鄭州市主城區(qū)與東部新城區(qū)地?zé)豳Y源數(shù)值模擬研究

王 寬,周明澤,張一博,馬孟科

(1.河南省地質(zhì)局地質(zhì)災(zāi)害防治中心,河南 鄭州 450045;2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(豫北地?zé)崮芮鍧嵞茉囱芯?,河南 鄭州 450045)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng),能源需求方面也不斷加大,人均能源消耗量在增加,但是要求碳排放量要大幅降低。這就要求清潔能源發(fā)揮強(qiáng)大作用,亟須能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。地?zé)崮苜Y源是清潔環(huán)保的新型可再生能源,在我國(guó)未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要作用[1-3]。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展,資源與環(huán)境矛盾日趨突出,地?zé)崆鍧嵞茉吹拈_發(fā)利用越來越得到國(guó)家和社會(huì)的重視,依托深部地?zé)峁┡夹g(shù)擴(kuò)大地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用規(guī)模也成為節(jié)能減排、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減少空氣污染、提高人民生活品位的重要措施之一[4-7]。

鄭州市以往開展的地?zé)豳Y源勘查評(píng)價(jià)工作雖然取得了比較豐富的成果,但大多數(shù)僅停留在地?zé)岬刭|(zhì)研究及資源評(píng)價(jià)層面,在地?zé)豳Y源勘查手段、開采工藝、開發(fā)利用研究方面較少。總體上鄭州市地?zé)衢_發(fā)利用缺乏科學(xué)的規(guī)劃指導(dǎo),導(dǎo)致部分地區(qū)開采分布集中,而開采量也沒有經(jīng)過科學(xué)規(guī)劃,開采后不進(jìn)行地下水的補(bǔ)充,最終造成地下熱水資源水位和水溫下降,影響開采后的收益,同時(shí)也破壞了資源存在的環(huán)境,影響了資源的可持續(xù)利用。

本文選取鄭州市主城區(qū)及東部新城區(qū)為研究對(duì)象,建立地下水熱耦合數(shù)值模擬模型,將地?zé)豳Y源開采對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入研究,并為合理的開采回灌井提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 地?zé)岬刭|(zhì)條件

1.1 地?zé)嵯到y(tǒng)分區(qū)

本次研究區(qū)地?zé)犷愋椭饕獎(jiǎng)澐譃?類,呈層狀分布的盆地型地?zé)峒爸饕軘嗔褬?gòu)造控制呈帶狀分布地?zé)??；谘芯繀^(qū)構(gòu)造特征,將研究區(qū)劃分為3個(gè)地?zé)釁^(qū):鄭州斷階地?zé)釁^(qū)、中牟凹陷地?zé)釁^(qū)和嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū)(圖1)。

圖1 地?zé)嵯到y(tǒng)分區(qū)Fig.1 Geothermal system zoning map

1.2 地溫場(chǎng)特征

(1)地溫梯度分布規(guī)律。根據(jù)研究區(qū)地?zé)峋{(diào)查資料,地溫梯度變化范圍2.54～4.87 ℃/hm,大部分地區(qū)地溫梯度2.5～3.5 ℃/hm,局部存在地溫異常。主城區(qū)平均地溫梯度3.07 ℃/hm,東部新城區(qū)平均地溫梯度3.27 ℃/hm。

(2)熱儲(chǔ)溫度分布規(guī)律。以計(jì)算所得新生界地溫梯度為基礎(chǔ),結(jié)合不同地層埋深分別計(jì)算了埋深1 500、2 000 m處的地溫和新近系明化鎮(zhèn)和館陶組底板埋深的地溫。1 500 m埋深地溫變化范圍50～78 ℃。其中,鄭州斷階地?zé)釁^(qū)溫度在50～60 ℃,開封凹陷地?zé)釁^(qū)溫度在60～68 ℃,嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū)溫度在55～78 ℃。2 000 m埋深地溫變化范圍60～94 ℃。其中,鄭州斷階地?zé)釁^(qū)溫度在60～75 ℃,開封凹陷地?zé)釁^(qū)溫度在75～85 ℃,嵩箕臺(tái)隆地?zé)釁^(qū)溫度在66～94 ℃。新近系明化鎮(zhèn)底板埋深的地溫整體從西向東北逐漸增加,變化范圍30～68 ℃。其中,鄭州斷階地?zé)釁^(qū)溫度在30～50 ℃,開封凹陷地?zé)釁^(qū)溫度在50～68 ℃。新近系明化鎮(zhèn)和館陶組底板埋深的地溫整體從西向東北逐漸增加,變化范圍50～100 ℃。其中,鄭州斷階地?zé)釁^(qū)的溫度在50～70 ℃,開封凹陷地?zé)釁^(qū)溫度在70～100 ℃。

