开封凹陷盆地地热流体可采量定量评价_王晨旭.pdf

：开开封封凹凹陷陷盆盆地地地地热热流流体体可可采采量量定定量量评评价价王晨旭，张致远，何佳晨（河南省地矿局第四地质勘察院，河南 郑州；河南省地矿局第一地质勘查院，河南 郑州；河南省资源环境调查二院，河南 洛阳）摘要在充分利用所收集资料的基础上，分析研究开封凹陷盆地深层地热流体系统的地热地质条件，建立研究区深层地热流体系统的水文地质概念模型，进而建立与概念模型相适应的数学模型，利用矩形网格有限差分法对区内中深层地热流体系统进行三维数值模拟研究，并利用水均衡法对模拟结果进行校验，较为准确的对地热流体的可开采量进行定量计算评价。评价结果表明：研究区 个观测孔中大部分观测点的模拟计算水位与实测值拟合较好，模型比较真实的反映研究区地下水流场的变化规律；采用水均衡法和数值法计算的地热流体可采量分别为 和 ，计算结果相差不大，比较符合实际。关键词地热流体；数值模拟；可采量；开封凹陷盆地中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 基金项目河南省地质勘查基金项目：“凹陷盆地中深层地热能赋存规律及高效利用示范应用”（）作者简介王晨旭（），男，河南偃师人，工程师，主要从事水文地质、地热地质研究工作。引言地下水系统数值模拟软件 是由美国地质调查局（）的 o 和 于 年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。自从它问世以来，已经在全世界范围内，在科研、生产、环境保护、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用，成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件。研究区概况研究区地处黄河下游，地形平坦，地势西高东低，微向北东、南东倾斜；地貌类型以堆积地形为主，大部分地区属黄河下游冲积平原，地面开阔平坦，按其形态特征和物质组成可分为泛流平原、黄河故道和黄河河道，再以微地貌形态特征和成因分为 个亚区。图 研究区热储层图 研究区热储层南北向平面分区图（郑州 原阳）地层剖面综合分析研究区各热储层的关系及空间展布，整个研究区平面上分为四个亚区（图），面积分别为 、；垂向上可概化三个热储含水层（细分为八个热储含水亚层）。研究区地热田，目前已开发的有利用价值的地热主要分布在地面下 深度范围内（图），属于下更新统和新近系热储，根据勘探资料，整个研究区域各热储层的埋深由西南向东北逐渐加深，东部埋深达 左右。地热流体可采量数值模拟评价 概念模型建立（）注重对前人相关研究成果的分析，应用地下水系统理论，充分考虑地热水的循环条件。（）全面分析研究区深层地质、水文地质条件，建立研究区深层地热水系统的概念模型。如：研究区边界的几何形状、稳定流还是非稳定流、均质还是非均质、各向同性还是各向异性等。同时通过总结目前人们对于各种边界及源汇项的处理方法，提出本次研究所采用的方法。（）基于研究区深层的水文地质条件和水动力场特征，建立研究区深层地下水系统的概念模型及地下水系统的三维流动数学模型 。（）建立数值模拟模型过程如（图），本次研究采用o 的有限差分法计算。图 地下水流动模型构建过程 地下水流数学模型由上所述，研究区地下水流为三维流动系统，在不考虑 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.流体密度变化的情况下，其数学模型为：()()()，（，）（，），（，）（，）|（）式中：为地下水水头（）；，为、方向渗透系数（）；为边界法线方向渗透系数；为含水层比储水系数（）；为模拟区域第二类边界；为含水层初始水头（）；为 含 水 层 二 类 边 界 单 位 面 积 过 水 断 面 补 给 流 量（）；为源汇项强度（包括开采强度等）（）；为渗流区域；为渗流区边界的单位外法线方向，矢量。地下水流数值模型 网格剖分建立了地下水渗流的数学模型之后，要对渗流区进行离散化（剖分）。