马鞍山市浅层地热资源现状及开发利用潜力分析

1 研究区自然地理条件

1.1 地理位置

马鞍山市位于安徽省东南部,长江中下游南岸,地理坐标:东经1 1 8°24′37″~1 1 8°4 1′4 1″、北纬3 1°36′05″~ 3 1°46′42″。

1.2 气象水文

1.2.1 气象

马鞍山市属北亚热带湿润季风气候区,区内降雨量大, 日照充足,四季分明,梅雨季长。

1.2.2 水文

区内水系发育,河网密布,属长江水系。区内长江水系支流主要有采石河、慈湖河等,众多的小河支流、湖泊、沟渠等组成的本区水系,其水量随季节性变化,受长江水位和流域降水量的控制。地表水水温随季节性气温变化而变化幅度较大,不仅受光照、气温和地温的影响,也受其流动性的影响。

1.3 地形地貌

1.3.1 地形

马鞍山市地处沿江丘陵平原,长江自西南向东北纵贯全区。区内北部、南部、东部地势较高,西部较低,地面标高在 6.1~2 1 1.0 m之间,相对高差小于200 m。最高点位于东部的为大黄山,标高为2 1 1.0 m;西部为长江冲积平原(漫滩) 区,地势较低,标高一般在7.0~9.0 m,除局部见有零星残丘外,大面积为河网、田畈分布区;中部为波状平原,标高一般在1 0~20 m。

1.3.2 地貌

根据地貌成因划分原则,结合海拔、切割深度、构造岩性等将区内划为丘陵、平原两个基本形态类型,5种形态成因类型:河谷平原、波状平原、浅丘状平原、剥蚀断褶丘陵以及侵蚀残丘等。

2  地质条件

2.1 地层岩性

依据浅层地热能蕴藏特点,将200 m以浅地质岩性按照不同地质时代及其固结程度进行分类,即松散岩类地层、半固结岩类地层以及固结岩类岩石。

2.1.1 松散岩类地层

主要为第四纪地层。第四纪地层属于扬子地层区下扬子地层分区,包括晚更新世和全新世。全新世地层主要分布于河流冲积平原区,晚更新世广泛分布于波状平原区。 第四纪地层厚度变化较大,严格受地形地貌和新构造运动的控制。与现代地形和新构造运动有着密切的联系,一般高处较薄,低处较厚。沿江平原区山麓相第四纪松散沉积物厚度一般小于20 m,长江冲积平原区第四纪地层厚度一般小于60 m,由长江向两侧逐渐变薄。

1)波状平原区地层

第四纪晚更新世下蜀组(Qpx)

该组主要分布于波状平原区,地表大面积出露,岩性均匀且单一,厚度一般为1 0~20 m。岩性为褐黄、棕黄、灰黄色粘土、粉质粘土,含少量铁锰结核,结核大小多在2~4 mm, 含量在1%~5%不等,局部偶见结核富集。垂直节理发育, 沿裂隙面有黑色铁锰质膜或者灰白色粘土。

2)长江冲积平原区地层

该区地层主要为长江冲积物,总体上从下至上构成一个大的沉积旋回,呈现出由下到上粒度总体由粗变细的趋势。 局部可出现若干个次级旋回,根据其岩性变化特征,从下到上依次划分为大桥镇组及芜湖组。

(1)大桥镇组(Qpd)

下部为河流冲积成因形成的砂砾石层,岩性由青灰色、 灰色、灰绿色细砂、粉砂、粉细砂、砾石组成,埋深多在-30m,厚度为1 0~20 m,层底常为杂色、灰色、灰黄色卵砾石、含砂卵砾石层;上部为灰黄色、灰色、灰黑色粉质粘土、淤泥质粘土。该层在江心洲呈埋深在-20 m,厚度小于1 0 m,由南往北逐渐增厚,局部地区被冲失;在长江南岸,埋深在-1 0 m,厚度1 0~20 m,向北部逐渐变薄。区域上大桥镇组岩性变化由北向南,沉积厚度由薄变厚再变薄,其中当涂县厚度最大。