1.3 熱儲(chǔ)特征及埋藏條件

(1)新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層。新近系明化鎮(zhèn)組(N2m)熱儲(chǔ)層分布于工作區(qū)尖崗斷層以北大部地區(qū),主要分布在鄭州斷階地?zé)釁^(qū)和中牟凹陷地?zé)釁^(qū)內(nèi)。頂板埋深160～380 m。底板埋深自西南向東北逐漸加深,鄭州斷階底板埋深一般在400～1 200 m,中牟凹陷底板埋深一般在1 100～1 800 m。含水層以中細(xì)砂為主,共有10余層,下部微膠結(jié),屬于半固結(jié)碎屑巖類孔隙裂隙含水層組,總厚度56～744 m,平均厚308 m。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔統(tǒng)計(jì),砂層厚度比平均46%左右。該儲(chǔ)層大部分地區(qū)地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量大于50 m3/(d·m),為產(chǎn)流能力強(qiáng)區(qū);鄭州市西北部石佛一帶—河南省經(jīng)貿(mào)委一帶、鄭州工程機(jī)械廠—省送變電公司—鄭州市南郊五里堡村—香水皇宮假日酒店一帶產(chǎn)流能力中等,單位產(chǎn)量5～50 m3/(d·m);河南省華墾實(shí)業(yè)公司一帶地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量弱,小于5 m3/(d·m)。該儲(chǔ)層水溫一般為25～40 ℃,為溫水儲(chǔ)層。

(2)新近系館陶組熱儲(chǔ)層。新近系館陶組(N1g)熱儲(chǔ)層分布受老鴉陳斷層控制,主要分布在鄭州斷階和中牟凹陷內(nèi)。其頂板埋深大于800 m,底板埋深自西南鄭州斷階向東北中牟凹陷逐漸加深,鄭州斷階底板埋深一般在800～2 000 m,中牟凹陷底板埋深一般在1 300～2 800 m。熱儲(chǔ)層巖性下段為棕紅、棕色半膠結(jié)泥巖與細(xì)中砂、中砂互層;中段為棕紅、棕黃色半膠結(jié)泥巖與灰黃、灰白、黃白色中砂、中粗砂互層;上段為灰綠、灰棕、棕紅色半膠結(jié)泥巖夾黃白色細(xì)砂、中砂,厚200～1 000 m。儲(chǔ)水介質(zhì)為半膠結(jié)的細(xì)砂、中細(xì)砂、砂礫石,下部微膠結(jié),屬于半固結(jié)碎屑巖類孔隙裂隙含水層組,分為8～10層,總厚度50～173 m,平均厚112 m。據(jù)區(qū)內(nèi)鉆孔統(tǒng)計(jì),砂層厚度比平均42%左右。地?zé)岙a(chǎn)流能力大部分地區(qū)為中等,地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量5～50 m3/(d·m)。在省老干部活動(dòng)中心—鄭東新區(qū)馨悅苑小區(qū)一帶產(chǎn)流能落弱,地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量小于5 m3/(d·m);市區(qū)北部柳林村委會(huì)一帶產(chǎn)流能力強(qiáng),地?zé)峋責(zé)崃黧w單位產(chǎn)量大于50 m3/(d·m)。

2 地下水熱耦合數(shù)值模擬

運(yùn)用TOUGH2—EOS1模塊建立鄭州市主城區(qū)和東部新城區(qū)地下水熱耦合數(shù)值模擬模型,根據(jù)現(xiàn)狀條件下的地下水熱信息資料對(duì)模型進(jìn)行擬合驗(yàn)證,確保模型的可靠性[8-10],最后對(duì)模型重要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

