汝南縣地?zé)豳Y源開發(fā)利用與保護(hù)研究

徐軍用

(河南省駐馬店市節(jié)約用水辦公室，河南 駐馬店463000)

汝南縣隸屬于河南省駐馬店市，地處豫南淮北平原，屬淮河流域，縣城是汝南縣域的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，以農(nóng)副產(chǎn)品加工為基礎(chǔ)的旅游城市。汝南縣境位于華北坳陷的西南邊緣，縣城位于新華夏構(gòu)造上蔡崗隆起與豫中北西向構(gòu)造的復(fù)合部位，汝南地下深部富集了大量的地?zé)崮芰浚瑑?chǔ)存有較多地下熱資源，汝南縣自2009年開始開采地?zé)崴饕糜谧≌^(qū)的洗浴、取暖等。鑒于地下水在開發(fā)利用過程中也出現(xiàn)了局部超采、地下水位下降漏斗、水質(zhì)污染和地裂縫南等問題，加強(qiáng)對地?zé)崴拈_發(fā)利用與保護(hù)研究尤為重要。

1 概況

1.1 自然地理概述

汝南縣地處淮北平原，總體上西高東低，微傾斜狀，地勢平坦低洼，地面高程一般在44～70 m之間，南高北地，西高東低，崗?fù)菹嚅g，地形較為復(fù)雜。根據(jù)地貌成因和微地貌形態(tài)，可將區(qū)域分為沖積平原和沖胡積平原兩種兩類。

汝南縣地處亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，季風(fēng)明顯、四季分明、溫濕適中、雨熱同季。多年平均降雨量為880 mm，降雨多集中在每年的6～9月，約占全年降水量的60%。降水量年際差異較大，建國以來最大降水量1 451.2 mm，最干旱年份降水量僅 419.6 mm。

縣境內(nèi)主要河流是汝河極其支流，汝河主要支流有北汝河、瑧頭河、文殊河等，均屬季節(jié)性河流，枯水期水位一般低于地下水位，形成排泄地下水的通道，僅在豐水期對地下水有短暫的補(bǔ)給。

汝南縣境內(nèi)地表岀露均為第四系地層，由中更新統(tǒng)沖洪積層(Q3a1-p1)、上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3a1-1)、全新統(tǒng)沖積層(Q3a1)組成。新第三系深紅色粘土巖直接隱伏于第四系地層之下，有奧陶系(O)、二迭系(P)、老第三系(E)、新第三系(N)深紅色粘土夾砂層。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 賦存條件

汝南縣地?zé)崴癫卦?40 m以下的新第三系館陶組含水層中，根據(jù)河南省地質(zhì)工程勘察院對汝南縣城所作物探報(bào)告，新第三系(N)地層底板深度950 m，地層厚度690 m，含水砂層多有膠結(jié)，含水層巖性以細(xì)砂、砂礫巖為主，含水層性質(zhì)為空隙裂隙含水層，該含水層厚度較大，透水性好，具有良好的儲(chǔ)水能力，地下水量較為豐富。

1.2.2 補(bǔ)給、徑流和排泄

地?zé)岷畬拥难a(bǔ)給與第四系深層地下水的補(bǔ)給相仿，主要為上游西部基巖山區(qū)接受大氣降水入滲補(bǔ)給，通過深部含水層徑流至本區(qū)。

在天然狀態(tài)下，深層地?zé)崴晕飨驏|緩慢徑流。在縣城區(qū)，由于受開采的影響，改變了天然流場狀態(tài)，以開采井為中心，向抽水井匯流;在開采影響以外，仍保持天然流場狀態(tài)。

汝南地?zé)崴_發(fā)利用水平較低，總體上仍保持著緩慢向東徑流排泄方式，在開采井周圍形成有小范圍的地?zé)崴幌陆德┒罚匀斯ら_采為主要排泄方式。

2 開發(fā)利用評(píng)價(jià)

