蘭州市城區地下水源淺層地熱資源特征淺析

田萬生，周 斌

(1.甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州730020;2.甘肅省地質環境監測院，甘肅 蘭州730050)

蘭州位于甘肅中部，是甘肅省省會，為全省政治、經濟、文化和科技中心，也是西北地區重要的交通樞紐?，F轄城關、七里河、西固、安寧、紅古五區和永登、榆中、皋蘭三縣，總面積1.31萬 km2，其中市區面積1 631.6 km2，城市建成區面積130 km2?？側丝?19萬人，其中市區人口208萬人。

本文所指研究區范圍，以蘭州城市規劃區范圍為界，即西起西固宣家溝，東至城關桑園峽，南、北兩側至丘陵區谷肩或分水嶺。地貌單元主要包括了黃河Ⅰ～Ⅳ級階地及部分丘陵。行政區劃涉及西固、安寧、七里河、城關四區。地理坐標介于:東經 103°33'～103°57'，北緯 36°00'～ 36°10'，工作區總面積 358.58 km2。

蘭州深居我國大陸腹地，位于中國西部三大高原交匯處，氣候干燥，區域環境較惡劣。長期以來存在的生態環境脆弱、環境污染嚴重等問題制約著蘭州市投資環境的改善和人民生活質量的提高。因此，開發利用清潔環保的淺層地熱能資源對于改善城區環境質量，提高城市品位，創造良好的投資環境有著十分重要的意義。

1 地下水源淺層地熱能資源

淺層地熱能，是指地表以下一定深度范圍內(一般為恒溫帶至200 m埋深)，溫度低于25℃，在當前技術經濟條件下具備開發利用價值的地球內部的熱能資源，其分布廣泛，溫度穩定，與地表存在反向溫差，是很好的替代能源和清潔能源，日益受到人們的重視，成為地熱開發利用新的增長點。地源熱泵技術是目前開發利用淺層地熱能資源的主要技術，通過輸入少量的高品位電能將低品位的淺層地熱能向高品位能源轉移，從而實現利用淺層地熱能給建筑物供暖或制冷。

地下水源是蘭州市城區主要的淺層地熱能資源。區內水文地質條件良好，第四系松散巖類孔隙潛水(即河谷潛水和斷陷盆地潛水)豐富，城區大部分地段單井涌水量在500～5 000m3/d，特別是斷陷盆地潛水，水量豐富，單井涌水量一般在1 000～5 000 m3/d，地下水水溫一般在11℃ ～16℃之間，具有很好的利用溫差。地下水中蘊藏著豐富的淺層地熱能資源。本文所指的地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水。

1.1 河谷潛水

1.1.1 河谷潛水水文地質特征

分布于黃河河谷及大型溝谷，潛水賦存于河(溝)谷漫灘及Ⅰ、Ⅱ級階地第四系砂礫卵石中。依據分布地段，主要有城關、西固、安寧十里店～沙井驛黃河河谷潛水及雷壇河、韓家河、黃峪溝溝谷潛水，其水文地質條件不僅各地段差異較大，就同一地段內變化也較大(表1)。