2.1 數(shù)值模型

(1)初始?jí)毫?chǎng)、溫度場(chǎng)。模型Ⅰ:模型設(shè)為穩(wěn)定流,初始?jí)毫?chǎng)—由于TOUGH模型計(jì)算采用地下水流體壓力數(shù)據(jù),則在計(jì)算過程中,根據(jù)初始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的鉆孔中的水位觀測(cè)資料,將地下水位換算位熱儲(chǔ)層壓力值為模型賦值壓力場(chǎng)。系統(tǒng)的初始?jí)毫Ψ植纪ǔＳ芍亓ζ胶獯_定:①通過插值得出重力平衡的初始計(jì)算條件;②對(duì)定水頭網(wǎng)格塊設(shè)定fixed state作為定壓條件;③模擬長(zhǎng)時(shí)間直至穩(wěn)定,得到重力平衡下初始?jí)毫Ψ植?。模型初始流?chǎng)如圖2所示。

圖2 模型初始流場(chǎng)Fig.2 Initial flow field of model

初始溫度場(chǎng)—根據(jù)研究區(qū)地溫場(chǎng)特征,確定恒溫帶深度27 m,恒溫帶溫度17 ℃,地溫梯度根據(jù)地?zé)崮苜x存條件,參考研究區(qū)地溫梯度取3 ℃/hm,為增溫帶溫度場(chǎng)進(jìn)行賦值,地層溫度計(jì)算如式(1)。

T1=T0+(S1-S0)×G/100

(1)

式中,T1為計(jì)算深度地溫;T0為恒溫帶溫度;S1為計(jì)算深度;S0為恒溫帶深度;G為地溫梯度。

模型Ⅱ:上述初始模型運(yùn)行穩(wěn)定,將運(yùn)行結(jié)果作為下階段模型的初始條件。模型初始流場(chǎng)如圖3所示。

圖3 模型初始溫度場(chǎng)Fig.2 Initial heat field of model

(2)邊界條件。水平方向上,東、西邊界處理為流量邊界,其中西邊界為流入邊界,東邊界為流出邊界,利用鄭州市新近系熱儲(chǔ)層等水位線圖,計(jì)算出模擬區(qū)的水力梯度大約為1/1 000,流入流出量通過達(dá)西定律計(jì)算得到;南北邊界處理為隔水邊界。

2.2 參數(shù)選取及分區(qū)

(1)水文地質(zhì)參數(shù)及熱物性參數(shù)。水文地質(zhì)參數(shù)及熱儲(chǔ)物理性質(zhì)參數(shù)包括:巖石密度、孔隙度、比熱和熱導(dǎo)率等。

本次工作根據(jù)各熱儲(chǔ)的埋藏分布和控?zé)針?gòu)造分布特征,結(jié)合收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理得到。

其中巖石密度、孔隙度參考鉆孔巖性取樣檢測(cè)報(bào)告,滲透率參考工作區(qū)鉆孔滲透試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到,研究區(qū)參數(shù)分區(qū)設(shè)置及參數(shù)值見表1、表2。

表1 研究區(qū)參數(shù)分層設(shè)置及參數(shù)值(熱儲(chǔ)Nm)Tab.1 Hierarchical setting and parameter value of research area(thermal storage Nm)

表2 研究區(qū)參數(shù)分層設(shè)置及參數(shù)值(熱儲(chǔ)Ng)Tab.2 Hierarchical setting and parameter value of research area(thermal storage Ng)

(2)大地?zé)崃髦?。是地球?nèi)熱在地表唯一可以量測(cè)的物理量,比其他地?zé)釁?shù)更能確切地反映某個(gè)地區(qū)地溫場(chǎng)的特點(diǎn)。其計(jì)算公式為:

q=-100Kr(dT/dz)

(2)

