浅析芜湖市浅层地热资源及开发利用

曾明秀

（安徽省地勘局第二水文工程地质勘查院，安徽芜湖241000）

1 研究区地质概况

1.1 地形地貌

（1）地形。芜湖市地处沿江丘陵平原，境内地势总体特征是东西低中间高、北低南高，地形起伏较大，分布标高5.4～431.0m，相对高差425.6m。最高点位于三山区峨桥镇境内的浮山，标高431.0m；最低点位于鸠江区沈巷镇境内的长江河漫滩，标高5.4m。

（2）地貌。区内属沿江丘陵平原区的一部分，根据地貌形态，结合海拔高度将区内划分为河谷平原、丘陵两个地貌类型，由心滩、边滩、河漫滩、一级阶地、山前斜地、低丘、高丘六个微地貌组成。

1.2 地层岩性

依据全省浅层地热能赋存的地质条件及其开发利用特点，将200m以浅地质岩性主要按不同地质时代及其固结程度进行了分类，即将第四系、新近系划分为松散岩类地层，古近系、白垩系划为半固结岩类地层，除松散岩类、半固结岩类之外的其它各类地层为固结岩类岩石。区内评价深度内主要有松散岩类、半固结及固结岩类三大类岩性。

（1）松散岩类地层。

①第四系：以冲积及坡积为主。岩性主要为粉质粘土、粉土、粉砂、粉细砂、含砾中粗砂、砂砾石、淤泥、淤泥质粉质粘土、粉质粘土砾石等。

②新近系：岩性主要为砂砾岩和粉砂岩，夹泥岩。呈半固结状。

（2）半固结岩类地层。区内半固结岩类地层主要为古近系及白垩系。

①古近系：岩性为钙质砾岩、钙质岩屑石英砂岩和钙质粉砂质泥岩、砾岩、砂砾岩、粗粒砂岩、中细粒砂岩互层，长石砂岩和泥岩等。

②白垩系：岩性主要为砾岩、细砂岩、粉砂岩夹钙质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩、钙质粉砂岩、岩屑砂岩与页岩互层、流纹质凝灰熔岩、流纹质岩屑凝灰岩、安山岩、粗面岩、粗安岩及凝灰质砂岩等。

（3）固结岩类地层。区内固结岩类地层主要为侏罗系、三叠系、二叠系地层和岩浆岩。

①侏罗系下统磨山组：岩性主要为砾岩、含砾砂岩、岩屑石英砂岩、石英砂岩、粉砂岩等。

②三叠系：岩性主要为粉砂岩、粉砂质页岩、粉砂质泥岩及细砂岩、白云岩、白云质灰岩、灰岩、页岩、钙质页岩夹薄层灰岩等。

③二叠系：岩性主要为硅质岩、硅质页岩和页岩、长石英砂岩夹粉砂岩等。

（4）岩浆岩。

①侵入岩：侵入时期均为燕山晚期，大多数出露面积不足0.5km2，岩体主要沿背斜、向斜的核部及两翼的构造裂隙中侵入，多以岩枝、岩株产出，岩性主要为钾长花岗岩、二长花岗岩、闪长玢岩、石英闪长玢岩等。

②喷出岩：区内喷出岩分布于宁芜和繁昌两个火山盆地内，均属早白垩世陆相裂隙—中心式喷发的产物。大致以弋江区火龙街道为界，北侧为宁芜火山盆地，大王山旋回以发育喷溢相熔岩为特征，岩性主要为安山岩、粗安岩、粗面岩等。

③脉岩：为酸性岩类，属引张性充填型脉岩，规模不大，类型有流纹斑岩、花岗斑岩、石英正长斑岩等。

1.3 地层结构

参照相关规范要求并结合浅层地热能开发利用特点及全省地质条件实际，进行了地层结构分类。本区评价深度内地层岩性结构可分四类，见表1。

2 水文地质条件

表1 地层岩性结构表

2.1 地下水类型及含水岩组划分

2.1.1 地下水类型划分

按含水介质区内地下水可划分为松散岩类孔隙水、红层孔隙裂隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水四种类型。

2.1.2 含水岩组划分

根据含水岩组的岩性特征、组合关系、贮水空间的形态及水力联系等，将工作区划分为第四系松散岩类孔隙含水岩组、红层孔隙裂隙含水岩组、碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组、碎屑岩夹碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组、碎屑岩裂隙含水岩组、岩浆岩裂隙含水岩组、构造破碎岩类含水岩组七个含水岩组。其中第四系松散岩类孔隙含水层按水力性质又分为潜水和承压水。

