武漢都市發展區淺層地熱能應用潛力評價與研究

謝紀海, 夏冬生, 陶 良, 黃群龍, 張婭婷, 王小利, 柯 立

(1.武漢市測繪研究院,湖北 武漢 430074;2.湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢 430051)

淺層地熱能指在太陽輻射和內熱的綜合作用下蘊藏在地表一定深度(一般指埋深200 m)范圍內巖土體、地表水及地下水中的可開發利用的熱能,溫度一般<25 ℃。由于淺層地熱能具有可循環再生、儲量巨大以及利用方便等特點,其作為一種潛力巨大、價格低廉的清潔能源對于緩解能源短缺和溫室效應等問題具有廣闊的前景和顯著優勢。

淺層地熱能的開發利用受地質條件、水文地質條件、技術能力及經濟條件等諸多因素的制約,結合當地條件,采用恰當的方法,評價資源量潛力,對淺層地熱能開發利用具有重要的指導意義。近年來,國內外眾多學者陸續開展關于淺層地熱能開發利用評價的研究。Thomas Kohl[1]以大量的地震剖面和鉆孔等數據為基礎建立三維地質結構模型,通過對這些地質體賦予屬性信息并計算獲得熱能的儲量和開發量。孫永泉[2]借助淺層地熱能的特征和分布規律的調查研究,提出淺層地溫能的評價方法,以此完善淺層地熱能資源的資源量和可開采資源量的計算與評價。錢會等[3]討論淺層地熱能的開發利用前景,同時將ArcGIS軟件運用到淺層地熱能適宜性分區評價中。王貴玲等[4]對我國地下水源地源熱泵應用的適宜性進行評價,但分區范圍較廣,對于各個地市的概況并沒有詳細的刻畫。本次研究根據武漢市城市地質調查成果,結合武漢市實際條件,采用模糊綜合評判法對地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵適宜性進行區劃,并開展武漢市淺層地熱能資源量和潛力評價,旨在為武漢市淺層地熱能的開發利用提供依據。

1 研究區概況

武漢市地理位置在東經113°41′～115°05′,北緯29°58′～31°22′,全境面積8 494 km2,為湖北省面積的4.6%,其中,都市發展區范圍面積為3 469 km2。武漢市位于江漢平原東部,屬平原邊緣隆起地帶,北靠大別山,區內地形北高南低,總體地貌表現為平原上殘丘突露景觀(約占總面積的5%),水系發達(約占總面積的25%),其余為剝蝕堆積低崗和沖洪積平原。區內地層淺部為剝蝕堆積、沖洪積成因的第四系粘性土、砂層,深部基巖為古生界—新生界地層,巖性包括泥巖、砂巖、灰巖、頁巖、硅質巖等。武漢市第四系覆蓋地層薄,除武昌洪山廣場、漢陽王家灣古河道段外,厚度一般20～50 m,在低丘地段(如武漢大學、龜山、蛇山),基巖直接出露地表。

2 武漢都市發展區淺層地熱能開發利用適宜性分區

2.1 因子體系

地源熱泵系統供暖制冷是城市淺層地熱能開發利用的最主要方式,通常分為地下水地源熱泵系統和地埋管地源熱泵系統[5]。由于兩種地源熱泵利用形式要求的地質條件、水文地質條件有所不同,在對兩種地源熱泵進行適宜性分區時所考慮的影響因子也不相同。在選取影響因子時既要考慮因子的可量化性,同時也要考慮因子的代表性以及在評判范圍內的系統性。通過對兩種地源熱泵運行影響因素研究,結合專家意見,分別建立武漢市地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵適宜性評判因子體系,如圖1和圖2所示。

表1 地下水地源熱泵系統適宜性各評價因子權重Table 1 Weight of suitability evaluation factors of groundwater source heat pump system

表2 地埋管地源熱泵系統適宜性各評價因子權重Table 2 Weight of suitability evaluation factors of ground-source heat pump system

圖1 地下水地源熱泵系統適宜性評判因子體系Fig.1 Suitability evaluation system of groundwater source heat pump system

圖2 地埋管地源熱泵系統適宜性評判因子體系Fig.2 Suitability evaluation system of ground-source heat pump system