式中,q為大地?zé)崃?通?？s寫為HFU(Heat Flow Unit);Kr為巖石導(dǎo)熱率;dT/dz為地溫梯度。

2.3 模型識(shí)別驗(yàn)證

2.3.1 地下水位識(shí)別驗(yàn)證

本次模型選取收集到研究區(qū)部分觀測(cè)井平均水位和長(zhǎng)期水位監(jiān)測(cè)鉆孔G4、G6、G7及地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)站CR306的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證。經(jīng)模擬調(diào)參運(yùn)行,擬合結(jié)果顯示見表3,觀測(cè)井的實(shí)測(cè)平均水位與模擬水位誤差符合地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)規(guī)范中要求,擬合結(jié)果較為理想,模擬結(jié)果可以反映地下水流場(chǎng)特征,可用于解釋地下水流動(dòng)模式。

表3 模擬水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比Tab.3 Comparison between simulated water level and measured water level

2.3.2 地下水溫度場(chǎng)識(shí)別驗(yàn)證

根據(jù)研究區(qū)地?zé)峋疁囟缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本次模擬假設(shè)模擬期內(nèi)各地?zé)峋疁囟缺３植蛔儭ｃ@孔溫度擬合曲線如圖4所示,誤差符合地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)相關(guān)規(guī)范的要求。研究區(qū)深層地溫場(chǎng)溫度隨熱儲(chǔ)層埋深增加而相應(yīng)升高,模擬地下水溫度場(chǎng)符合實(shí)際情況。

圖4 鉆孔溫度實(shí)測(cè)、模擬結(jié)果對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curve between measured and simulated borehole temperature

2.4 均衡分析

模型現(xiàn)狀開采條件下水均衡見表4。模型總補(bǔ)給量為38.1萬m3,總排泄項(xiàng)量為180.7萬m3,均衡差為-142.6萬m3。鄭州市現(xiàn)狀開采條件下地下熱水主要排泄項(xiàng)為人工開采,歷來多為飲用、洗浴等生活用水以及供暖期取暖用水,供暖井大部分雖配有回灌井,但受回灌量與回灌技術(shù)限制,地?zé)嵛菜毓啾壤^小,研究區(qū)熱儲(chǔ)層地下水系統(tǒng)仍為負(fù)均衡狀態(tài),地下水位有持續(xù)降低的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 水均衡Tab.4 Water balance

3 采灌模擬分析

綜合鄭州市地?zé)豳Y源發(fā)展規(guī)劃及研究區(qū)地質(zhì)勘察相關(guān)資料,分別對(duì)鄭州市館陶組及明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層進(jìn)行采灌方案設(shè)計(jì)并模擬分析不同方案對(duì)地下水位及溫度的影響規(guī)律,最后對(duì)模型重要參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析[11-14]。

3.1 館陶組模擬

3.1.1 館陶組模擬工況方案設(shè)計(jì)

由于本次模型較大,為了更具體、更清晰分析地下熱水抽回灌模擬的水位及溫度變化規(guī)律,以建立的模型為基礎(chǔ),選取東部新城區(qū)館陶組熱儲(chǔ)層作為地?zé)峋牟晒辔恢脕碓O(shè)計(jì)不同模擬工況方案,小模型邊長(zhǎng)為5 km×5 km,底板標(biāo)高為-2 200 m,館陶組熱儲(chǔ)層開采位置為-1 300～ -2 200 m。以館陶組熱儲(chǔ)層在“一抽一灌”及“一抽兩灌”的不同采灌方式下,地?zé)峋_采及回灌只發(fā)生在一個(gè)供暖周期內(nèi)(供暖120 d),剩余時(shí)間用于恢復(fù)水位及含水層熱量,地?zé)峋晒嘞到y(tǒng)設(shè)計(jì)工作年限為30年,開采量及回灌量為60 m3/h,回灌井的回灌溫度為15 ℃情況下,共設(shè)計(jì)模擬6種工況,見表5,分析采灌系統(tǒng)運(yùn)行30年不發(fā)生熱突破的合理井間距及回灌方式,并分析不同工況條件對(duì)采灌井水位及溫度場(chǎng)的影響。

