層狀孔隙裂隙熱儲最大允許水位降深研究
——以德州市城區為例

楊詢昌

(山東省魯北地質工程勘察院，山東 德州　253015)

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環境地質

層狀孔隙裂隙熱儲最大允許水位降深研究
——以德州市城區為例

楊詢昌

(山東省魯北地質工程勘察院，山東 德州253015)

摘要：當前，地熱水最大降深如何確定方法很多，各地區因開采條件不同其最大允許降深也不完全相同。在基于地面沉降防控基礎上以德州市城區為例，通過對地面沉降與深層地下地熱水分析，建立起了地熱水最大允許水位降深數值模型，并計算出新近紀明化鎮組、館陶組和古近紀東營組地熱水開采最大允許水位降深值，確定了相似區域最大允許水位降深范圍，這對層狀孔隙裂隙熱儲地區熱儲最大允許水位降深確定和地熱資源的可持續開發利用具有重要現實意義和理論參考價值。

關鍵詞：層狀孔隙裂隙熱儲；最大允許水位降深；地熱水；地面沉降；數值模型

引文格式：楊詢昌.層狀孔隙裂隙熱儲最大允許水位降深研究——以德州市城區為例[J].山東國土資源，2016,32(7)：49-53.YANG Xunchang. Study on Maximum Allowable Drawdown of Layered Pore and Fractural Geothermal Reservoir——Setting Districts in Dezhou City as an Example[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(8)：49-53.

地熱水最大允許降深主要是從地熱資源及環境保護角度出發，在提高地熱資源開發效益的條件下，綜合考慮地熱資源開發與地質環境、資源保護等因素確定。最大允許降深過大，勢必會造成水位持續下降、水資源快速枯竭等一系列環境地質問題，并最終導致地面沉降等災害的發生。當前，地熱水最大降深如何確定的方法很多，各地區因開采條件不同其最大允許降深也不完全相同。我國北京、天津、河北、河南、山東等省市地熱水可采量計算中最大降深一般根據經驗選取50～300m，最長年限取50～100年。根據以往研究成果，超量抽取地下液體造成地下水位大幅下降是區域性地面沉降產生的主要原因[1]。因此，該次在基于地面沉降防控基礎上對地熱水最大允許水位降深值進行研究。

1地熱水最大允許降深影響因素分析

地熱水最大允許降深主要受技術、經濟效益和資源環境保護等3個方面影響。

地熱水最大允許降深影響因素主要包括3個方面：即技術、經濟效益和資源環境保護。

從技術水平來看，隨著鉆探、取水技術手段的不斷進步，目前多級潛水泵的揚程可達300m以上。如河南省新鄉市潛水泵廠生產的300QJ140-294/16-220型多級潛水泵，出水量140m3/h，揚程達336m，功率220kW。因此，開采技術已不再是最大允許降深的瓶頸。

從經濟效益來看，降深增大，會增加取水能耗，必然導致地熱水取水成本的增加。但從理論計算和目前地熱利用經濟效益情況來看，允許降深可大于300m。因此，經濟條件也不是最大允許降深的限制條件。

從地熱資源開發與地質環境、資源保護等角度出發，最大允許降深過大，勢必會造成水位持續下降、水資源快速枯竭等一系列問題，并導致地面沉降等災害的發生。

可見，地熱水最大允許降深過大雖然從經濟效益和技術水平已不是問題，但從地熱資源開發與地質環境、資源保護等角度出發，最大允許降深不宜過大，過量開采地下液體最終可能會導致地面沉降等災害的發生。地熱水允許降深過小，經濟效益必然會降低，也不利于地熱資源的有效開采。因此，最大允許水位降深可在基于地面沉降防控基礎上進行確定。

2基于地面沉降防控下地熱水最大允許降深分析

地面沉降主要受地下流體(深層地下水和地熱水)開采影響，雖然目前地熱水開采對地面沉降影響小，但長期開采地熱水必然會加劇地面沉降的發生[2]。地下水位變化是研究分析地面沉降發展的最直接證據之一[3]。深層地下水與地熱水屬同一介質，其過量開采產生的沉降量計算公式相同，只是各參數不完全相同。因此，通過深層地下水與地面沉降關系分析，建立起深層地下水與地面沉降回歸方程，然后通過地面沉降計算公式，可建立起地熱水允許水位降深計算數值模型，從而計算出不同熱儲地熱水最大允許水位降深。

