仁懷中樞城區巖土熱物性特征及地源熱泵開發建議

田小林

仁懷中樞城區巖土熱物性特征及地源熱泵開發建議

田小林1,2

（1.貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州 遵義 563000；2.貴州淺層地溫能開發有限公司，貴陽 550081）

巖土體的綜合熱物性質是決定地埋管地源熱泵系統設計、保障淺層地熱能開發利用的設計參數。通過對仁懷中樞城區水文地質條件及熱響應試驗數據綜合分析研究，該區為受斷裂及地形綜合控制的地下水富集區和疏干區兩種巖溶水系統，地下水富集區相對疏干區巖土綜合熱物性較好，地源熱泵工程開發利用前應按巖土熱物性質分區設計，以提高資源利用效率和降低建設成本。

地下水；巖土體；熱物性特征；地源熱泵；開發利用

仁懷中樞城區位于貴州遵義仁懷市鹽津河右岸臺地，發育寒武系婁山關組(∈2-3)白云巖，巖溶發育、含水巖組富水性強。受地形地貌及斷裂構造控制，形成了以中樞斷層為界、北西盤地下水富集、南西盤地下水貧乏的水文地質條件差異（韓至鈞和金占省，1996）?？傮w呈現地下水富集區巖土體綜合導熱系數、熱擴散率、地溫恢復時間、單位換熱量等均優于地下水疏干區的熱物性特征。查明巖土熱物性特征及其分布規律，才能因地制宜合理規劃及開發。

1 區域地質概況

仁懷中樞城區位于貴州大婁山脈西段北側、云貴高原向四川盆地過渡的山地斜坡地帶，揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱畢節北東向構造變形區之東北部、大婁山隆起褶皺帶之北西側，地質構造以北東向斷裂構造為主，控制著含水巖組展布和地下水分布（王明章等，2018）。碳酸鹽巖以白云巖及灰巖為主，巖溶發育強烈，溶孔、溶隙構成地下水運移、徑流和富集的有利空間，碎屑巖主要以泥頁巖及砂巖為主，含水介質發育弱，地下水較貧乏，巖石導熱性較差，巖土熱物性參數相對較小。在地下水相對富集的碳酸鹽巖分布區，受地下水及地層巖性綜合控制，巖土熱物性參數相對疏干區往往更大，是地埋管地源熱泵開發利用最為有利的區域。

2 水文地質條件

2.1 地下水系統

中樞城區處于中樞斷層帶，分布寒武系婁山關組(∈2-3)白云巖，巖溶發育、富水性強，含水介質以溶孔、溶隙為主，含水性較為均勻。地形地貌上處于鹽津河深切河谷右岸邊緣，北西部以湄潭組（O1）泥巖、頁巖等相對隔水層為界、南東部以鹽津河最低排泄基準面為界，形成半封閉地下水系統（王明章等，2015）。受中樞斷層控制，斷層上盤地下水富集而構成區內富水臺地，出露泉水點多，泉流量0.83～5.6L/s，鉆孔涌水量432.0m3/d，地下水位埋深4.0m；斷層下盤因鹽津河深切割而形成地下水疏干區，基本無泉水點出露，鉆孔一般水位埋深20.5～40.6m、涌水量22.46～68.26m3/d。

圖1 仁懷中樞區域水文地質略圖

1.下降泉(編號；流量L/s)；2.上升泉(編號；流量L/s)；3.鉆孔(編號；涌水量m3/d、靜止水位m)；4.正斷層；5.逆斷層；6.地層界線；7.地層代號；8.地下水流向

2.2 地下水補給

補給區分布于中樞城區北東、中樞斷層上盤桐梓紅花園組(O1)及婁山關組(∈2-3)碳酸鹽巖裸露區，地下水主要接受大氣降水入滲補給，沿中樞鎮-長遠溪呈帶狀展布，補給面積大、地形較為平緩，裸露碳酸鹽巖地層巖溶發育，地下水補給條件較好。

表1 地下水天然排泄點統計表

2.3 地下水徑流

地下水徑流受富水臺地北西側帶狀連續分布湄潭組（O1）泥巖、頁巖等相對隔水地層、南東側中樞阻水斷層控制，沿中樞斷層上盤婁山關組(∈2-3)白云巖由長遠溪-中樞鎮-楊家堡方向徑流，富水臺地地形平緩，地下水徑流緩慢。中樞斷層下盤至鹽津河谷區域受河流深切割，地下水分散式朝鹽津河谷方向徑流，地形坡度大，徑流速度快，形成地下水疏干區。

2.4 地下水排泄

該區共有10處泉水點出露，總排泄量24.39L/s。在中樞斷層下盤至鹽津河區域，地下水在鹽津河谷邊緣以巖溶大泉形式出露排泄，有2處巖溶大泉，總排泄量達130.0L/s。