表5 模擬工況匯總Tab.5 Summary of simulated working conditions

3.1.2 館陶組模擬結(jié)果分析

(1)熱均衡分析。模型整體源匯項(xiàng)包含側(cè)向水流的補(bǔ)給與排泄以及開采井的開采與回灌井的回灌,由于模擬工況均為100%回灌模擬,而側(cè)向的補(bǔ)給與排泄量大致相等,故模型地下水流系統(tǒng)相對(duì)均衡。通過對(duì)模型熱量結(jié)果文件整理分析,總體補(bǔ)給熱量為2.03×1015J,側(cè)向排泄熱量?jī)H為3.09×1012J,大地?zé)崃鳛橹饕獰醿?chǔ)補(bǔ)給來源,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究,當(dāng)熱儲(chǔ)層深度越深,大地傳導(dǎo)熱流的補(bǔ)給越顯著,地?zé)峋臏囟壬咭簿驮矫黠@,所以溫度隨地?zé)峋疃鹊脑黾佣饾u升高。開采井開采的熱量與模型側(cè)向排泄及頂部向周圍巖石傳遞熱量為主要熱量輸出渠道。

(2)“開采井、回灌井”“熱突破”模擬分析。館陶組熱儲(chǔ)層各工況的模擬情況如圖5所示(紅色為回灌井,藍(lán)色為開采井),各模擬工況供暖期末開采井溫度變化情況如圖6所示。在地?zé)峋\(yùn)行期受回灌井回灌溫度的影響,開采井溫度會(huì)出現(xiàn)一定程度降低,發(fā)生熱突破現(xiàn)象,開采井溫度變化幅度受采灌井系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、不同的回灌溫度以及研究區(qū)水文地質(zhì)條件影響,結(jié)合本次研究?jī)?nèi)容以開采井的溫度下降 0.3 ℃作為形成熱突破的標(biāo)準(zhǔn)。由于熱對(duì)流擴(kuò)散現(xiàn)象,等溫線主要分布在回灌井附近,沿地下水流向開采井方向擴(kuò)展。“一抽一灌”工況下,采灌井間距150 m時(shí)在24年左右發(fā)生熱突破,運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.5 ℃,采灌井間距200、250 m時(shí)均未發(fā)生熱突破;“一抽兩灌”工況下,采灌井間距150 m時(shí)運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.3 ℃,采灌井間距200、250 m時(shí)均未發(fā)生熱突破。

圖5 各工況條件下溫度影響范圍Fig.5 Temperature influence range under various working conditions

圖6 各工況供暖期末開采井溫度變化Fig.6 Temperature change of mining well at the end of heating period under various working conditions

3.1.3 采灌方案結(jié)果影響分析

根據(jù)模擬分析結(jié)果,進(jìn)一步對(duì)井間距為150、200 m的模擬工況進(jìn)行分析,對(duì)比其“一抽一灌”及“一抽兩灌”條件下采灌區(qū)的滲流場(chǎng)及溫度場(chǎng)變化情況,通過對(duì)比水位及溫度的差異來探討不同回灌方式及井間距對(duì)滲流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響。

150、200 m井間距“一抽一灌”、“一抽兩灌”條件下供暖期末采灌區(qū)地下水位如圖7所示。由圖7可知,在采灌方式一致時(shí),隨著井間距增大,熱儲(chǔ)層供暖期末回灌井處水位呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),開采井中心處的水位降深及水位漏斗面積增大。在井間距一致時(shí),“一抽兩灌”相較于“一抽一灌”條件下,熱儲(chǔ)層供暖期末回灌井與開采井中心處的水位及漏斗面積影響呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖7 館陶組供暖期末采灌區(qū)地下水位Fig.7 Groundwater level in the irrigation area at the end of heating period of Guantao Group

綜上分析可知,本次模擬方案的地?zé)峋_采及回灌只發(fā)生在一個(gè)供暖周期內(nèi)(供暖120 d),地?zé)峋晒嘞到y(tǒng)設(shè)計(jì)工作年限為30年,地?zé)峋_采量及回灌量為60 m3/h,回灌井回灌溫度為15 ℃,在防止開采井發(fā)生熱突破的前提下,館陶組熱儲(chǔ)層“一抽一灌”工況方案采灌井的合理井間距的下限為200 m,“一抽兩灌”工況方案采灌井合理井間距的下限為150 m。

