0.15、0.30、0.15、0.05、0.15、0.20、1.00、1.00。

4.2 隸屬函數的構造

4.2.1 正指標和負指標

本文共包含有8個指標。其中，有的指標值越大其對評價目標的影響就越好，即評價目標也就越往好的方向發展，此區域的開發潛力就越大，如含水層厚度、單井涌水量等，故稱這些指標為正指標［13－14］；而有些指標值越大其對評價目標的影響就越不好，如地下水位埋深和硬度等，說明評價目標在往壞的方向發展，稱這類指標為負指標。

4.2.2 隸屬函數的構造

根據模糊集理論，各參評因子的實際值對各級環境地質質量的隸屬程度用隸屬度μ（x）來刻畫（隸屬度越大，隸屬資格越高），隸屬度用隸屬函數表示。這里隸屬函數選用線性隸屬函數（具體公式略）構造出隸屬函數矩陣［15］。

4.3 模糊綜合評判

根據3.2節所建立的長春市地質結構分區，3個區的指標實測值及分級標準見表2和表3。

表2 各指標實際值Table 2 Measured value of every index

表3 地下水源熱泵適宜區分級標準Table 3 Grading standards of water source heat pumps

對于1區，將上表中各指標的實際值代入相應的隸屬函數中（其中C4應代入負指標的隸屬函數），得到隸屬函數級矩陣：權重行向量WC＝（C1，C2，C3，C4，C5，C6）＝（0.15，0.30，0.15，0.05，0.15，0.20），進行模糊變換，得B1對第二層的隸屬程度BB1＝（0.95，0.00，0.05），同理求得BB2＝（0，0，1），BB3＝（0.2，0.8，0.0）。對BB1、BB2和BB3進行二級評判，得到評價矩陣：

亞目標層權向量的WB＝（0.8，0.1，0.1），與評價矩陣進行二級模糊綜合評判：

根據最大隸屬度原則，本區的可持續開發潛力屬于評語等級的第1級，即適宜區。同理對2、3區進行評判。

根據最大隸屬度原則，2、3區的可持續開發潛力均為適宜區。

綜上所述，長春市在研究區1，宜用地源熱泵開發淺層地熱資源；研究區2和研究區3也可采用地源熱泵，但這2個區水量較豐富，采用地下水源熱泵的效率要高于地源熱泵。

5 結論

1）根據地層結構和巖石導熱性分析，長春市區可劃分3個地層結構區，各區的綜合導熱系數實測值分別是1.168、1.401、1.612W／（m·℃）。

2）根據長春市地下水資源分布特點，建立水源熱泵適宜區的評價指標體系，采用模糊綜合評判法對3個地層結構區進行了適宜性評價。評價結果是1、2、3區均可采用地源熱泵開采淺層地熱資源，但由于2、3區水量較豐富，采用水源熱泵的效率會高于地源熱泵，因此，1區適宜采用地源熱泵，2、3區適宜采用水源熱泵開采淺層地熱資源。

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Suitability Evaluation of the Shallow Geothermal Energy Development and Utilization in Changchun District City

Wang Nan1，2，Cao Jian－feng1，Zhao Ji－chang3，Li Shu－guang4

1.College of Environment and Resources，Jilin University，Changchun 130026，China 2.Institute of Water Resources and Environment，Changchun Institute of Technology，Changchun 130021，China 3.Geology and Environment Survey Bureau of China，Beijing 100081，China 4.College of Earth Sciences，Jilin University，Changchun 130021，China

The conditions of shallow geothermal energy is controlled by geological conditions，hydrogeological conditions and the thermal conductivity of rocks.According to geological and hydrogeological conditions，and analysis of rock thermal conductivity，Changchun urban area can be divided into three stratum structure areas and the No.1is bedrock fissure water belt in the west of Jiajiawazi－Balipu－Xinglonggou，the No.2is from bedrock fissure water belt in the east of Jiajiawazi－Balipu－Xinglonggou to terrace scarp zone of Yitong River and the No.3is the Yitong River valley region.The measured thermal conductivity are 1.168，1.401and 1.612respectively.According to analysis of relevant factors，we establish the evaluation index system of ground－source heat pump andgroundwater source heat pump suitable areas and put forward the optimum area，more appropriate area and unsuitable zone.We use the fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate the three stratum structure areas.The results of evaluation is that the No.1area is not suitable for groundwater source heat pump and the No.2，No.3area are suitable.

Changchun City；shallow geothermal energy；suitability evaluation；evaluation system；fuzzy comprehensive judgement

book=2012,ebook=514

P641.1；P314.1

A

1671－5888（2012） 04－1139－06

2011－10－26

吉林省科學技術廳重點項目（20090481）

王楠（1980－），男，博士研究生，主要從事地下水資源研究工作，E－mail：nancy2297＠163.com

曹劍鋒（1943－），男，教授，博士生導師，主要從事地下水系統和水資源系統工程研究，E－mail：caojianfeng＠jlu.edu.cn。