1 研究區自然地理條件

1.1 地理位置

馬鞍山市位于安徽省東南部,長(cháng)江中下游南岸,地理坐標:東經(jīng)1 1 8°24′37″~1 1 8°4 1′4 1″、北緯3 1°36′05″~ 3 1°46′42″。

1.2 氣象水文

1.2.1 氣象

馬鞍山市屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區,區內降雨量大, 日照充足,四季分明,梅雨季長(cháng)。

1.2.2 水文

區內水系發(fā)育,河網(wǎng)密布,屬長(cháng)江水系。區內長(cháng)江水系支流主要有采石河、慈湖河等,眾多的小河支流、湖泊、溝渠等組成的本區水系,其水量隨季節性變化,受長(cháng)江水位和流域降水量的控制。地表水水溫隨季節性氣溫變化而變化幅度較大,不僅受光照、氣溫和地溫的影響,也受其流動(dòng)性的影響。

1.3 地形地貌

1.3.1 地形

馬鞍山市地處沿江丘陵平原,長(cháng)江自西南向東北縱貫全區。區內北部、南部、東部地勢較高,西部較低,地面標高在 6.1~2 1 1.0 m之間,相對高差小于200 m。最高點(diǎn)位于東部的為大黃山,標高為2 1 1.0 m;西部為長(cháng)江沖積平原(漫灘) 區,地勢較低,標高一般在7.0~9.0 m,除局部見(jiàn)有零星殘丘外,大面積為河網(wǎng)、田畈分布區;中部為波狀平原,標高一般在1 0~20 m。

1.3.2 地貌

根據地貌成因劃分原則,結合海拔、切割深度、構造巖性等將區內劃為丘陵、平原兩個(gè)基本形態(tài)類(lèi)型,5種形態(tài)成因類(lèi)型:河谷平原、波狀平原、淺丘狀平原、剝蝕斷褶丘陵以及侵蝕殘丘等。

2  地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

依據淺層地熱能蘊藏特點(diǎn),將200 m以淺地質(zhì)巖性按照不同地質(zhì)時(shí)代及其固結程度進(jìn)行分類(lèi),即松散巖類(lèi)地層、半固結巖類(lèi)地層以及固結巖類(lèi)巖石。

2.1.1 松散巖類(lèi)地層

主要為第四紀地層。第四紀地層屬于揚子地層區下?lián)P子地層分區,包括晚更新世和全新世。全新世地層主要分布于河流沖積平原區,晚更新世廣泛分布于波狀平原區。 第四紀地層厚度變化較大,嚴格受地形地貌和新構造運動(dòng)的控制。與現代地形和新構造運動(dòng)有著(zhù)密切的聯(lián)系,一般高處較薄,低處較厚。沿江平原區山麓相第四紀松散沉積物厚度一般小于20 m,長(cháng)江沖積平原區第四紀地層厚度一般小于60 m,由長(cháng)江向兩側逐漸變薄。

1)波狀平原區地層

第四紀晚更新世下蜀組(Qpx)

該組主要分布于波狀平原區,地表大面積出露,巖性均勻且單一,厚度一般為1 0~20 m。巖性為褐黃、棕黃、灰黃色粘土、粉質(zhì)粘土,含少量鐵錳結核,結核大小多在2~4 mm, 含量在1%~5%不等,局部偶見(jiàn)結核富集。垂直節理發(fā)育, 沿裂隙面有黑色鐵錳質(zhì)膜或者灰白色粘土。

2)長(cháng)江沖積平原區地層

該區地層主要為長(cháng)江沖積物,總體上從下至上構成一個(gè)大的沉積旋回,呈現出由下到上粒度總體由粗變細的趨勢。 局部可出現若干個(gè)次級旋回,根據其巖性變化特征,從下到上依次劃分為大橋鎮組及蕪湖組。

(1)大橋鎮組(Qpd)