3.2 明化鎮(zhèn)組模擬

3.2.1 明化鎮(zhèn)組模擬工況方案設(shè)計(jì)

選取主城區(qū)明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層作為地?zé)峋牟晒辔恢脕碓O(shè)計(jì)不同模擬工況方案,在模型回灌試驗(yàn)?zāi)M中對(duì)采灌井位置處進(jìn)行了網(wǎng)格加密,小模型邊長(zhǎng)為4 km×4 km,底板標(biāo)高-620 m,館陶組熱儲(chǔ)層開采位置為-200～ -600 m。以館陶組熱儲(chǔ)層在“一抽一灌”及“一抽兩灌”的不同采灌方式下,地?zé)峋_采及回灌僅在供暖期內(nèi)進(jìn)行(供暖時(shí)間為120 d),剩余時(shí)間用于恢復(fù)地?zé)峋乃患昂畬訜崃?地?zé)峋晒嘞到y(tǒng)設(shè)計(jì)工作年限為30年,開采量及回灌量均為60 m3/h,回灌井的回灌溫度為15 ℃,設(shè)計(jì)不同模擬方案,分析采灌系統(tǒng)運(yùn)行30年不發(fā)生熱突破的合理井間距及回灌方式,并分析不同工況條件對(duì)采灌井水位及溫度場(chǎng)的影響。

3.2.2 明化鎮(zhèn)組模擬結(jié)果分析

(1)采灌井“熱突破”模擬分析。本次研究明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層模擬以開采井的溫度下降 0.3 ℃作為形成熱突破的標(biāo)準(zhǔn)?！耙怀橐还唷惫r下,采灌井間距150 m時(shí)在22年左右發(fā)生熱突破,運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.9 ℃,采灌井間距200 m運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.16 ℃,采灌井間距250 m運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.03 ℃,均未發(fā)生熱突破;“一抽兩灌”工況下,采灌井間距150 m時(shí)運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.35 ℃,采灌井間距200 m運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.05 ℃,采灌井間距250 m運(yùn)行30年后開采井溫度下降約0.02 ℃,均未發(fā)生熱突破。

(2)采灌方案結(jié)果影響分析。將不同模擬工況進(jìn)行研究分析,并對(duì)比“一抽一灌”及“一抽兩灌”條件下采灌區(qū)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)變化情況,通過討論分析水位及溫度的差異進(jìn)而研究不同回灌方式及井間距對(duì)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響。供暖期末采灌區(qū)地下水位如圖8所示。

圖8 明化鎮(zhèn)組供暖期末采灌區(qū)地下水位Fig.8 Groundwater level in the irrigation area at the end of heating period of Minghua Town Group

從圖8可以看出,明化鎮(zhèn)組采灌模擬與館陶組采灌模擬水位變化規(guī)律一致,隨著井間距增大,熱儲(chǔ)層供暖期末回灌井處水位呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),開采井中心處的水位降深及漏斗面積增大。在井間距一致時(shí),“一抽兩灌”相較于“一抽一灌”條件下,熱儲(chǔ)層供暖期末回灌井水位與開采井中心處的水位降落漏斗面積影響呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),開采井發(fā)生熱突破風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)減小。由于明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層滲透率略高于館陶組熱儲(chǔ)層,因此明化鎮(zhèn)組水位變化大于館陶組。

綜上分析可知,明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層在防止開采井發(fā)生熱突破的前提下,“一抽一灌”工況方案采灌井的合理井間距的下限為250 m,“一抽兩灌”工況方案采灌井合理井間距的下限為200 m,在實(shí)際工程中,選用“一抽兩灌”開采方式可有效減少開采井中水位降深,減小降落漏斗面積,并且對(duì)地下水位及地下溫度場(chǎng)影響更小。

3.3 參數(shù)敏感性分析

3.3.1 敏感性分析方法

為了研究各參數(shù)對(duì)含水層溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及最佳采灌方案的影響程度,本節(jié)在前文地下水熱耦合模型的基礎(chǔ)上,以井間距200 m、“一抽一灌”的采灌方案為例,選取滲透率、巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)以及不同回灌溫度作為研究參數(shù),以采灌井水位與開采井溫度作為本次敏感性分析的模型輸出結(jié)果進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。敏感度指數(shù)由式(3)確定:

