山間盆地雙層結(jié)構(gòu)地?zé)崽镔Y源計(jì)算方法探討

陳迎輝

（河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北張家口075000）

目前對(duì)山間盆地地?zé)崽锟砷_采量計(jì)算尚沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐中多根據(jù)情況采用均衡法、解析法、比擬法、開采試驗(yàn)法等多種方法確定，本文以冀西北某山間盆地地?zé)崽餅槔?，采用以多年?dòng)態(tài)觀測(cè)為依據(jù)的均衡法和解析法計(jì)算在熱流體可采資源量，對(duì)比分析，指出各自特點(diǎn)。

1 地?zé)崽锔艣r

冀西北某地?zé)崽镂挥谏介g盆地中，蔚縣－延慶深斷裂帶內(nèi)，有兩條北北東向斷裂通過，同時(shí)，還有三條北東東和兩條北西向斷裂呈棋盤狀交匯于此。從可控源電阻率剖面和淺層地溫異常分布情況分析，斷裂相交的位置出現(xiàn)明顯的低阻帶，是地?zé)崽餃\層水溫最高的區(qū)域，推測(cè)為深部熱水上涌的主要通道。熱水沿?cái)嗔焉嫌?，?duì)新生代孔隙含水層形成補(bǔ)給，并向四周擴(kuò)散，通過熱量交換導(dǎo)致一定范圍內(nèi)新生代孔隙含水層溫度升高，形成淺層的地?zé)岙惓^(qū)。

從地?zé)崽锏男纬珊蜔崴\(yùn)動(dòng)機(jī)理來看，熱田在深部和淺部分為兩種類型的熱儲(chǔ)。深部熱儲(chǔ)是大氣降水入滲地下，經(jīng)深循環(huán)到斷裂破碎帶的儲(chǔ)水空間中，或巖漿冷凝產(chǎn)生的原生水直接賦存在斷裂破碎帶形成的基巖裂隙型熱儲(chǔ)。淺部熱儲(chǔ)是深部熱儲(chǔ)中的熱水沿深大斷裂上涌到新生代地層，與冷水混合熱量交換，形成的淺部孔隙型熱儲(chǔ)。深部熱儲(chǔ)是淺部熱儲(chǔ)基礎(chǔ)和成因前提條件，是淺部熱儲(chǔ)熱量的來源，淺部熱儲(chǔ)是深部熱儲(chǔ)的熱能釋放通道和熱水排泄通道。

地?zé)崮Ｐ透呕畈繜醿?chǔ)埋深210～3000m，厚度2790m，面積約4.1km2，熱儲(chǔ)范圍內(nèi)中心區(qū)域推測(cè)熱儲(chǔ)溫度較高，面積0.6km2。淺部熱儲(chǔ)屬于層狀熱儲(chǔ)，埋深在35～210m，厚度175m， 依據(jù)水井測(cè)溫確定熱儲(chǔ)溫度，以25℃的水溫等值線作為淺部熱儲(chǔ)的邊界，面積約5.67km2。深部熱儲(chǔ)和淺部熱儲(chǔ)大部分重疊，二者相加后地?zé)崽锟偯娣e6.56km2。淺部熱儲(chǔ)上部包氣帶視為熱儲(chǔ)蓋層，厚度一般在20～50m 左右，主要受地形影響，熱田范圍內(nèi)變化大，平均厚度35m。

淺部熱儲(chǔ)按熱水區(qū)（＞60℃最高88℃）、溫?zé)崴畢^(qū)（40℃～60℃）和溫水區(qū)（25℃～40℃）分為3 個(gè)區(qū)，熱儲(chǔ)溫度分別按其平均值計(jì)算，即74℃、50℃和37.5℃。見表1。

表1 地?zé)崽餃\部熱儲(chǔ)分區(qū)面積溫度一覽表

因淺部熱儲(chǔ)埋藏較淺，不具備熱源條件，并非真正意義上的熱儲(chǔ)，是深部熱儲(chǔ)熱能和熱水釋放的通道，其熱能是由深部上涌熱水傳導(dǎo)至介質(zhì)儲(chǔ)存，深部熱儲(chǔ)和淺部熱儲(chǔ)的分層依據(jù)僅是基巖裂隙和孔隙含水層的區(qū)別，兩層熱儲(chǔ)的熱能來源均來自深部巖漿余熱或深層地?zé)嵩鰷?。淺部第四系包氣帶屬于熱儲(chǔ)蓋層，由于包氣帶不含水，熱傳導(dǎo)速率較小，對(duì)潛水含水層中地?zé)崴鸬奖刈饔?，包氣帶厚度隨地下水位升降而動(dòng)態(tài)變化。

