豫東通許凸起回灌條件下新近系地?zé)豳Y源優(yōu)化開(kāi)采方案研究

任 靜,鄧曉穎,郭 彥

(1.河南省地質(zhì)局生態(tài)環(huán)境地質(zhì)服務(wù)中心,河南 鄭州 450053;2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003;3.水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450003)

0 引言

目前,國(guó)際國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為回灌式開(kāi)采是一種新的地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用方法。只有回灌,才能實(shí)現(xiàn)熱儲(chǔ)壓力采灌平衡,才能使地?zé)豳Y源成為真正的可再生能源[1]。

河南省地下水管理辦法規(guī)定建設(shè)需要取水的地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目應(yīng)實(shí)行同一含水層等量取水和回灌[2]。豫東通許凸起中部地?zé)岬刭|(zhì)單元內(nèi)地?zé)崴毓嗍介_(kāi)發(fā)利用的主要途徑為地?zé)峁┡痆3]。對(duì)于地?zé)峁┡?xiàng)目,其工作原理主要是提取地?zé)崴械目刹蔁崮?開(kāi)采—回灌過(guò)程中水量基本不產(chǎn)生消耗。因此研究區(qū)內(nèi)可回灌條件下的地?zé)豳Y源優(yōu)化開(kāi)采配置對(duì)于保證深部地?zé)豳Y源可持續(xù)發(fā)展意義重大[4,5]。

20世紀(jì)70年代末,德國(guó)WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所開(kāi)發(fā)了基于有限單元法的FEFLOW軟件,它是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。在FEFLOW系統(tǒng)中,用戶(hù)可以很方便迅速地產(chǎn)生空間有限單元網(wǎng)格,設(shè)置模型的參數(shù)和定義邊界條件,運(yùn)行數(shù)值模擬以及實(shí)時(shí)圖形顯示結(jié)果與成圖[6]。FEFLOW發(fā)展過(guò)程中經(jīng)過(guò)了大量的測(cè)試和檢驗(yàn),它成功地解決了一系列與地下水有關(guān)的實(shí)質(zhì)性問(wèn)題,如判斷污染物遷移途徑、追溯污染物的來(lái)源,開(kāi)展地?zé)岬哪M等[6]。翟美靜[7]利用FEFLOW軟件開(kāi)展了西安市三橋地區(qū)地?zé)岵晒嘞到y(tǒng)數(shù)值模擬研究,根據(jù)研究區(qū)地?zé)峋畬?shí)測(cè)水位和溫度資料對(duì)模型進(jìn)行了擬合驗(yàn)證,確定了模型的可靠性。程萬(wàn)慶等[8]利用FEFlow求解地?zé)岵晒鄬?duì)井系統(tǒng)水熱耦合模型,進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬研究。

本文以研究區(qū)施工的DZK1地?zé)徙@孔新近系熱儲(chǔ)層回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),開(kāi)展區(qū)內(nèi)新近系熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)模擬預(yù)測(cè),為研究區(qū)合理開(kāi)發(fā)利用深部地?zé)豳Y源提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)概況

研究區(qū)位于通許凸起構(gòu)造單元中部(圖1),區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源的形成是地球深部的熱源以傳導(dǎo)的形式對(duì)新生界及古生界地層影響的結(jié)果,地?zé)豳Y源類(lèi)型屬于沉降盆地傳導(dǎo)型, 平面上呈層狀展布,根據(jù)熱儲(chǔ)成因模式、儲(chǔ)層時(shí)代、分布及儲(chǔ)水介質(zhì)特征,劃分為新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)、館陶組(Ng)、寒武-奧陶系(∈—O)三個(gè)熱儲(chǔ)層。

