武汉都市发展区浅层地热能应用潜力评价与研究

谢纪海, 夏冬生, 陶 良, 黄群龙, 张娅婷, 王小利, 柯 立

(1.武汉市测绘研究院,湖北 武汉 430074;2.湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051)

浅层地热能指在太阳辐射和内热的综合作用下蕴藏在地表一定深度(一般指埋深200 m)范围内岩土体、地表水及地下水中的可开发利用的热能,温度一般<25 ℃。由于浅层地热能具有可循环再生、储量巨大以及利用方便等特点,其作为一种潜力巨大、价格低廉的清洁能源对于缓解能源短缺和温室效应等问题具有广阔的前景和显著优势。

浅层地热能的开发利用受地质条件、水文地质条件、技术能力及经济条件等诸多因素的制约,结合当地条件,采用恰当的方法,评价资源量潜力,对浅层地热能开发利用具有重要的指导意义。近年来,国内外众多学者陆续开展关于浅层地热能开发利用评价的研究。Thomas Kohl[1]以大量的地震剖面和钻孔等数据为基础建立三维地质结构模型,通过对这些地质体赋予属性信息并计算获得热能的储量和开发量。孙永泉[2]借助浅层地热能的特征和分布规律的调查研究,提出浅层地温能的评价方法,以此完善浅层地热能资源的资源量和可开采资源量的计算与评价。钱会等[3]讨论浅层地热能的开发利用前景,同时将ArcGIS软件运用到浅层地热能适宜性分区评价中。王贵玲等[4]对我国地下水源地源热泵应用的适宜性进行评价,但分区范围较广,对于各个地市的概况并没有详细的刻画。本次研究根据武汉市城市地质调查成果,结合武汉市实际条件,采用模糊综合评判法对地下水地源热泵和地埋管地源热泵适宜性进行区划,并开展武汉市浅层地热能资源量和潜力评价,旨在为武汉市浅层地热能的开发利用提供依据。

1 研究区概况

武汉市地理位置在东经113°41′～115°05′,北纬29°58′～31°22′,全境面积8 494 km2,为湖北省面积的4.6%,其中,都市发展区范围面积为3 469 km2。武汉市位于江汉平原东部,属平原边缘隆起地带,北靠大别山,区内地形北高南低,总体地貌表现为平原上残丘突露景观(约占总面积的5%),水系发达(约占总面积的25%),其余为剥蚀堆积低岗和冲洪积平原。区内地层浅部为剥蚀堆积、冲洪积成因的第四系粘性土、砂层,深部基岩为古生界—新生界地层,岩性包括泥岩、砂岩、灰岩、页岩、硅质岩等。武汉市第四系覆盖地层薄,除武昌洪山广场、汉阳王家湾古河道段外,厚度一般20～50 m,在低丘地段(如武汉大学、龟山、蛇山),基岩直接出露地表。

2 武汉都市发展区浅层地热能开发利用适宜性分区

2.1 因子体系

地源热泵系统供暖制冷是城市浅层地热能开发利用的最主要方式,通常分为地下水地源热泵系统和地埋管地源热泵系统[5]。由于两种地源热泵利用形式要求的地质条件、水文地质条件有所不同,在对两种地源热泵进行适宜性分区时所考虑的影响因子也不相同。在选取影响因子时既要考虑因子的可量化性,同时也要考虑因子的代表性以及在评判范围内的系统性。通过对两种地源热泵运行影响因素研究,结合专家意见,分别建立武汉市地下水地源热泵和地埋管地源热泵适宜性评判因子体系,如图1和图2所示。

表1 地下水地源热泵系统适宜性各评价因子权重Table 1 Weight of suitability evaluation factors of groundwater source heat pump system

表2 地埋管地源热泵系统适宜性各评价因子权重Table 2 Weight of suitability evaluation factors of ground-source heat pump system

图1 地下水地源热泵系统适宜性评判因子体系Fig.1 Suitability evaluation system of groundwater source heat pump system