2.2 方法概述

本次研究采用模糊綜合評判法進行適宜性分區。模糊綜合評判法是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則,考慮與評價事物相關事物的各個因素對其所作的綜合評價[6]。由于模糊綜合評判決策是對受多種因素影響的事物作出全面評價的高效決策方法,因此其作為一種數學應用方法在各學科領域均得到廣泛運用。模糊綜合評判法具體步驟如下:

(1) 建立評判因子集。因子集是由影響評判事物的所有因子組成的集合,即

U={u1,u2,u3,…,um}

(1)

式中:U為因子集,ui(i=1,2,3…,m)代表各影響因子,如本次研究選取的含水層出水能力、含水層回灌能力、地下水位埋深、地下水水質等因子,這些因子一般具有不同程度的模糊性。

(2) 建立評價集。評價集是針對評判對象做出的所有可能評價結果組成的集合,即

V={v1,v2,v3,…,vn}

(2)

式中:V為評價集,vi(i=1,2,3…,n)為評判結果,如本次研究中適宜性結果分為三個等級:適宜區、較適宜區、適宜性差區。運用模糊綜合評判法,在綜合考慮所有評價因子的前提下,從評價集中選取最合理的元素作為評價結果。

(3) 建立權重集。評價過程中,不同的因子對評判對象的影響程度不同,因此需要建立反映各因子重要程度的權重集,即

(3)

(4)

(5)

此矩陣為一模糊矩陣,可視為從因子集U到評價集V的模糊關系矩陣。本次研究中,地下水地源熱泵系統適宜性評價和地埋管地源熱泵系統適宜評價模糊評判矩陣分別為8×3和7×3的矩陣。對于矩陣中各評判因子對應評價集的隸屬度,為滿足模糊綜合評判方法的要求,首先對各個影響因子進行相應評語集的數值化,對于連續型因子可采用連續的隸屬度函數進行隸屬度的連續取值,對于離散型或者很難量化的因子,根據工程實踐經驗、專家咨詢以及相應規范進行隸屬度的取值。

(5) 模糊綜合評判。結合各個因子在評判中的重要程度,綜合考慮各個因子的影響,可用如下公式做出模糊綜合評判:

(6)

(7)

2.3 評判結果

本次研究以mapgisK9軟件為工具,將各因子矢量圖進行空間疊加分析計算獲得綜合圖,運用前文提到的模糊綜合評判方法將綜合圖的屬性值進行運算,獲取最終的模糊綜合評判屬性值,并借助mapgisK9軟件的聚類歸并功能對圖形進行處理,同時對影響分區的特殊指標(巖溶地面塌陷高易發區、軟土地面沉降高易發區、應急水源地等)進行一票否決,最終形成武漢都市發展區地下水地源熱泵系統適宜性分區圖(圖3)和武漢都市發展區地埋管地源熱泵系統適宜性分區圖(圖4),表3為兩種地源熱泵系統適宜性分區結果統計表。

圖3 地下水地源熱泵系統適宜性分區圖Fig.3 Suitability zoning map of groundwater source heat pump system

圖4 地埋管地源熱泵系統適宜性分區圖Fig.4 Suitability zoning map of ground-source heat pump system

表3 兩種地源熱泵系統分區結果統計Table 3 Results of two heat pump systems suitability zoning

注:適宜區、較適宜區及適宜性差區均不包含水域面積。

如圖3所示,地下水地源熱泵系統適宜性分區范圍較小,主要在長江、漢江一級階地前緣至中緣,其特點為可利用的地下水資源量豐富且含水層出水、回灌能力強。適宜性差區主要分為兩類:一類是武漢市白沙洲地區、中南軋鋼廠等地下水禁采區和漢南等地,該區共同的特點是分布于長江岸邊,地層結構上覆為第四系砂層,賦存有松散巖類孔隙承壓水,下伏地層為石炭—二疊系灰巖,巖溶發育,賦存裂隙巖溶水,兩種地下水互相連通,在地下水動力和巖溶作用下,抽水極易誘發巖溶地面塌陷;另一類是調查評價區一級階地后緣及隱伏巖溶上部為隔水層地區,其單井出水量小,開發利用成本較高,分析評價綜合得分低,上述地區被劃分為地下水地源熱泵系統適宜性差區。