表1 蘭州市城區河(溝)谷潛水水文地質特征一覽表

1.1.2 河谷潛水補給、徑流及排泄條件

河溝谷潛水主要接受地表水、降水入滲補給和地下潛流補給為主，其次為渠系灌溉回歸水、城市輸水管網的滲漏補給。其排泄途徑為人工開采及潛流排泄。

1.1.3 河谷潛水水化學特征

河谷潛水水質普遍較差，具有近河岸地帶水質較好，遠離河岸水質逐漸變差的水化學分帶規律。

1.1.4 河谷潛水水溫特征

根據區內地下水動態長期監測資料和水文地質勘查成果，水溫一般變化在11～16℃之間，即冬季最低11℃，夏季最高16℃，年均水溫13℃。

1.2 斷陷盆地潛水

1.2.1 斷陷盆地潛水含水層巖性特征及變化規律

該類水賦存于斷陷盆地下更新統大厚度砂礫卵石中。含水層分為上、下兩層，上部為卵石層，下部為含泥質卵石層，上、下含水層水力聯系密切，具有統一的自由水面，屬于潛水(圖1)。據鉆孔揭示，含水層在盆地西部馬灘、崔家大灘一帶厚316.77 m，盆地東部小西湖一帶厚250 m左右，盆地南部受到山前洪積影響，為亞砂土及砂礫卵石互層。含水層垂向上，上部150 m左右的砂礫卵石，松散，粉土含量低，下部砂礫卵石則密實，且粉土含量高。

水位埋深近河岸地帶較小，一般5～15 m，其中傍河集中式開采井附近埋深較大，可達20 m，盆地向南至黃峪一帶水位埋深達100 m。

據抽水試驗資料，滲透系數在盆地南部丘陵溝谷、高坪區及其邊緣地帶小于10 m/d，龔家灣、西站、崔家大灘東部以及劉家堡～馬家莊為10～40 m/d，西站～馬灘、迎門灘一帶為20～40 m/d。

1.2.2 斷陷盆地潛水含水層富水性

盆地上部為大厚度疏松卵石含水層、下部為泥卵石含水層。由于含水層厚度大，巖性及顆粒級配在垂直方向變化也較大，直接控制和影響著地下水富水性。

根據富水性差異，將大厚度含水層劃分為三層。淺層含水層控制深度0～100 m左右;中層含水層控制深度100～200 m左右;深層含水層控制深度200～300 m左右。

圖1 三灘水源地水文地質剖面圖

1)淺層含水層富水性

淺層含水層富水性較好，但不均勻，富水程度差異較大。以龔家灣隱伏斷裂為界，斷裂以北地下水較豐富，以南地下水較貧乏，富水性較弱或弱。

富水性極強的地段:分布范圍小，主要集中在馬灘、迎門灘近黃河地帶，呈北西～南東向的條帶狀，單井涌水量大于5 000 m3/d。

富水性強的地段:分布范圍較大，東起小西湖，西至崔家大灘，北部的吊場，南部到范家坪一帶，單井涌水量1 000～5 000 m3/d。

富水性較弱的地段:分布在龔家灣至黃峪較大的范圍內，呈東西向帶狀分布，單井涌水量100～500 m3/d。

富水性弱的地段:位于盆地最南部，地下水位埋深大于100 m。單井涌水量小于100 m3/d。

2)中層含水層富水性

含水層位于地表以下100～200 m深度之內，富水性較上部含水層顯著變差。

富水性強的地段:分布在西站～崔家崖，為長約8 km，寬1 km的條帶狀。單井涌水量1 000～5 000 m3/d，多數變化在1 200～2 600 m3/d之間。

富水性中等的地段:分布面積較大，主要分布在馬灘、崔家大灘和迎門灘及龔家灣和小西湖一帶。單井涌水量500～1 000 m3/d之間，其中“三灘”水源地一帶富水性較好，一般單井涌水量都在800～950 m3/d，其他地段富水性略差，一般在550～600 m3/d之間。

富水性較弱的地段:分布在龔家灣隱伏斷裂以南的廣大地區，單井涌水量100～500 m3/d。

3)深層含水層富水性

含水層位于地表以下200～300 m深度，富水程度較中層和淺層含水層大大降低。

富水性強的地段:僅分布在西站—崔家崖，較中層含水層分布范圍縮小。單井涌水量1 000～5 000 m3/d，大多在1 000～1 300 m3/d之間。

富水性中等的地段:分布在馬灘、崔家大灘、迎門灘部分地區及龔家灣、晏家坪一帶，單井涌水量500～1 000 m3/d，一般為500～700 m3/d。

富水性較弱的地段:主要分布在斷陷盆地邊緣地帶，單井涌水量僅100～500 m3/d。

綜上所述，蘭州斷陷盆地富水性有以下特征:

