《Engineering Geology》：A novel method for assessing Geothermal Aquifer Potential (GAP) in open-loop heat pump systems
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本研究提出了一种评估开放环路热泵系统中地热含水层潜力（Geothermal Aquifer Potential, GAP）的新方法。以下是摘要的专业翻译：GAP方法量化了浅层含水层潜力，用于城市地热资源筛选；热功率被划分为六个与城市需求相关的等级；都灵案例研究
本研究提出了一种评估开放环路热泵系统中地热含水层潜力（Geothermal Aquifer Potential, GAP）的新方法。以下是摘要的专业翻译：GAP方法量化了浅层含水层潜力，用于城市地热资源筛选；热功率被划分为六个与城市需求相关的等级；都灵案例研究验证了GAP方法的预测性能；该方法仅使用开源GIS软件和公开水文地质数据；研究揭示了都灵未来地热开发的高潜力区域。
近年来，低焓地热能作为可再生能源受到广泛关注，其中地下水热泵系统因其直接利用地下水进行热交换而具有较高性能系数（Coefficient of Performance, COP），通常可超过5。然而，尽管地下水热泵系统效率高，其广泛应用仍面临诸多挑战，包括对含水层可持续性的依赖、严格的水管理法规要求，以及现有资源评估方法的碎片化和资源地图绘制不足等问题。特别是，现有评估地热潜力的方法多集中于闭式地源热泵系统，而针对开放式系统的评估方法，尤其是区域尺度的定量评估方法，仍较为稀缺。为此，研究人员提出了地热含水层潜力（Geothermal Aquifer Potential, GAP）方法，以定量评估可通过开放式地热系统开发的浅层含水层潜力。该方法整合水文地质和热力学参数，利用地下水流动方程和地理信息系统（Geographic Information System, GIS）工具，系统评估地热潜力。GAP方法基于Dupuit简化公式估算可持续抽水量，并引入关键距离方程（Clyde和Madabhushi公式）考虑水力与热反馈，同时结合法律和技术约束，如最大允许温差、井内最大降深和回灌井地下水最小埋深等。该方法旨在提供一种简单、易用且可复制的初步筛选工具，以支持决策过程。研究人员在意大利都灵市进行了案例研究，该市已有多个开放式系统运行并持续扩展。通过将热功率输出分类为六个与城市建筑热需求相关的等级，GAP方法生成高分辨率潜力地图，为规划者、工程师和利益相关者提供直观且可操作的信息。研究结果表明，GAP方法能够有效识别高潜力区域，支持地热系统选址和能源规划，尽管其验证受限于大学校园内五个监测井的数据，但该研究初步证明了该方法的可靠性和保守性。GAP方法的重要意义在于，它结合开源软件和公开数据，以较低成本和高可复制性，为城市尺度地热资源评估提供了标准化和可扩展的框架，有助于推动地下水热泵系统的可持续发展。
研究人员开发了GAP方法，并以意大利都灵市为例进行验证。GAP方法的核心基于Dupuit-Thiem公式估算含水层可持续出水量，设置井半径0.25米、降深为含水层厚度的10%、监测点降深0.1米、监测点距离与井对间距均为50米等约束条件。利用克里金（Kriging）插值生成水力传导度和含水层厚度分布图，在QGIS中通过栅格差值得到饱和厚度。通过边界条件设置，考虑井对之间的最小临界距离（Clyde和Madabhushi方程）以避免水力与热干扰，并最终计算热功率。数据来源包括意大利皮埃蒙特大区公开数据库，约300个测量点，映射170平方公里的城市区域。验证采用都灵理工大学（Politecnico di Torino）2025年收集的五个监测井数据，比较预测流量与实测流量。
4.1 都灵市地下水潜力地图
研究利用GAP方法计算了都灵市最大可开采地下水流量，结果显示空间异质性明显，暗红色区域流量大于150升/秒，蓝色区域低至10升/秒。高流量区集中在城市中部和西南部，与高导水系数和厚含水层分布对应；低流量区则靠近河道，归因于含水层厚度减薄。最终热潜力地图显示，市中心和西部大部分区域属于第6类（>500千瓦），显示极高地热适宜性。
4.2 热潜力分类与分布