(2)芜湖组(Qhw)

区内芜湖组最大厚度为46.1 m,按岩性分为一段、二段、 三段。一段(Qhw1):以灰色粉细砂为主,局部夹薄层粉质粘土、粉土等,偶见螺壳、贝壳及黑色泥炭层。该段在地表未见出露,古地貌上构成埋藏阶地。江心洲厚度较大,埋深-5 m,厚度1 0~40 m,向当涂方向逐渐尖灭。二段(Qhw2):岩性主要为灰色粘土质粉砂、粉砂夹粉质粘土、粘土,局部互层, 可见水平细纹层。局部含有黑色泥炭层,并偶见少量螺壳。 该组在地表大面积出露,主要构成冲积平原,测区内该层埋深多在0~-1 0 m,最大厚度3 8.6 m。三段(Qhw3):浅灰色、 灰黄色粘土、粉质粘土。芜湖组三段主要分布在现代长江两侧及长江心滩,为一套河漫滩相、心滩相沉积物。测区内主要出露于江心洲,最大厚度9.3 m。

2.1.2 半固结岩类地层

区内半固结岩类地层主要为白垩纪(K2c、K 1n、K 1d、K 1l) 地层。

1)白垩纪晚世赤山组(K2c)

分布于江心洲。岩性主要为紫红色砂岩、含砾砂岩、页岩互层及杂色砾岩夹薄层石膏。 2)白垩纪早世娘娘山组(K1n)

分布于工作区北部。岩性主要为灰黑、灰紫色响岩质熔结角砾岩、熔结凝灰岩、响岩质沉集块角砾岩。

3)白垩纪早世大王山组(K1d)

分布于工作区北部、东部、南部及中部大部分地区。岩性主要为紫灰、灰色凝灰岩、凝灰质角砾岩、安山岩。

4)白垩纪早世龙王山组(K1l)

分布于工作区东部部分地区。岩性主要为灰紫色角砾凝灰岩、安山岩等,局部可见凝灰质粉砂岩。

2.1.3 固结岩类地层

主要为侏罗系早世钟山组(J1z)和岩浆岩。

1)侏罗系早世钟山组(J1z)

分布于工作区南部及西部。岩性主要为浅紫、灰白色石

英砂岩、粉砂岩、含砾砂岩。

2)岩浆岩

零星分布于工作区中部及东北部地区。既有侵入岩,也有喷出岩,主要为燕山期的产物,少量喜马拉雅期的产物。 燕山期以中偏基性、中性、中酸性侵入岩为主,一般呈小岩基、岩株、岩枝状产出,岩性为闪长(玢)岩,花岗闪长岩及花岗(斑)岩等;喷出岩主要为中性、中偏碱性的火山岩,岩性为安山(玢)岩、凝灰岩。喜马拉雅期主要为基性、超基性岩,呈岩筒、岩管状产出,岩性主要为花岗(斑)岩。

2.2 构造

工作区位于淮阳山字型构造前弧东翼的宁镇反射弧西翼褶皱带中段的“宁芜火山岩断陷盆地”中部,四边为大断裂控制:西侧为长江北东向挤压破碎带,北侧为采石—宝塔山近东西向隐伏断裂,东侧为方山—小丹阳近南北向深断裂,南侧为四褐山—姑山近东西向隐伏断裂;由于受上述构造制约,区内褶皱构造显得残缺不全,隐约的构造形迹有:宁芜向斜、凤凰山~姑山背斜、横溪~小丹阳向斜。褶皱翼部次级断裂构造主要有:十里长山北西向张性断裂、姑溪河北西向张性断裂、和睦山~青山南北向压性断裂等。

