地熱井開采與戈家寨水庫相互影響分析

劉 駿，劉子金，楊文峰

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概述

地熱水資源的開發(fā)需求隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展愈發(fā)增強，而該類項目的開發(fā)建設有可能會對其周邊水文地質(zhì)環(huán)境及建(構(gòu))筑物產(chǎn)生一定的影響[1- 4]。水庫工程為人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉及工業(yè)發(fā)展提供了重要保障，保護水庫工程的正常運行是極其重要的。為了確保地熱水資源的開發(fā)利用與水庫修建蓄水之間不會產(chǎn)生相互不利影響，有必要對兩者之間可能產(chǎn)生的相互影響進行合理的分析評價。

2 水庫及地熱水勘查設計概況

2.1 水庫工程概況

戈家寨水庫位于貴州省清鎮(zhèn)市北西側(cè)的跳墩河(又名暗流河)上，壩址位于跳墩河老保寨河段上，跳墩河為長江流域烏江水系貓?zhí)右患壷Я?，整個流域呈羽毛狀分布，伏流、泉水分布較廣，地下水較豐富，干流兩岸的支流分布均勻。

戈家寨水庫設計正常蓄水位1175.5m，相應庫容1819萬m3，設計灌溉面積1720畝，工業(yè)園區(qū)及城鄉(xiāng)供水2323萬m3。壩址河床高程1150～1151m，大壩為面板堆石壩，壩頂高程1178.2m，長160.29m，壩頂寬8m，底寬97.85m，最大壩高35.2m。該水庫是一座具有農(nóng)業(yè)灌溉、人畜飲水及工業(yè)供水等功能的中型水利工程。該水庫工程目前正在進行施工。

2.2 地熱水勘查設計概況

根據(jù)有關(guān)地礦部門的勘查論證，在清鎮(zhèn)市衛(wèi)城鎮(zhèn)相應論證區(qū)內(nèi)推薦了一最佳地熱水勘探孔ZK1(探采結(jié)合)，該孔離右岸設計防滲灌漿帷幕最近僅約345m，離水庫大壩約800m，如圖1所示。

圖1 地熱水勘探孔與戈家寨水庫位置關(guān)系圖

根據(jù)地熱水勘探孔設計方案，孔口高程1201m，孔深2200m，鉆孔0～1200m用水泥和石油套管全孔封閉，1200～2200m采用實管和技術(shù)管固井，取水段在1200m以下，取水量600m3/d。

3 地熱水開采與戈家寨水庫修建蓄水相互影響分析評價

3.1 抽水井與水庫管理及保護范圍相對位置關(guān)系

為了滿足有關(guān)法律法規(guī)及規(guī)范要求，必須查清抽水井是否處于水庫管理及保護范圍之內(nèi)。根據(jù)SL 106—2017《水庫工程管理設計規(guī)范》[5]第3.0.3條規(guī)定，中型水庫大壩從壩腳線向上游100～150m、從壩腳線向下游150～200m以及從壩端外延100～250m范圍內(nèi)為水庫工程區(qū)管理范圍；根據(jù)SL 106—2017第3.0.6條規(guī)定，中型水庫上下游200～300m、兩側(cè)100～200m范圍內(nèi)為水庫工程保護范圍，水庫保護范圍為壩址以上、庫區(qū)兩岸(包括干、支流)土地征用線以上至第一道分水嶺脊線之間的陸地。

根據(jù)圖2可知，ZK1抽水井處于水庫管理及保護范圍之外，符合相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)范要求。

圖2 ZK1抽水井與水庫管理及保護范圍相對位置關(guān)系示意圖

3.2 地熱水開采引起地下水位下降分析

當持續(xù)大量地進行地下水抽取，而補給量遠小于抽水量時，將在抽水井附近形成一定范圍的地下水位降落漏斗。若地熱水抽取引起的降落漏斗范圍延伸至戈家寨水庫內(nèi)，則庫水將作為補給源補給地下水，造成水庫水量損失。

目前數(shù)值模擬正作為一種有效手段廣泛應用在工程實踐與研究中，其模擬結(jié)果常常可以用來輔助分析評價工程事件的發(fā)展趨勢與結(jié)果，并為工程實踐提供一定的參考[6- 7]。

3.2.1地質(zhì)模型的概化

研究區(qū)為巖溶發(fā)育地區(qū)，巖溶水是賦存并運移于巖溶地層中的水，其物理模型為賦存于孔隙、裂隙與巖溶管道之中的水，地下水運動一般為非達西流的紊流狀態(tài)，巖溶地層可概化為主要起儲水、釋水作用的孔隙介質(zhì)和主要起導水作用的裂隙介質(zhì)和巖溶管道。

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，對研究區(qū)模型進行相應的概化。研究區(qū)北部和南部河流水系發(fā)育，可概化為定水頭邊界，南部水頭總體較北部高。研究范圍內(nèi)，東部和西部水源補給相對貧乏，可概化為隔水邊界。水庫水體和下游河流可概化為呈線性變換的變水頭河流，水庫與河流水體的寬度以及起點、端點水頭按實際值設定。模型具體概化要素如圖3所示。