(1)盆地中心部位特別是傍河地帶地下水富水性強或極強，而盆地邊緣地帶富水性弱。

(2)盆地地下水富水性垂直分帶明顯，隨著深度的增加，富水性逐漸減弱(表2)，強富水地段面積逐漸縮小，弱富水地段面積擴大。

(3)以龔家灣隱伏斷裂為界，盆地富水程度分為兩部分，南部富水性弱，北部富水性強。

表2 蘭州斷陷盆地含水層垂向富水性統計表

2 斷陷盆地潛水補給、逕流、排泄條件

2.1 地下水的補給條件

蘭州斷陷盆地地下水補給條件較復雜，其補給來源主要有大氣降水、灌溉水、溝谷地表水、溝谷地下潛流、河谷潛水和黃河地表水補給。

(1)大氣降水滲入補給:蘭州地區多年平均降水量317.6 mm，對地下水補給有意義的有效降水量為187.9 mm(平水年均值)，主要補給集中在黃河河谷低階地。Ⅳ級以上高階地及黃土丘陵區，由于地下水埋藏深度較大，降水入滲補給微弱。

(2)灌溉入滲補給:主要集中在馬灘、崔家大灘和迎門灘水源地。該地區分布大面積蔬菜地，地下水埋藏深度小，地表粉土較薄，有利于灌溉水入滲。蔬菜地灌水量較大，一般每畝年灌水量都在1 000 m3以上，如果按20﹪的滲入補給量計算，其滲入補給量是相當可觀的。

(3)溝谷地表水(包括洪水)滲入補給:盆地南北兩側溝谷發育，匯水面積較大。溝谷地表水進入盆地之后，由于遇到疏松礫卵石層，地表水在很短的距離內就滲入地下，補給盆地疏松礫卵石含水層。特別是洪水期流量增大，補給強度增大。

(4)溝谷地下潛流補給:蘭州斷陷盆地范圍內有大小溝谷近十條，其中以雷壇河、西果園溝、黃峪溝、金溝等溝谷地下潛水較豐富，在其向黃河河谷逕流過程中，補給蘭州斷陷盆地地下水。

由于受到地質構造控制，溝谷潛流在盆地邊緣地帶往往形成地下跌水，地下水位落差達到100 m以上。溝谷潛水全部補給盆地地下水。

(5)河谷潛水補給:蘭州斷陷盆地地下水與河谷潛水有水力聯系的地段較少。僅限于崔家大灘，敦煌路及黃河北部的十里店。

盆地西側和北側均可接受側向補給，其補給量在1 000×104m3/a左右。

應該指出:以上地段只有在開采條件下，河谷潛水才有補給盆地地下水的可能。

(6)黃河地表水激發補給:在開采條件下黃河地表水對地下水激發補給往往占有相當重要的地位，是保證傍河地帶地下水正常開采必不可少的條件。

2.2 地下水逕流條件

蘭州斷陷盆地地下水受長期開采影響，目前形成大面積降落漏斗，使原始逕流條件發生了較大變化，改變了原來補給、逕流和排泄條件。

原設計中，超前管棚每2.0 m高打一環，環向間距0.5 m，每環共57根，每根長3.0 m，共需1 160根，長3 480 m。實際施工中，采用本施工方案從地面自上而下一次性鉆孔打進，深入地下38.4 m，間距0.5 m，共57個鉆孔需無縫鋼管約2 050 m，比原設計少1 274 m長，節省超前管棚支護（灌漿）投資約35萬元。本出渣方案省去調壓井口門機、鋼絲繩和吊罐等吊裝設備，減少門機司機、信號員等特種作業人員，減少施工資源投入。