2.3 地层结构

结合浅层地热能开发利用特点,将地层岩性结构分为两类,即单一基岩结构及第一双层结构(表1)。

3 水文地质条件

3.1 含水岩组及其富水性

含水岩组的划分主要在基础地质调查研究的地层划分成果基础上,依据介质的空隙类型划分含水岩组。以岩性为基础,依据地下水赋存介质的岩石类别和组合的不同,工作区可划分出松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类裂隙含水岩组、 岩浆岩类裂隙含水岩组三类含水岩组。根据岩性组合、富水程度等差异,进一步细分为不同亚类(见表2)。

3.2 水质特征

在工作区内采集了地下水水样共1 0组样品进行了腐蚀性评价、结垢评价等相关测试。根据取样测试结果显示工作区第四纪松散岩类孔隙水、基岩裂隙水结垢评价结果为:呈弱腐蚀性、结垢多,游离CO2稍有超标。

4 浅层地温场特征

4.1 地温场垂向分布特征

地温变化是岩土体热导率效应,恒温带以下地温主要受地球内部热能控制。根据《安徽省马鞍山市浅层地热能调查与评价报告》中地温监测及本次测温资料,将200 m以浅自上而下划分为变温带、恒温带和增温带(图1)。

4.2 岩土热物性测试及分析

经过岩土现场热响应以及岩土热物性室内试验得出:现场试验为全孔热导率综合值,其值较室内样品试验结果偏高,现场热响应试验包括不同岩性和地下水动力条件的影响。室内测试是对每件样品的单独测试,样品已脱离了岩土体的天然环境,同时不能采取砂性土样品;而同一岩土体在有无地下水动力条件的参与,其热物性特征是不同的。

4.3 地温场变化的影响因素分析

地温场变化的主要影响因素包括地下水、气候条件、地层岩性及结构等。其中地下水、地层岩性作为地温的载体, 通过热传递过程对地温场变化起到决定性影响。

5 浅层地热能开发利用

5.1 浅层地热能开发利用方式

浅层地热能资源根据赋存条件的不同分为地源型(地埋管)、地下水源型和地表水源型三种开发利用方式。

5.1.1 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,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,工作原理如图2。

5.1.2 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。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,以此实现浅层地热能的利用(图3)。

5.1.3 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(图4)。

5.2 浅层地热能开发利用现状 

5.2.1 浅层地热能资源概况

马鞍山市地质结构以及地质环境条件较为简单,地下水资源贫乏。本区主要适宜地源型、地表水源型利用方式,地下水源型利用方式总体不适合开发利用。

工作区恒温带温度在1 6.5℃~1 7.5℃左右,恒温带埋深上限8~9 m,下限1 2~1 3 m。地层每百米的增温率在2.7℃ ~2.9℃之间。地质结构以及地质环境条件较为简单,地下水资源贫乏。本区主要适宜地源型、地表水源型利用方式, 地下水源型利用方式总体不适合开发利用。地源型利用方式较适宜区和一般适宜区面积为1 14.63 km2。地表水源型利用方式适宜区面积为20.48 km2。根据马鞍山市土地利用规划,城区及乡镇建设用地可利用土地系数为2 1%,本区地源型单U可利用热容量为4.05×1 01  3kJ/a,换热功率5.86× 1 05kw、合电能1 6.88×1 0 9kwh/a。双U可利用量为4.50× 1 01  3kJ/a,换热功率6.57×1 0 6kw,合电能1 8.9 1×1 0 9kwh/a; 地表水源型换热系统,取温差为1℃时的可利用资源量,可利用热容量为0.02×1 01  3kJ/a,换热功率0.24×1 0 5kw,合电能0.2 1×1 09kwh/a。