山東省德州市城區熱儲類型屬層狀孔隙裂隙型熱儲，深層地下水長期過量開采已導致了明顯的地面沉降等災害的發生[4]，且區內深層地下水位與沉降量監測周期較長，資料齊全。因此，該次以德州市城區為例對地熱水最大允許降深進行分析。

2.1地質環境概況

德州市位于山東西北部，與河北省的衡水市及滄州市毗鄰，構造單元上隸屬于華北板塊。區內2000m以淺主要地層為古近紀東營組，新近紀館陶組、明化鎮組，第四紀平原組。區內地熱資源豐富，主要賦存于新近紀明化鎮組下段、館陶組和古近紀東組碎屑沉積巖中，為溫熱水型低溫地熱資源，熱儲類型屬層狀孔隙裂隙型熱儲[5]，開采熱儲層主要為館陶組，其底板埋深1300～1650m，地層厚度400～500m。多年來，深層地下水(明化鎮上段含水層組)的大量超采導致水位大幅下降，并產生了明顯的地面沉降地質災害。

2.2地面沉降產生機理分析

德州地面沉降發生于20世紀80年代，主要由開采深層地下水產生[6]。當前，地熱水開采產生的地面沉降缺少勘查與試驗監測資料，但其機理相同，因此過量開采地熱水也必然會加劇地面沉降的發生[6，12]。

地面沉降是一個復雜的工程地質、環境地質現象，同時也是一種地質災害，它的形成是自然因素和人為因素綜合影響的結果[7]。目前認為，自然因素引起的地面沉降量很小可以忽略不計。人為因素中，超量開采地下水(包括地熱水)造成深層承壓含水層水位大幅度下降是產生地面沉降的主要外因，其原因是由于抽取地下水引起土層有效應力增加,從而使土層壓密造成地面沉降。較大可壓縮性的土層則是產生地面沉降的內因，地面沉降的實質是松散地層的壓縮固結或壓密，如濱海和黃河三角洲平原地區以及河流沖積平原地區，其原因是這些地區松散沉積層較厚，顆粒較細，沉積時間相對較晚，沉積速度快，孔隙度大，結構較疏松，具有多層承壓含水層和中至高壓縮性的粘性土層或淤泥質粘性土層，壓縮空間較大，這些地面沉降的內在因素導致了地面沉降的發生。

2．3地熱水允許水位降深數值模型的建立

2.3.1地面沉降與深層地下水位變化情況

據德州漏斗的地下水位觀測資料和1965—2007年地面沉降監測資料分析，地面沉降與深層地下水位密切相關。1991年以前，深層地下水位埋深小于80m時，地面沉降量較小,隨著地下水位的持續降低，地面沉降量相應的增加。1991—2000年，深層地下水位埋深由79m急劇降至111m，水位標高達-90m，地面沉降量開始增加，漏斗中心沉降量達517mm，年沉降量為57.4mm。2000—2005年，深層地下水位埋深由111m降至130m，水位標高達-109m，地面沉降量迅速增加，漏斗中心沉降量達936mm，年沉降量為83.8mm。2005—2007年，漏斗中心水位下降有所減緩，地面沉降速率也在減緩，年沉降量減至45mm(表1)。

表1　地面沉降與深層地下水水位下降對比統計

2.3.2德州地面沉降與深層地下水位相關性分析

根據德州市城區國棉一廠地面沉降量測量點(D36) 1991—2007年實測數據,并根據階段沉降速率恢復和計算每年的累積沉降量(表2)，對地面沉降與深層地下水位進行相關分析。由圖1和表1、表2可以看出，德州漏斗地面沉降與深層地下水水位下降的同步性，深層地下水水位和地面沉降量相關程度較高，其相關系數為0.9947?？梢?，深層地下水超采造成水位大幅下降是地面沉降的主要誘發因素[8-9]。

