合肥市淺層地溫場分布特征及影響因素分析

李 靜，張 帥，劉亞蘭，何黎明

（安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，安徽·蚌埠 233000）

淺層地溫能是指蘊藏在地表以下一定深度（200m以淺）范圍內巖土體、地下水中具有開發利用價值的熱能。淺層地溫能是一種可再生的清潔能源，大規模開發利用可用于改善各地能源結構，減少碳排放，實現碳中和非常有利。這種資源存在于地下不同的地質體中，其賦存條件受區域地質、構造、水文等地質條件影響，包括地層巖性特征、地質構造、地下水類型、補徑排條件及地下水動態變化規律等，這也造成各地淺層地溫場分布特征各不相同。同時該資源具有儲量大且穩定、可循環再生、開發利用清潔環保、環境效益顯著等特點。

合肥市作為安徽省會，位于安徽省中部，江淮之間，為亞熱帶濕潤季風氣候，具有季風明顯、四季分明，冬寒夏熱、春秋溫和，雨量適中等特點。合肥市區地處江淮分水嶺嶺脊的南側，屬于長江流域，區內天然河流較多，主要河流有南淝河、十五里河、上派河及其支流，均通過巢湖流入長江。

1 地質背景條件

合肥市200米以淺地層序列由老到新為：中生界侏羅系上統周公山組(J3z)，白堊系下統新莊組(K1x)，白堊系上統張橋組(K2z)；新生代古近系定遠組(E1dy)和第四系（Q）。主要巖性為鈣質泥巖、泥鈣質粉細砂巖。地表絕大部分為第四系更新統棕黃、褐黃色黏土所覆蓋。（圖1）

圖1 合肥市基巖地質圖Fig.1 The bedrock geological map of Hefei

不同方向多次活動的斷裂構造復合、疊加構成了本區的基本構造格局，主要斷層特征見表1。

表1 合肥市主要斷層及其基本特征Table 1 Characteristics of major faults in Hefei

根據研究區地下水的賦存條件及地層巖性組合特征，可劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類（紅層）裂隙孔隙水和基巖裂隙水三種類型，其基本特征見表2。

表2 合肥市水文地質特征Table 2 The hydrogeological characteristics of Hefei

2 地溫監測孔數據采集及處理

根據中國地質科學院水文地質環境地質研究所發布的監測技術要求，在合肥市淺層地溫能調查評價工作實施過程中，對研究區內的15口地溫長觀孔進行監測，監測時間長達3年，監測頻率為每月3次，監測時間為每月5日、15日、25日。

根據監測技術要求，監測孔下入雙U型直徑32mm的PE管，管內注滿清水，在成孔后靜置1個月，管內水溫與地溫達到平衡，通過測量水溫取得地溫數據。監測深度根據監測孔深100～200m不等，測溫儀器采用中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所研發的DCW-1型多通道地溫儀，測溫電纜為4線制PT1000鉑電阻測溫探頭。監測時，從孔口緩慢下入測溫探頭，以免探頭下入過快擾動管內水溫，造成監測數據誤差。孔內每2m一個測點，待測溫探頭下入到位后，穩定30秒后測量溫度，并保存數據，每10m重復檢查一次，為防止儀器數據丟失，同時手寫記錄測溫數據。

根據監測數據，研究區內三年地溫基本無變化，所以本文僅選取2012年全年的地溫監測數據進行分析，可以代表工作區地溫變化規律。將各孔測溫數據導進EXCEL中進行統一處理分析，繪制溫度散點曲線圖，根據溫度變化曲線，確定變溫帶、恒溫帶及增溫帶，并計算地溫梯度（結果見表3）；根據分析結果，結合監測孔坐標用MAPGIS6.7軟件繪制地溫分布相關圖件。

表3 合肥市恒溫帶要素及地溫梯度表Table 3 Elements of constant temperature zone and geothermal gradient table in Hefei

3 淺層地溫場分布特征

3.1 地溫垂向分布特征

恒溫帶是指地面以下溫度常年保持不變的地帶，且沿深度方向略有上升。在自然狀態下，該帶地溫受太陽能和大地熱流的綜合作用，地球內部熱能形成的增溫帶與上層變溫帶的影響在這個區域內處于相對平衡。

根據測溫孔溫度變化曲線圖，各深度點溫度在時間和深度方向的變化規律，確定各孔變溫帶、恒溫帶和增溫帶分布特征。研究區內整體上恒溫帶深度在12～32m左右，平均溫度在17.4℃左右；變溫帶在12m以上區域，溫度隨季節變化，溫度曲線呈花瓣狀分散；32m以下為增溫帶，同一監測孔不同時間溫度曲線斜率大致相同，基本不受氣溫影響（圖2）。但因巖性、構造影響，各監測孔變溫帶、恒溫帶、增溫帶及恒溫帶平均溫度有所區別。

圖2 DRK15孔地溫隨深度變化曲線Fig.2 DRK15 curve of variation of hole-ground temperature with depth