3 巖土熱物性特征

3.1 導熱特征

在中樞斷層上盤富水臺地，ZK1號鉆孔地下水埋深4.0m、涌水量432.0m3/d、綜合導熱系數為4.26w/m·℃；在下盤地下水疏干區，ZK2—ZK4號鉆孔地下水埋深20.5～40.6m、涌水量22.46～68.26m3/d、綜合導熱系數為2.74～2.99w/m·℃，反映了地下水豐富的區域巖土體綜合導熱系數相對較大、導熱性能相對較好（莊宇和潘小平，2010）。

圖2 仁懷中樞富水臺地剖面示意圖

1.白云巖；2.石灰巖；3.泥質白云巖；4.泥質灰巖；5.斷層；6.地層代號

3.2 熱擴散特征

中樞城區ZK1號鉆孔熱擴散率為0.85×10-6m2/s，ZK2—ZK4號鉆孔為1.01～1.04×10-6m2/s。ZK1號鉆孔處于地下水富集區，地下水有較大比熱容，加之流動特性，對換熱量迅速擴散，是其熱擴散率大于下盤的主要原因。中樞斷層上盤地下水富集區巖土熱擴散率大于下盤地下水疏干區，上盤是地埋管地源熱泵開發相對更為有利的水文地質部位。

表2 巖土熱物性參數統計表

3.3 地溫恢復特征

地溫恢復時間的長短在地源熱泵工程中，是評價地溫場均衡程度和換熱效率的重要依據。依據現場水溫測量及熱響應試驗：S7號上升泉及ZK1—ZK4號鉆孔水溫均為17.6℃，ZK1—ZK4號鉆孔初始地溫均為17.5℃，反映巖土體初始地溫與地下水溫一致、具有相同淺層地溫場背景。結合熱響應試驗地溫恢復數據，ZK1號鉆孔停止加熱6h地溫恢復至17.5℃，ZK2—ZK4號鉆孔地溫恢復時間分別為10.5h、12h和11.5h，充分說明在地下水作用下地溫恢復更快、更能高效促進地溫場均衡（尹陳等，2020）。

3.4 綜合換熱特征

根據熱響應測試結果，ZK1號鉆孔單位換熱量為72.35w/m，ZK2—ZK4號鉆孔為52.64～57.22w/m，充分反映地下水富集區換熱效率大于地下水疏干區。在地埋管地源熱泵開發工程中，上盤地下水富集區所需地埋鉆孔數量可大幅減少，經濟建設成本相對下盤地下水疏干區優勢明顯，同時因具備較強的熱擴散能力，換熱效果相對下盤地下水疏干區更好、保證程度更高。

4 地源熱泵開發建議

中樞城區地埋管地源熱泵工程應根據上下盤巖土熱物性特征分布規律進行設計部署，優先考慮部署在上盤地下水富集區，充分發揮資源優勢的利益最大化。開發利用前應根據水文地質條件進行地埋鉆孔合理布設及充分論證，避免盲目開發。

韓至鈞，金占省. 1996. 貴州省水文地質志[M]. 北京：地震出版社.

王明章，陳萍，王中美，王詩揚. 2018. 貴州省巖溶地下水系統及地下水賦存規律研究[M]. 北京：地質出版社.

王明章，張林，王偉，陳萍，陳登齊，洪運勝. 2015. 貴州省巖溶區地下水與地質環境[M]. 北京：地質出版社.

莊宇，潘小平. 2010. 地源熱泵空調系統的換熱工區巖土體溫度變化研究[J]. 水文地質工程地質. 37(6)：134-139.

尹陳，田小林，湯自華，楊婷婷，吳嵐. 2020. 地下水對現場熱響應試驗換熱量影響分析[J]. 西部探礦工程. 32(11)：155-157.

Thermal Properties of Rock and Soil and Development Suggestion of Ground Source Heat Pump in the Zhongshu City Proper, Renhuai

TIAN Xiao-lin1,2

(1-The 114th Geological Brigade, Guizhou Bureau of Geology and Mineral Resources, Zunyi, Guizhou 563000; 2-Guizhou Shallow Geothermal Energy Development Co. , Ltd., Guiyang 550081)

Comprehensive analysis of hydrogeological conditions and thermal response test data indicates that there are two karst water systems such as groundwater enrichment area and groundwater drainage area controlled by fault and landform in the Zhongshu city proper, Renhuai. Combined thermophysical properties of the groundwater enrichment area is better than that of groundwater drainage area. The design of development and utilization of ground source heat pump project should be compartmentalized according to the thermal properties of rock and soil in order to improve resource utilization efficiency and reduce construction cost.

groundwater; rock mass; thermal property; ground source heat pump; development and utilization

2020-06-28

貴州省地礦局地質科研項目“黔北地區不同水文地質條件下碳酸鹽巖熱物性特征研究”(黔地礦科合[2019]18號)

田小林（1986-），男，貴州遵義市人，工程碩士，高級工程師，主要從事水工環地質及地熱勘查開發工作

P641.2

A

1006-0995（2021）01-0074-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.014