(3)

式中,L為敏感度指數(shù);ak為目標(biāo)參數(shù);m為分析組數(shù);yi為分析結(jié)果。

3.3.2 敏感性分析結(jié)果

(1)滲透率(k)及巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)(λ)。各參數(shù)增大50%及減小50%情況下的溫度場(chǎng)影響范圍如圖9所示。由圖9可知,滲透率及巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)的變化引起的采灌井整體溫度影響范圍變化不大;其中,巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)減小50%,模型運(yùn)行30年后,回灌井處的圓形低溫區(qū)面積有所增加,溫度影響范圍增大,開采井溫度較參數(shù)不變時(shí)下降約0.035 ℃,巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)增加50%時(shí),模型運(yùn)行30年后,回灌井處圓形低溫區(qū)面積也相應(yīng)減小,開采井溫度較參數(shù)不變時(shí)上升約0.02 ℃;而滲透率的變化對(duì)采灌井的溫度無明顯影響。

圖9 參數(shù)不同變幅下回灌溫度影響范圍Fig.9 Influence range of reinjection temperature under different parameter amplitudes

各參數(shù)不同變幅情況下采灌井水位統(tǒng)計(jì)見表6。由表6可知,巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)采灌區(qū)的水位影響較小,而滲透率改變?cè)斐刹晒嗑挥幸欢ㄗ兎?/p>

表6 各參數(shù)不同變幅情況下采灌井中心水位Tab.6 Central water level of production and irrigation well under different amplitude of parameters

滲透率減小50%時(shí),供暖期末回灌井中心水位較參數(shù)不變時(shí)上升1 m,水位上升區(qū)面積也有所增大,開采井中心水位較參數(shù)不變時(shí)降低0.5 m,且水位降落漏斗面積也相應(yīng)增大;滲透率增加50%時(shí),供暖期末回灌井中心水位較參數(shù)不變時(shí)降低0.34 m,水位上升面積也有所減小,開采井中心水位較參數(shù)不變時(shí)水位上升0.15 m,水位降落漏斗面積相應(yīng)減小。

將不同滲透率K條件下采灌井水位變化展示如圖10所示,由此分析可知隨著滲透率的增大,開采井水位下降趨勢(shì)逐漸增加,回灌井水位上升面積逐漸減小。

圖10 供暖期末不同滲透率下采灌井間剖面線水位對(duì)比Fig.10 Comparison of profile water level between production and irrigation wells under different permeability at the end of heating period

(2)回灌溫度。在實(shí)際工程中,地?zé)崴毓鄿囟雀鶕?jù)地?zé)崴们闆r以及不同季節(jié)溫度會(huì)有所不同,確定不同的回灌溫度對(duì)采灌系統(tǒng)影響尤為重要,常見地?zé)嵛菜毓鄿囟仍?0～50 ℃,冬季回灌溫度低,夏季回灌溫度高,因此模擬選取井間距200 m“一抽一灌”模擬工況,將模型的回灌溫度由初始的15 ℃分別調(diào)整設(shè)置為30、45 ℃進(jìn)行模擬,其余參數(shù)保持不變,分析得出不同回灌溫度對(duì)采灌井的水位、溫度場(chǎng)的影響范圍。不同回灌溫度下回灌井溫度影響范圍如圖11所示。

圖11 不同回灌溫度下回灌井溫度影響范圍Fig.11 Influence range of reinjection well temperature under different reinjection temperatures

在不同回灌溫度下,分別在回灌井處形成以15、30、45 ℃為中心的圓形低溫回灌區(qū),隨著回灌溫度的增加,中部低溫區(qū)影響范圍減小,200 m井間距范圍、3種回灌溫度條件下均未發(fā)生熱突破,回灌溫度15 ℃與30 ℃時(shí)開采井溫度幾乎無變化,回灌溫度45 ℃時(shí),開采井溫度略微升高。這表明,回灌溫度越高,越不容易造成抽水井發(fā)生熱突破,因此所需的井間距也相應(yīng)越小,原因在于,回灌水溫度越高,同時(shí)經(jīng)過熱儲(chǔ)層圍巖的熱補(bǔ)給,回灌水的溫度上升就相應(yīng)越快,低溫回灌水對(duì)開采井的影響時(shí)間及范圍也就越小。