如圖4所示,武漢市全市基本適宜地埋管地源熱泵系統建設,僅武昌白沙洲、漢陽中南軋鋼廠、漢南紗帽局部地區由于近年來多次發生巖溶塌陷,地埋管鉆孔施工及外界因素影響易誘發巖溶塌陷,影響項目建設、長期使用的可靠性,被劃分為適宜性差區,其他區域為適宜區和較適宜區。其中適宜區為巖土層比熱容大、導熱系數大、換熱量較大、施工條件較好的地區,較適宜區換熱條件及施工條件次于適宜區。需要強調的是地埋管地源熱泵工程施工過程中會對應急水源地含水層帶來不同程度的污染,如多層含水層串通,施工泥漿、添加劑等不利影響,因此在應急水源地區域開展地埋管地源熱泵工程時,要加強環境影響評估、改進施工工藝,嚴格審批。

3 武漢都市發展區淺層地熱能開發利用潛力分析評價

3.1 淺層地熱能熱容量計算

本次采用體積法對武漢都市發展區淺層地熱能適宜區和較適宜區進行熱容量計算。由于武漢市地下水水位埋深一般為1.4～1.7 m,故計算時將土體視為飽和狀態。考慮武漢市地質條件及目前淺層地熱能開發技術水平,且各地地源熱泵系統最大施工鉆孔深度為120 m,本次研究以地下120 m為計算深度。熱容量計算公式如下:

QR=QS+QW
QS=ρSCS(1-φ)Md
QW=ρwCwφMd

(8)

式中:QR為淺層地熱能熱容量,kJ/℃;QS為巖土體骨架的熱容量,kJ/℃;QW為巖土體所含水中的熱容量,kJ/℃。ρS為巖土體密度,kg/m3;CS為巖土體骨架的比熱容,kJ/kg·℃;φ為巖土體的孔隙率(或裂隙率);M為計算面積,m2;d為計算厚度,m;ρw為水密度,kg/m3;Cw為水比熱容,取4.18 kJ/kg·℃。

武漢市120 m以淺淺層地熱能熱容量計算分區(不包含地表水區域和適宜性差區),主要是根據收集整理的鉆孔資料,結合武漢地區巖土體物理、熱物性經驗參數綜合計算,計算結果如圖5所示,武漢都市發展區地熱能容量分為以下5級:<3.00、3.00～3.20、3.20～3.40、3.40～3.60、>3.60(單位:1011kJ/℃·km2),且大部分區域單位面積熱容量值為3.00～3.70(1011kJ/℃·km2),武漢市都市發展區淺層地熱容總量如表4所示。

圖5 武漢都市發展區淺層地熱能熱容量計算分區圖Fig.5 Suitability zoning map of shallow geothermal energy capacity in metropolitan development area of Wuhan注:適宜性差區為兩種地源熱泵系統適宜性差區相交區域

表4 武漢都市發展區淺層地熱能總容量Table 4 Total capacity of shallow geothermal energy in metropolitan development area of Wuhan City

注:1 t標準煤產熱取1.75×1010J。

3.2 地埋管地源熱泵系統可利用資源量計算

考慮到武漢都市發展區地下水地源熱泵系統適宜區和較適宜區分布范圍較小,本次研究以地埋管地源熱泵系統為例,研究區地埋管地源熱泵系統換熱功率計算方法如下:

Dq=D×n×τ

(9)

式中:Dq為換熱功率,kW;D為單孔換熱功率,kW;換熱鉆孔數;τ為土地利用系數,主城區取18.81%,新城區取12.39%。

參考武漢市地埋管地源熱泵系統的建設經驗,根據以上公式可分別得出武漢市地埋管地源熱泵系統夏季制冷期換熱功率為5.65×107kW,冬季采暖期換熱功率為4.85×107kW。經統計,武漢都市發展區城鎮集中建設區范圍內地埋管地源熱泵系統適宜區和較適宜區面積為1 411.01 km2,且夏季制冷和冬季供暖分別按120天和90天計,則獲得武漢都市發展區建設集中用地中地埋管地源熱泵系統可交換熱量如表5所示。