圖3 研究區(qū)地質(zhì)模型概化平面圖

3.2.2模型的建立與網(wǎng)格劃分

研究區(qū)模型所對應范圍如圖3所示，模型尺寸長×寬×高為3000m×2000m×2664m。地熱水勘探孔ZK1深2200m。根據(jù)研究區(qū)各地層的厚度、透水性及孔隙度等因素將模型共分為五層，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)模型分層示意圖

對于大范圍模型的數(shù)值模擬其網(wǎng)格劃分不必過密，本模型在橫向和縱向上先分別劃分為100行和100列，然后再對需重點觀察的抽水井附近橫向和縱向上加密一倍，確保重點研究位置的網(wǎng)格密度，如圖5、圖6所示。

3.2.3數(shù)值模擬計算參數(shù)取值

模型各地層分層水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)工程類比法取值見表1。

表1 各分層水文地質(zhì)參數(shù)

圖5 研究區(qū)模型網(wǎng)格劃分鳥瞰圖

圖6 研究區(qū)模型網(wǎng)格劃分側(cè)視圖

3.2.4模擬結(jié)果分析

經(jīng)模擬計算可得到研究區(qū)的等水位線及流向分布結(jié)果，即可判斷地熱水開采是否會對庫水產(chǎn)生影響。

圖7為研究區(qū)等水位線及流向分布云圖，從圖中可以看出等水位線值南部要大于北部，水庫及河流處等水位線值要小于其周邊等水位線值，在大壩處向下游河流過渡處等水位線值發(fā)生驟降；從地下水流向來看，地下水分別流向水庫與河流，這與實際情況是一致的。而ZK1地熱水開采井處與周邊水位線值及流向相比，均未發(fā)生明顯變化，因而可以判斷在該處按設計方案開采地熱水不會對庫水造成任何影響。

圖7 研究區(qū)等水位線及流向分布

圖8和圖9，分別為研究區(qū)等水位線經(jīng)過ZK1點的橫剖面圖和縱剖面圖，從圖中可以看出在ZK1抽水井周邊的等水位線值并未發(fā)生明顯的改變，這是由于抽水井抽水段為1200～2200m，抽水段長1000m，如此大的范圍內(nèi)僅每天抽取600m3地下水，而抽水段地層為富水地層，且地下水的補給充裕，因此地熱水開采不會引起地下水位發(fā)生明顯變化。

圖8 研究區(qū)等水位線橫剖面圖

圖9 研究區(qū)等水位線縱剖面圖

3.3 地熱水開采引起地面沉降可能性分析

ZK1孔每天抽水量不超過600m3，從大范圍來看其抽水量是非常小的，抽水地層為富水層，且通過F2斷層以及發(fā)育的巖溶裂隙通道均能夠為抽水地層提供充足的補給，因此地下水幾乎未發(fā)生明顯體積損失。因此，根據(jù)設計的地熱水開采位置及開采方案進行開采地下水，引起地面沉降的可能性極小[8- 10]。

3.4 水庫帷幕灌漿施工對鉆孔鉆進及地熱水開采影響分析

目前戈家寨水庫正處于施工階段，設計地熱水開采孔ZK1離右岸設計防滲灌漿帷幕最近僅約345m，而研究區(qū)為巖溶裂隙發(fā)育地層，若水庫施工進行防滲帷幕高壓灌漿，則漿液極有可能沿巖溶裂隙竄至ZK1處，在ZK1孔內(nèi)發(fā)生聚集和凝固，影響鉆孔正常鉆進或取水[11]。

根據(jù)ZK1設計方案，取水井上部鉆孔0～1200m用水泥和石油套管全孔封閉，而帷幕灌漿漿液通常無法到達地下1200m以下，因此只要嚴格按照設計方案施工，確保施工質(zhì)量，則水庫帷幕灌漿施工不會對ZK1孔鉆進或取水產(chǎn)生影響。

3.5 水庫蓄水阻斷地下熱水補給來源分析

研究區(qū)斷裂構(gòu)造及巖溶裂隙發(fā)育，地下水與地表水體存在緊密的水力聯(lián)系，水庫蓄水只是攔截了部分上游河流水體，其對周邊地下水的運動影響并不大，而地下水的補給來源補給范圍不僅大而且廣，再者地下水的抽取量極小。因此，地下熱水的補給來源不會受到水庫修建蓄水的影響。

4 結(jié)論

綜上所述，地熱抽水井ZK1處于水庫管理及保護范圍之外，符合相關(guān)法律法規(guī)及規(guī)范要求。若根據(jù)設計的開采位置及鉆孔封閉方案進行地熱水開采施工，地熱水開采與水庫修建蓄水之間不會存在明顯的相互影響。由于數(shù)值模擬所取參數(shù)是通過工程類比法獲得的，且模型進行了一定的概化，其數(shù)值模擬結(jié)果與實際將有一定的出入，其模擬結(jié)果僅作為工程實踐的參考。理論分析將研究對象理想化，而研究對象是極其復雜的，通過理論分析僅可對工程實踐的大體走向做出一定的預測。在項目實施過程中應對工程區(qū)進行實時監(jiān)測及有效管控，確保工程項目朝有利方向發(fā)展。