隨著城市發展，需水量逐年增加，開采加劇，地下水位急劇下降，降落漏斗不斷擴展，經過40余年的強烈開采，地下水降落漏斗中心水位累計下降5.28 m，地下水逕流條件發生了很大變化。

黃河以南地下水主要向北東方向逕流，馬灘、崔家大灘一帶地下水從四周向漏斗中心匯流，水力坡度為8‰左右。漏斗中心位于馬灘8號井附近，中心水位1513.40 m。

黃河以北地區的地下水向南西或南逕流，黃河岸邊地下水則向北東逕流，形成以四水廠井群為中心的降落漏斗，中心水位1513.78 m左右，水力坡度7.5‰左右，傍河地帶水力坡度變陡。

2.3 地下水的排泄

蘭州斷陷盆地范家坪組礫卵石松散巖類孔隙潛水，上世紀六十年代以前，尚未被開發利用，地下水處于天然的原始狀態，黃河是地下水唯一排泄通道。隨著地下水的開發利用，水位逐年下降，漏斗不斷擴大，地下水排泄條件發生了質的變化，現在人工開采成為盆地地下水的主要排泄途徑。

3 斷陷盆地潛水水化學特征

3.1 地下水水質的水平分帶

黃河地表水體從盆地中部流過，把其分割成水文化學條件不同的南北兩部分。

盆地地下水在開采條件下，受到黃河地表水的強烈補給，同時也受到南北山區和黃土丘陵區地下水的補給。這種雙重補給的結果，勢必造成地下水水文化學條件復雜多變的特征。

隨著補給水源水質的差異和逕流途徑長短及溶濾作用強弱的不同，地下水水化學類型、礦化度、總硬度等呈現有規律的變化。

自黃河向南可劃分為三個水化學帶。

淡水帶:分布在崔家大灘、馬灘傍河地帶，圍繞著黃河地表水體呈帶狀分布，為HCO3～Ca～Mg或HCO3～SO4～Ca～Mg型水，礦化度小于0.5 g/L，總硬度200～300 mg/L或小于200 mg/L，以重碳酸型水為主。

過渡帶:分布在黃河淡水帶以南，呈長條形，為HCO3～SO4～ Ca～Na～Mg型水，礦化度 0.5～1.0 g/L，總硬度 300～450 mg/L，以重碳酸硫酸型水為主。

咸水帶:東起雷壇河口，西至深溝橋呈東西向帶狀，為Cl～SO4～Ca～Na或 Cl～Na型水，礦化度 1～3 g/L或 3～5 g/L，局部大于5 g/L，總硬度變化在600～5 000 mg/L之間，以氯化物硫酸型水為主。

3.1.2 黃河北部

自黃河向北可劃分為三個水化學帶。

淡水帶:沿黃河北部迎門灘傍河地帶分布，為HCO3～Ca或HCO3～Ca～Mg型水，礦化度小于2 g/L，總硬度200～300 mg/L或小于10 mg/L，屬于重碳酸型水。

過度帶:呈北西～南東向條帶狀，為HCO3～SO4～Ca～Mg或SO4～HCO3～Ca～Mg型水，礦化度 0.5～1 g/L或1～3 g/L，總硬度15～35 mg/L，以硫酸重碳酸型水為主。

咸水帶:分布在安寧堡一帶，為Cl～SO4～Na型水，礦化度3～5 g/L，總硬度大于600 mg/L，以氯化物硫酸型水為主。

綜上所述，蘭州斷陷盆地地下水具有圍繞著黃河地表水呈南北對稱的水文地球化學分帶特征，表現為黃河南北兩側近岸地帶水質好，遠離河岸水質逐漸變差，近黃河補給源水質好，遠離黃河補給水質變差的規律。