2.1.3 含水岩组富水性划分

含水岩组富水性等级划分依据单井涌水量。根据收集的钻孔抽水试验成果，单井涌水量统一换算口径8吋；统一换算降深，裂隙—岩溶水、裂隙水20m，孔隙水10m。据此，区内含水岩组富水性可划分为水量丰富的（单井涌水量1000～3000m3/d）、水量中等的（单井涌水量 100～1000m3/d）、水量贫乏的（单井涌水量 10～100m3/d）、水量极贫乏的（单井涌水量小于10m3/d）四个等级。

2.2 水质特征

针对浅层地温能开发利用对水质的要求，在工作区内采集了地下水和地表水样进行了分析测试，根据现行的有关标准进行评价：游离CO2稍有超标，做适当处理后可作为地源热泵机组循环用水。

3 地热场条件

3.1 地热场特征

根据安徽省地质环境监测总站、安徽省地质调查院2014年4月完成的《安徽省芜湖市浅层地热能调查与评价报告》及相关资料，对芜湖市范围内地热场特征分析如下：

（1）地热场垂向分布特征。地热变化是岩土体热导率效应，恒温带以下地热主要受地球内部热能控制。根据地热场温度随深度的变化，将150m以浅自上而下划分为变温带、恒温带和增温带。

①变温带：指地热场靠近地表的部分，主要受太阳辐射的影响，其温度变化幅度随深度的增加呈现规律性递减。本区变温带下限深度22～30m。

②恒温带：指地表以下温度常年基本保持不变的地带，该层热能受地球内热形成的增温带与上覆变温带影响达到相对平衡。本区温度一般17℃～19.0℃，恒温带埋深上限22～30m，下限25～35m，厚5～10m。

③增温带：指恒温带以下主要受地球内部热能影响的地带。本区增温带上限深度一般25～35m，其下由浅到深温度渐增为增温带。恒温带以下至150m深度内地热19.5℃～22℃。本区增温带地热梯度为2.7℃～3.0℃/100m。

（2）地热场平面分布特征。区内由于地层岩性、地层结构及地下水动力等地质条件在平面上存在较明显的差异，其地热场特征也有不同。

①沿长江地区：由于地表水与地下水水力联系密切，水动力条件有利于水循环和热传递，其上覆地层保温性能较差、热交换能力较强，恒温带温度为17.0℃～17.5℃，为区内较低。恒温带上、下限深度分别为17.0～20.0m、30.0～35.0m。

②长江以南、长江以北平原地区：大部分地区恒温带平均温度17.5℃～18.0℃，恒温带上、下限深度分别为10～15m、25～30m，厚度在5～10m。由于长江以南松散层厚度多小于30m，下伏基岩热导率较高，与沿长江地区相比，长江以南地区变温带明显较浅。增温带地热梯度2.8℃～3.0℃/100m。

③南部及中部高丘、低丘地区：地热场受不同地层岩性、地层结构和地下水影响，其变温带下限深度6～9m，恒温带下限深度22～25m，恒温带平均温度18.0℃～19.0℃，厚10～20m；区内地下水位较浅处，其恒温带厚度明显较小，局部小于5m，增温带地热梯度为2.9℃～3.0℃/100m。

3.2 地热场变化的影响因素分析

（1）地下水对地热场的影响。地下水的热传递过程往往是热对流和热传导同时发生，热对流为其主要热传递方式。由于地下不同深处温度不同，热对流往往自然发生，较冷较热部分之间通过不断循环流动使地热场内不同深度的地热在气象、水文及地下深处热力影响下趋于稳定状态。地下水作为流体，也是地热的载体，相对于岩土体，它更具有热传递的功能。它可以以自身的状态储存能量，也可以搬运能量，在压力差、温度差和比重差的作用下发生循环作用。据南京大学岩土体热导率研究成果，岩土体热导率与其天然含水量成正比，其热导率随天然含水量的增加而提高，但当含水量达到一临界数值时，其热导率变化速率趋于稳定。

（2）地层岩性及结构对地热场的影响。地层岩性是储藏和传递热能的重要物质基础，其进行热传递的主要方式是热传导。能量在岩石中传递机理是靠质点间的振动，不同矿物具有不同的晶体结构和不同原子、分子、离子团构成的晶格质点，故不同岩土体具有不同的热导率。在松散层中，能量传递的机理较复杂，其颗粒大小、形状、排列方式、孔隙率、含水性质和含水率都是影响因子。地层岩性及地层结构对地热场的影响主要反映在岩土体热传导的变化。

（3）气候条件对地热场的影响。本区变温带地热的年内动态变化就是地热场受气候条件影响的综合反映。气候条件包括日照、气温、降水及地表温度等，日照时间是影响气温和地表温度的主要因素。冬、夏两季出现气象要素极值的时段对地热影响较明显。