2 淺部地?zé)崴畡?dòng)態(tài)

通過收集過去一些代表性地?zé)峋乃毁Y料，進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)熱田水位多年變化的總體趨勢(shì)。近40年來地?zé)崽餃\部熱儲(chǔ)的水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，熱田中心區(qū)水位累計(jì)下降10～16m，年均下降0.25～0.45m，熱田南部邊緣地區(qū)水位累計(jì)下降小于10m，年均下降約0.25m左右。同時(shí)期區(qū)域總體地下水位平均累計(jì)下降11.8m，年均下降約0.26m左右。淺部熱儲(chǔ)熱水水位下降值與年下降速率均與區(qū)域冷地下水水位下降值與年下降速率差別較小，認(rèn)為地?zé)崴_采對(duì)區(qū)域地下水流場(chǎng)未造成影響。

3 可采資源量資源計(jì)算方法與原則

地?zé)崽飳儆诘蜏氐責(zé)崽铮á?3）型，其特征為兼有層狀熱儲(chǔ)和帶狀熱儲(chǔ)特征，彼此存在成生關(guān)系，地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜。深部裂隙型熱儲(chǔ)計(jì)算深度達(dá)目前物探資源可以推測(cè)的3000m 深度，邊界以物探推斷邊界為依據(jù)；淺部熱儲(chǔ)按熱儲(chǔ)溫度≥25℃，作為地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的溫度下限，進(jìn)行地?zé)豳Y源/儲(chǔ)量計(jì)算，資源計(jì)算分區(qū)進(jìn)行，按溫水區(qū)（25℃≤t＜40℃）、溫?zé)崴畢^(qū)（40℃≤t＜60℃）和熱水區(qū)（t≥60℃）分別進(jìn)行計(jì)算。

以均衡法和解析法按不同溫度分區(qū)計(jì)算地?zé)豳Y源可開采量，兩者進(jìn)行對(duì)比分析。由于淺部熱儲(chǔ)能量來自于深層熱儲(chǔ)的地?zé)崴砍?，淺層熱儲(chǔ)研究程度高于深層熱儲(chǔ)，因此將淺層熱儲(chǔ)的可開采量作為地?zé)崽锏目砷_采量，以深層熱儲(chǔ)開采系數(shù)法計(jì)算的可開采量做對(duì)比分析。

淺部熱儲(chǔ)“均衡法”計(jì)算依據(jù)來源為兩熱田近期11年的開采量統(tǒng)計(jì)、水位水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，解析法單井出水量以計(jì)算區(qū)域內(nèi)各開采井開采降深25m平均出水量為計(jì)算單井出水量依據(jù)，以群孔抽水試驗(yàn)計(jì)算確定的合理井距，并依據(jù)現(xiàn)狀抽水試驗(yàn)平均井距乘以水位削減系數(shù)，綜合確定可開采計(jì)算井距，可布井面積是熱田面積扣除地?zé)嵋?guī)劃的禁止開采區(qū)范圍和大面積地表建筑區(qū)后的范圍面積。

4 主要計(jì)算參數(shù)

熱田淺部孔隙型熱儲(chǔ)計(jì)算面積按地表水井測(cè)溫繪制的25℃等溫線圈定范圍，總面積約為5.67km2，其中熱水區(qū)（≥60℃）面積0.33km2，最高溫度88℃，溫?zé)崴畢^(qū)（40℃≤t＜60℃）面積0.95km2，溫水區(qū)（25℃≤t＜40℃）面積4.39km2。在熱田外圍地?zé)岙惓^(qū)（15℃≤t＜25℃）區(qū)域面積是7.96km2。區(qū)域大于15℃地?zé)岙惓Ｃ娣e13.63km2，熱儲(chǔ)溫度取區(qū)域中間值，熱儲(chǔ)厚度的確定以鉆探錄井資料為主，結(jié)合物探資料、地形地貌等綜合確定熱儲(chǔ)厚度。后郝窯地?zé)崽锼缮⒑畬雍穸热≈?10m，蓋層厚度取值35m，即包氣帶厚度，為地下水位區(qū)域多年平均值，熱儲(chǔ)厚度取潛層水位以下潛水含水層厚度175m，見表2。