圖1　水位標高與地面標高歷時變化對比曲線

年份地面標高(m)水位標高(m)累積沉降量(mm)年份地面標高(m)水位標高(m)累積沉降量(mm)相關系數199121.23-55.1455.00200020.71-90.05572.00199221.17-63.10112.50200120.63-94.07655.80199321.11-65.77170.00200220.54-98.60739.60199421.05-66.74227.50200320.46-102.88823.40199521.00-71.42285.00200420.41-106.06867.20199620.94-74.52342.50200520.29-109.04991.00199720.88-78.13400.00200620.23-111.431047.00199820.82-82.25457.50200720.20-112.941081.00199920.77-85.96515.000.9947

2.3.3地面沉降與深層地下水水位回歸分析

根據漏斗中心1991—2007年深層地下水水位與地面沉降監測數據(表2)進行線性擬合，可建立起德州城區深層地下水位降落漏斗中心水位與沉降中心累積沉降量關系密切的擬合曲線(圖2)。根據擬合曲線形態、方差分析及判定系數大小判斷，二次項曲線(二次擬合與三次擬合結果一樣)和原始曲線的擬合程度較高，且符合實際，因此可作為德州城區地面沉降與水位之間關系表達式進行相關預測。其回歸方程如下:

m=-321.78-1.5249h +0.095h2

式中:m為地面沉降值(mm)；h為漏斗中心水位(m)。

圖2　地面沉降與水位二次項擬合曲線

2.3.4深層地下水最大允許水位降深值計算

深層地下水最大允許水位降深是指不發生快速地面沉降及不發生地面沉降地質災害的深層地下水容許的最大允許水位降深。抽汲深層地下水，地層土體有效應力增加，土體主要是飽和粘性土釋水變形，是地面沉降的根本原因，通過控制深層地下水的開采，保證深層地下水水位在一個合理范圍，是控制地面沉降的唯一手段。因此，深層地下水開采引發地面沉降變化的閾值問題就尤其重要。

根據地面沉降與深層地下水位擬合方程，取m為0，可計算出臨界水位h，即地面沉降為0(不發生快速沉降)的水位。然后根據水位和地面標高資料則可計算出容許最大允許水位降深Δh。

臨界水位降深h：將m=0代入回歸方程：m=-321.78-1.5249h+0.095h2，計算得h=-66.78m，即德州市深層地下水臨界水位為-66.78≈-67m。

允許水位降深Δh: 德州漏斗中心地面標高為20.2m，則深層地下水允許水位埋深Δh=86.98≈87m。

2.3.5地熱水最大允許水位降深數值模型建立

由于含水砂層的壓縮模量遠大于粘性土的壓縮模量，地面沉降主要是由粘性土的壓縮造成的[10-12]，因此可按粘性土壓密量公式進行計算。根據已有研究成果，抽取地下水(包括深層地下水或地熱水)引起的地面沉降問題可按一維固結問題處理。假設各含水層的初始水位相同，開采地下水后，各含水層水位下降值也相同，均為Δh，根據土力學原理，粘性土的最終壓密量可按下式計算：

式中：S∞為粘性土最終壓密量(mm);rw為水的容重(kN/m3);Δh為含水層水位下降值，即最大允許水位降深值(m);△p為水位變化施加于土層的荷載(kPa);αv為粘性土的壓縮系數(MPa-1);H粘為粘性土厚度(m);e0為粘性土初始孔隙比。

以上公式不僅符合深層地下水開采粘性土壓密量計算，同樣也符合新近紀明化鎮組下段、館陶組和古近紀東營組等孔隙熱儲地熱水開采粘性土壓密量計算，且無論對哪一層流體壓密量計算，其允許水位降深下最終地面沉降壓密量(S∞)都應該是相同的。因此，通過方程等量代換，可建立起不同熱儲流體開采最大允許水位降深計算數值模型：

式中：Δh(Δh′)為深層地下含水層(計算熱儲層)最大允許水位降深值(m);αv(αv′)為深層地下含水層(計算熱儲層)粘性土的壓縮系數(MPa-1);H粘(H粘′)為深層地下含水層(計算熱儲層)粘性土累積厚度(m);e0(e0′)為深層地下含水層(計算熱儲層)粘性土初始孔隙比。

3不同熱儲地熱水最大允許水位降深值計算

根據以上建立的數值模型可知，如果知道德州市城區深層地下水開采層位壓縮層物理參數和各計算熱儲壓縮層物理參數，然后將計算的德州市深層地下水最大允許水位降深值(87m)代入上式數值模型計算，即可求得各熱儲地熱水最大允許水位降深值。