将复杂的渗流问题处理成在剖分单元内简单的规则的渗流问题。无论是用有限元法或是用有限差分法进行数值计算。计算结果的精度和可靠性、收敛性及稳定性在很大程度上取决于单元的剖分方法及单元剖分程度，在离散化时要遵循两条基本原则：（）几何相似。要求物理模拟模型从几何形状方面接近真实被模拟体。（）物理相似。要求离散单元的特性从物理性质方面（含水层结构、水流状态）近似于真实结构在这个区域的物理性质。网格剖分对计算的精度及计算的效率有很重要的影响。由于本研究是区域模拟，因此对一些非重点开采区的模拟精度要求不是很高，因此在普通模拟区域水平距离为 ，对一些重点区域，象漏斗区等做了加密处理，网格水平距离在 左右。据钻孔资料获得的地层岩性，模拟区域在垂向上共分为 层（图），分为 多个有效单元，模拟区域剖分图见图。时间步长设为 。初始条件由于研究区面积大，中深层水位观测资料很少，本次先应用稳定流模型计算初始流场，然后用计算出来的初始流场做动态模拟的初始水头。图 研究区三维地质模型图图 研究区网格剖分图 边界条件模型边界由盆地与山区接触线确定，边界类型为二类边界，采用流量边界条件。研究区边界主要由下述三部分组成：）侧边界条件根据调查资料侧边界做水头边界处理（图）。）底边界条件底边界定为第二类边界条件，深度在 左右，主要为研究区底部流体向上入渗量，但流量很少。因为深度大、资料少等原因，不能完全掌握其流量变化情况，因此在本次模拟中定为零流量边界。）上边界条件由于上边界埋深在 左右，且上有几十米厚的隔水层，因此做零流量边界。图 边界水位（单位：）表 研究区观测水位埋深编号位置水位埋深 香山宾馆 新天地温泉宾馆 聚浪潮温泉浴 蓝天温泉 开封市电力局 孙唐新村 黄河水院 河大新校区 西区水上乐园 五倾撕新村 西矿泉城 永和丽景 九鼎雅圆 神龙温泉宾馆 夏威夷宾馆 汴京饭店 河大老校区 开封市节水办 宋都宾馆 水利局施工队 开封市火柴厂开发区 开封市干休所 开封市长风花园 三毛洗浴中心 泓福花园 开封市水利局 开封大学 航天高厦 金明区法院 金岗矿泉娱乐城 恺撒宫 医院 人工开采量由于抽水资料是以市为单位提供的，根据当前郑州市与开封市的现状开采量（分别为 、）来设计模型。根据研究区社会经济发展规划及未来开采量的需求增长情况，预计 内研究区的开采量均增加一倍做模拟预测 。第 卷第 期地下水 年 月表 模拟水位与观测水位埋深对比观测孔类型中深层中深层模拟时段内降深 降深 降深 数量比较误差少于 拟合误差少于降深 达标百分比 图 计算水位与观测水位比较图 图 医院深水井水位动态拟合 模型校正由于收集到的深层地下水的资料不是很丰富，因此拟应用流场随机识别法，既把观测到的各观测孔的水位投放到相同时刻的模拟流场中的对应位置上，检验模拟效果。本次研究共收集到 个观测孔的观测水位，编号及位置见表。模型经过校正后对比计算水位与观测水位发现，大部分观测点能够符合的较好（见表，图 和图），能够比较真实的反映研究区地下水流场的变化规律。表 研究区地热流体可开采量分区可开采量 可采 可开采总量 总可采 温水储层温热水储层 小计 小计 热水储层 合 计 表 水均衡计算参数选取表热储层温水层（）温热水层（）热水层（）热储面积 热储厚度 最大允许降深 孔隙度 渗透系数 弹性释水系数 热储温度 表 地热流体可开采量分区可开采量 可采 可开采总量 总可采 温水储层温热水储层 小计 小计 热水层 合 计 地热流体可开采量计算按最大允许降深 、开采 的条件，应用识别校正后的模型，计算出研究区地热流体的可开采量（表）。模拟计算结果显示，整个研究区内地热流体可开采量为 。其中温水储层地热流体可采量为 （）；温热水储层地热流体可采量为 （）；热水储层地热流体可采量为 （）。水均衡法验证根据水量均衡原理，允许开采热水资源为设计地下水最大允许降深下的储量之变化量，由式（）求取：可（）式中：可为地热流体允许开采资源量，；为热储弹性释水系数；为最大允许降深；其它符号意义同前。将所需参数（见参数选取表 表）带入式（）可知，本区地热流体可采量为 （）。