在全球环境变化的背景下,气候变化已成为影响人类社会发展的关键因素,其影响范围广泛且深远。随着经济的快速增长,化石燃料的大量消耗引发了严重的环境问题,如空气污染和温室气体排放。在此背景下,中国提出的“双碳”战略目标进一步推动了清洁能源的发展,使得地热能作为一种重要的可再生能源受到广泛关注。浅层地热能被定义为存在于地表以下200米范围内的岩土体以及地下水中的能量,其具有分布广泛、储量丰富的特点,同时具备可再生性,是一种既安全又低碳的清洁能源。 我国北方冬季气候严寒,居民对供暖的需求十分迫切,但过多依赖化石能源易导致环境污染等生态环境问题。吉林省地热的主要利用方式是中深层地热开采,浅层地热能发展较晚,长春、吉林等地的局部地段有零星开发利用。然而以往针对于东北寒区浅层地热开发利用的研究主要集中于地下水源热泵和U型井地埋管系统,且针对于大区域下的地热开采潜力预测需要大量数值模拟,这将耗费大量的计算量。 基于以上问题,本文以吉林省长春市为研究对象,首先开展对于研究区相应地层导热系数的收集,并根据实际钻孔数据与场地测温数据进行浅层同轴套管系统模型的建立,开展同轴套管系统的取热性能研究;然后通过数值模拟结果确定相应参数取值范围并对其排列组合构成数据集合,通过不同机器学习算法优选出一种最优算法得到相应的替代模型;最后对研究区浅层地热资源量进行评价并基于替代模型对研究区进行地热开采潜力的预测。 通过研究得到以下研究成果: (1)查明了浅层地热条件,区内地层和导热系数分布特征。长春市区拥有较高的地热梯度,平均为3.0℃/100m,拥有良好的浅层热储条件;地层岩性主要由第四系松散岩类和白垩系基岩类组成,主城区岩土体导热系数为在1.206 W/(m·K)-2.041 W/(m·K)之间,平均导热系数为1.623 W/(m·K)。 (2)分析了同轴套管系统取热性能。应该适当地降低系统的注入温度;注入流速应尽可能不超过1 m³/h,尽量保持在0.5 m³/h左右;缩小内管直径将增大流动阻力及提高成本,因此,在设计过程中应评估内管直径所产生的影响;地热开采过程中通过地质勘探和数据分析等手段,准确识别出导热系数较高的地层区域,可以使得地热系统的利用效率得到提升;应尽可能选取导热系数较低的内套管材料;在保持经济效益情况下,地热井的长度应设置在96-120 m之间。 (3)评估了不同模型预测精度。将注入温度、注入流速、中心套管导热系数、地层导热系数和地热井长度作为训练参数集,运用均方根误差(RMSE)、决定系数(R²)作为预测精度评价指标,综合各模型性能评分,得到四种替代模型的预测精度从高到底排序为:RF-SVR、RF、XGBoost和SVR,其中RF-SVR替代模型在地热预测温度上具有最高的精确度。特征重要性图反应了对于浅层同轴套管地热系统特征参数影响程度:注入温度>注入流速>井长>内管导热系数>储层导热系数。 (4)评估了长春市主城区浅层地热总热容量,并基于替代模进行了地热开采温度的预测。长春市主城区浅层热容量为1.09×10¹⁶KJ/℃,朝阳区东北部和南关区大部分区域的地热开采温度较高。伊通河河谷中部两侧的地热开采温度略低于高值区,并呈现向两侧逐渐递减的趋势。相比之下,二道区中部、绿园区和宽城区西部的地热开采温度较低。综合长春市主城区各区地热开采温度的平均值,从高到低依次为:南关区、朝阳区、二道区、宽城区和绿园区。 综合以上研究结果,本文采用数值模拟与机器学习算法相结合的方法,对浅层同轴套管系统取热性能进行分析,得到了适应于研究区的的系统参数;并通过机器学习算法构建了替代模型进行区域性的地热开采潜力预测,为研究区域以及东北寒区浅层地热能开发利用提供了理论依据与指导。