图2 地埋管地源热泵系统适宜性评判因子体系Fig.2 Suitability evaluation system of ground-source heat pump system

2.2 方法概述

本次研究采用模糊综合评判法进行适宜性分区。模糊综合评判法是应用模糊变换原理和最大隶属度原则,考虑与评价事物相关事物的各个因素对其所作的综合评价[6]。由于模糊综合评判决策是对受多种因素影响的事物作出全面评价的高效决策方法,因此其作为一种数学应用方法在各学科领域均得到广泛运用。模糊综合评判法具体步骤如下:

(1) 建立评判因子集。因子集是由影响评判事物的所有因子组成的集合,即

U={u1,u2,u3,…,um}

(1)

式中:U为因子集,ui(i=1,2,3…,m)代表各影响因子,如本次研究选取的含水层出水能力、含水层回灌能力、地下水位埋深、地下水水质等因子,这些因子一般具有不同程度的模糊性。

(2) 建立评价集。评价集是针对评判对象做出的所有可能评价结果组成的集合,即

V={v1,v2,v3,…,vn}

(2)

式中:V为评价集,vi(i=1,2,3…,n)为评判结果,如本次研究中适宜性结果分为三个等级:适宜区、较适宜区、适宜性差区。运用模糊综合评判法,在综合考虑所有评价因子的前提下,从评价集中选取最合理的元素作为评价结果。

(3) 建立权重集。评价过程中,不同的因子对评判对象的影响程度不同,因此需要建立反映各因子重要程度的权重集,即

(3)

(4)

(5)

此矩阵为一模糊矩阵,可视为从因子集U到评价集V的模糊关系矩阵。本次研究中,地下水地源热泵系统适宜性评价和地埋管地源热泵系统适宜评价模糊评判矩阵分别为8×3和7×3的矩阵。对于矩阵中各评判因子对应评价集的隶属度,为满足模糊综合评判方法的要求,首先对各个影响因子进行相应评语集的数值化,对于连续型因子可采用连续的隶属度函数进行隶属度的连续取值,对于离散型或者很难量化的因子,根据工程实践经验、专家咨询以及相应规范进行隶属度的取值。

(5) 模糊综合评判。结合各个因子在评判中的重要程度,综合考虑各个因子的影响,可用如下公式做出模糊综合评判:

(6)

(7)

2.3 评判结果

本次研究以mapgisK9软件为工具,将各因子矢量图进行空间叠加分析计算获得综合图,运用前文提到的模糊综合评判方法将综合图的属性值进行运算,获取最终的模糊综合评判属性值,并借助mapgisK9软件的聚类归并功能对图形进行处理,同时对影响分区的特殊指标(岩溶地面塌陷高易发区、软土地面沉降高易发区、应急水源地等)进行一票否决,最终形成武汉都市发展区地下水地源热泵系统适宜性分区图(图3)和武汉都市发展区地埋管地源热泵系统适宜性分区图(图4),表3为两种地源热泵系统适宜性分区结果统计表。

图3 地下水地源热泵系统适宜性分区图Fig.3 Suitability zoning map of groundwater source heat pump system

图4 地埋管地源热泵系统适宜性分区图Fig.4 Suitability zoning map of ground-source heat pump system

表3 两种地源热泵系统分区结果统计Table 3 Results of two heat pump systems suitability zoning

注:适宜区、较适宜区及适宜性差区均不包含水域面积。

如图3所示,地下水地源热泵系统适宜性分区范围较小,主要在长江、汉江一级阶地前缘至中缘,其特点为可利用的地下水资源量丰富且含水层出水、回灌能力强。适宜性差区主要分为两类:一类是武汉市白沙洲地区、中南轧钢厂等地下水禁采区和汉南等地,该区共同的特点是分布于长江岸边,地层结构上覆为第四系砂层,赋存有松散岩类孔隙承压水,下伏地层为石炭—二叠系灰岩,岩溶发育,赋存裂隙岩溶水,两种地下水互相连通,在地下水动力和岩溶作用下,抽水极易诱发岩溶地面塌陷;另一类是调查评价区一级阶地后缘及隐伏岩溶上部为隔水层地区,其单井出水量小,开发利用成本较高,分析评价综合得分低,上述地区被划分为地下水地源热泵系统适宜性差区。