2.1 縣城區(qū)地?zé)崴衫盟Y源量

河省目前開發(fā)利用的主要是埋藏在新生界和前新生界熱儲(chǔ)層中的地?zé)豳Y源，新生界地?zé)豳Y源主要指新近系和古近系松散熱儲(chǔ)層中的空隙水[1]。地?zé)崴Y源是地下水的一種，地?zé)崴Y源的計(jì)算方法可用傳統(tǒng)的深層地下水資源計(jì)算方法。目前傳統(tǒng)的地下水資源計(jì)算方法有解析解法、比擬法、動(dòng)態(tài)分析法、數(shù)值法、補(bǔ)給量計(jì)算法[2]。根據(jù)汝南縣地?zé)崴畬拥姆植继卣骱烷_發(fā)利用情況，結(jié)合汝南縣城城市建設(shè)發(fā)展規(guī)劃，采用補(bǔ)給量法計(jì)算可采資源量比較可靠。補(bǔ)給量計(jì)算法是首先將地?zé)崽飪?nèi)熱儲(chǔ)層概化，使其基本符合穩(wěn)定流計(jì)算要求，然后計(jì)算地?zé)崽锼幌陆档揭欢ǔ潭瓤色@得的徑流補(bǔ)給量，將其視為地?zé)崴刹少Y源量。

2.1.1 滲透系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)汝南縣東方假日酒店電測井深成果分析，汝南縣城深層地?zé)崴畬禹敯迓裆?55 m，底板深度946 m，屬于華北館陶組地?zé)岷畬?，其間共有5層空隙含水層，含水層總厚度38.1 m，地層巖性從上到下分別是中砂、細(xì)中砂、細(xì)砂、粗砂、細(xì)砂。汝南縣地?zé)岷畬臃植嫉赜虮容^寬廣，含水層抽水影響半徑相對于地層分布范圍來說可作為均勻無承壓含水層考慮。該抽水井井管半徑為0.15 m，該井含水層為深層地?zé)岢袎汉畬樱畬訚B透系數(shù)可根據(jù)抽水試驗(yàn)(見表1)，選用下面裘布依穩(wěn)定流承壓水完整井流公式與經(jīng)驗(yàn)公式R=3 000Sw行迭代逼近計(jì)算。計(jì)算得該含水層滲透系數(shù) K=0.9 m/d，導(dǎo)水系數(shù) T=34.29 m2/d。

式中:Q為單井出水量(m3/d)〔Q’單位m3/h〕;K為滲透系數(shù)(K=0.9 m/d);R為影響半徑(采用經(jīng)驗(yàn)公式:R=3 000 Sw;M為承壓水含水層厚度(M=38.1 m);rw為抽水井半徑(rw=0.15 m);Sw為抽水降深(m)

表1 不同降深抽水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

2.1.2 補(bǔ)給邊界影響半徑與補(bǔ)給斷面

汝南縣城東西長約4 km，南北長約3 km，已建成面積約12 km2。根據(jù)汝南縣國民經(jīng)濟(jì)“十二五”發(fā)展規(guī)劃，到2015年末城區(qū)規(guī)劃區(qū)面積將達(dá)到35 km2，到2020年將達(dá)到60 km2。城區(qū)地?zé)岷畬邮荛_采影響，勢必形成水位降落漏斗，隨著抽水時(shí)間的延長和取水量的增多，縣城中心水位將逐漸下降，漏斗邊沿也將逐漸擴(kuò)大到影響范圍邊沿，開采降落漏斗為一近似圓形，周圍地下水向開采中心徑流。將該城區(qū)預(yù)測面積60 km2作為地?zé)衢_采影響區(qū)域面積，將計(jì)算斷面為補(bǔ)給邊界至中心路段的中心(即R/2)所圍成的圓作為補(bǔ)給斷面。

式中:R為補(bǔ)給邊界影響半徑(m);A為補(bǔ)給面積(35km2);π為圓周率。

計(jì)算得補(bǔ)給邊界影響半徑R=4 371 m。

式中:R補(bǔ)為設(shè)定補(bǔ)給斷面半徑(R補(bǔ)=R/2=2 186 m);L為補(bǔ)給斷面周長(m);計(jì)算的L=13 728 m。

2.1.3 地?zé)崴a(bǔ)給量計(jì)算

開采條件下，地?zé)崴ㄟ^補(bǔ)給斷面的補(bǔ)給量由達(dá)西公式計(jì)算:

式中:W徑=徑流補(bǔ)給量(m3/d);L為補(bǔ)給斷面邊周長(10 488 m);I為水力坡度，為漏斗周邊平均水力坡度，為0.006 9;T 為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)，為 34.29 m2/d。

計(jì)算得徑流斷面的徑流補(bǔ)給量為3 248 m3/d，該數(shù)值即為汝南縣地?zé)崴衫昧俊?/p>

2.2 出水水溫分析評(píng)價(jià)

汝南地?zé)崽飳贅?gòu)造凹陷沉積傳導(dǎo)型地?zé)崽?，其熱源來自地殼深部，區(qū)域大地?zé)崃魇瞧浜愣嵩?，在地殼深部呈平均分布。第四系地下水常溫深度約為25 m，平均地溫梯度為3.2℃ /100m。根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》(DZ40—85)，采用地溫梯度推算法計(jì)算熱儲(chǔ)溫度，計(jì)算公式為:

式中:t為熱儲(chǔ)溫度，單位:℃;d為熱儲(chǔ)埋藏深度，單位:m;h為常溫層埋藏深度，單位:m，取25 m為地溫梯度，單位:℃ /100m;t0為常溫層溫度，單位:℃，取 16.5℃，。

經(jīng)計(jì)算得熱儲(chǔ)層出水溫度約為43℃ ～46℃。根據(jù)《地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)方法》(DZ40—85)，地?zé)崴此疁馗叩头譃榱鶄€(gè)級(jí)別，汝南地?zé)崴畬儆谥械蜏氐責(zé)崴?，適于洗浴用水。見表3。

表3 熱儲(chǔ)層水溫分級(jí)表

2.3 開發(fā)利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

2.3.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

地?zé)衢_發(fā)利用現(xiàn)狀開采程度分為五類〔3〕，具體分類標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 地?zé)衢_發(fā)利用現(xiàn)狀評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

汝南縣目前有東方假日酒店、伊清溫泉地?zé)峋⒏辉措p河灣地?zé)峋鹊責(zé)崛∷?眼，日開采量為780 m3/d，開采強(qiáng)度為0.24，屬于較低開采區(qū)，汝南地?zé)衢_發(fā)利用潛力較大。

3 存在的問題

3.1 勘查投入不足，地?zé)峄A(chǔ)資料不詳實(shí)

政府在地?zé)釢崈糍Y源前期勘查投入不足，地?zé)岬刭|(zhì)基礎(chǔ)資料不詳實(shí)、不全面，地?zé)岬刭|(zhì)基礎(chǔ)工作較差。目前河南省重點(diǎn)城市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用規(guī)劃已經(jīng)完成，但針對深層地?zé)崮芤约暗責(zé)崮芫C合開發(fā)利用規(guī)劃尚無可靠的資料可查。已開展的地?zé)峥辈椋@探、物化探等工作投入較少，1 500 m以深勘查評(píng)價(jià)程度低[4]。

3.2 利用效率低下，綜合利用水平低

汝南地?zé)衢_發(fā)處于剛起步階段，利用以洗浴為主，規(guī)?；爱a(chǎn)業(yè)化水平不高，開發(fā)利用單一分散，未實(shí)施梯級(jí)開發(fā)和對井采灌制度，熱能利用率低、浪費(fèi)嚴(yán)重地?zé)豳Y源，幾乎沒有地?zé)崽锏木C合利用和梯級(jí)利用，從而造成寶貴資源的浪費(fèi)。特別是溫泉洗浴的尾水全部白白排放，不但造成熱能的浪費(fèi)，同時(shí)還導(dǎo)致熱污染和地下水環(huán)境的破壞。

3.3 缺乏水資源統(tǒng)一規(guī)劃管理，管理水平低下

地?zé)峋慕ㄔO(shè)單位主要是賓館、房地產(chǎn)公司等，主要用于供暖、溫泉、洗浴等。目前，政府還沒有實(shí)行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，造成了過于集中鉆井開采同一地層的地?zé)崴F(xiàn)象。

4 開發(fā)利用保護(hù)措施

地?zé)豳Y源是新的能源與補(bǔ)充能源，地?zé)豳Y源開發(fā)利用是實(shí)施低碳可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要途徑。開發(fā)地?zé)豳Y源可以節(jié)約不可再生的煤炭、石油等資源，并且利用過程相對環(huán)保。其能源效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益顯著，要保持長期連續(xù)穩(wěn)定開采，不致形成地質(zhì)環(huán)境問題，必須十分重視資源的保護(hù)工作[5]。