下部為河流沖積成因形成的砂礫石層,巖性由青灰色、 灰色、灰綠色細砂、粉砂、粉細砂、礫石組成,埋深多在-30m,厚度為1 0~20 m,層底常為雜色、灰色、灰黃色卵礫石、含砂卵礫石層;上部為灰黃色、灰色、灰黑色粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土。該層在江心洲呈埋深在-20 m,厚度小于1 0 m,由南往北逐漸增厚,局部地區被沖失;在長(cháng)江南岸,埋深在-1 0 m,厚度1 0~20 m,向北部逐漸變薄。區域上大橋鎮組巖性變化由北向南,沉積厚度由薄變厚再變薄,其中當涂縣厚度最大。

(2)蕪湖組(Qhw)

區內蕪湖組最大厚度為46.1 m,按巖性分為一段、二段、 三段。一段(Qhw1):以灰色粉細砂為主,局部夾薄層粉質(zhì)粘土、粉土等,偶見(jiàn)螺殼、貝殼及黑色泥炭層。該段在地表未見(jiàn)出露,古地貌上構成埋藏階地。江心洲厚度較大,埋深-5 m,厚度1 0~40 m,向當涂方向逐漸尖滅。二段(Qhw2):巖性主要為灰色粘土質(zhì)粉砂、粉砂夾粉質(zhì)粘土、粘土,局部互層, 可見(jiàn)水平細紋層。局部含有黑色泥炭層,并偶見(jiàn)少量螺殼。 該組在地表大面積出露,主要構成沖積平原,測區內該層埋深多在0~-1 0 m,最大厚度3 8.6 m。三段(Qhw3):淺灰色、 灰黃色粘土、粉質(zhì)粘土。蕪湖組三段主要分布在現代長(cháng)江兩側及長(cháng)江心灘,為一套河漫灘相、心灘相沉積物。測區內主要出露于江心洲,最大厚度9.3 m。

2.1.2 半固結巖類(lèi)地層

區內半固結巖類(lèi)地層主要為白堊紀(K2c、K 1n、K 1d、K 1l) 地層。

1)白堊紀晚世赤山組(K2c)

分布于江心洲。巖性主要為紫紅色砂巖、含礫砂巖、頁(yè)巖互層及雜色礫巖夾薄層石膏。 2)白堊紀早世娘娘山組(K1n)

分布于工作區北部。巖性主要為灰黑、灰紫色響巖質(zhì)熔結角礫巖、熔結凝灰巖、響巖質(zhì)沉集塊角礫巖。

3)白堊紀早世大王山組(K1d)

分布于工作區北部、東部、南部及中部大部分地區。巖性主要為紫灰、灰色凝灰巖、凝灰質(zhì)角礫巖、安山巖。

4)白堊紀早世龍王山組(K1l)

分布于工作區東部部分地區。巖性主要為灰紫色角礫凝灰巖、安山巖等,局部可見(jiàn)凝灰質(zhì)粉砂巖。

2.1.3 固結巖類(lèi)地層

主要為侏羅系早世鐘山組(J1z)和巖漿巖。

1)侏羅系早世鐘山組(J1z)

分布于工作區南部及西部。巖性主要為淺紫、灰白色石

英砂巖、粉砂巖、含礫砂巖。

2)巖漿巖

零星分布于工作區中部及東北部地區。既有侵入巖,也有噴出巖,主要為燕山期的產(chǎn)物,少量喜馬拉雅期的產(chǎn)物。 燕山期以中偏基性、中性、中酸性侵入巖為主,一般呈小巖基、巖株、巖枝狀產(chǎn)出,巖性為閃長(cháng)(玢)巖,花崗閃長(cháng)巖及花崗(斑)巖等;噴出巖主要為中性、中偏堿性的火山巖,巖性為安山(玢)巖、凝灰巖。喜馬拉雅期主要為基性、超基性巖,呈巖筒、巖管狀產(chǎn)出,巖性主要為花崗(斑)巖。