如图4所示,武汉市全市基本适宜地埋管地源热泵系统建设,仅武昌白沙洲、汉阳中南轧钢厂、汉南纱帽局部地区由于近年来多次发生岩溶塌陷,地埋管钻孔施工及外界因素影响易诱发岩溶塌陷,影响项目建设、长期使用的可靠性,被划分为适宜性差区,其他区域为适宜区和较适宜区。其中适宜区为岩土层比热容大、导热系数大、换热量较大、施工条件较好的地区,较适宜区换热条件及施工条件次于适宜区。需要强调的是地埋管地源热泵工程施工过程中会对应急水源地含水层带来不同程度的污染,如多层含水层串通,施工泥浆、添加剂等不利影响,因此在应急水源地区域开展地埋管地源热泵工程时,要加强环境影响评估、改进施工工艺,严格审批。

3 武汉都市发展区浅层地热能开发利用潜力分析评价

3.1 浅层地热能热容量计算

本次采用体积法对武汉都市发展区浅层地热能适宜区和较适宜区进行热容量计算。由于武汉市地下水水位埋深一般为1.4～1.7 m,故计算时将土体视为饱和状态。考虑武汉市地质条件及目前浅层地热能开发技术水平,且各地地源热泵系统最大施工钻孔深度为120 m,本次研究以地下120 m为计算深度。热容量计算公式如下:

QR=QS+QW
QS=ρSCS(1-φ)Md
QW=ρwCwφMd

(8)

式中:QR为浅层地热能热容量,kJ/℃;QS为岩土体骨架的热容量,kJ/℃;QW为岩土体所含水中的热容量,kJ/℃。ρS为岩土体密度,kg/m3;CS为岩土体骨架的比热容,kJ/kg·℃;φ为岩土体的孔隙率(或裂隙率);M为计算面积,m2;d为计算厚度,m;ρw为水密度,kg/m3;Cw为水比热容,取4.18 kJ/kg·℃。

武汉市120 m以浅浅层地热能热容量计算分区(不包含地表水区域和适宜性差区),主要是根据收集整理的钻孔资料,结合武汉地区岩土体物理、热物性经验参数综合计算,计算结果如图5所示,武汉都市发展区地热能容量分为以下5级:<3.00、3.00～3.20、3.20～3.40、3.40～3.60、>3.60(单位:1011kJ/℃·km2),且大部分区域单位面积热容量值为3.00～3.70(1011kJ/℃·km2),武汉市都市发展区浅层地热容总量如表4所示。

图5 武汉都市发展区浅层地热能热容量计算分区图Fig.5 Suitability zoning map of shallow geothermal energy capacity in metropolitan development area of Wuhan注:适宜性差区为两种地源热泵系统适宜性差区相交区域

表4 武汉都市发展区浅层地热能总容量Table 4 Total capacity of shallow geothermal energy in metropolitan development area of Wuhan City

注:1 t标准煤产热取1.75×1010J。

3.2 地埋管地源热泵系统可利用资源量计算

考虑到武汉都市发展区地下水地源热泵系统适宜区和较适宜区分布范围较小,本次研究以地埋管地源热泵系统为例,研究区地埋管地源热泵系统换热功率计算方法如下:

Dq=D×n×τ

(9)

式中:Dq为换热功率,kW;D为单孔换热功率,kW;换热钻孔数;τ为土地利用系数,主城区取18.81%,新城区取12.39%。

参考武汉市地埋管地源热泵系统的建设经验,根据以上公式可分别得出武汉市地埋管地源热泵系统夏季制冷期换热功率为5.65×107kW,冬季采暖期换热功率为4.85×107kW。经统计,武汉都市发展区城镇集中建设区范围内地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区面积为1 411.01 km2,且夏季制冷和冬季供暖分别按120天和90天计,则获得武汉都市发展区建设集中用地中地埋管地源热泵系统可交换热量如表5所示。

