基于Visual MODFLOW的昭關地熱流場模擬及儲量評價研究

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

1 研究區(qū)概況

1.1 水文氣象

昭關地熱田研究區(qū)位于安徽省含山縣昭關鎮(zhèn)，中心位置：東經(jīng)118°04′00″，北緯31°48′57″,與含山縣城距離約10.8 km，與馬鞍市距離約58 km。地處長江北岸，屬亞熱帶濕潤季風氣候。氣候溫和，雨量適中，光照充分，熱量條件較好；季風氣候顯著，冬寒夏熱，四季分明。年均氣溫15.8℃，無霜期247 d，年日照時數(shù)2 270 h。年均降雨量1 007.4 mm，年蒸發(fā)量1 469～1 629 mm。位于滁河以南，地表水系較發(fā)育，溝塘眾多，屬滁河水系。溝渠蜿蜒伸展，總體北西向匯入滁河，常年有水。昭關水庫位于查區(qū)南部，庫容1 154萬 m3，面積約1.5 km2。

1.2 區(qū)域地質(zhì)條件

昭關地熱位于含山縣昭關鎮(zhèn)境內(nèi)的香泉地質(zhì)推覆體后緣，由褶皺和斷層地質(zhì)構造控制形成。震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)白云巖組成巖溶—裂隙型熱儲層。地熱水形成距今1.05～1.32萬年，受大氣降水補給。為中低溫地熱田(Ⅱ-2類型)。地熱田區(qū)域地熱地質(zhì)系統(tǒng)平面分布范圍大，為一北東向的狹長地帶，其補給區(qū)遠遠超出查區(qū)范圍，熱儲層埋藏于千米之下，其地質(zhì)構造及地層條件復雜。

2 水文地質(zhì)概念模型的建立

針對研究區(qū)域建立地熱田的數(shù)值模擬模型，用以計算、評價地熱儲量，并作為地熱田管理工具。首先建立了研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學模型，然后運用地下水模擬軟件Visual MODFLOW建立了研究區(qū)三維地熱水流數(shù)值模擬模型，并用多年地熱流量動態(tài)監(jiān)測資料和流場對模型進行識別和驗證。

2.1 地熱田熱儲概化

查區(qū)熱儲由震旦系上統(tǒng)及奧陶系下統(tǒng)碳酸鹽巖地層組成，以白云巖為主，溶洞、溶孔和巖溶裂隙較發(fā)育。熱儲分布嚴格受北東向F3、F0和F4斷裂的控制，屬帶狀熱儲，構成巖溶—裂隙型熱儲層(圖1)。

圖1 熱儲概化模型圖

2.2 研究區(qū)范圍

依據(jù)物探和鉆探資料圈定熱儲范圍，熱儲主要分布查區(qū)的油坊莊及其周邊地區(qū)，呈北東-南西向不規(guī)則長條狀分布，長約1.58 km，寬約0.66 km，面積約0.74 km2。

2.3 邊界條件

熱儲層上覆的第四系粘性土和震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)碳酸鹽巖構成較好的蓋層，使裂隙巖溶冷水、松散巖類孔隙冷水與裂隙巖溶熱水兩系統(tǒng)相對獨立，彼此間基本無水力聯(lián)系。因此熱儲上邊界可概化為無水量交換，是有熱量散失的半開放邊界。

熱儲下部由F0、F3斷裂形成的“V”型或“U”型結構組成，F(xiàn)3斷裂帶下盤為震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)白云巖，F(xiàn)0斷裂帶下盤為志留系高家邊組、泥盆系五通組砂巖，共同構成了熱儲下邊界，1 500 m以下的基巖概化為可以向熱儲供熱的穩(wěn)定熱源，以維持熱儲的溫度恒定，熱源與熱儲之間可概化為不存在水量交換而有熱量供給的下邊界。

主要依據(jù)物探和鉆探資料圈定熱儲范圍，熱儲埋藏深度主要分布在1 000～1 400 m，熱儲埋藏深度表現(xiàn)為西南淺，中部和東北部深(下界面一般在1 400 m以下)。熱儲的分布嚴格受北東向F3斷層和F0斷層的控制，兩組斷層剖面上構成“V”字或“U”字形，熱儲位于其復合部位：“V”字或“U”字底部一帶。熱儲的剖面呈“燕”字形，底部(斷層的復合部位)厚,最厚處一般260 m余，最大厚度可達360 m。

2.4 區(qū)域地熱田數(shù)值模擬模型

下面先根據(jù)水文地質(zhì)模型建立數(shù)學模型，然后進行數(shù)值模擬。

2.4.1 數(shù)學模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，將模擬區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)各向同性、有越流的非穩(wěn)定二維地下水流模型，相應的數(shù)學模型如式1：