GAP方法将热功率划分为六个等级，从第1类（5–10千瓦，独立住宅）到第6类（>500千瓦，区域能源网络）。都灵市的热功率分布直方图呈现右偏形态，主要聚类为三个区间：约200–600千瓦占40–45%的网格，600–1500千瓦占30–35%，>1500–2000千瓦占10–15%。高潜力区主要分布在含水层厚、渗透性好的中南部地带。靠近河流区域被分类到第2类，反映了含水层较薄和储水能力低的影响。
4.3 敏感性分析
研究人员对GAP方法进行了系统性敏感性分析，评估井参数和含水层参数的影响。井参数方面，井半径（0.15、0.25、0.40米）对出水量影响较小，当参考距离增大时井半径的影响可忽略。井中降深是最敏感的参数，取含水层厚度10%的值是系统产能和长期可持续性之间的合理折衷。含水层参数方面，即使在同一参考距离下，不同参数组合出水量可相差三个数量级，这表明含水层参数的空间变异性是影响GAP输出结果的主导因素，也反映出该方法在局部尺度上有效减小了参数不确定性。
4.4 与现有模型比较
研究人员将GAP模型与多种既有解析方法进行比较，包括Cooper-Jacob法、TAP法、基于关键距离Lcrit的方法、达西公式和经典Thiem法。结果显示，GAP模型与主流解析模型的估算结果在数量级上保持一致，仅达西公式和Lcrit方法明显低估出水量。差异主要源于最大允许降深的设定。GAP模型在参考条件下（含水层厚度20米，水力传导度0.0001米/秒，水力梯度0.003，温差7°C）预测出水量为0.045立方米/秒（热功率1319千瓦），归一化差异仅为4%，相比Cooper-Jacob为44%，而Lcrit方法低估幅度达93%。
4.5 模型验证
GAP方法利用都灵理工大学五个监测井（P1、P1C、P1E、P2、P5）的实测数据进行了验证。在最大抽水量场景下，预测值与实测值之间决定系数R2=0.996，平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）为1.92升/秒，均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）为2.21升/秒，显示出很高的一致性。在标准运行流量场景下，R2=0.963，MAE=2.05升/秒，RMSE=2.44升/秒，预测精度略下降且偏保守。所有井和场景下GAP系统均略低估抽取流量，这种保守特性对资源管理有利，可防止过度分配地下水量。
讨论部分总结了GAP方法的优缺点。GAP方法优势包括结果快速获取、参数灵活可调节、全流程基于开源QGIS平台、地理数据库可直接用于MODFLOW/FEFLOW等数值模型、以及仅需水文地质和GIS基础技能即可使用的广泛适用性。其局限性则在于插值步骤中误差的累积且无法在GAP内部校准、将每个50×50米网格视为独立单元而无法考虑相邻网格或现有井之间的干扰、采用简化解析解造成的精度限制、以及缺少岩石热导率这一可能影响长期热存储和热羽流消散的参数。此外，当前验证仅基于校园内五个监测井，空间代表性有限，需要更广泛数据集以支持全市范围的推广。从工程实践角度而言，GAP方法在初步筛选阶段能显著降低时间成本，但无法替代详细三维数值模拟。
研究结论指出，GAP方法为城市范围内浅层含水层地热资源测绘提供了一种快速且易于复制的框架，尤其适合工程地质师和技术人员作为浅层地热能潜力初步评估工具。该方法通过整合开源水文地质数据集（如等水位线、含水层底板高程、水力传导度）和法规技术约束，结合克里金插值和基于Thiem-Dupuit及Madabhushi方程的逐单元水量计算，将复杂的地下空间变异性转化为六个直观的热功率等级（单位千瓦）。该分类与典型城市建筑热需求（从独立住宅到区域能源网络）相匹配，所生成的高分辨率地图有助于优化井位、减少水力干扰并支持成本效益勘探。在都灵市的应用验证了该方法在复杂城市环境下评估地热潜力的有效性和可操作性。GAP方法虽不能替代详细数值模拟，但能大幅减少初步评估的时间和资源，其模块化结构和低技术门槛使其适用于广泛用户群体。未来研究应结合建筑物热需求分布以支持定制化系统设计，优化输入数据集（如更新等水位线、城市地下水温度图），改进对局部异质性和井间干扰的刻画，并与MODFLOW/FEFLOW等数值模型耦合以实现精细评估。