4 浅层地热能资源开发利用

4.1 浅层地热能开发利用方式

浅层地热能资源分别赋存于岩土体、地下水及地表水中，针对不同的赋存条件借助地源热泵系统采取不同的开发利用方式。分为地源型（地埋管）、地下水源型和地表水源型三种开发利用方式。

（1）地源型利用方式。地源型利用方式是传热介质通过竖直或水平的地埋管换热器与岩土体进行热交换，又称地埋管换热系统。其工作原理是传热介质在密闭的竖直或水平地埋管中循环，利用传热介质与岩土体、地下水直接的温差进行热交换，进而通过热泵技术实现对建筑物的供暖和制冷，以达到利用浅层地热能的目的。

当建设工程可利用土地面积有限，建筑冷热负荷较大时，可考虑使用垂直地埋管方式。当场地可利用面积大，地下水位较高，冷热负荷量较小时，可以使用水平埋管换热方式。

（2）地下水源型利用方式。地下水源型利用方式是通过地下水进行热交换，分为直接地下水换热系统和间接地下水换热系统，又称地下水换热系统。在地下岩土中凿建取水井，利用水泵直接抽取地下水，通过间接或直接送水至水源送水至水源热泵机组与制冷剂进行热交换，经提取热量或释放热量后，再回灌到地下。地下水直接利用系统，即把地下水直接送到热泵机组，通过机组内换热器实现冷热量的交换和输送。地下水间接换热系统，即在直接利用系统管路中，在井口增设地下水/循环水板式换热器隔离回路，地下水从抽水井抽出送至井口板式换热器，经过循环水泵，与热泵机组低温水换热，地下水换热后，再从回灌井回到地下含水层中。地下水间接换热系统主要用于地下水水质不能满足热泵机组要求，且不易处理时采用。应用地下水换热系统时，对水源的原则要求是水量充足、水温适度、水质适宜、回灌顺畅。

（3）地表水源型利用方式。地表水源型利用方式是通过地表水进行热交换，又称地表水换热系统。根据热泵机组与地表水体换热方式的不同，分为开式地表水热交换系统及闭式地表水热交换系统。就是利用江河湖泊等地表水作为热泵机组的热源，通过水泵和输配管路将水体的热量传递给热泵机组，或将热泵机组的热量释放到地表水体中。

开式地表水换热系统和地下水直接利用换热系统相似，从水体底部将水通过管道输送到热泵机组中，进行热量交换后，再通过排水管又将其输送回湖水表面，但水泵的吸入口与排放口的位置应相隔一定的距离。闭式地表水换热系统通过放置在湖中或河流中的换热器与热泵机组连接，吸收或放热均通过地表水换热器内的循环介质进行。地表水换热系统要求建筑物必须临近地表水体，且地表水体有稳定可靠的面积、水深和水量等。在进行设计时必须考虑地表水体的容量，系统的排、取热量不能超过水体的热容量范围，以免造成地表水体的污染。地下水源型换热系统和地表水源型换热系统称为水源型热泵系统。

4.2 浅层地热能开发利用现状

芜湖市位于长江中下游地区，地处北亚热带湿润季风气候区。区内气候温暖湿润，四季分明，雨量充沛，梅雨显著，日照充足，无霜期长。区内往年仅在热电厂附近几家单位和小区利用热电厂的余热集中供暖，供暖面积规模较小。其供暖分散，夏季以电风扇为主，冬季不取暖；近几年，随着经济发展和生活水平的逐步提高，分体式空调和电取暖器开始作为建筑空气调节的主要方式。目前芜湖市浅层地温能开发利用工程已投入使用的有6处，其中有5处为地源型热泵系统、1处为地下水源型热泵系统。

5 开发利用特点和主要问题

5.1 开发利用特点

本区浅层地热能赋存特点，决定了其利用方式主要为地源型、地下水源型。该区浅层地热能开发利用处于初始阶段，有6处浅层地热能开发利用工程已建成使用，对促进本区浅层地热能开发利用有示范推广意义。

5.2 主要问题

（1）本区目前开发利用浅层地热能尚缺乏明确的政策导向。还不够规范；其开发利用尚处初始阶段，开发力度还不大。

（2）开发利用浅层地热能为新兴产业，区内需要在浅层地热能开发利用适宜性评价的基础上，编制开发利用规划，为合理开发利用和管理提供技术依据。

（3）已有6处浅层地热能开发利用工程中有5处为地源型热泵系统、1处为地下水源型热泵系统，较传统的中央空调系统造价较高。尤其是大量的地埋管换热器集中在建筑物基础之下，需要充裕的地下空间，运行过程会对地质环境产生较大的影响。

（4）浅层地热能资源开发利用工程的审批、设计、勘察、施工和验收，以及后期的监测与管理的整套程序还没有明确的管理部门。