(1)

式中：Kx，Ky為地下水在x、y方向的滲透系數(shù)(假定滲透系數(shù)主軸方向和坐標軸的方向一致)；H為地下水水頭；H0為地下水初始水頭；Γ1為第一類邊界；Γ2為第二類邊界； K為邊界面法向方向的滲透系數(shù)。

2.4.2 時空離散

在已建好的水文地質(zhì)概念模型的基礎上，采用Visual MODFLOW進行地下水流數(shù)值模擬的建模和運算。建立面積為32 m×32 m的矩形區(qū)域，模型剖分為1層，區(qū)域上39行×41列，根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，將模擬區(qū)范圍外的區(qū)域設置為不活動單元格，模型平面網(wǎng)格剖分如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 地熱田模擬區(qū)平面網(wǎng)格剖分圖

圖3 地熱田模擬區(qū)橫剖面垂向網(wǎng)格剖分圖

圖4 地熱田模擬區(qū)縱剖面垂向網(wǎng)格剖分圖

模擬期為2015年1月～2016年7月，以2016年7月的區(qū)域地下水水位為模型的初始流場，以月為單位作為應力期，整個模擬期分為19個應力期。模擬區(qū)的源匯項主要包括降雨入滲補給量、蒸發(fā)排泄量、越流量、側(cè)向補給量、地下水開采量。開采井主要集中在地熱田內(nèi)，開采井數(shù)量及開采量由調(diào)查資料統(tǒng)計而得，地熱開采井主要包括： HS04井、HS06井、HS08井、HS12井、HXK02井。

2.4.3 初、邊條件

根據(jù)2016年7月的地熱井地下水位實測資料，結合研究區(qū)的地形地貌特征，確定研究區(qū)目標含水層的初始流場等值線。

區(qū)內(nèi)地熱流體流場的展布受構造邊界條件的控制，地熱流體由東南部及東北部、西南部經(jīng)深部循環(huán)，流向西中部(地熱開采區(qū)域——漁場)。與區(qū)域水文地質(zhì)條件相符。研究區(qū)地下水流整體上以水平運動為主、垂向運動為輔，地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律；在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；考慮相鄰含水層之間存在水量交換，地下水系統(tǒng)的垂向運動由層間水頭差異引起，地下水運動可概化為空間三維流；地下水系統(tǒng)的輸入輸出隨時間、空間變化，故地下水為非穩(wěn)定流；參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性；參數(shù)在平面上沒有明顯的方向性，可視為平面各向同性，而垂向上與水平方向有較大的差異，表現(xiàn)出明顯的各項異性。將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向異性二維地下水非穩(wěn)定流系統(tǒng)，模擬時段2015年年1月～2016年7月。

F0為地熱的補給邊界，F(xiàn)3為地熱的導熱儲熱邊界，F(xiàn)11和F12為弱透熱邊界(于構造的復合部位導熱)，F(xiàn)4為地熱的隔熱邊界；玄武巖體為阻熱邊界，松散層和巖溶發(fā)育微弱的碳酸鹽巖為地熱的隔熱邊界。

2.4.4 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)本區(qū)的水文地質(zhì)條件結合本次勘查中取得的抽水試驗成果，求得的水文地質(zhì)參數(shù)為：熱儲滲透系數(shù)(K)26.13 m/d，導水系數(shù)(T)1 251.84 m2/d，熱儲貯水系數(shù)平均為0.006 8。

熱儲巖石的孔隙度(φ)主要依據(jù)熱儲埋深和裂隙巖溶發(fā)育程度而定。本次采取了7組巖樣送往中國科學院武漢巖土力學研究所進行物理性質(zhì)參數(shù)測試，測試結果如表1所示。由表1可知:熱儲巖石的孔隙度為0.027。

表1 巖樣物性參數(shù)測試成果匯總表

2.4.5 源匯項

地下水系統(tǒng)的均衡要素是指其補給和排泄項。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水以大氣降水為主要補給源，其大部分裸露區(qū)可直接接受大氣降水，其覆蓋區(qū)大氣降水則通過松散層越流補給。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的排泄途經(jīng)主要為側(cè)向逕流排泄于沖溝、小溪等地表水體或以伏流形式向下游及松散巖類孔隙水中排泄，常以泉形式出現(xiàn)，次為人畜生活飲用開采和蒸發(fā)排泄。