表2 后郝窯熱田淺部層狀熱儲(chǔ)分區(qū)面積厚度統(tǒng)計(jì)表

熱田有效布井系數(shù)取0.60，奚家堡熱田受地?zé)嵋?guī)劃限定的交通干線附近200m 范圍不允許開采地下水影響，取值0.35，取值均偏小，有利于提高資源量計(jì)算的可靠程度和保障程度。井田內(nèi)多井開采時(shí)會(huì)相互干擾，導(dǎo)致單井一定降深條件下出水量相比單獨(dú)抽水時(shí)少，根據(jù)本次干擾抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合前人研究資料，考慮熱田有效布井面積系數(shù)相對(duì)較小，井距較影響半徑要大，井群開采相系干擾程度相對(duì)減少的前提條件，綜合確定在設(shè)定降深條件下，熱田井群干擾系數(shù)為0.82，即出水量減少18%。

淺部熱儲(chǔ)屬于層狀潛水含水層，單井最大允許降深取產(chǎn)能試驗(yàn)穩(wěn)定降深數(shù)據(jù)和熱田范圍內(nèi)調(diào)查穩(wěn)定降深，在綜合統(tǒng)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，降深數(shù)據(jù)值取0.75的安全保障系數(shù)，綜合確定熱田30m。最大允許降深數(shù)據(jù)是經(jīng)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，證明經(jīng)濟(jì)可行的，可以達(dá)到的，并且調(diào)查熱田內(nèi)其它地?zé)峋淖畲蠼瞪钅壳斑_(dá)到或超過這個(gè)數(shù)據(jù)。熱田有效孔隙度取值3%。

5 可采資源量計(jì)算

地?zé)豳Y源的熱能最終要以開采地?zé)崴畞韺?shí)現(xiàn)，所利用的地?zé)崮苤荒苁情_采地?zé)崴鶐С龅哪遣糠譄崃俊Ｓ?jì)算地?zé)豳Y源可開采量主要是計(jì)算地?zé)崴目砷_采量及其可利用的熱量熱田均具有一定的開采歷史，積累了一些開采量和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，并有產(chǎn)能試驗(yàn)資料，因此，采用“均衡法”和“解析法”計(jì)算淺層熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源可開采量，對(duì)兩種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，選用可靠程度高計(jì)算依據(jù)更充分保障程度高的計(jì)算結(jié)果作為地?zé)崃黧w可開采量。熱田為深淺兩層熱儲(chǔ)的雙層結(jié)構(gòu)，淺部熱儲(chǔ)并非嚴(yán)格意義上的熱儲(chǔ)，淺層熱儲(chǔ)的地?zé)崃黧w來源于深層熱儲(chǔ)斷裂破碎帶或與深層地?zé)崃黧w熱量交換升溫的冷地下水，其補(bǔ)給源是周邊山區(qū)的大氣降水，經(jīng)深部加熱，溶解大量礦物質(zhì)后，在壓力作用下，上涌至松散含水層，與常溫地下水混合，逐漸降溫、開采。目前條件下僅開采淺層熱儲(chǔ)地?zé)崴?，所以淺層熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w可開采量即為熱田地?zé)崃黧w可開采量，同時(shí)采用“開采系數(shù)法”計(jì)算深部熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w可開采量，用來對(duì)比分析熱田地?zé)崃黧w可開采量。

（1）解析法。采用解析法計(jì)算設(shè)計(jì)條件下的單井出水量，以平均布井法計(jì)算出熱田可布井?dāng)?shù)，可開采井出水量總和即為熱田可開采量。

淺層熱儲(chǔ)的地?zé)崽锲骄鶟B透系數(shù)3.75m/d，綜合平均單位涌水量為31.25m3/（d·m）。計(jì)算可開采量降深為淺部熱儲(chǔ)含水層厚度175m 的1/4，并設(shè)定約0.68 的保留安全系數(shù)，結(jié)合調(diào)查熱田地?zé)崽镩_采降深范圍，進(jìn)行對(duì)比，綜合確定設(shè)計(jì)開采降深30m。熱田內(nèi)綜合確定開采降深30m 最大影響半徑280m。根據(jù)地?zé)崽锏孛娌季趾鸵延泄こ?，結(jié)合最新地?zé)崴Ｗo(hù)與開發(fā)利用規(guī)劃，綜合確定有效布井面積系數(shù)0.6，井群開采干擾系數(shù)0.82，地?zé)崽锇撮_采100年計(jì)算。

通過計(jì)算，熱田面積5.67km2范圍內(nèi)可布井10.85眼，設(shè)計(jì)降深30m，井群開采時(shí)考慮井群干擾系數(shù)條件下，單井出水量768.75m3/d，即32.03m3/h，熱田內(nèi)年開采總量為304.43×104m3，即8340.80m3/d，單位面積開采強(qiáng)度 53.69×104m3/（a·km2），即1471.04m3/（d·km2），各地?zé)岱謪^(qū)開采量見表3。