3.2 地溫平面分布特征

將15個地溫監測孔的12個月的溫度監測數據進行整理，分別計算出各孔20m、50m、100m溫度的平均值和溫度為19℃的埋深，并繪制不同深度的溫度分布圖。

相同深度的地溫分布呈現以下特征：埋深20m基本處于恒溫帶內，巖性以第四系黏土、砂土為主，地溫由西部向東南部逐漸升高，由17.0℃升至17.8℃，巢湖周邊最高達到17.8℃（圖3）。埋深50m基本處在古近系、白堊系、侏羅系紅層地層中，巖性以泥巖、砂巖為主，地溫由西南向東北逐漸升高，在中北部達到最高溫度18.4℃，位于北北東與北西、近東西斷層交匯處（圖4）。埋深100m地層巖性與50m處基本相同，均是古近系、白堊系、侏羅系紅層泥巖、砂巖，溫度平面分布變化較大，從19.0℃升至20.2℃，也遵從由西向東遞增的規律，東北部及東南部溫度都較高（≥20℃），位于北北東與北西、近東西斷層交匯處（圖5）。

圖3 20m深度地溫分布圖Fig.3 Distribution Map of ground temperature at 20m depth

圖4 50m深度地溫分布圖Fig.4 Distribution Map of ground temperature at 50m depth

圖5 100m深度地溫分布圖Fig.5 Distribution Map of ground temperature at 100m depth

相同溫度的地溫分布特征表現為：19℃的埋深由西向東遞減，這與各深度處的溫度分布圖相吻合。19℃的埋深由西（100m）向東遞減（70m），大致呈北北東方向，等值線中心為與斷層交會處，說明該處在相同的溫度下埋深較淺，反映出北北東方向斷裂是導熱斷裂（圖6）。

圖6 19℃埋深等值線圖Fig.6 Contour map of buried depth of 19 degrees

地溫梯度分布特征表現為研究區內地層增溫率在2.2～4.1℃/100m之間，工作區東北部和南部地溫梯度較大，分別達到4.0℃/100m和3.6℃/100m，而西部則較低，為2.4℃/100m，地溫梯度高值沿北北東方向斷層展布，也反映出該斷層是導熱斷層。

4 淺層地溫場影響因素分析

通過對比圖5～圖7可知，研究區內地溫場整體呈現西低東高的分布特點，無論100m地溫等值線圖，還是地溫梯度圖都可以看出，在斷裂交會處，形成了兩個高值異常閉合區域，地溫都達到20℃，地溫梯度也在兩處達到3.4℃/100m和4.0℃/100m，地溫場分布明顯受到斷裂控制。

圖7 地溫梯度分布圖Fig.7 Geothermal gradient map

研究區地下水徑流方向自西北向東南，對比圖3可知，20m地溫分布呈現西北低東南高的特征，與地下水徑流方向基本一致，表明在補給區地下水活動強烈，徑流速度快，能快速將溫度帶走，到排泄區速度減慢，溫度也慢慢積累升高，地溫場分布受地下水補徑排條件影響。

對比圖1可知研究區東部及東南部廣泛分布著古近系地層，相比白堊、侏羅紅層，古近系地層時代相對較新，較白堊、侏羅地層巖石膠結強度低，結構較松散，更有利于熱傳導。

綜合分析認為合肥市淺層地溫場分布主要受地質構造控制，同時地下水補徑排條件及地層巖性也對地溫分布產生一定影響。

5 結論

（1）通過實測和分析，合肥市淺層地溫場溫度在平面形態上呈西低東高的分布特征，垂向地溫分布特征表現為沿縱向埋深變溫帶溫度受氣溫影響隨季節變化，呈現冬季低夏季高的特點；恒溫帶及增溫帶溫度常年基本保持恒定，且沿縱向埋深溫度逐漸升高。

（2）根據溫度監測數據，研究區地溫場變溫帶埋深在12m以淺，恒溫帶深度在12～32m左右，平均溫度在17.4℃左右，32m以下為增溫帶，地溫梯度在2.3～4.1℃之間，且在兩處斷裂交會處出現地溫梯度高值異常封閉區，地溫梯度分別高達3.4℃/100m和4.0℃/100m。

（3）綜合分析表明，研究區淺層地溫場分布主要受地質構造條件控制，北東向、北西西向及近東西向斷層均為區內導熱構造，同時受地層巖性及地下水補徑排條件影響，紅層泥巖、砂巖導熱性好且富水性差，不斷接受深部大地熱流的熱量并累積，在斷裂交會處呈現地溫高異常特征。

（4）研究區200m以淺巖性以泥巖、砂巖為主，膠結程度差，結構松散，且地下水貧乏，因此淺層地溫能的開發利用適宜采用地埋管型地源熱泵，另外應注重在開發利用的同時加強能效及地溫場監測系統的建設，為合理開發利用淺層地溫能提供監測數據。