黃河流域（濟陽段）地熱資源在鄉村振興中的應用研究

顏 梅，孟苗苗，單吉成，杜興風，于學友，王炳鳳，馬立丹

（1.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南 205200；2.沂源縣自然資源局，山東 淄博 256100）

0 引言

濟南市北部地熱研究程度較高，資源豐富，開發用途廣，在供暖、種植、養殖、溫泉旅游等方面得到廣泛應用[1-2]。濟陽區垛石街道通過“旅游+”“生態+”等模式，整合生態觀光、農業采摘、家庭農場等資源，拓展鄉村旅游產業鏈，以“一河七園”為依托，規劃打造垛石慢城田園綜合體。而濟陽區地熱資源開發利用程度相對較低，在黃河流域生態保護和高質量發展背景下[3]，地熱資源作為優質的清潔能源，其開發利用可以減少煤炭、石油等傳統能源使用所產生的污染物，服務于“生態+”的鄉村振興模式。通過分析黃河流域（濟陽段）地熱資源潛力、地熱資源開發利用現狀，結合城市發展規劃，對地熱資源在鄉村振興中的應用進行研究。

1 研究區概況

研究區位于濟南市東北部，為黃河流域濟陽段，沿黃河兩岸，東至高官寨、仁風鎮，南至小清河，西至邢家渡引黃總干渠，北至徒駭河，面積1 275 km2（圖1）。區內地熱資源豐富，地下熱水主要用于供暖、洗浴康養、監測等[4-6]。

根據山東省大地構造單元的最新劃分方案，研究區屬華北地層大區晉冀魯豫地層區，以齊河-廣饒斷裂為界，以北屬華北平原地層分區，以南屬魯西地層分區。研究區內主要的斷裂構造有齊河-廣饒斷裂、臥牛山斷裂、灘頭斷裂、文祖斷裂、東野郭-大灣斷裂等（圖1）。

在齊河-廣饒斷裂以北，自上往下依次分布第四系，新近系明化鎮組、館陶組，古近系東營組、沙河街組、孔店組及中生界白堊系[7]等，新近系館陶組及古近系分布廣泛，并且厚度較大，寒武-奧陶系埋藏較深。在齊河-廣饒斷裂以南，自上往下依次分布第四系、新近系明化鎮組、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系、太古界泰山巖群，缺失新近系館陶組及古近系，奧陶系埋藏較淺。

根據含水介質的巖性組合、埋藏分布條件和地下水的賦存特征，研究區的含水層主要劃分為以下幾部分：①第四系孔隙含水層：以第四系、新近系松散沉積為主；②石炭-二疊系碎屑巖類裂隙水和層間巖溶裂隙含水層：其巖性為石炭-二疊系的砂巖、粉砂巖、泥巖、泥巖夾煤層和石灰巖，總體富水性較弱；③奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層：巖性主要為灰巖、白云巖等；④基巖裂隙含水層：主要為濟南巖體中風化裂隙水，富水性差。

2 研究區地熱地質條件

研究區位于濟南北部地區，是泰山隆起北翼的一部分，古生界分布廣泛。研究區南部熱儲類型主要為奧陶系碳酸鹽巖類巖溶裂隙熱儲，熱儲層為奧陶系馬家溝組，總體上隸屬于濟北地熱田；在垂向上，現有資料揭露地層的最大深度為3 519 m，自下而上地層為寒武系三山子組（未揭穿）、奧陶系馬家溝組、石炭系本溪組、太原組、二疊系石盒子組、山西組、三疊系孫家溝組、劉家溝組、侏羅系三臺組、新近系明化鎮組以及第四系平原組。北部熱儲類型為新近系-古近系碎屑巖類孔隙裂隙熱儲，熱儲層以新近系館陶組為主，局部開采少量古近系東營組、沙河街組熱儲；自下而上地層為古近系沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組以及第四系，部分區域缺失東營組地層。齊河-廣饒斷裂為兩類熱儲的界線，對兩側地熱地質條件控制明顯。

2.1 地熱地質條件

研究區以齊河-廣饒斷裂為界，南部為奧陶系巖溶裂隙熱儲，蓋層為新生界第四系和新近系、古生界二疊系和石炭系；熱儲為奧陶系中、下統灰巖，正常的大地熱流為其主要熱源。濟南巖體的存在阻擋了南部大量冷水向北徑流，同時迫使南部一部分巖溶水向地下深處循環，起到增溫和保溫的作用，巖體內部深大斷裂形成了地熱水與深部熱源溝通的通道[8]。奧陶系灰巖巖溶水水溫為28～45 ℃[9]。熱儲層熱儲呈層狀兼帶狀分布[10]，受斷裂構造控制，彼此存在成生關系，地質構造條件比較復雜，屬于中低溫地熱田Ⅱ-3 型。地下水總體流向由南向北徑流[9]。