其中温水储层地热流体可采量为 （）；温热水储层地热流体可采量为 （下转第 页）第 卷第 期地下水 年 月金属空间分布及生态风险评价 环境科学研究 （）：o ，o，oo o o o o ，oooo o （）：o oo o oo （）：o，o ，oo，oo，o，o o o ，o oo ，o oo o oo oo oo o 郑江鹏，矫新明，方南娟，等 江苏近岸海域沉积物重金属来源及风险评价 中国环境科学 （）：秦建桥，黄晓萍，阮文刚 广东省西伶通道内河航道底泥重金属污染状况与生态风险评价 水土保持研究 （）：o ，o ，o ，o oo o oo o o，o o ：温泉，赵艳民，曹伟，等 潮白河中游沉积物中重金属分布、来源及生态风险评估 环境科学研究 （）：吴送先，邹晓红，潘筱璐，等 信江（土桥断面）水系沉积物中重金属污染研究 江西化工（）：伍恒赟，罗勇，张起明，等 鄱阳湖沉积物重金属空间分布及潜在生态风险评 价 中 国 环 境 监 测 （）：胡春华，于婷，周文斌 鄱阳湖悬浮物重金属污染及潜在生态风险评价 人民长江 （）：建设用地土壤污染风险管控和修复监测技术导则 生态环境部 王震生，鄢新华 江西省水系沉积物区域地球化学特征 科学技术创新（）：程志中，谢学锦，潘含江，等 中国南方地区水系沉积物中元素丰度 地学前缘 （）：周斌，刘伟，刘有刚，等 渤海湾南部典型生态区表层沉积物重金属潜在生态风险分析 海洋环境科学 （）：杨安，邢文聪，王小霞，等 西藏中部河流、湖泊表层沉积物及其周边土壤重金属来源解析及风险评价 中国环境科学（）：陈生涛，苗安洋，温婷婷，等 辽东湾表层沉积物重金属污染特征及潜在生态危害评价 海洋环境科学 （）：李照全，方平，黄博，等 洞庭湖区典型内湖表层沉积物中氮、磷和重金属空 间分布 与污染 风险评 价 环 境科学 研究（）：，o o o o o ，oo （）：徐艳东，魏潇，夏斌，等 莱州湾东部海域表层沉积物重金属潜在生态风险 评价 海 洋 科 学 进 展 （）：林承奇，胡恭任，于瑞莲，等 九龙江近岸表层沉积物重金属污染评价及来源解析 中国环境科学 （）：o ，oo ，o o o o （）：张杰，郭西亚，曾野，等 太湖流域河流沉积物重金属分布及污染评估 环境科学 （）：李萌，熊尚凌，陈伟，等 浙北海域表层沉积物中重金属的含量特征、来源和污染评价 海洋环境科学 （）：汪容基，赵小敏，郭熙，等“三生空间”视角下的土地利用转型与生态环境效应研究以江西省鹰潭市为例 江西农业大学学报 （）：邓渠成，王晓飞，尹娟，等 西江上游有色金属产业集聚区河流沉积物重金属空间分布特征与来源解析 环境科学研究（）：匡荟芬 鄱阳湖区沉积物和土壤重金属污染特征、风险评价及源解析 南昌大学（上接第 页）（）；热水储层地热流体可采量为 （）。具体结果见表。对比表 和表，利用水量均衡原理（最大允许降深法）计算的地热流体可采量与数值模拟法计算的地热流体可采量相差不大，计算的可采水量比较符合实际。结语（）根据工作的地热地质条件，建立了水文地质概念模型及数值模型，采用实际观测水位资料对数值模型进行了验证，大部分观测点的模拟计算水位与实测值拟合较好，模型比较真实的反映研究区地下水流场的变化规律；（）水均衡法计算的地热流体可采量为 ，数值法计算的地热流体可采量为 。计算结果相差不大，计算的可采水量比较符合实际。参考文献供水水文地质手册编写组 供水水文地质手册 北京 地质出版社 河南省地质工程公司 豫北平原地热资源调查报告 林学钰，廖资生 开封市区地下热流系统及开发工程配置王现国，李扬，张晓丽，等 洛阳龙门地热田地热地质特征及开发利用对策 人民黄河 （）：葛雁，王现国，冯琳 灵宝盆地地热资源成因分析 人民黄河（）：王现国，董永志，杨现国，等 洛阳盆地地热资源形成条件与开发利用研究 地下水 （）：阎留运，徐九儒 洛阳盆地地热资源与龙门地热田的关系 中国煤田地质 （）：，王现国，葛雁，杨现国 洛阳盆地地热地质特征研究 中国地热资源开发与保护：全国地热资源开发利用与保护考察研讨会论文集 北京：中国能源研究会地热专业委员会：王现国，彭涛，张领，等 洛阳盆地浅层地下水资源数值模拟评价 工程勘察 （）