商丘市市區(qū)地?zé)豳Y源量計(jì)算評(píng)價(jià)

王晨旭，姚蘭蘭，張曉麗

（1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘察院，河南 鄭州450001；2.河南省自然資源監(jiān)測與國土整治院，河南 鄭州450016；3.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州450001）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快和綠色發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，利用深部地?zé)徇M(jìn)行集中供暖步入了快速發(fā)展階段。商丘市位于河南省東部，地貌類型屬黃河沖積平原，市域面積1 613.60 km2。地處豫魯蘇皖四省結(jié)合部的中心地帶，地域平坦而開闊，土地、農(nóng)業(yè)、能源等資源豐富，是四省商品集散地及區(qū)域商貿(mào)中心，有“豫東門戶”之雅稱。

1 地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀

商丘市城區(qū)自20世紀(jì)70年代中期開始開發(fā)利用低溫地?zé)崴Y源。現(xiàn)有地?zé)峋?25眼，深度在500 m左右，主要分布在城區(qū)160 km2范圍內(nèi)，井口出水溫度25℃～34℃。目前，地?zé)崴觊_采量保持在2×107m3以上（2001 年除外）。近20 年來，無序無節(jié)制的開采，使地?zé)崴豢焖傧陆担?993—1999 年7 a 間水位下降11.71 m，下降速率達(dá)1.67 m/a；地?zé)崴┒访娣e不斷擴(kuò)大，漏斗中心水位持續(xù)下降。2001年商丘市城區(qū)-10 m等水壓線閉合圈的面積達(dá)197.20 km2，中心水位埋深66.39 m。

2 熱儲(chǔ)特征

商丘市城區(qū)地?zé)崽飳俑采w沉積型層控地?zé)崽?，主要分布在黃淮海平原的偏東南緣，為層狀孔隙水，具一定的承壓性。據(jù)地?zé)峋_采資料分析，已開采的熱儲(chǔ)層垂向深度埋藏于350～550 m，賦存于上第三系及第四系下更新統(tǒng)的沖洪積相地層之中。

2.1 熱儲(chǔ)層劃分

依據(jù)埋藏條件、水力特征及開發(fā)利用狀況，商丘市城區(qū)地?zé)崴畬?、隔熱層特征見?。

表1 工作區(qū)地?zé)崴疅醿?chǔ)層含水、隔熱特征表

2.2 熱儲(chǔ)層滲流場特征

現(xiàn)狀開采條件下，區(qū)內(nèi)地?zé)崴?、水量、水溫?dòng)態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，動(dòng)水位的變化多受開采量大小的制約，熱儲(chǔ)層的補(bǔ)、徑、排條件及動(dòng)態(tài)滲流場特征見表2。

表2 工作區(qū)熱儲(chǔ)層補(bǔ)徑排條件、動(dòng)態(tài)等滲流場特征表

3 地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)計(jì)算

3.1 熱儲(chǔ)概念模型的建立

根據(jù)區(qū)域地層及構(gòu)造條件：熱儲(chǔ)層巖性均一、頂?shù)装寤舅健⒑穸茸兓淮蟮然緱l件，將其概化為均質(zhì)、各向同性的承壓熱儲(chǔ)層，補(bǔ)給源為遙遠(yuǎn)山區(qū)。故在開采條件下，區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層屬非穩(wěn)定的凈儲(chǔ)量消耗型。熱儲(chǔ)層地?zé)崴c區(qū)外同層地?zé)崴β?lián)系密切，而不同含水層間無明顯水力聯(lián)系，為一無越流補(bǔ)給（或排泄）的、水平方向上無限分布的承壓熱儲(chǔ)層。

3.2 計(jì)算方法選取

地?zé)豳Y源量的計(jì)算方法目前有多種，如熱儲(chǔ)法、彈性儲(chǔ)量法、均勻布井法等，每一種方法都有一定的適用條件。經(jīng)計(jì)算，確定采用彈性儲(chǔ)量法，主要是在結(jié)合商丘城區(qū)地層條件、含水巖組特性、熱儲(chǔ)特征、開采現(xiàn)狀條件的基礎(chǔ)上，該法考慮了弱隔水層的彈性給水率、厚度及水位下降值等，計(jì)算結(jié)果應(yīng)較為切合實(shí)際。