同時(shí),對(duì)3種不同回灌溫度條件下的模擬水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,如圖12所示。

圖12 供暖期末不同回灌溫度下采灌井間剖面線水位對(duì)比Fig.12 Comparison diagram of profile line water level between production and irrigation wells at different reinjection temperatures at the end of heating period

隨著回灌水溫度的升高,開采井水位基本無變化,回灌井水位略有上升,但變化幅度隨溫度升高而減小,原因在于回灌水溫度越低導(dǎo)致周圍含水層溫度降低,從而影響地下水的粘滯系數(shù)及滲透系數(shù),回灌水溫度越高,回灌井附近滲透系數(shù)越大,因此水位上升幅度也越少。

通過將滲透率及巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)增大或減小50%進(jìn)行模擬分析得出敏感度指數(shù)計(jì)算見表7。

表7 各參數(shù)不同變幅情況下敏感度指數(shù)Tab.7 Sensitivity index under different amplitude of each parameter

滲透率的敏感度指數(shù)大于巖石熱傳導(dǎo)系數(shù),回灌井受兩種參數(shù)變化的影響更大。采灌區(qū)地下水位對(duì)滲透率變化比巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)變化更為敏感,而采灌區(qū)溫度場(chǎng)對(duì)巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)變化比滲透率變化更為敏感。采灌井系統(tǒng)對(duì)回灌水溫度變化的敏感性較小,受回灌水溫度變化影響僅限于回灌井附近的低溫區(qū)范圍及水位。

4 結(jié)語

(1)運(yùn)用以TOUGH2為核心的PetraSim軟件建立鄭州市主城區(qū)和東部新城區(qū)地下水熱耦合數(shù)值模型,取研究區(qū)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及研究區(qū)流場(chǎng)溫度場(chǎng)進(jìn)行模型識(shí)別驗(yàn)證。擬合結(jié)果較為理想,模擬結(jié)果可以反映地下水流場(chǎng)特征,流場(chǎng)及溫度場(chǎng)與實(shí)際情況相符,可用于解釋地下水流動(dòng)模式。

(2)分別對(duì)研究區(qū)明化鎮(zhèn)組及館陶組熱儲(chǔ)層設(shè)計(jì)不同采灌方案進(jìn)行模擬,結(jié)果表明在采灌方式一致時(shí),隨著井間距增大,熱儲(chǔ)層供暖期末回灌井處水位呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),開采井中心處的水位降深及水位漏斗面積增大。在井間距一致時(shí),“一抽兩灌”相較于“一抽一灌”條件下,熱儲(chǔ)層供暖期末回灌井與開采井中心處的水位及漏斗面積影響呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),開采井發(fā)生熱突破風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)減小。明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層相較于館陶組熱儲(chǔ)層滲透率及孔隙度有所不同,在合理井間距布置方面略有差異,總之應(yīng)用“一抽兩灌”采灌方式比“一抽一灌”方式對(duì)地下水位及地下溫度場(chǎng)影響小。

(3)運(yùn)用局部分析法的因子變換法對(duì)模型館陶組熱儲(chǔ)層滲透率、巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)以及不同回灌溫度進(jìn)行敏感性分析,結(jié)果表明,滲透率的敏感度指數(shù)大于巖石熱傳導(dǎo)系數(shù),其中當(dāng)巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)減小50%,開采井溫度下降約0.035 ℃,巖石熱傳導(dǎo)系數(shù)增加50%時(shí),開采井溫度上升約0.02 ℃。當(dāng)滲透率減小50%時(shí),供暖期末回灌井中心水位上升1 m,開采井中心水位降低0.5 m,滲透率增加50%時(shí),供暖期末回灌井中心水位降低0.34 m,開采井中心水位上升0.15 m。此外,采灌井系統(tǒng)對(duì)回灌水溫度變化的敏感性較小,隨著回灌溫度的增加,回灌井中部低溫影響范圍減小,開采井水位基本無變化,回灌井水位略有上升。