齊河-廣饒斷裂北部為新近系-古近系碎屑巖類孔隙裂隙熱儲，蓋層為新生界第四系和新近系明化鎮組；熱儲層主要為新近系館陶組，少部分為古近系東營組和沙河街組，巖性以砂巖為主；熱儲呈層狀分布，分布面積廣，厚度穩定，構造條件比較簡單，屬于中低溫地熱田Ⅱ-1 型。正常大地傳導性熱流為該熱儲的主要熱流，熱水的主要來源為儲存于含水層的古存水及周邊遠距離降水補給[8]。地下水總體流向由南向北徑流。

2.2 熱儲特征

奧陶系巖溶裂隙熱儲分布在研究區南部，熱儲層呈帶狀分布，頂界埋深在179.29～2 448 m 之間，厚度在600～1 000 m，平均厚度為800 m 左右。目前，該熱儲地熱井成井深度一般在904.95～1 800.56 m，除濟陽熱1 井外，均未揭穿該熱儲層，上部石炭-二疊系、三疊系、侏羅系、新近系以及第四系地層為熱儲蓋層，總厚度在179.29～2 448 m 之間。單井涌水量也根據構造和巖溶發育的不同而異，一般為100～2 000 m3/d，局部地段富水性弱，單井出水量小于100 m3/d，地熱井出水溫度33～56 ℃。

新近系-古近系碎屑巖類孔隙裂隙熱儲分布在研究區北部，自下而上地層為古近系沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組以及第四系。地下熱水主要賦存在新近系館陶組的碎屑巖孔隙-裂隙中，局部賦存在古近系東營組、沙河街組中，熱儲類型為孔隙裂隙型熱儲，分布較穩定。頂界埋深一般在750～900 m，底界埋深一般為900～1 200 m，地層厚度為50～300 m；熱儲砂層厚度10～50 m，巖性以粉砂巖、泥質粉砂巖和泥巖互層為主。

2.3 地熱流體特征

根據水質分析資料，地熱井中新近系-古近系碎屑巖類孔隙裂隙熱儲地熱水水化學類型為Cl-Na型，奧陶系巖溶裂隙熱儲地熱水水化學類型為SO4-Na·Ca 型和SO4-Ca 型。新近系館陶組熱儲地熱水中陰離子以氯離子為主，其次為硫酸根離子；陽離子中鈉離子占絕對優勢。奧陶系巖溶裂隙熱儲地熱水陰離子以硫酸根離子為主，其次為氯離子；陽離子中鈣離子占絕對優勢。

地熱水中含有豐富的微量元素，新近系-古近系碎屑巖類孔隙裂隙熱儲地熱水中，偏硼酸含量1～1.498 mg/L，達到有醫療價值濃度，具有醫療價值；偏硅酸含量33.72～37.75 mg/L，達到了礦水濃度，具有醫療價值。奧陶系巖溶裂隙熱儲地熱水中，氟含量0.28～2.62 mg/L，達到有醫療價值濃度，具有醫療價值；大部分地熱井鍶含量大于10 mg/L，達到命名濃度，可命名為鍶水，具有醫療價值；部分地熱井偏硼酸、偏硅酸含量達到有醫療價值濃度，具有醫療價值。

研究區內地熱水由于溴酸鹽、氟化物等含量超標，不適合作為飲用天然礦泉水；由于氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度等含量超標，不適合作為生活飲用水；由于地熱水溫度較高，部分Cl-含量超標，不適合直接作為農業灌溉用水、漁業用水。

3 地熱資源潛力

3.1 開發利用現狀

研究區及周邊地區包括新施工地熱井在內共有地熱井22 眼（圖2 和表1）。其中，在遙墻-臨港一帶的地熱井開發利用程度較高，研究區內現有地熱井9 眼，其中，奧陶系巖溶裂隙熱儲地熱井7 眼，僅桃1井和桃2 井用于養殖，濟陽熱1 井用于地震監測；新近系-古近系碎屑巖類孔隙裂隙熱儲地熱井2 眼，其中，JR025 井用于洗浴，DS-1 井為本次新施工地熱井，擬用于濟陽垛石街道慢城綜合體建設使用；其他地熱井未開發利用。

圖2 地熱井分布圖Fig.2 Distribution map of geothermal well

3.2 地熱資源潛力評價

DS-1 井位于濟南市濟陽區垛石橋街道辦西北200 m，擬用于濟陽垛石街道慢城綜合體建設使用，鉆探深度1 508 m，成井深度1 498.91 m（圖3）。該地熱井鉆遇地層依次為第四系、新近系明化鎮組、新近系館陶組、古近系沙河街組，取水層位為新近系館陶組、古近系沙河街組，取水層段選定在井深1 247.45～1 498.91 m 之間，取水層段地層總厚度為251.46 m，含水層厚度為65.3 m。