圖1 研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)簡(jiǎn)圖

新近系孔隙熱儲(chǔ)層是本區(qū)地?zé)崃黧w的主要開(kāi)采層,具有分布面積大,產(chǎn)狀傾角較緩,沉積厚度較大的特點(diǎn)。其儲(chǔ)水介質(zhì)巖性主要為細(xì)砂(巖)、粉細(xì)砂(巖),局部為中粒砂(巖)。隔水層巖性為厚層黏土及粉質(zhì)黏土、泥巖。地?zé)崃黧w儲(chǔ)層有砂(砂巖)層25-29層,單層厚度一般為3.5～55 m,累積總厚平均為500～800 m。根據(jù)地層巖性特征新近系熱儲(chǔ)分為新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)和館陶組(Ng)。目前此層開(kāi)采主要用于洗浴和城區(qū)小區(qū)地?zé)峁┡?/p>

2 新近系熱儲(chǔ)層地?zé)岬刭|(zhì)特征和回灌能力

2.1 新近系熱儲(chǔ)地?zé)岬刭|(zhì)特征

根據(jù)DZK1井揭露地層情況,新近系明化鎮(zhèn)組由淺黃色、黃褐色粉砂巖、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖與棕紅、紫紅色、淺棕紅色泥巖互層組成;新近系館陶組巖性為紫紅色泥巖與淺黃色、黃褐色中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖互層,與下伏地層呈不整合接觸。兩組巖層無(wú)顯著隔水邊界存在。

全區(qū)新近系熱儲(chǔ)層有砂(砂巖)層25～29層,單層厚度一般為3.5～55 m,累積總厚平均為500～800 m;頂板埋深240～380 m,底板埋深900～1200 m;孔隙度為27.10%。新近系熱儲(chǔ)層頂、底部均具有厚層黏土(泥巖)可作為相對(duì)隔水層,故垂向視為無(wú)越流作用;地?zé)崴畯搅魑⑷?開(kāi)采主要消耗含水砂層彈性?xún)?chǔ)量。熱源供給主要為大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)方式。

2.2 新近系熱儲(chǔ)回灌能力確定

本次利用區(qū)內(nèi)最新施工的DZK1鉆孔開(kāi)展新近系熱儲(chǔ)回灌試驗(yàn)。DZK1地?zé)峥碧娇壮删疃?000 m,新近系取水段870～1085 m(新近系館陶組),成井工藝為篩管填礫成井。該井抽水試驗(yàn)結(jié)束后利用該井同層位進(jìn)行無(wú)壓重力自流回灌方式,采用淺層地下水作為回灌水源。本次試驗(yàn)采用流量表、水位測(cè)量?jī)x計(jì)量流量、水位的變化,回灌試驗(yàn)自2020年3月20日10:30開(kāi)始至3月25日13:20結(jié)束,累計(jì)回灌時(shí)間持續(xù)7310 min,持續(xù)回灌時(shí)間121.833 h,回灌流體溫度17℃,穩(wěn)定回灌量35.12 m3/h,回灌前靜水位埋深60.26 m?；毓嗪蠓€(wěn)定動(dòng)水位9.23 m,穩(wěn)定時(shí)間10 h。

本次回灌試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,歷時(shí)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

表1 DZK1井回灌試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)

圖2 DZK1井回灌試驗(yàn)歷時(shí)曲線(xiàn)圖

3 新近系熱儲(chǔ)層模擬

利用FEFLOW軟件開(kāi)展“直接開(kāi)采”、“一采2灌”、“一采3灌”不同開(kāi)采方案的新近系熱儲(chǔ)水熱耦合模型預(yù)測(cè)。模型模擬流程見(jiàn)圖3。

圖3 新近系熱儲(chǔ)水熱耦合模型模擬流程

3.1 邊界條件概化

(1)模擬范圍

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)條件,以研究區(qū)范圍作為模擬范圍,面積為1753.98 km2,見(jiàn)圖4。

圖4 邊界概化示意圖

(2)邊界概化

根據(jù)區(qū)內(nèi)新近系熱儲(chǔ)層2019年5月和2020年7月的壓(力)頭流場(chǎng)(自南向北徑流),將模擬區(qū)北部邊界概化為零通量邊界,西側(cè)、南側(cè)和東側(cè)邊界概化為補(bǔ)給邊界,如圖3所示。垂向上,新近系上部由于第四系巖層的覆蓋,不考慮大氣降水入滲補(bǔ)給量,加之規(guī)模性黏土層的作用,概化為隔水邊界面;下部與下伏二疊系熱儲(chǔ)層基本無(wú)水力聯(lián)系,根據(jù)地層巖性分布同樣概化為隔水邊界面。