3.2 地下水水質的垂直分帶

蘭州斷陷盆地地下水水文地球化學的垂直分帶性受到含水層結構、巖性、補給條件及開采強度等綜合因素的控制，表現出水質復雜、變化大的特征。根據現有勘探資料，可以將盆地地下水水質在垂直方向上的變化規律劃分為三個帶。其深度范圍大致在0～100 m為淺層帶，100～200 m為中層帶，200 m以下為深層帶。依據地下水垂向水化學特征的差異，分為正向水文化學帶和逆向水文化學帶。

3.2.1 正向水化學帶

即地下水水質隨深度的增加由好變差的分布規律。主要展布在馬灘和迎門灘的黃河沿岸地區。

淺層淡水帶:該帶分布在馬灘和迎門灘地區，地下水埋深從水位以下至100 m左右。由于地下水開采強度大，又近補給水源，逕流途徑短，水交替強烈，為 HCO3～Ca～Mg或HCO3～SO4～ Ca～Mg型水，礦化度0.5 g/L 或 0.5～1 g/L?？傆捕刃∮?70 mg/L，是蘭州市區主要的供水地帶。

中層微咸水帶:位于淡水帶下部，埋藏深度100～200 m之間，受地下水開采影響較弱，水交替減緩，為CI～HCO3～Na.～Mg‥或HCO3～ CI～Na.～Mg‥型水，礦化度1g/L左右，局部1～3 g/L，總硬度1 800 mg/L左右。目前只有極少數供水井開采該層地下水。

深層咸水帶:該帶埋藏深度大于200 m，基本上不受地下水開采的影響，水交替近于停滯狀態，為 Cl～Na型水，礦化度3～6 g/L，總硬度高達 450 mg/L以上，沒有開采利用價值。

總之，地下水隨著深度增加，水質逐漸變差，由重碳酸型水漸變為氯化物型水，礦化度由低升高(表3)。

表3 馬灘K44號孔水化學垂直分帶表

3.2.2 逆向水化學帶

即地下水水質隨深度增加，水質由差逐漸變好的分布規律。此種水化學帶主要分布在小西湖至崔家大灘距離黃河較遠的較大范圍之內。

淺層咸水帶:位于含水層上部，埋藏深度小于100 m。由于處在地下水排泄地區或近排泄地區及其降水溶慮作用，鹽分聚集地下水鹽化。同時受到城市高礦化污水滲入補給影響，地下水為Cl～Na或SO4～Cl～Ca～Na型水，礦化度3～6 g/L，局部1～3 g/L，總硬度大于900 mg/L，為氯化物型水。中層微咸水帶:埋藏深度100～200 m，由于局部隔水層和淺層地下水的保護，地下水基本未遭受高礦化水混合作用的影響，保持著地下水形成時期的水化學成分，一般為Cl～SO4～HCO3～Mg～Na～Ca型水，礦化度1 g/L左右，局部為3 g/L，總硬度450 mg/L左右。

深層淡水帶:埋藏深度在200 m以下，為HCO3～SO4～Na～Mg或 HCO3～Mg～Na～Ca型水，礦化度 0.5 g/L左右，總硬度小于270 mg/L。不難看出，逆向水化學帶地下水隨著深度增加，水質由差逐漸變好，礦化度由高變低，總硬度也相應降低(表4)。

表4 馬灘S23號孔水化學垂直分帶一覽表

4 斷陷盆地潛水水溫特征

斷陷盆地內地下水溫與河谷潛水基本一致，水溫一般變化在11～16℃之間，即冬季最低11℃，夏季最高16℃，年均水溫13℃。

5 結語

淺層地熱能是地熱資源的一部份。地下水源淺層地熱能資源的開發利用是一項新興產業，其經濟、節能、環保的戰略意義已被社會所共識。因此，科學合理地發展地源熱泵項目對蘭州市落實節能減排政策，改善生態環境等具有重要意義，將產生明顯的經濟效益、環境效益和社會效益。

［1］《蘭州市城區淺層地熱能資源調查評價報告》，甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，2010.10。

［2］《蘭州市區區域水文地質調查報告》，甘肅省地質環境監測總站，1997.10。