模擬時段內(nèi)降雨入滲量主要與包氣帶巖性，植被發(fā)育、潛水位埋深、降雨量大小等因素有關，模擬區(qū)降雨入滲系數(shù)取值為0.32。

地熱流量模擬期的日開采量見表2。

表2 模擬期內(nèi)地熱流量日開采量統(tǒng)計表

2.4.6 模型識別與驗證

數(shù)值模型建立后，利用井群降壓試驗中觀測到的觀測孔的地下水位觀測值資料，采用試錯法進行模型識別，調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，使得計算水位和觀測水位擬合情況較好，滿足一定的精度要求，從而達到模型識別的目的。經(jīng)過反復調(diào)參，最終得到了較為理想的模型識別結果，觀測孔擬合結果如圖5所示。模擬區(qū)地下水水位模擬結果較好，說明所建立的數(shù)值模擬模型能基本反映研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，可用于預測不同開采方案條件下地熱田地下水水位變化過程。

圖5 抽水試驗觀測孔HS04孔水位降深擬合圖

3 研究區(qū)地熱資源儲量計算評價結果

3.1 熱儲層物理特性評價

熱儲溫度分布與其埋藏條件密切相關，熱儲埋藏深，蓋層較厚，熱儲溫度相對較高。查區(qū)年平均氣溫15.8℃，地熱出露溫度以地熱井長期實測值為準，一般38℃～42℃，熱儲層的基礎溫度則由地球化學溫標計算而得，計算結果為49.18℃～94.17℃,取所有計算結果的算術平均值得出熱儲層的溫度80.24℃。

熱儲層為震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)白云巖，查《水文地質(zhì)手冊》(第二版)中271頁表7-1-5，可知，其密度為2.70×103kg/m3，由比熱0.92 kJ/kg·℃。

3.2 地熱流體性質(zhì)

地熱流體相態(tài)單一，為低溫熱水。查《水文地質(zhì)手冊》(第二版)中271頁表7-1-5，得其物理及熱力學性質(zhì)指標為：密度平均值取1×103kg/m3，比熱平均值取4.18 kJ/kg·℃。

3.3 地熱能儲量計算

在該模型下的地熱儲量的計算公式如下：

其中，熱儲巖石和液體的平均熱容量按下式計算：

式中：ρc、ρω為分別為巖石和液體的密度(kg/m3)；Cc、Cω為分別為巖石和液體的比熱容(kJ/kg·℃)；Φ為熱儲中巖石孔隙度，無量綱。

共剖分了825個活動單元格，因此n取825，每一個單元格的厚度通過軟件輸出得到，熱儲溫度tr取80.24℃，熱儲基準溫度tj取15.8℃，巖石和液體的密度ρc、ρω分別為2 700 kg/m3、1 000 kg/m3，巖石和液體的比熱容Cc、Cω分別為0.92 kJ/kg·℃、4.18 kJ/kg·℃，巖石孔隙度Φ取0.027。

通過以上計算可得：地熱田中蘊藏的總資源量為3.639×1016。

4 結語

通過收集資料、地質(zhì)綜合測繪與調(diào)查、地熱流體及地下水動態(tài)監(jiān)測、地球物理勘探、鉆探及成井、降壓試驗、巖水樣測試和綜合研究等工作方法對昭關地熱資源進行詳細綜合勘查。經(jīng)過一個水文年緊張有效的勘查工作，基本查明了形成地熱的區(qū)域地質(zhì)特征和地熱田地熱地質(zhì)條件，對地熱流場特征、熱水資源儲量以及地熱流體質(zhì)量進行了綜合評價。

(1)昭關地熱田的分布以及地熱的補給、儲存、運移、排泄等都明顯受地質(zhì)構造和地層巖性的控制。查區(qū)地熱38℃～42℃，屬低溫地熱中的溫熱水資源。

(2)采用熱儲法、解析法、數(shù)值法和統(tǒng)計分析進行了地熱資源量計算得出，勘查評價的地熱資源儲量分別為：驗證的地熱儲量2 360(m3/d)，探明的地熱儲量250(m3/d)，控制的儲量650(m3/d)。

(3)地熱田熱儲中蘊藏的總資源量為3.639×1016J。其中巖石蘊藏的熱能為3.476×1016J，熱液蘊藏的熱能為1.623×1015J。

(4)研究區(qū)地熱資源儲量大、分布集中、質(zhì)量好、溫度適宜，可廣泛利用于洗浴、泥浴、療養(yǎng)、養(yǎng)殖、種植等農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方面，可帶動旅游、環(huán)境保護等相關產(chǎn)業(yè)的的健康發(fā)展。具有廣泛的適用性和良好的開發(fā)利用前景。