2.2 構造

工作區位于淮陽(yáng)山字型構造前弧東翼的寧鎮反射弧西翼褶皺帶中段的“寧蕪火山巖斷陷盆地”中部,四邊為大斷裂控制:西側為長(cháng)江北東向擠壓破碎帶,北側為采石—寶塔山近東西向隱伏斷裂,東側為方山—小丹陽(yáng)近南北向深斷裂,南側為四褐山—姑山近東西向隱伏斷裂;由于受上述構造制約,區內褶皺構造顯得殘缺不全,隱約的構造形跡有:寧蕪向斜、鳳凰山~姑山背斜、橫溪~小丹陽(yáng)向斜。褶皺翼部次級斷裂構造主要有:十里長(cháng)山北西向張性斷裂、姑溪河北西向張性斷裂、和睦山~青山南北向壓性斷裂等。

2.3 地層結構

結合淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn),將地層巖性結構分為兩類(lèi),即單一基巖結構及第一雙層結構(表1)。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 含水巖組及其富水性

含水巖組的劃分主要在基礎地質(zhì)調查研究的地層劃分成果基礎上,依據介質(zhì)的空隙類(lèi)型劃分含水巖組。以巖性為基礎,依據地下水賦存介質(zhì)的巖石類(lèi)別和組合的不同,工作區可劃分出松散巖類(lèi)孔隙含水巖組、碎屑巖類(lèi)裂隙含水巖組、 巖漿巖類(lèi)裂隙含水巖組三類(lèi)含水巖組。根據巖性組合、富水程度等差異,進(jìn)一步細分為不同亞類(lèi)(見(jiàn)表2)。

3.2 水質(zhì)特征

在工作區內采集了地下水水樣共1 0組樣品進(jìn)行了腐蝕性評價(jià)、結垢評價(jià)等相關(guān)測試。根據取樣測試結果顯示工作區第四紀松散巖類(lèi)孔隙水、基巖裂隙水結垢評價(jià)結果為:呈弱腐蝕性、結垢多,游離CO2稍有超標。

4 淺層地溫場(chǎng)特征

4.1 地溫場(chǎng)垂向分布特征

地溫變化是巖土體熱導率效應,恒溫帶以下地溫主要受地球內部熱能控制。根據《安徽省馬鞍山市淺層地熱能調查與評價(jià)報告》中地溫監測及本次測溫資料,將200 m以淺自上而下劃分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶(圖1)。

4.2 巖土熱物性測試及分析

經(jīng)過(guò)巖土現場(chǎng)熱響應以及巖土熱物性室內試驗得出:現場(chǎng)試驗為全孔熱導率綜合值,其值較室內樣品試驗結果偏高,現場(chǎng)熱響應試驗包括不同巖性和地下水動(dòng)力條件的影響。室內測試是對每件樣品的單獨測試,樣品已脫離了巖土體的天然環(huán)境,同時(shí)不能采取砂性土樣品;而同一巖土體在有無(wú)地下水動(dòng)力條件的參與,其熱物性特征是不同的。

4.3 地溫場(chǎng)變化的影響因素分析

地溫場(chǎng)變化的主要影響因素包括地下水、氣候條件、地層巖性及結構等。其中地下水、地層巖性作為地溫的載體, 通過(guò)熱傳遞過(guò)程對地溫場(chǎng)變化起到?jīng)Q定性影響。

5 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用

5.1 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用方式

淺層地熱能資源根據賦存條件的不同分為地源型(地埋管)、地下水源型和地表水源型三種開(kāi)發(fā)利用方式。

5.1.1 地源型利用方式

地源型利用方式是傳熱介質(zhì)通過(guò)豎直或水平的地埋管換熱器與巖土體進(jìn)行熱交換,進(jìn)而通過(guò)熱泵技術(shù)實(shí)現對建筑物的供暖和制冷,以達到利用淺層地熱能的目的,工作原理如圖2。