表5 武汉都市发展区地埋管地源热泵系统交换总热量Table 5 Total heat exchanger capacity of ground-source heat pump system in metropolitan development area of Wuhan City

3.3 地埋管地源热泵换热潜力分析

根据武汉市各类建筑占比、实际利用冷热负荷进行测算、估算,结合省会城市浅层地热能调查评价统一标准,估算得出武汉市建筑物夏季平均制冷负荷为79.9 W/m2,冬季平均供暖负荷为58.3 W/m2,则利用地埋管总体制冷供暖换热功率计算可得,武汉都市发展区集中建设区地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区1 411.01 km2范围内的制冷和供暖面积分别为7.11×108m2和8.37×108m2。由于岩土体物理性质参数的不同,研究区单位面积地埋管浅层地热能的可利用资源量也不同,根据不同区域的资源利用量可计算获得研究区内单位面积内制冷和供暖面积,获得武汉都市发展区制冷和供暖潜力评价图(图6)。

图6 武汉都市发展区地埋管地源热泵系统潜力评价图Fig.6 Assessment of application potential of ground-source heat pump system in metropolitan development area of Wuhan City

如图所示,单位面积(1 km2)夏季可制冷面积在40×104～75×104m2,冬季可供暖面积范围为45×104～85×104m2。主城区与新城区相比,虽然主城区城镇建设用地范围内的地埋管土地利用率要低于新城区,但主城区城镇建设用地与新城区相当,故在城镇集中建设区范围内进行潜力对比,主城区要普遍高于新城区。

4 结论

本次研究以武汉都市发展区为研究对象,采用模糊综合评判方法对研究区范围内地下水地源热泵和地埋管地源热泵系统的适宜性进行区划,在适宜性划分的基础上,对都市发展区地热能容量进行计算,同时,以地埋管地源热泵系统为例,对地埋管浅层地热能开发利用潜力进行分级评价,主要结论如下:

(1) 浅层地热能适宜性区划中,根据两种不同的地源热泵系统特征,采用不同的评价因子体系进行模糊综合评判,评判结果显示,武汉都市发展区地埋管地源热泵系统适宜区及较适宜区范围可达研究区面积80%以上,但地下水地源热泵系统适宜及较适宜范围仅有15%左右。

(2) 武汉都市发展区内(除浅层地热能适宜性差区)浅层地热能计算总容量为9.51×1014kJ/℃,折合标准煤为5.42×107t/℃。

(3) 在武汉都市发展区城镇集中建设区地埋管地源热泵系统适宜区和较适宜区(1 411.01 km2)范围内,地埋管地源热泵系统可利用资源总量为4.82×1014kJ,折合标准煤2 741.97万t,制冷和供暖面积分别可达7.11×108m2和8.37×108m2,单位面积(1 km2)制冷和供暖面积都在40×104m2以上,开发潜力可观。

参考文献：

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

[2] 孙永泉.加格达奇区浅层地热能资源评价[D].长春:吉林大学,2013.

[3] 钱会,金婧,王涛.基于ArcGIS的浅层地热能适宜性分区评价[J].华北水利水电学院学报,2012,33(2):116-118.

[4] 王贵玲,刘云,蔺文静,等.地下水源热泵应用适宜性评价指标体系研究[J].城市地质,2011,33(6):6-11.

[5] 孔维臻,郭明晶,陈萌,等.基于模糊AHP的浅层地热能适宜性分区评价方法研究[J].中国矿业,2013,22(2):107-113.

[6] 郑先昌,郑伟锋,刘伟,等.基于GIS矢量单元法的城市地质综合评价原理及应用[M].武汉:中国地质大学出版社,2014.

[7] 李士勇.工程模糊数学及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.