山東省臨清市地?zé)豳Y源評價和開發(fā)利用方案建議

劉春華，楊麗芝，劉中業(yè)

（山東省地質(zhì)調(diào)查院，濟南 250013）

山東省臨清市地?zé)豳Y源評價和開發(fā)利用方案建議

劉春華，楊麗芝，劉中業(yè)

（山東省地質(zhì)調(diào)查院，濟南 250013）

山東省臨清市近年來在市區(qū)范圍內(nèi)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)地下熱水。本文首先通過區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)背景分析、地?zé)嵴{(diào)查工作，建立了臨清市地?zé)岣拍钅Ｐ?。在概念模型的基礎(chǔ)上，利用體積法計算了熱儲層的熱水靜儲量，并對地下熱水進行質(zhì)量評價。提出了地?zé)衢_采、利用方案。

臨清市；地下熱水；地?zé)岣拍钅Ｐ停坏責(zé)醿α?；水質(zhì)評價；利用規(guī)劃

0 引言

地?zé)崾羌療崮堋⑺偷V產(chǎn)于一體的多用途、綠色自然資源，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)養(yǎng)殖、醫(yī)療、發(fā)電、采暖、洗浴及旅游業(yè)等[1]，尤其對于中小城市具有重要的經(jīng)濟、社會和環(huán)境價值，因而受到廣泛重視。近些年來，臨清市市區(qū)范圍內(nèi)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)4眼地?zé)峋?，水?0℃ 70℃，屬于中低溫地?zé)豳Y源。對臨清市地?zé)豳Y源進行科學(xué)評價，依據(jù)勘查計算所得的資源量，進行開發(fā)利用、合理規(guī)劃，保證臨清市地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用。

1 臨清市地?zé)岬刭|(zhì)背景

1.1 區(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)背景

臨清市區(qū)域地質(zhì)背景如圖1所示。本區(qū)位于華北板塊的東南部，二級構(gòu)造單元屬于華北拗陷區(qū)，三級構(gòu)造單元為臨清拗陷區(qū)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，自南向北有聊考斷裂、堂邑斷裂，冠縣斷裂、臨清斷裂、滄東斷裂等。根據(jù)鄰近鉆孔資料揭示，地層由老至新有：新太古界泰山巖群、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和古近系、新近系、第四系[2,3]。

圖1 臨清市區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)剖面略圖

臨清地?zé)釋儆谌A北地?zé)岬囊徊糠?。華北平原地?zé)豳Y源豐富，面積10km2以上的地?zé)崽锕灿?9個，總面積為18000km2。區(qū)內(nèi)地?zé)崽锒鄬儆谝詡鲗?dǎo)為主大地?zé)崃髯饔脵C制下形成的中、低溫?zé)崴蜔崽颷4]。陳墨香（1986）等研究認為華北平原地下熱水資源形成及賦存的有利條件主要是2方面：其一，華北平原的中、新生代斷陷盆地，蓋層中巨厚的碎屑巖和碳酸鹽巖提供了巨大的地下水庫容；其二，地區(qū)具有較高的區(qū)域平均地溫梯度值。碎屑巖沉積層和碳酸鹽巖中的地下水經(jīng)過一定的徑流和熱交換形式，最終形成熱水，這一過程即為華北地?zé)崽锏男纬赡Ｊ絒4]。

1.2 臨清市地?zé)岣拍钅Ｐ?/p>

臨清市地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查基本查明了臨清市地溫分布特征和形成規(guī)律。

(1) 地溫分布

地溫調(diào)查分為淺層測溫和深層測溫。淺層地溫測量多在100m以內(nèi)的淺層機井進行，變溫帶、恒溫帶與增溫帶變化規(guī)律比較明顯。恒溫帶深度10 25m，溫度13℃ 15℃；深層地溫測量來源于臨清市城內(nèi)地?zé)峋臏y溫數(shù)據(jù)，第四系平均地溫梯度3.0℃ 4.0℃/100m，自地表往下增溫速度比較穩(wěn)定，接近于線性關(guān)系。明化鎮(zhèn)組平均地溫梯度2.0℃ 4.0℃/100m，館陶組平均地溫梯度2.0℃3.8℃/100m，1722m地層揭露到東營組時平均約3.0℃/100m。