(3)含水層概化

根據(jù)DZK1井揭露地層情況,新近系明化鎮(zhèn)組由淺黃色、黃褐色粉砂巖、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖與棕紅、紫紅色、淺棕紅色泥巖互層組成。新近系館陶組巖性為紫紅色泥巖與淺黃色、黃褐色中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖互層,與下伏地層呈不整合接觸。兩組巖層無(wú)顯著隔水邊界存在,因此將新近系地層統(tǒng)一概化為一個(gè)含水層,見(jiàn)圖5。

圖5 熱儲(chǔ)層概化后示意圖

(4)數(shù)學(xué)模型

①地下水流動(dòng)模型

在上述水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)達(dá)西滲流定律和滲流連續(xù)性方程,將研究區(qū)地下水流用以下方程和定解條件描述:

式中:Ω為模擬范圍;H為熱儲(chǔ)層水頭;Kxx、Kyy、Kzz為x,y,z方向上的滲透系數(shù)(m/d);Kn為邊界法線(xiàn)方向上的滲透系數(shù)(m/d);μs為單位儲(chǔ)水系數(shù)(l/m);μd為重力給水度;ε為源匯項(xiàng)(l/d);Γ0為上邊界;Γ為第二類(lèi)邊界;n為研究區(qū)邊界外法線(xiàn)方向;q(x,y,z,t)為第二類(lèi)邊界單寬流量(m/d)。

②熱量運(yùn)移方程

式中:Ceq為等效體積熱容;Ceq=(∑θ·ρC)/∑θ。其中θ表示多孔介質(zhì)中水所占的體積分?jǐn)?shù),即孔隙度,ρC表示多孔介質(zhì)中(包括水)總的體積熱容,單位:J/(m3·K);CL為ρw×Cw,表示水的體積熱容,單位J/(m3·K);ρw為水的密度(kg/m3);Cw為比熱容,單位J/(kg·K);λ為等效熱傳導(dǎo)系數(shù),W/(m·K·d);QT為一般熱源(W/m2);qT為邊界Г2處流入的熱通量(W/m2);其他符號(hào)意義同上。

3.2 模型識(shí)別與驗(yàn)證

(1)模型賦值

在水文地質(zhì)概念模型中,采用給定水頭邊界和流量邊界來(lái)進(jìn)行模型區(qū)含水層側(cè)向補(bǔ)給與排泄的賦值。其中給定水頭邊界由軟件根據(jù)周邊壓(力)頭流場(chǎng)分布來(lái)自動(dòng)計(jì)算邊界地下水的補(bǔ)排量;流量邊界所賦數(shù)值由人工計(jì)算而來(lái),具體見(jiàn)表2。

表2 水文地質(zhì)概念模型邊界參數(shù)值

(Kx、Ky、Kz)、彈性釋水率(Ss)、孔隙度(n)。綜合抽水試驗(yàn)資料及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值,對(duì)各參數(shù)賦值初始值見(jiàn)表3。

表3 水文地質(zhì)參數(shù)初值

(2)水文地質(zhì)參數(shù)選取

建模過(guò)程中選用的水文地質(zhì)參數(shù)有:滲透系數(shù)

(3)模型識(shí)別與驗(yàn)證

根據(jù)本次模擬研究的需要,以2019年5月—2020年7月為模型綜合識(shí)別驗(yàn)證期,以2020年7月流場(chǎng)作為模擬流場(chǎng)擬合驗(yàn)證的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)“對(duì)照-調(diào)參”的參數(shù)循環(huán)優(yōu)化過(guò)程,模擬結(jié)果的平均相對(duì)誤差小于10%,滿(mǎn)足《地下水資源管理模型工作要求》中對(duì)水位擬合的要求,所建地下水模型可用于后續(xù)模擬研究。最終獲得優(yōu)化后的水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 水文地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化值