4.1 加強(qiáng)地?zé)豳Y源開發(fā)的管理制度建設(shè)

建立健全地?zé)豳Y源管理制度，建立科學(xué)有序的地?zé)豳Y源開發(fā)市場，加強(qiáng)統(tǒng)一規(guī)劃和管理，嚴(yán)格水資源論證制度，在地?zé)豳Y源開發(fā)利用前，做好前期論證和審批工作;加強(qiáng)監(jiān)督管理，按照地?zé)峋侠黹g距及強(qiáng)度控制原則，審批項(xiàng)目布局的合理性，必須采取強(qiáng)有力的措施，避免“亂批、亂采、亂用”;規(guī)范地?zé)峥辈殚_發(fā)市場，杜絕無施工能力或技術(shù)實(shí)力較差的單位進(jìn)行地?zé)峁こ痰氖┕ぃ訌?qiáng)成井工藝及技術(shù)的交流和推廣應(yīng)用，為政府提供技術(shù)支撐和科學(xué)決策，使地?zé)豳Y源開發(fā)利用趨于科學(xué)化、合理化和正規(guī)化，為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

4.2 加強(qiáng)地?zé)崴畡?dòng)態(tài)監(jiān)測

隨著地?zé)崴拈_發(fā)利用，水位、水量、水質(zhì)、水溫將隨開采的進(jìn)行而發(fā)生變化。為避免因過量開采產(chǎn)生地面沉降、水源枯竭等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作，以隨時(shí)準(zhǔn)確掌握地下水量、水位、水質(zhì)、水溫等動(dòng)態(tài)變化信息，建立地?zé)峋\(yùn)行檔案，確保地?zé)崴沙掷m(xù)、穩(wěn)定開發(fā)。

4.3 建立科學(xué)合理的開采模式

為防止地?zé)崴廴荆氉钄喔骱畬油ㄟ^水井井筒及井管水力聯(lián)系通道，在開采時(shí)，應(yīng)做好上層止水，切斷上部含水層和深部地?zé)崴畬又g的水力聯(lián)系，避免水質(zhì)污染，避免相互垂直補(bǔ)給造成地層壓力和水溫下降;合理控制井距，單井限量開采，避免大范圍內(nèi)過量開采;采用梯級(jí)、綜合、高效利用新技術(shù)，提高資源利用率，地?zé)岵膳?xiàng)目必須采用回灌[6]開發(fā)模式。所謂梯級(jí)利用，就是按照用戶終端需要的供熱水溫，從高到低排序，高能高用，溫度適用，分配得當(dāng)，各得其所。通過梯級(jí)利用，可有效提高地?zé)豳Y源利用率。不論是哪種溫度的地?zé)崴菁?jí)利用都是一個(gè)最佳的利用方案[7]。

4.4 建立地?zé)崽镌u(píng)價(jià)和管理述學(xué)模型

根據(jù)汝南地?zé)岬刭|(zhì)條件，應(yīng)對地溫場、熱儲(chǔ)、地?zé)崃黧w回灌等進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定地?zé)崽锏臏囟取醿?chǔ)條件、儲(chǔ)量、流體性質(zhì)和水化學(xué)類型，并建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，為地?zé)豳Y源保護(hù)和合理開采布局提供科學(xué)的依據(jù)。

4.5 加強(qiáng)尾水處理，減少環(huán)境污染

熱流體中通常含有 H2S、CO2等凝氣體，特別是在高溫地?zé)崃黧w中濃度更大，廢地?zé)崃黧w直接排放會(huì)造成熱污染和流體中有害成分的超標(biāo)排放，如果處理不當(dāng)，則會(huì)對大氣和環(huán)境造成污染。應(yīng)對尾水進(jìn)行處理，前者可采用沉淀法、過濾法、結(jié)冰法除氟[8]，后者可采取氣水分離燃?xì)饧夹g(shù)，做到興利除害，最大限度的降低地?zé)衢_發(fā)對環(huán)境的影響。

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