平面上看，臨清斷裂帶東15km往西至邊界地溫梯度范圍為3℃ 4℃/100m；臨清斷裂以東至冠縣斷裂以西地?zé)崽锏販靥荻确秶鸀?.8℃ 3℃/100m；冠縣斷裂與堂邑斷裂間的高唐凸起塊段地溫梯度范圍為3℃3.5℃/100m。

(2) 地?zé)岣拍钅Ｐ?/p>

通過臨清及周邊地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、巖漿活動及地?zé)崴|(zhì)放射性元素調(diào)查，確定臨清地?zé)嵯到y(tǒng)的熱源來自正常的大地?zé)崃髟鰷?。熱儲層為館陶組和東營組。根據(jù)地溫梯度推算，館陶組熱儲層中地?zé)崴疁囟?3℃65℃，達到溫?zé)崴墑e；東營組熱儲層中賦存的地?zé)崴疁囟?9℃ 69℃達到溫?zé)崴?、熱水級別。臨清及其周邊地區(qū)的第四系黃河組、平原組和新近系明化鎮(zhèn)組巖性由砂性土、粘性土、砂層、半固結(jié)的粘土巖砂巖以及泥巖組成，其特點是密度小、導(dǎo)熱性差和熱阻大，是良好的地?zé)嵘w層。

臨清市地?zé)嵯到y(tǒng)中，熱儲層流體來自遠距離側(cè)向徑流補給，流向為西北至東南。熱儲層中地下水在緩慢側(cè)向徑流過程中，接受下部大地?zé)崃鞫鰷?，臨清斷裂、冠縣斷裂等充當?shù)責(zé)崴c深部熱源連系通道的作用。臨清地?zé)崴闹饕判狗绞綖槿斯さ責(zé)峋_采，地?zé)衢_采主要是消耗地下熱水水頭。由此，構(gòu)建臨清地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型，見圖2.

圖2 臨清地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型示意圖

2 臨清市地?zé)崴Y源評價

臨清地?zé)嵯到y(tǒng)中地下熱水為側(cè)向補給，為了利于管理、合理開發(fā)利用和有效保護地?zé)豳Y源，地?zé)豳Y源評價對象主要是臨清市行政區(qū)域以內(nèi)、埋深在2000m以上的經(jīng)濟型地?zé)豳Y源[5]。

2.1 地?zé)崴o儲量評價

根據(jù)區(qū)內(nèi)館陶組與東營組熱儲層的埋藏條件、水力性質(zhì)等，采用體積法分別計算館陶組和東營組熱儲層地下水靜儲量。

2.1.1 熱水靜儲量計算公式

熱儲層的熱水靜儲量由2部分組成，熱儲層的容積儲量和彈性儲量。熱水靜儲量體積法計算公式為：

式中：

W靜——熱水資源靜儲量（m3）；

W容——熱水資源容積儲量（m3）；

W彈——熱水資源彈性儲量（m3）；

V——熱儲層的體積（m3）；

μ——熱儲層的平均給水度；

A——熱儲層的面積（m2）；

P——熱儲層熱水的水頭壓力（m）（由熱儲頂板算起）；

μe—熱儲層平均彈性釋水系數(shù)。

2.1.2 熱水靜儲量計算參數(shù)

（1）熱儲面積（A）：熱儲面積分為館陶組和東營組熱儲2個部分，根據(jù)新近系底界面埋深與基巖地質(zhì)條件，館陶組分為5個次級計算塊段（A/B/C/D/E），的水頭壓力，采用各計算區(qū)熱儲層頂板算起的水頭高度的平均值，具體值見表1。

（5）熱儲層平均彈性釋水系數(shù)（μe）：館陶組主要含水巖組為2.5×10-4，東營組主要含水巖組為2×10-4。

臨清市館陶組地?zé)崴們α繛?96.205億m3，其中A區(qū)靜儲量為131.033億m3，B區(qū)靜儲量為236.284億m3，C區(qū)靜儲量為60.93億m3，D區(qū)靜儲量為17.754億m3，E區(qū)靜儲量為50.204億m3。東營組熱儲層的熱水靜儲量為29.43億m3。