3.3 熱傳導(dǎo)數(shù)值模型建立

在已建立地下水流模型的基礎(chǔ)上,耦合熱傳導(dǎo)參數(shù),建立全區(qū)新近系熱儲(chǔ)熱傳導(dǎo)模型。

(1)熱量運(yùn)移邊界

①頂板邊界

研究區(qū)恒溫帶深度取23 m,恒溫帶溫度確定為15.9℃(研究區(qū)年平均氣溫14.2℃)。而新近系頂層埋深在240～380 m,已處于增溫帶,其熱量來(lái)源為下部熱源的對(duì)流與彌散傳導(dǎo),因此以給定的溫度場(chǎng)作為初始狀態(tài),由模型根據(jù)條件計(jì)算其溫度變化。

②底板邊界

通過(guò)數(shù)據(jù)分析確定通許凸起中部地區(qū)的大地?zé)崃髦?2.2 mW/m2[9]。

(2)模擬校正檢驗(yàn)

研究區(qū)新近系熱儲(chǔ)的水溫動(dòng)態(tài)在2019—2020年處于穩(wěn)定狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,當(dāng)進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬時(shí),只要計(jì)算溫度跟實(shí)測(cè)溫度變化不大,則表示模型符合實(shí)際情況。在此對(duì)比模擬期前后溫度場(chǎng)變化,如圖6所示,可以看出兩者差別極弱,說(shuō)明本次所建地?zé)崮Ｐ头€(wěn)定可靠,可用于后續(xù)模擬研究。

圖6 研究區(qū)新近系熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)模擬

4 地?zé)豳Y源開(kāi)采方案預(yù)測(cè)

在已建立地?zé)崮Ｐ偷幕A(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)開(kāi)采現(xiàn)狀及規(guī)劃,并在考慮供暖期、停暖期的情況下,進(jìn)行水熱耦合模擬,研究地?zé)豳Y源不同開(kāi)發(fā)利用情景對(duì)整個(gè)區(qū)域壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響[10]。

方案一:直接開(kāi)采方案。區(qū)內(nèi)調(diào)查了47眼地?zé)峋_(kāi)采新近系熱儲(chǔ)的資料,本方案設(shè)定為:按照現(xiàn)狀分布的47眼地?zé)峋蛊浔３殖Ｄ觊_(kāi)采,其它條件不變[11]。以2020年7月地?zé)崃黧w壓力場(chǎng)為預(yù)測(cè)模型初始流場(chǎng),以現(xiàn)狀資料溫度場(chǎng)為初始溫度場(chǎng),將模型模擬預(yù)測(cè)期定為2020年7月—2030年7月,共10年,3650天。

方案二:一采二灌方案。基于調(diào)查的47眼開(kāi)采井分布位置,采用“一采二灌”的地?zé)峋晒嘟M合形式,單井開(kāi)采量設(shè)為1680 m3/d(70 m3/h),單井回灌流量設(shè)為840 m3/d(35 m3/h),回灌率:38.41%。在研究區(qū)現(xiàn)有的各地?zé)衢_(kāi)采井附近設(shè)置兩個(gè)回灌虛擬井點(diǎn),回灌點(diǎn)至開(kāi)采點(diǎn)的距離在1000～1500 m之間,模擬預(yù)測(cè)的開(kāi)采和回灌時(shí)間段定為當(dāng)年11月至次年3月,停止開(kāi)采及回灌時(shí)間段為4月至10月,根據(jù)相關(guān)規(guī)范及資料選擇25℃為回灌水溫度。

方案三:一采三灌方案?；谡{(diào)查的47眼開(kāi)采井分布位置,采用“一采三灌”的地?zé)峋晒嘟M合形式,單井開(kāi)采量設(shè)為2400 m3/d(100 m3/h),單井回灌流量設(shè)為840 m3/d(35 m3/h)?；毓嗦?100%。在研究區(qū)現(xiàn)有的各地?zé)衢_(kāi)采井附近設(shè)置三個(gè)回灌虛擬井點(diǎn),回灌點(diǎn)至開(kāi)采點(diǎn)的距離在1000～1500 m之間,模擬預(yù)測(cè)的開(kāi)采和回灌時(shí)間段定為當(dāng)年11月至次年3月,停止開(kāi)采及回灌時(shí)間段為4月至10月,選擇25℃為回灌水溫度。