5.2.2 浅层地热能资源开发利用现状

区内浅层地热能开发利用工程已建项目1个,为马鞍山市秀山新区综合医院一期工程,开发利用方式为地源型。该工程位于马鞍山市秀山新区内,北至湖南东路,西至秀山湖东三路,东至向秀路,南至桃李山路。该建筑主楼地上1 289层,地下1层;裙楼4层。占地1 03亩,建筑面积9.72万m2, 总投资约5.89亿元。20 1 3年6月开工建设,预计2020年4 月中旬交付使用;拟建项目1个,为马鞍山市秀山新区综合医院二期工程,现处于设计阶段。

通过综合分析和部分工程实际能效测评计算出年平均每平方米常规能源替代量为8.72 kg标准煤(参考《安徽省浅层地温能开发利用规划》),则按照浅层地热能开发利用已有的服务面积9.72万m2计算,每年可节约标准煤0.077×1 0 4t。减排有害物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、粉尘0.000 5 ×1 04t。节约治理费用1 6.07万元/a。具有显著的环境效益和经济效益。

5.3 浅层地热能开发的地质环境效应

作区以沉积岩为主,地下水位埋深较浅,传热性能较好。 夏季冷负荷远大于冬季供暖负荷,岩土的吸、放热需要保持平衡。

5.3.1 对岩土温度的影响

地埋管地源热泵换热会向周围的岩土中释放热量或吸收热量,会引起局部岩土温度变化。在其他条件不变时,适当增加布孔间距有利于增加换热器的换热量。布孔间距过小, 两个换热孔之间会出现相互换热的情况,导致换热器换热性能降低。具体工程中,当一个项目决定采用浅层地热能资源作冷、热源时,在做方案设计之前,均须进行场地勘查,取得项目所在地的岩土换热能力等相关参数,并以此对地下地理管布孔间距和布孔数量进行设计,保证合理间距。

5.3.2 防冻液对地质环境的影响

在地埋管地源热泵系统中,通过向地埋管循环水中加适量防冻液的方法来提高埋管换热器的换热量,这种做法不会对地下环境造成影响,但是,如果防冻液泄露就会对地埋管周围的岩土环境、水环境以及大气环境造成影响。由于防冻液大多是有机物,会使地下水受到不同程度的污染。

5.4 浅层地热能开发利用效益

本区浅层地热能资源丰富,其开发利用可取得显著的环境效益、经济效益及社会效益。

5.4.1 环境效益

工作区利用浅层地热能可节约标准煤33 1.67×1 04t/a, 可减少二氧化硫排放量5.62万t、氮氧化物排放量1.98万 t、二氧化碳排放量790.25万t、悬浮质粉尘排放量2.64万 t。开发利用浅层地热能,对于减少有机燃料的燃烧、减少有害气体和粉尘的排放,减轻环境压力都具有积极的环境保护意义。

5.4.2 经济效益

工作区可利用资源总量(地源型单U、双U和地表水源型可利用量总和)8.57×1 01  3kJ/a,合电能36.00×1 0 9kwh/a。节标准煤33 1.67×1 04t/a,减少消耗的电能82.92× 1 08kwh/a,马鞍山市民用电价0.565 3元/度计算,全年可节省资金46.87亿元;减排有害物800.52×1 04t/a,节省治理费92 087.1 3万元。具有较好的经济效益。

5.4.3 社会效益

浅层地热能资源开发利用能够增加马鞍山市的劳动就业,可带动地源热泵系统等相关产业的发展,减少电力的消耗,缓解电力、能源紧张的状况,促进经济可持续发展。开发利用浅层地热能绿色环保可再生能源,能够减轻环境污染状况,增加居民的幸福感。

6 结语

(1)马鞍山市浅层地热能赋存条件好,开发利用主要适宜地源型利用方式,合理开发利用和保护这一新兴的环保型可再生能源,将为其节能减排做出贡献。

(2)下一步应建立和完善马鞍山市浅层地热能资源勘查与开发的相关管理体制,依照相关规定出台浅层地热能开发利用管理法规,对浅层地热能进行有效管理,明确主管部门,统筹管理全市的浅层地热能开发利用。

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