圖3 臨清市地?zé)豳Y源計算分區(qū)圖

2.2 地?zé)崴|(zhì)量評價

對臨清地?zé)崴M行了醫(yī)療、飲用、農(nóng)業(yè)灌溉及漁業(yè)、腐蝕性及結(jié)垢趨勢等方面的質(zhì)量評價，同時開展東營組為其中的B區(qū)，各計算塊段分布位置見圖3，相應(yīng)面積見表1。

（2）熱儲層的平均給水度（μ）：館陶組熱儲層的平均給水度為0.296；東營組熱儲層的平均給水度按0.28取值。

（3）熱儲層的體積（V）：熱儲層體積為熱儲面積與熱儲厚度之積，熱水靜儲量計算過程中的熱儲分為A E子區(qū)，相應(yīng)面積下的各子區(qū)熱儲厚度也對應(yīng)一具體值，見表1。

（4）熱儲層熱水的水頭壓力（P）：熱儲層熱水地?zé)衢_發(fā)對環(huán)境影響的評價。認為臨清地?zé)崴t(yī)療礦水和洗浴用水外，大多不能直接應(yīng)用；其主要用途還是在于將地?zé)崴D(zhuǎn)換成熱能方面。在地?zé)崴_發(fā)過程中，可能會引起地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，防治地?zé)衢_采所引起的地面沉降災(zāi)害，是地?zé)衢_發(fā)利用規(guī)劃中不可忽視的問題。

表1 臨清地?zé)崽镳^陶組熱儲地下熱水儲存量計算結(jié)果表

3 臨清市地?zé)豳Y源開發(fā)利用方案建議

制定科學(xué)合理的地?zé)豳Y源開發(fā)利用規(guī)劃，必須是在保證地?zé)豳Y源不枯竭、熱水質(zhì)量不下降、不引起環(huán)境問題的基礎(chǔ)上，綜合考慮社會經(jīng)濟發(fā)展對地?zé)豳Y源的需求，最終確定地?zé)豳Y源的開發(fā)和利用模式。

3.1 地?zé)崴_采方案

開采地?zé)徇^程中，要保證地?zé)豳Y源不枯竭，要求地?zé)崴_采量不超過當前開采技術(shù)條件下的可采資源量。

3.1.1 可采熱水資源量計算公式

本文采用“最大允許降深法”來計算可采熱水資源量，該方法是美國地質(zhì)調(diào)查局1982年美國低溫地?zé)豳Y源評價中所使用的主要方法，要求按照規(guī)定的開采期限、最大允許降深和恒定的單井流量制定開采計劃，求出區(qū)域內(nèi)能布置的井數(shù)和開采末期達到最大允許降深時，井群能夠獲得的總流量[6]。由于本區(qū)東營組地層分布極為不均，可采熱水資源量十分有限，故不鼓勵開發(fā)東營組地?zé)崴?。本文僅限于館陶組熱儲層可采熱水資源量計算。

最大允許降深法計算公式為：）

式中：Q可——可采熱水資源量（m3/d）；

N——區(qū)域內(nèi)能布置的井數(shù)；

Qi——單井涌水量（m3/d）；

t ——開采期限（a）。

3.1.2 可采熱水資源量計算參數(shù)

本文計劃開采期限（t）為100年，單井涌水量（Qi）則根據(jù)抽水試驗資料以及鄰區(qū)單井出水量來分區(qū)確定，具體為A區(qū)1825.92m3/d、B、C、D、E區(qū)為1440m3/d。