4.1 方案一

現(xiàn)狀直接開(kāi)采模式下研究區(qū)地?zé)崃黧w壓力場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示,可以看出在地?zé)峋某掷m(xù)開(kāi)采下模擬區(qū)地?zé)崃黧w水頭整體發(fā)生不同程度下降,并在北側(cè)開(kāi)采井集中區(qū)形成了小規(guī)模的降落漏斗,水頭下降至約6 m。分析流場(chǎng)變化原因,主要為模擬區(qū)地?zé)崴飨到y(tǒng)補(bǔ)給項(xiàng)較為單一,為側(cè)向徑流補(bǔ)給,人工地?zé)峋汗?7眼,單井抽水量在240～840 m3/d,而熱儲(chǔ)層滲透系數(shù)較小,使得區(qū)域壓力頭持續(xù)下降,并在通許縣城井群集中區(qū)發(fā)育水頭降落漏斗。

圖7 新近系熱儲(chǔ)層模擬壓力場(chǎng) (2030年)

溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示,可以看出在地?zé)峋某掷m(xù)開(kāi)采下模擬期末溫度場(chǎng)變化甚微。觀(guān)測(cè)孔頂層點(diǎn)溫度維持在26℃～26.0355℃,底層點(diǎn)溫度維持在45.2684℃～45.2493℃。在熱能方面,按照現(xiàn)狀開(kāi)采條件,考慮開(kāi)采水溫及底線(xiàn)溫度(25℃),計(jì)算得到2020—2030年區(qū)內(nèi)開(kāi)采可獲得熱能為0.281×1016J。

圖8 研究區(qū)2030年溫度模擬結(jié)果

綜上所述,在該方案下維持現(xiàn)狀地?zé)峋苯娱_(kāi)采模式,會(huì)使得研究區(qū)區(qū)域地?zé)崃黧w壓力持續(xù)下降,并在井群集中區(qū)發(fā)育水頭降落漏斗。而溫度場(chǎng)方面由于通許凸起為高溫異常區(qū),在現(xiàn)狀地?zé)衢_(kāi)采條件下,可維持溫度場(chǎng)的穩(wěn)定。

4.2 方案二

在現(xiàn)狀直接開(kāi)采條件的基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域性地?zé)崃黧w回灌做進(jìn)一步的模擬研究,以探究在供暖期進(jìn)行區(qū)域性回灌條件下,研究區(qū)新近系熱儲(chǔ)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化情況。具體設(shè)置如下:

基于現(xiàn)有開(kāi)采井,采用“一采兩灌”的地?zé)峋晒嘟M合形式,在研究區(qū)現(xiàn)有的各地?zé)衢_(kāi)采井附近設(shè)置兩個(gè)回灌虛擬井點(diǎn),根據(jù)目前模型三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)剖分情況,選取回灌點(diǎn)至開(kāi)采點(diǎn)的距離在1000～1500 m之間,以使回灌點(diǎn)與三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)重合。具體點(diǎn)位分布如圖9所示:

圖9 地?zé)峋杉盎毓嗑植己?jiǎn)圖

模擬區(qū)壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?該方案下研究區(qū)內(nèi)地?zé)衢_(kāi)采井附近地?zé)崃黧w水頭降落漏斗的規(guī)模有所增大,表現(xiàn)為平面上擴(kuò)展有限,而垂向上水頭值下降明顯。為定量化研究該方案回灌對(duì)研究區(qū)流場(chǎng)的影響,并驗(yàn)證上述分析,使用“數(shù)值模擬+GIS地理空間分析”的方法,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理,得到方案二回灌條件下研究區(qū)新近系熱儲(chǔ)地?zé)崃黧w回灌成效分布圖10。