5.1.2 地下水源型利用方式

地下水源型利用方式是通過(guò)地下水進(jìn)行熱交換,分為直接地下水換熱系統和間接地下水換熱系統。在地下巖土中鑿建取水井,利用水泵直接抽取地下水,通過(guò)間接或直接送水至水源熱泵機組與制冷劑進(jìn)行熱交換,經(jīng)提取熱量或釋放熱量后,再回灌到地,以此實(shí)現淺層地熱能的利用(圖3)。

5.1.3 地表水源型利用方式

地表水源型利用方式是通過(guò)地表水進(jìn)行熱交換,又稱(chēng)地表水換熱系統。根據熱泵機組與地表水體換熱方式的不同, 分為開(kāi)式地表水熱交換系統及閉式地表水熱交換系統。就是利用江河湖泊等地表水作為熱泵機組的熱源,通過(guò)水泵和輸配管路將水體的熱量傳遞給熱泵機組,或將熱泵機組的熱量釋放到地表水體中(圖4)。

5.2 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用現狀 

5.2.1 淺層地熱能資源概況

馬鞍山市地質(zhì)結構以及地質(zhì)環(huán)境條件較為簡(jiǎn)單,地下水資源貧乏。本區主要適宜地源型、地表水源型利用方式,地下水源型利用方式總體不適合開(kāi)發(fā)利用。

工作區恒溫帶溫度在1 6.5℃~1 7.5℃左右,恒溫帶埋深上限8~9 m,下限1 2~1 3 m。地層每百米的增溫率在2.7℃ ~2.9℃之間。地質(zhì)結構以及地質(zhì)環(huán)境條件較為簡(jiǎn)單,地下水資源貧乏。本區主要適宜地源型、地表水源型利用方式, 地下水源型利用方式總體不適合開(kāi)發(fā)利用。地源型利用方式較適宜區和一般適宜區面積為1 14.63 km2。地表水源型利用方式適宜區面積為20.48 km2。根據馬鞍山市土地利用規劃,城區及鄉鎮建設用地可利用土地系數為2 1%,本區地源型單U可利用熱容量為4.05×1 01  3kJ/a,換熱功率5.86× 1 05kw、合電能1 6.88×1 0 9kwh/a。雙U可利用量為4.50× 1 01  3kJ/a,換熱功率6.57×1 0 6kw,合電能1 8.9 1×1 0 9kwh/a; 地表水源型換熱系統,取溫差為1℃時(shí)的可利用資源量,可利用熱容量為0.02×1 01  3kJ/a,換熱功率0.24×1 0 5kw,合電能0.2 1×1 09kwh/a。

5.2.2 淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用現狀

區內淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用工程已建項目1個(gè),為馬鞍山市秀山新區綜合醫院一期工程,開(kāi)發(fā)利用方式為地源型。該工程位于馬鞍山市秀山新區內,北至湖南東路,西至秀山湖東三路,東至向秀路,南至桃李山路。該建筑主樓地上1 289層,地下1層;裙樓4層。占地1 03畝,建筑面積9.72萬(wàn)m2, 總投資約5.89億元。20 1 3年6月開(kāi)工建設,預計2020年4 月中旬交付使用;擬建項目1個(gè),為馬鞍山市秀山新區綜合醫院二期工程,現處于設計階段。

通過(guò)綜合分析和部分工程實(shí)際能效測評計算出年平均每平方米常規能源替代量為8.72 kg標準煤(參考《安徽省淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用規劃》),則按照淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用已有的服務(wù)面積9.72萬(wàn)m2計算,每年可節約標準煤0.077×1 0 4t。減排有害物0.14×1 04t,其中二氧化碳0.1 39×1 0 4t、二氧化硫0.00 1×1 04t、氮氧化物0.000 3×1 0 4t、粉塵0.000 5 ×1 04t。節約治理費用1 6.07萬(wàn)元/a。具有顯著(zhù)的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