確定區(qū)域內(nèi)能布置井數(shù)（N）的條件是：保證開采期限末地下水位降深不低于“最大允許降深”。在具體計算過程中，首先要確定臨清市“最大允許降深”。由于臨清地區(qū)地下熱水開采可能引起地面沉降，故最大允許降深值將參照地面沉降臨界水位[7]（指不引起地面沉降或不引起明顯地面沉降的地下水位值）。臨清市2000m以淺地層巖性特征類似于天津地區(qū)，可認為其地面沉降臨界水位接近天津地區(qū)[7]，即臨清市地下水位最大允許降深位50m，即N口地?zé)衢_采井100年，最大水位降深不得超過50m。

在確定最大允許降深的基礎(chǔ)上，采用“熱量平衡、降深驗算、最優(yōu)化選擇”的方式確定開采井數(shù)N。所謂“熱量平衡”是指計算臨清市境內(nèi)規(guī)劃期（100年）能夠排放的可開采地?zé)豳Y源總量和N口開采井影響范圍內(nèi)熱儲的可開采熱資源量保持均衡；“降深驗算”則是首先計算熱量均衡狀態(tài)下N口地?zé)峋_采所引起的水位降深，再比較該降深值是否超過“最大允許降深”。如果計算的降深值小于最大允許值，則可認為N值具有合理性。

本文試算了多種開采方案，最終確定方案為：館陶組熱儲層中，以梅花井群形式布置55口開采井，充分考慮井間相互干擾和涌水量的遞減等因素，且假定單井需要面積為8倍的排放總熱量所對應(yīng)熱儲面積，由此計算可采熱水資源量為8.24×104m3/d，約0.3×108m3/a，水位降深最大值Sc=40.32m，沒有超過最大允許值。

鑒于區(qū)內(nèi)館陶組熱儲層底界面埋深最大1800m，臨清地區(qū)地?zé)崽锬壳皟H有4眼井，還沒有大規(guī)模開發(fā)利用，從地?zé)釀討B(tài)觀測來看，天然壓力平衡尚未打破，因此臨清市地?zé)崽飳儆诮?jīng)濟型地?zé)崽?，其開采潛力很大。

3.2 地?zé)豳Y源利用方案

臨清市地?zé)豳Y源潛力巨大，當前其開發(fā)利用還處于初級階段，作為綠色能源是開發(fā)的重點之一。臨清市擬選用地?zé)豳Y源“梯級綜合利用”方案。

“梯級綜合利用”模式的特點是針對傳統(tǒng)的地?zé)衢_發(fā)利用中存在資源浪費和環(huán)境的熱污染等問題，通過工藝上的改造和創(chuàng)新，改變了地?zé)峁┡瘋鹘y(tǒng)方法，將地?zé)彷椛洳膳夹g(shù)和熱泵技術(shù)應(yīng)用于地?zé)嵯到y(tǒng)中，進行工藝的集成；充分利用地?zé)豳Y源的復(fù)合功能，在系統(tǒng)中集成地?zé)峁┡⑸钕丛?、溫泉游泳、娛樂健身、礦泉理療等功能，實現(xiàn)梯級開發(fā)，進一步延長地?zé)峤?jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈，提高經(jīng)濟效益[8]。該模式在天津市河?xùn)|區(qū)華馨公寓和嘉華小區(qū)建立了示范工程，運行效果較好，達到了預(yù)期設(shè)計指標。

臨清地?zé)帷疤菁壘C合利用”方案，具體分為以下幾個方面：

（1）地?zé)峁┡?。臨清地?zé)崴疁囟纫话阍?0℃～70℃，直接供暖地?zé)豳Y源尾水排放溫度也高達42℃。為防止地?zé)崴母g，提高供水效率，擬采用地?zé)釗Q熱與水源熱泵聯(lián)合供暖方式。

（2）浴療保健。臨清市地?zé)崴缓?、鋰、鍶、鐳、偏硼酸、偏硅酸等多種礦物質(zhì)，有一定的醫(yī)療、保健作用。利用熱礦水進行洗浴，對高血壓、冠心病、心腦血管、風(fēng)濕病等有一定療效。

（3）娛樂、旅游。依托溫泉浴療，可以開發(fā)室內(nèi)外游泳館、嬉水樂園、康樂中心、會議中心、療養(yǎng)中心、溫泉飯店、溫泉度假村、高級賓館等一系列娛樂旅游項目。