圖10 新近系熱儲(chǔ)層模擬壓力場(chǎng)(2030年)

結(jié)合圖11可以看出,回灌措施下以回灌井為中心產(chǎn)生規(guī)模不等的“水丘”,其水頭回升值大多在0.15～0.78 m,在研究區(qū)北部的群井回灌中甚至產(chǎn)生了0.78～3.45 m的回升值,中部部分開(kāi)采井水頭則呈現(xiàn)出進(jìn)一步下降的現(xiàn)象,下降值大多在0.17～1.29 m,局部達(dá)5.5m,發(fā)現(xiàn)其“兩灌一采”組合之間距離較遠(yuǎn),且水頭成效具有明顯的分帶性。

圖11 地?zé)崃黧w開(kāi)采、回灌成效分布圖

從圖12(a)可以看出,在方案二條件下進(jìn)行區(qū)域性供暖期回灌時(shí),2030年研究區(qū)底層溫度場(chǎng)整體保持穩(wěn)定,但是在各回灌點(diǎn)附近小范圍的溫度下降更加明顯。為定量該方案回灌對(duì)研究區(qū)溫度場(chǎng)的影響,利用GIS地理空間分析方法對(duì)地?zé)崮M結(jié)果進(jìn)一步處理,得到由回灌引起的底層溫度下降帶分布圖12(b)?？梢钥闯?由回灌引起的溫度下降大多在“0.059℃～0.114℃”區(qū)間,局部群井回灌則會(huì)引起熱儲(chǔ)溫度進(jìn)一步下降,最大可達(dá)1.08℃。受此影響,區(qū)域上溫度下降主要在0℃～0.059℃?！耙徊蓛晒唷遍_(kāi)采時(shí)溫度下降值分布特征明顯,呈分別以?xún)苫毓帱c(diǎn)為中心向開(kāi)采井遞減,且開(kāi)采井附近地溫受此影響的下降值在“0℃～0.024℃”區(qū)間,即局部出現(xiàn)熱失衡現(xiàn)象,該現(xiàn)象與采灌井間距布局有關(guān)。

圖12 研究區(qū)2030年溫度模擬結(jié)果

在地?zé)崮芊矫?2020—2030年考慮開(kāi)采水溫及底線(xiàn)溫度(25℃),計(jì)算得到10年內(nèi)一采二灌模式下可獲得的熱能為0.596×1016J,比直接消耗式開(kāi)采可獲得的熱能高0.315×1016J,說(shuō)明回灌有助于增加深部大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)補(bǔ)給被消耗的地?zé)豳Y源。

4.3 方案三

基于現(xiàn)有開(kāi)采井,采用“一采三灌”的地?zé)峋晒嘟M合形式,在研究區(qū)現(xiàn)有各地?zé)衢_(kāi)采井附近設(shè)置三個(gè)回灌虛擬井點(diǎn),根據(jù)目前模型三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)剖分情況,選取回灌點(diǎn)至開(kāi)采點(diǎn)的距離在1000～1500 m之間,以使回灌點(diǎn)與三角網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)重合。具體點(diǎn)位分布如圖13所示:

圖13 地?zé)岵删盎毓嗑植己?jiǎn)圖

模擬區(qū)流場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯?該方案下模擬區(qū)開(kāi)采井附近地下水頭降落漏斗的規(guī)模相較方案一進(jìn)一步增大,表現(xiàn)為水頭值下降更加明顯。為定量化研究該方案回灌對(duì)研究區(qū)流場(chǎng)的影響,并驗(yàn)證上述分析,使用“數(shù)值模擬+GIS地理空間分析”的方法,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理,得到方案三回灌條件下研究區(qū)地下水回灌成效分布圖15。

圖14 2030年熱儲(chǔ)層模擬壓力場(chǎng)