5.3 淺層地熱能開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境效應

作區以沉積巖為主,地下水位埋深較淺,傳熱性能較好。 夏季冷負荷遠大于冬季供暖負荷,巖土的吸、放熱需要保持平衡。

5.3.1 對巖土溫度的影響

地埋管地源熱泵換熱會(huì )向周?chē)膸r土中釋放熱量或吸收熱量,會(huì )引起局部巖土溫度變化。在其他條件不變時(shí),適當增加布孔間距有利于增加換熱器的換熱量。布孔間距過(guò)小, 兩個(gè)換熱孔之間會(huì )出現相互換熱的情況,導致換熱器換熱性能降低。具體工程中,當一個(gè)項目決定采用淺層地熱能資源作冷、熱源時(shí),在做方案設計之前,均須進(jìn)行場(chǎng)地勘查,取得項目所在地的巖土換熱能力等相關(guān)參數,并以此對地下地理管布孔間距和布孔數量進(jìn)行設計,保證合理間距。

5.3.2 防凍液對地質(zhì)環(huán)境的影響

在地埋管地源熱泵系統中,通過(guò)向地埋管循環(huán)水中加適量防凍液的方法來(lái)提高埋管換熱器的換熱量,這種做法不會(huì )對地下環(huán)境造成影響,但是,如果防凍液泄露就會(huì )對地埋管周?chē)膸r土環(huán)境、水環(huán)境以及大氣環(huán)境造成影響。由于防凍液大多是有機物,會(huì )使地下水受到不同程度的污染。

5.4 淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用效益

本區淺層地熱能資源豐富,其開(kāi)發(fā)利用可取得顯著(zhù)的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益及社會(huì )效益。

5.4.1 環(huán)境效益

工作區利用淺層地熱能可節約標準煤33 1.67×1 04t/a, 可減少二氧化硫排放量5.62萬(wàn)t、氮氧化物排放量1.98萬(wàn) t、二氧化碳排放量790.25萬(wàn)t、懸浮質(zhì)粉塵排放量2.64萬(wàn) t。開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能,對于減少有機燃料的燃燒、減少有害氣體和粉塵的排放,減輕環(huán)境壓力都具有積極的環(huán)境保護意義。

5.4.2 經(jīng)濟效益

工作區可利用資源總量(地源型單U、雙U和地表水源型可利用量總和)8.57×1 01  3kJ/a,合電能36.00×1 0 9kwh/a。節標準煤33 1.67×1 04t/a,減少消耗的電能82.92× 1 08kwh/a,馬鞍山市民用電價(jià)0.565 3元/度計算,全年可節省資金46.87億元;減排有害物800.52×1 04t/a,節省治理費92 087.1 3萬(wàn)元。具有較好的經(jīng)濟效益。

5.4.3 社會(huì )效益

淺層地熱能資源開(kāi)發(fā)利用能夠增加馬鞍山市的勞動(dòng)就業(yè),可帶動(dòng)地源熱泵系統等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,減少電力的消耗,緩解電力、能源緊張的狀況,促進(jìn)經(jīng)濟可持續發(fā)展。開(kāi)發(fā)利用淺層地熱能綠色環(huán)保可再生能源,能夠減輕環(huán)境污染狀況,增加居民的幸福感。

6 結語(yǔ)

(1)馬鞍山市淺層地熱能賦存條件好,開(kāi)發(fā)利用主要適宜地源型利用方式,合理開(kāi)發(fā)利用和保護這一新興的環(huán)保型可再生能源,將為其節能減排做出貢獻。

(2)下一步應建立和完善馬鞍山市淺層地熱能資源勘查與開(kāi)發(fā)的相關(guān)管理體制,依照相關(guān)規定出臺淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用管理法規,對淺層地熱能進(jìn)行有效管理,明確主管部門(mén),統籌管理全市的淺層地熱能開(kāi)發(fā)利用。

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