圖3 井身結構Fig.3 Well structure

DS-1 井出水口溫度59 ℃左右，水化學類型為Cl-Na 型，溶解性總固體5 711 mg/L，pH 值7.55。該井地熱水偏硅酸含量為37.75 mg/L，達到礦水濃度的標準，有醫療價值；不適合作為飲用天然礦泉水、生活飲用水，以及直接作為農業灌溉用水。

根據《單井地熱資源評價技術規程》（DB37/T 4243—2020）規定，采用非回灌條件下利用降壓試驗的方法估算單井地熱可開采量[11]，估算DS-1 井降深50 m 時，可開采量為819.66 m3/d。計算單井產能為1 827.08 kW，年可利用的熱能9.603×107MJ。

依據地熱流體可開采量所采出的熱量，按式（1）計算地熱井的產能（熱能或電能）[12]。

式中：Wt為熱功率，kW；Q為地熱流體可開采量，L/s；t為地熱流體溫度，℃；t0為當地年平均氣溫，℃。

計算參數確定：Q=9.49 L/s（降深為50 m 時，地熱井單井可采量取值），t=59 ℃，t0取垛石橋鎮平均氣溫12 ℃。將有關參數代入式（1）計算得到產能Wt=1 827.08 kW。

地熱流體年開采累計可利用的熱能量按式（2）計算。

式中：ΣWt為開采一年可利用的熱能，MJ；D為全年開采日數（按24 h 換算的總日數），d；Wt為式（1）計算得出的熱功率值，kW；K為熱效比（按燃煤鍋爐的熱效率0.6 計算）。

計算參數確定：D=365 d，K取0.6，計算得到ΣWt=9.603×107MJ。

根據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T 11615—2010），采用熱儲法（式（3）～式（8））計算熱儲中儲存的地熱資源量[12]，計算結果見表2。

表2 資源量計算結果表Table 2 Resource quantity calculation result table

式中：Q為熱儲中儲存的熱量，J；Qr為巖石中儲存的熱量，J；QL為熱儲中儲存的水量，m3；Q1為截止到計算時刻，熱儲孔隙中熱水的靜儲量，m3；Q2為位降低到目前取水能力極限深度時熱儲所釋放的水量，m3；QW為水中儲存的熱量，J；A為計算區面積，m2；d為熱儲厚度，m；ρr為熱儲巖石密度，kg/m3；cr為熱儲巖石比熱，J/kg·℃；φ為熱儲巖石的孔隙度，無量綱；tr為熱儲溫度，℃；t0為當地年平均氣溫，℃；ρw為地熱水密度，kg/m3；cw為水的比熱，J/kg·℃；S為彈性釋水系數，無量綱；H為計算起始點以上高度，即水面算起最大取水深度，m。

通過計算，在研究區949.0 km2范圍內，地熱資源總量為1.14×1019J，按1 t 煤的熱值為2.93×1010J 計算，折合標準煤3.9×108t。其中，館陶組熱儲中存儲的熱量為1.12×1018J，折合標準煤3.84×107t；東營組熱儲中存儲的熱量為1.52×1018J，折合標準煤5.19×107t；沙河街組熱儲中存儲的熱量為3.46×1017J，折合標準煤1.18×107t；奧陶系馬家溝群熱儲中存儲的熱量為8.42×1018J，折合標準煤2.87×108t。研究區地熱流體可開采量為94 997.83 m3/d。

根據地熱田規模分級標準[12]，研究區地熱田熱能為188.8 MW，屬于大型地熱田。地熱田熱功率為1.888×105kW，按每年開采365 d 計算，年開采累計可利用的熱能量為9.92×1015J，折合標準煤3.39×105t。

根據計算，研究區地熱資源總量為1.14×1019J，地熱流體資源可開采量為94 997.83 m3/d。地熱資源量與地熱流體開采產生熱量對比，按地熱流體可開采量100 年所能采出的總熱量為5.837×1017J，僅占地熱田熱儲中儲存熱量的5.12%。從熱量角度來說，研究區內地熱流體可采資源量是能夠得到保證的[13]。

4 區域地熱資源應用問題及建議

4.1 問題

研究區內有地熱井9 眼，其中，未利用的地熱井達5 眼，其余4 眼用于監測、養殖和洗浴；區域內調查地熱井22 眼（圖4 和表1），其中，未利用的地熱井有12 眼，占比約為54.5%，利用率較低。黃河流域（濟陽段）地熱資源儲量豐富，但開發利用程度不高。