（4）種植、養(yǎng)殖。依托地?zé)峋矗ㄔ鞙厝獪厥?，種植名優(yōu)花卉、特種蔬菜，以及熱水漁業(yè)養(yǎng)殖等，也可以用來發(fā)展旅游農(nóng)業(yè)。

（5）余熱供暖。用于洗浴、娛樂等方面的地?zé)嵛菜?，溫度依然很高，常損失大量的熱能?？蓞⒖急本┦械刭|(zhì)勘察技術(shù)院與清華同方合作實驗成功的環(huán)保型地溫?zé)岜霉┡到y(tǒng)，它可以從熱水中提取熱能供暖，使地?zé)崮艿木C合利用率提高到了80%左右。

4 結(jié)論

臨清地?zé)豳Y源豐富，其熱源為正常的大地?zé)崃髟鰷?。蓋層為第四系黃河組、平原組和新近系明化鎮(zhèn)組，主要熱儲層包括館陶組和東營組。熱儲層中地下水在緩慢側(cè)向徑流過程中，接受下部大地?zé)崃鞫鰷兀R清斷裂、冠縣斷裂等成為地?zé)崴c深部熱源溝通的通道。

利用體積法計算臨清市行政轄區(qū)2 0 0 0 m以淺館陶組和東營組熱水靜儲量，前者總量為496.205×108m3，后者約29.43×108m3。目前，地?zé)豳Y源主要用于供暖、洗浴、保健、康樂、種植和漁業(yè)養(yǎng)殖等方面，受到普遍重視和認可。在開采地?zé)崴耐瑫r，應(yīng)注意防止地面沉降。

合理規(guī)劃臨清市地?zé)豳Y源的開發(fā)利用，利用最大允許降深法，確定了臨清地區(qū)館陶組可以梅花井群形式布井55眼，計算可采熱水資源量為8.24×104m3/d，約0.3×108m3/a。

[1] 王貴玲，張發(fā)旺，劉志明．國內(nèi)外地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀及前景分析[J]．地球?qū)W報，2000，21(2)：134～135．臨清地區(qū)石油地質(zhì)普查初步總結(jié)報告[R].地質(zhì)部第二石油普查勘探指揮部石油地質(zhì)大隊,1981.

[2] 楊德平.山東臨清地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)特征[J].山東國土資源.2005,21(8):27～31.

[3] 陳墨香.華北地?zé)醄M]. 北京:科學(xué)山版社,1988.

[4] 山東省臨清市城區(qū)頤清園小區(qū)地?zé)釂尉刭|(zhì)報告[R].山東省地質(zhì)科學(xué)實驗研究院,2003.

[5] 陳 紅.地?zé)豳Y源評價方法與資源儲量分類[J].地?zé)崮?2004,(1):16～19.

[6] Marshall,J.R,editor,1983,Assessment of lowtemperature geothermal resources of the United States(1982),Geological survey circular 892.

[7] 牛修俊.地層的固結(jié)特性與地面沉降臨界水位控沉.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報. 1998,9(2):68～74.

[8] 張克冰,趙素萍,薛江波.國內(nèi)外地?zé)豳Y源開發(fā)利用的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].理論導(dǎo)刊,2002(8):58～60.

Assessment and Utilization of Geothermal Resources in Linqing City, Shandong Province

LIU Chunhua, YANG Lizhi, LIU Zhongye
(Shangdong Geological Survey, Jinan 250013)

In recent years, geothermal water has been found in Linqing City, Shangdong Province. This paper frstly introduces the geothermal conceptual model, based on the regional geothermal setting in combination with the results of geological survey. Through calculating the geothermal reservoir by Volume Method and assessing the geothermal water quality, a rational plan of geothermal water utilization and striving for win-win environment has been put forward. This plan, for example, well contribution, exploitation plan and usage, ensures the heat not to be the depletion of water resources.

Linqing City; geothermal water; geothermal conceptual model; geothermal reservoir; water quality assessment; plan of geothermal water utilization

TK529

A

1007-1903(2009)03-0017-05