表5 武漢都市發展區地埋管地源熱泵系統交換總熱量Table 5 Total heat exchanger capacity of ground-source heat pump system in metropolitan development area of Wuhan City

3.3 地埋管地源熱泵換熱潛力分析

根據武漢市各類建筑占比、實際利用冷熱負荷進行測算、估算,結合省會城市淺層地熱能調查評價統一標準,估算得出武漢市建筑物夏季平均制冷負荷為79.9 W/m2,冬季平均供暖負荷為58.3 W/m2,則利用地埋管總體制冷供暖換熱功率計算可得,武漢都市發展區集中建設區地埋管地源熱泵系統適宜區和較適宜區1 411.01 km2范圍內的制冷和供暖面積分別為7.11×108m2和8.37×108m2。由于巖土體物理性質參數的不同,研究區單位面積地埋管淺層地熱能的可利用資源量也不同,根據不同區域的資源利用量可計算獲得研究區內單位面積內制冷和供暖面積,獲得武漢都市發展區制冷和供暖潛力評價圖(圖6)。

圖6 武漢都市發展區地埋管地源熱泵系統潛力評價圖Fig.6 Assessment of application potential of ground-source heat pump system in metropolitan development area of Wuhan City

如圖所示,單位面積(1 km2)夏季可制冷面積在40×104～75×104m2,冬季可供暖面積范圍為45×104～85×104m2。主城區與新城區相比,雖然主城區城鎮建設用地范圍內的地埋管土地利用率要低于新城區,但主城區城鎮建設用地與新城區相當,故在城鎮集中建設區范圍內進行潛力對比,主城區要普遍高于新城區。

4 結論

本次研究以武漢都市發展區為研究對象,采用模糊綜合評判方法對研究區范圍內地下水地源熱泵和地埋管地源熱泵系統的適宜性進行區劃,在適宜性劃分的基礎上,對都市發展區地熱能容量進行計算,同時,以地埋管地源熱泵系統為例,對地埋管淺層地熱能開發利用潛力進行分級評價,主要結論如下:

(1) 淺層地熱能適宜性區劃中,根據兩種不同的地源熱泵系統特征,采用不同的評價因子體系進行模糊綜合評判,評判結果顯示,武漢都市發展區地埋管地源熱泵系統適宜區及較適宜區范圍可達研究區面積80%以上,但地下水地源熱泵系統適宜及較適宜范圍僅有15%左右。

(2) 武漢都市發展區內(除淺層地熱能適宜性差區)淺層地熱能計算總容量為9.51×1014kJ/℃,折合標準煤為5.42×107t/℃。

(3) 在武漢都市發展區城鎮集中建設區地埋管地源熱泵系統適宜區和較適宜區(1 411.01 km2)范圍內,地埋管地源熱泵系統可利用資源總量為4.82×1014kJ,折合標準煤2 741.97萬t,制冷和供暖面積分別可達7.11×108m2和8.37×108m2,單位面積(1 km2)制冷和供暖面積都在40×104m2以上,開發潛力可觀。

參考文獻：

[1] Thomas Kohl,Nathalie Andenmatten,Ladislaus Rybach.Geothermal resource mapping—example from northern Switzerland[J].Geothermics,2003,32(4/6):721-732.

[2] 孫永泉.加格達奇區淺層地熱能資源評價[D].長春:吉林大學,2013.

[3] 錢會,金婧,王濤.基于ArcGIS的淺層地熱能適宜性分區評價[J].華北水利水電學院學報,2012,33(2):116-118.

[4] 王貴玲,劉云,藺文靜,等.地下水源熱泵應用適宜性評價指標體系研究[J].城市地質,2011,33(6):6-11.

[5] 孔維臻,郭明晶,陳萌,等.基于模糊AHP的淺層地熱能適宜性分區評價方法研究[J].中國礦業,2013,22(2):107-113.

[6] 鄭先昌,鄭偉鋒,劉偉,等.基于GIS矢量單元法的城市地質綜合評價原理及應用[M].武漢:中國地質大學出版社,2014.

[7] 李士勇.工程模糊數學及應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2004.