3.3 彈性儲(chǔ)量計(jì)算法

3.3.1 數(shù)學(xué)模型

式（1）中：Q彈—熱儲(chǔ)層彈性釋水量（萬m3）；S—熱儲(chǔ)層彈性給水率；S'—弱隔水層的彈性給水率；Mcp—熱儲(chǔ)層的平均有效厚度（m）；M'cp—弱隔水層的平均厚度（m）；F—計(jì)算區(qū)面積（m2）；Δh—區(qū)域水位（設(shè)計(jì)）下降值。

3.3.2 參數(shù)選取

①面積（F）：規(guī)劃城區(qū)面積300 km2；②水位下降值（△h）：按90 m、110 m 2種水位下降值計(jì)算；③熱儲(chǔ)層彈性給水率（S）：根據(jù)實(shí)際非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)及黃淮海、開封市區(qū)等地非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，取S=3×10-4；④弱隔水層的彈性給水率（S'）：取豫東平原供水報(bào)告中S'=1.81×10-4；⑤熱儲(chǔ)層平均有效厚度（Mcp）：取含水層平均厚度的80%，為41.32 m；⑥弱隔水層平均厚度（M'cp）：以商丘城區(qū)15 眼地?zé)峋Y料及區(qū)域地層資料，選取M'cp=60 m。

3.3.3 計(jì)算結(jié)果

①地?zé)崴Y源總量計(jì)算，按式（1）計(jì)算：Q彈·90m=（S·Mcp+S'·M'cp）·Δh·F=6.28×108m3。Q彈·110m=（S·Mcp+S'·M'cp）·Δh·F=7.67×108m3。

②可采資源量計(jì)算地?zé)崴囊詮椥葬屗繛橹?，其?jì)算公式為：

式（2）中：a—地?zé)崴刹上禂?shù)，取75%；t—按30 a 開采期計(jì)算。

計(jì)算得：Q可采·降90m=1.57×107m3/a，Q可采·降110m=1.93×107m3/a。

3.4 開采潛力分析

商丘城區(qū)地?zé)崴_采層位主要在350～550 m，計(jì)算也以此段含水層為計(jì)算對(duì)象。以2020 年開采量1.71×107m3/a 為已采量，根據(jù)潛力指數(shù)計(jì)算公式：

式中字母含義同上。

根據(jù)（3）計(jì)算得：P90=0.92， P110=1.13。

依據(jù)潛力指數(shù)P值的判定標(biāo)準(zhǔn)：P>1.20有開采潛力，1.20≥P≥0.80采補(bǔ)平衡，P＜0.80潛力不足，已超采判定，目前商丘城區(qū)范圍內(nèi)的地?zé)崴_采已達(dá)到采補(bǔ)平衡。

根據(jù)商丘市1997—2020 年地?zé)崴_采量在2×107m3/a 以上,地?zé)崴怀掷m(xù)下降，區(qū)內(nèi)年地?zé)崴_采量控制在為1.71×107m3/a，地?zé)崴豢杀３窒鄬?duì)穩(wěn)定，地?zé)衢_采基本達(dá)到采補(bǔ)平衡狀態(tài)，應(yīng)可作為當(dāng)?shù)氐責(zé)豳Y源開發(fā)利用規(guī)劃的基礎(chǔ)依據(jù)。

4 結(jié)語

商丘市城區(qū)地?zé)崽飳俑采w沉積型層控地?zé)崽?，為層狀孔隙熱?chǔ)類型，地?zé)崴咭欢ǖ某袎盒?，初步?jì)算商丘市城區(qū)地?zé)崴刹少Y源量應(yīng)控制在約1.50×107m3/a（降深90 m）、1.95×107m3/a（降深110 m），且350～550 m深度范圍內(nèi)的低溫地?zé)崴Y源的開采已達(dá)采補(bǔ)平衡，開采潛力不大。為更好地利用寶貴的地?zé)崴Y源，建議應(yīng)盡快制定商丘市地?zé)崴Y源的開發(fā)利用規(guī)劃，合理地開采地?zé)崴?，同時(shí)建立地?zé)崴?、水質(zhì)、水量等動(dòng)態(tài)的監(jiān)測網(wǎng)，為科學(xué)管理地?zé)崴Y源開發(fā)提供依據(jù)。應(yīng)加大對(duì)巖溶熱儲(chǔ)地?zé)崴Y源的勘探開發(fā)研究，尋找新的可供開發(fā)利用的地?zé)崴Y源，以保證城市能源可持續(xù)開發(fā)利用。