太原市城區水熱型地熱能資源承載力評價

劉 碩,呂義清,薛永安,李 敏,荊慶年

(1.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024;2.太原理工大學 地震與地質災害防治研究所，太原 030024;3.太原市國土資源局,太原 030024)

近年來隨著中國經濟的快速發展,對化石能源的消耗迅速加大,在獲取高額的經濟效益的同時,資源問題、環境問題也日趨嚴重,如何實現社會的可持續高效開發利用,成為時下廣為關注的一個問題。而地熱能具有潔凈、綠色低碳、污染環境小、資源可再生循環利用的特點,日漸成為新能源的重要組成。對地熱資源的開發利用,可以有效地改善能源結構,對解決日趨嚴重的全球環境問題也具有重要的意義[1]。

現階段,國內有關地熱資源的研究集中在地熱能產生演化機理以及地熱資源儲量計算上[2-3],從資源承載力角度對地熱資源進行研究尚處在初始階段[4],本文基于地熱資源潛力、熱儲特征、地熱用途、對生態環境影響四方面構建地熱資源承載力評價模型,對太原市城區水熱型地熱資源承載能力進行研究,為今后太原市城區水熱型地熱資源勘探、開發與管理提供科學依據。

1 太原市城區地熱資源概述

太原市城區包含尖草坪區、萬柏林區、杏花嶺區、迎澤區、晉源區與小店區,位于山西省中部,太原盆地的北端,總面積1 416 km2。太原市城區具有豐富的地熱資源,主要蘊藏于太原城區中部的新生代斷陷盆地內,熱儲層為奧陶系中統石灰巖,是以“對流型”為主的“低溫”水熱型地熱資源,屬于“中淺埋

藏開采適宜型”地熱田,地熱資源比較豐富[5]。太原市城區地熱水多為SO4—Ca·Mg型,其中氟、鍶、偏硅酸達到醫療價值濃度,氟、鍶達到礦泉水命名濃度,此外還含有多種對人體有益的微量元素,可用于供暖、理療保健、水產養殖、溫室栽培等多種用途[6]。

受到區內西山山前大斷裂、三給地壘、東邊山斷裂等構造的控制,太原市城區水熱型地熱資源富集區被切割形成8個既具獨立性又有一定聯系的地熱田,即城區凹陷區、西銘斷階區、城東斷階區、親賢地壘區、西邊山斷階區、黃陵斷階區、晉源凹陷區以及清交凹陷區(見表1),熱田面積共計586.75 km2。

太原市地熱勘查開始于二十世紀七十年代,到1995年5月,在神堂溝鉆出太原第一口地熱井,隨后在山西省地質工程勘察院西院、農展館、麗華苑、西華苑、匯錦花園、煤炭學校、傘兒樹等地施工十余眼地熱井。目前,太原市地熱資源利用方式主要是抽采地下熱水,因此太原在用地熱資源為水熱型地熱資源。

到2015年,太原市城區共有37眼熱水井,最大成井深度近2 500 m左右,出水量超過20 000 m3/d,折合標準煤111.41 t。由此可知2015年太原市城區地下熱水年抽采量為730萬m3,合計標準煤4.07×104t,可有效節約標煤量1.42×104t,同時年減少二氧化碳排放量為3.40×104t,氮氧化物為85.46 t,二氧化硫為241.4 t,懸浮質粉塵為113.98 t,年節省的環境治理費為401.86萬元。地熱資源的開發已經為太原市城區帶來了較為突出的環境效益和經濟效益。

2 太原市城區水熱型地熱資源量

根據《地熱資源地質勘查規范》(GB11615-89),地熱流體可開采量所產生的熱能量可以通過以下公式計算:

Wt=4.187Q(t-t0).

(1)

式中:Wt為地熱井熱功率,kW;Q為地熱流體的可開采量,L/s;t為開采井地熱流體溫度,℃;t0為回灌井地熱流體溫度,℃。

經統計太原市熱水井平均溫差為33.5 ℃,平均小時流量為139.05 m3,由此可得出太原市城區熱水井的平均熱功率為5.42 MW,根據《太原市地熱資源調查評價報告》,可確定太原市城區地熱井影響半徑為700 m,則每平方千米的熱功率為11.06 MW,太原市冬季供暖消峰負荷取50 W/m2,可知每平方千米的供暖面積為22.12萬m2,則太原市城區8個地熱田586.75 km2范圍內可供暖面積為1.30億 m2。

3 太原市城區地熱資源承載力評價

地熱資源承載力是指地熱資源在一定時期、一定空間以及人類一定的開發利用強度下維持自身持續穩定以及環境不會遭受破壞的能力。對地熱資源承載力進行評價需要考慮地熱資源自身特點、對生態環境影響以及使用方法等多方面的因素,在此基礎上構建起綜合評價模型。

3.1 評價模型構建

根據《太原市地熱資源調查評價報告》以及所收集的相關數據,構建太原市城區地熱資源承載力綜合評價模型。模型分為3個層次:第1層次為目標層,即地熱資源承載力評估層;第2層次為準則層,是地熱資源承載力的主要影響因素,包括地熱資源潛力、熱儲特征、生態環境以及地熱用途4個子系統;第3層為指標層,是建立在4個子系統各組成要素基礎上的各因素指標的集合。