圖4 地熱資源開發利用情況Fig.4 Development and utilization of geothermal resources

1）與城市規劃分布不匹配。研究區內地熱井多遠離村鎮地區，由于城市規劃晚，起步慢，地熱資源開發利用需求較低，從而造成了大部分地熱井未開發利用。

2）勘查難度大，勘查方向不明。研究區內齊廣斷裂以南已有多眼地熱井施工成功，說明區域上存在地熱資源，但是由于地熱水沿構造控制明顯，區域構造及巖溶發育具有不均一性，勘查找熱難度較大，如濟陽熱1 井、CZ01 井等地熱井，因水量較小，無法開采利用。研究區內齊廣斷裂以北，熱儲層越往北厚度越大，地熱地質條件越好，但離城區越遠，開發利用難度增大。

3）地熱尾水回灌研究程度較低。研究區內地熱資源尾水回灌工作尚未開展，地熱尾水一般直接排放，缺少地熱尾水處理裝置，對周圍環境造成了一定影響。

4.2 開發利用建議

1）制定合理規劃，積極推動開發。與地方政府做好對接工作，緊緊圍繞“黃河戰略”，制定黃河沿岸“河-湖-泉”綜合開發利用規劃，利用黃河-沿河水庫-地熱溫泉自然資源，打造黃河沿岸綠色生態旅游長廊，提升濟南泉城文化內涵。

2）加強科學研究，提升利用高度。以JR025 井和DS-1 井為依托，結合濟南市濟陽區鄉村振興建設，打造以地熱康養洗浴為主的旅游特色小鎮，為新農村建設提供樣板。

3）加強勘查力度，提供資源保障。圍繞《山東省黃河流域生態保護和高質量發展規劃》，有針對性地開展地熱勘查工作，提高控制精度，實現由探到采的合理轉變，為黃河流域高質量發展規劃提供基礎地質資料。

4）加強環境保護，提高尾水回灌。地熱資源并不是取之不盡用之不竭的，在開發利用地熱資源的同時，也要做好相應的回灌及環境保護等工作。

4.3 地熱資源在鄉村振興中的應用方向

4.3.1 “地熱+供暖”

“地熱+供暖”模式已經得到廣泛應用并取得了較大、較好的經濟效益。DS-1 井出水口溫度59 ℃，可直接用于地熱供暖，地熱供暖與其他供暖方式相比，具有直接運行費少、開發周期短、見效快、能耗低、污染小、供暖時間可延長、可全年提供生活用熱水等多項優點。“地熱+供暖”模式有助于提升居民居住舒適度，降低碳排放，促進當地村民經濟效益與生態效益的雙豐收，營造綠色低碳的生態環境，帶動鄉域產業振興，有助于推動當地綠色低碳發展[14]。

4.3.2 “地熱+溫泉康養”

“地熱+溫泉康養”模式已經廣泛應用于醫療保健、娛樂康養。研究區地熱水屬于中低溫熱礦水，多數地熱井水富含鋰、氟、氡、偏硼酸和偏硅酸等多種礦物質，有一定的醫療和保健作用[15]。DS-1 井水偏硅酸含量為37.75 mg/L，達到礦水濃度的標準鍶、氡含量均接近醫療價值濃度；JR-025 井正用于溫泉康養，該井的開發利用對DS-1 井有一定指導和借鑒作用。此外，依托溫泉康養，還可以開發游泳館、嬉水樂園、療養中心、溫泉飯店和溫泉度假村等一系列娛樂旅游項目，有助于加快垛石慢城田園綜合體綜合開發，助力發展旅游度假和休閑觀光農業，帶動當地村民致富，助推鄉村振興，有助于提升溫泉康養方面的技術運用水平，打造全方位、立體化的功能性休閑區[6]。

4.3.3 “地熱+綜合能源體系”

研究區內地熱水不能直接用于農業灌溉，建議利用地熱資源綠色低碳、可循環利用的優勢，打造“地熱+”綠色發展模式，將地熱資源與燃氣、太陽能、風能等多種清潔能源有機整合，因地制宜地加強與其他可再生能源的互補綜合利用，形成集成互補的“地熱+綜合能源體系”，再結合地方整體發展規劃，著力建設農業灌溉、水上娛樂、垂釣等一體的水文化觀光體驗區和以農業產業園區的方式發展現代農業產業園區，以促進新型城鎮化建設和生態文明建設。

5 結語

地熱資源是優質的清潔能源，研究區內地熱資源豐富、醫療價值高、開發利用前景廣闊，可以從地熱供暖、康養洗浴、農業養殖、溫泉旅游、生態保護等多方面精準服務于垛石街道“生態+”的鄉村振興模式，促進旅游度假和休閑觀光農業發展，帶動當地村民致富，加快垛石慢城田園綜合體建設，助推垛石街道旅游產業轉型升級，助力鄉村振興發展，充分開發利用地熱這一清潔能源，將黃河流域（濟陽段）打造為黃河流域生態保護和高質量發展示范區和真正的未來城市樣板[16]。