表3 后郝窯熱田解析法計(jì)算地?zé)崃黧w可開采量分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

（2）均衡法。均衡法或稱排泄量法，亦即在補(bǔ)排基本均衡、水位基本保持穩(wěn)定的狀態(tài)下的可開采量，按現(xiàn)狀地?zé)崽锼槐３址€(wěn)定狀態(tài)下開采量統(tǒng)計(jì)法即屬于均衡法，或稱熱平衡法，但需說明的均衡條件是現(xiàn)狀開采狀態(tài)下水位基本維持穩(wěn)定。

根據(jù)地?zé)崽锏刭|(zhì)條件的地?zé)崃黧w動(dòng)態(tài)變化特征，動(dòng)態(tài)分析綜合研究認(rèn)為近階段11年的現(xiàn)狀開采狀態(tài)下水位基本維持穩(wěn)定，水溫基本穩(wěn)定，熱田范圍和空間形態(tài)保持基本穩(wěn)定，認(rèn)為多年地?zé)崽镩_采未超過補(bǔ)給量。

在地?zé)崽锒嗄暄a(bǔ)排基本前提條件下，參照歷史開采量、水位、水溫動(dòng)態(tài)變化對(duì)比，在小于平均開采量條件下，熱田地下水位、水溫呈上升狀態(tài)，分析認(rèn)為，在小于平均開采量條件下，地下熱水補(bǔ)給量大于開采量，在小于多年平均開采量條件下，開采量越小，地下水位水溫上升幅度越大。考慮到區(qū)域地下水流場(chǎng)多年呈下降趨勢(shì)的現(xiàn)狀，同時(shí)考慮水溫有下降趨勢(shì)，本次均衡法可開采量計(jì)算將近期11年地下水開采量統(tǒng)計(jì)的最小值作為熱田可開采量數(shù)據(jù)，可開采量保障程度高，資源計(jì)算可靠。

熱 田 2009～2019 年 11 年 期 間 在（236.70～310.38）×104m3/a 之間，平均276.43×104m3/a，基本保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間。水溫在72.0℃～74.1℃之間，變幅2.1℃，平均73.4℃。地下水位471.11～475.55m之間，變幅4.44m，平均473.03m。2019年開采量236.70×104m3為統(tǒng)計(jì)11 年期間的最小值，因此將236.70×104m3/a 即6484.93m3/d，作為熱田均衡法計(jì)算確認(rèn)為地?zé)崃黧w可開采量。

解析法和均衡法資源儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果見表4。解析法計(jì)算熱田地?zé)崃黧w可開采量要比均衡法多67.73×104m3/a；多出約29%。解析法相比均衡法還存在如下問題：

以均衡法計(jì)算熱田236.70×104m3/a即6484.93m3/d，作為地?zé)崃黧w可開采量。

6 結(jié)論

表4 解析法和均衡法資源儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

（1）解析法各地?zé)岱謪^(qū)開采量是按熱田平均開采強(qiáng)度來計(jì)算的，沒有均衡法在人為選擇性傾向情況下，溫度高的多開采，溫度低的少開采，地?zé)崮芰坷眯瘦^低；

（2）解析法未考慮水均衡條件，即未考慮開采量是否大于補(bǔ)給量，長(zhǎng)期開采可能造成地下水位下降；也未考慮熱平衡，開采熱量如果大于深層熱水涌出帶來的熱量，長(zhǎng)期開采可能造成水溫降低；

（3）解析法未經(jīng)開采驗(yàn)證，只是通過數(shù)學(xué)計(jì)算得出的可開采量，未經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，也未經(jīng)長(zhǎng)期開采驗(yàn)證，保障程度和可靠性較低；

（4）解析法計(jì)算結(jié)果比均衡多出約29%，在同一地區(qū)，解析法的保障程度要低于均衡法；

（5）均衡法計(jì)算的可開采量是從長(zhǎng)系列開采量中選擇了保障程度最高的長(zhǎng)系列最低開采量作為可開采量，保障程度高；在人為選擇性影響下，熱田熱水區(qū)（t≥60℃）的開采強(qiáng)度是溫水區(qū)（25℃≤t＜40℃）的3.3倍，地?zé)崂眯矢撸婚_采歷史時(shí)期，最低開采量條件下，水位水溫均呈上升趨勢(shì)，說明深層熱水補(bǔ)給量和補(bǔ)給能量均大于開采量，呈正均衡狀態(tài)，可保證長(zhǎng)期開采；均衡法可開采量經(jīng)長(zhǎng)期驗(yàn)證，開采能力沒有問題；可開采總量相比解析法低，保障程度更高。