根據地熱資源特點,最終篩選確定指標6項,其中采用地下熱水可采資源量、地下熱水可采資源模數表征地熱資源潛力;采用單井單位涌水量和熱儲埋深表征地熱資源熱儲特征;采用地下熱水礦化度表征生態環境影響;采用熱儲溫度表征地熱用途,如表2 所示。

表2 太原市城區地熱資源承載力綜合評價模型Table 2 Comprehensive evaluation model on carrying capacity of geothermal resources of urban areas in Taiyuan

3.2 權重確定

為了反應各級指標對地熱資源承載力的影響程度,本文對各級指標用定量方法賦予權重,即通過變異系數法和熵值法這兩種方法分別計算權重,并對其結果進行平均,確定最終權重。

3.3 數據分層賦值

通過對太原市城區地熱資源承載因素水平進行分析,結合全國地熱資源利用水平、太原市城區地熱資源的富集程度及是否有利于開展地熱資源開采,參考《太原市地熱資源調查評價報告》以及相關文獻,并結合專家打分,制定太原市城區地熱資源承載力各評價指標的分級標準,將所有數據轉化為介于1～9區間的無量綱數值。

3.4 地熱資源承載力評估

通過對各評價指標進行加權求和,得出各熱田承載力評價分值,根據最終分值的分布情況確定承載能力的強弱。分值1～5確定為承載能力極弱,5～6為承載能力弱,6～7為承載能力中等,7～8為承載能力強,8～9為承載能力極強。所得結果見表3。

從表3中可以看出,太原市城區地熱資源承載力最高的熱田是親賢地壘區,總分超過8,屬于承載力極強區域,此區也是現太原市地熱資源開發利用的集中區;其次是城區凹陷區、西邊山斷階區和黃陵斷階區,總分7～8,屬于承載力強區域;其余四區總分也在6～7之間,屬于承載力中等區域?？梢娞谐菂^水熱型地熱資源是比較豐富的,可以承載比較高強度的資源開采。

表3 太原市城區地熱資源承載力評價表Table 3 Evaluation of carrying capacity of geothermal resources in urban area of Taiyuan

4 結論與建議

通過對太原市城區水熱型地熱資源承載力的評價,可以看出太原市城區水熱型地熱資源具有較高的開發潛力,需要在今后加大開發利用力度,特別是親賢地壘、黃陵斷階、西邊山斷階這樣承載力強的熱田,以及鄰近太原市高新區、太原經濟開發區、太原科技創新城等地的晉源凹陷、清交凹陷等熱田。這不僅是《國家地熱能開發利用“十三五”規劃》的要求,也是太原市今后改變發展思路,治理生態環境的必需。

具體來說要加大在城區以外郊縣的地熱資源勘查力度,嚴格按照相關技術規范要求完成勘查工作;還要做到對地熱資源開發利用的統一規范和統一管理;同時還應制定相關的產業幫扶政策,在財稅、價格方面加大支持力度。但是也應注意到地熱資源的開發也存在對環境的破壞,表現在可能造成地面沉降、熱污染以及地下熱水含有害化學元素對環境的污染,需要在今后開發過程中加以注意。

同時,本文基于綜合評價模型對太原市水熱型地熱資源承載力進行評價,結果表明,采用綜合評價模型能夠真實體現出水熱型地熱資源承載力的真實水平,對今后太原市城區水熱型地熱資源的開發利用而言具有很高的應用價值。今后有必要對有關評價指標選取、指標取值范圍以及模型算法進行進一步的研究。

[1] 關鋅.我國地熱資源開發利用現狀及對策與建議[J].中國礦業,2010,19(5):7-9. GUAN Xin.The Situation,Measures & Suggestions on the Exploration and Utilization of Geothermal Resources[J].China Mining Magazine,2010,19(5):7-9.

[2] 龐忠和,黃少鵬,胡圣標,等.中國地熱研究的進展與展望(1995-2014)[J].地質科學,2014,49(3):719-727. PANG Zhonghe,HUANG Shaopeng,HU Shengbiao,etal.Geothermal Studies in China:Progress and Prospects 1995-2014[J].Chinese Journal of Geology,2014,49(3):719-727.

[3] 李同彪.地熱資源評估方法綜述[J].能源與環境,2015,132(5):91-92. LI Tongbiao.Review of Geothermal Resources Assessment Methods[J].Energy and Environment,2015,132(5):91-92.

[4] 劉洪戰.河南省地熱資源承載力評估[J].能源技術與管理,2016,41(6):169-172. LIU Hongzhan.Evaluation of Carrying Capacity of Geothermal Resources in Henan[J].Energy Technology and Management,2016,41(6):169-172.

[5] 山西省地質工程勘察院.太原市地熱資源調查評價報告[R]. 太原：山西省地質工程勘察院,2005.

[6] 楊欣榮.太原市地熱資源概況及開發利用前景[J].山西科技,2006(1):1-3. YANG Xinrong.The Situation and the Prospect of Exploration and Utilization of Geothermal Resources in Taiyuan[J].Shanxi Science and Technology,2006(1):1-3.