圖15 地?zé)崃黧w開(kāi)采、回灌成效分布圖

結(jié)合圖15可以看出,回灌措施下以回灌井為中心產(chǎn)生的“水丘”更高,其成效水頭值大多在0.15～0.83 m,且在組合中三口回灌井的綜合作用下,成效水頭值大多已連成包圍性面狀,在研究區(qū)北部集中的群井回灌中甚至產(chǎn)生了0.83～3.5 m的回升值,而在開(kāi)采井中心,受大流量開(kāi)采作用產(chǎn)生的負(fù)面水頭成效最高達(dá)到了8.88 m,但是受外圍三口回灌井的綜合影響,其擴(kuò)展面積有限。

從圖16(a)可以看出,在方案三條件下進(jìn)行區(qū)域性供暖期回灌時(shí),2030年研究區(qū)底層溫度場(chǎng)整體保持穩(wěn)定,但是在各回灌點(diǎn)附近小范圍的溫度下降更加明顯。為定量該方案回灌注水對(duì)研究區(qū)溫度場(chǎng)的影響,利用GIS地理空間分析方法對(duì)地?zé)崮M結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理,得到由回灌引起的底層溫度下降帶分布圖16(b)?？梢钥闯?由回灌引起的溫度下降大多在“0.03℃～2.099℃”區(qū)間,且普遍呈由回灌井為中心四周自“0.601℃～2.099℃”區(qū)間向“0.03℃～0.067℃”區(qū)間遞減,受此影響區(qū)域上溫度下降主要在0℃～0.067℃。“三灌一采”組合之間溫度下降值分布特征明顯,呈分別以三回灌點(diǎn)為中心向開(kāi)采井遞減,且開(kāi)采井附近地溫受此影響的下降值在“0℃～0.03℃”區(qū)間。

圖16 研究區(qū)2030年溫度模擬結(jié)果

在地?zé)崮芊矫?考慮開(kāi)采水溫及底線(xiàn)溫度(25℃),計(jì)算得到2020—2030年按照一采三灌模式區(qū)內(nèi)可增加凈熱能0.852×1016J,比直接消耗式開(kāi)采獲得的熱能高0.57×1016J。即該回灌方案相較方案二更有助于增加深部大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)補(bǔ)給被消耗的地?zé)豳Y源。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)通許凸起中部研究區(qū)地?zé)釘?shù)模型的建立和不同地?zé)衢_(kāi)采方案的預(yù)測(cè)分析,獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)單井開(kāi)采模式下,研究區(qū)深層地?zé)崃黧w壓力水頭持續(xù)下降,且在通許縣城井群集中區(qū)出現(xiàn)水頭降落漏斗,區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)變化不明顯,持續(xù)性開(kāi)采可獲得熱能0.281×1016J。

(2)采灌模式下,回灌率38.41%時(shí),研究區(qū)北部水頭出現(xiàn)回升,地下水回灌引起的溫度下降主要在0.059℃～0.114℃區(qū)間?；毓嗍介_(kāi)采可獲得的熱能0.596×1016J,比直接消耗式開(kāi)采獲得的熱能高0.315×1016J;回灌率100%時(shí),全區(qū)北部水頭回升更明顯,地下水回灌引起的溫度下降主要在0.03℃～2.099℃區(qū)間,回灌式開(kāi)采可獲得地?zé)崮?.852×1016J,比直接消耗式開(kāi)采獲得的熱能高0.57×1016J。

(3)研究結(jié)果表明一采三灌模式相對(duì)最優(yōu)化?；毓嗄芰υ酱?深部大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)補(bǔ)給作用越明顯,區(qū)內(nèi)可利用熱能越大?；毓鄤?dòng)態(tài)補(bǔ)給可以消減研究區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w壓力水頭下降趨勢(shì),雖然會(huì)引起回灌點(diǎn)附近溫度下降越明顯,但以回灌點(diǎn)為中心向開(kāi)采井呈遞減趨勢(shì),說(shuō)明回灌點(diǎn)周邊一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)熱失衡現(xiàn)象,但全區(qū)溫度場(chǎng)整體保持穩(wěn)定。研究結(jié)果可為通許地區(qū)規(guī)模性開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源提供理論依據(jù)。