根據已有資料及區內鉆孔土力學試驗測試指標，首先確定出德州市城區深層地下水與不同熱儲計算參數，然后根據已建立的數值模型即可求得德州市城區地熱水開采最大允許降深。經計算，在基于地面沉降防控基礎上，德州市新近紀明化鎮組下段、館陶組和古近紀東營組地熱水開采最大允許降深分別為102m，183m,287m。參數選取與計算統計結果見表3。由于各地區計算參數不同，因此其計算數值也不可能完全相同，因此，在缺少計算參數情況下，相似區域不同熱儲最大允許水位降深建議控制范圍可分別?。?0～100m,90～110m,150～200m,250～300m。

表3　計算參數選取及最大允許水位降深計算結果統計

注：粘性土壓縮系數和粘性土初始孔隙比均取近似平均值。

4結論

(1)總結了地熱水最大允許降深影響因素，對地面沉降機理及其與深層地下水、地熱水的關系進行了分析，并以德州市城區為例，在基于地面沉降防控基礎上建立了地熱水最大允許降深數值模型，計算得新近紀明化鎮組下段、館陶組和古近紀東營組地熱水開采最大允許降深分別為102m,183m,287m；同時提出了缺少計算參數情況下相似地區對應熱儲地熱水最大允許降深范圍： 90～110m,150～200m,250～300m。

(2)建立的數值模型是直接已有數據和統計方法進行推導得出，理論依據充分，模型計算結果符合實際。該模型對深部地理系統進行抽象和概化的基礎上,對基于地面沉降下的最大允許水位降深進行數學表達,為城市地下水(包括地熱水)開采管理政策的執行及城市規劃方案的制定和評估提供可行的技術支持，具有較好的應用前景。

(3)建立的數值模型主要建立在層狀孔隙裂隙熱儲及各含水層壓縮系數、厚度、初始孔隙比等力學參數基礎之上。因此，在具有相關力學參數的同類層狀孔隙裂隙熱儲地區，該模型對最大允許水位降深的確定和地熱資源的可持續開發利用與管理具有重要現實意義和理論參考價值。

參考文獻：

[1]王淼,陸陽,鄭玉萍,等.基于線性回歸分析的地下水開采與地面沉降相關關系研究[J].中國水運, 2015,15(7):108-110.

[2]徐軍祥,康鳳新.山東省地熱資源[M].北京:地質出版社,2014.

[3]姜媛,田芳,羅勇,等.北京地區基于不同地面沉降閾值的地下水位控制分析[J].中國地質災害與防治學報,2015,26(1):37-41.

[4]楊詢昌,王成明,馮守濤,等.德州市城區地熱水動態與開采量關系[J].山東國土資源, 2011,27(7):27-30.

[5]周世海,楊詢昌,梁偉,等.德州市城區地熱水人工回灌試驗研究[J].山東國土資源, 2007,23(9):11-14.

[6]楊麗芝,劉春華,劉中業.德州深層地下水開采引發地面沉降變化閾值識別[J].水資源與水工程學報, 2010,21(5):55-60.

[7]邢忠信 李和學,張熟,等. 滄州市地面沉降研究及防治對策[J].地質調查與研究, 2007,27(3):157-162.

[8]蔡文曉.德州市深層地下水開采與地面沉降關系研究[D].長春:吉林大學地球科學學,2009.

[9]賈超，張國榮，王嘉斌,等.地下水開采誘發地面沉降研究及其工程應用[J].地球科學與環境學報, 2015,37(4):102-104.

[10]羅躍,葉淑君,吳吉春,等.上海市地下水位大幅抬升條件下土層變形特征分析[J].高校地質學報, 2007,23(9):243-254.

[11]林黎,趙蘇民,李丹,等.深層地熱水開采與地面沉降的關系研究[J].水文地質工程地質, 2006,33(3):34-37.

[12]朱興國,景北科,董星宏,等.西安市地熱水開采與地面沉降、地裂縫關系的分析[J].地震地質, 2002,24(2):234-239.

收稿日期：2015-05-18；

修訂日期：2016-06-15；編輯：陶衛衛

作者簡介：楊詢昌(1977—)，男，貴州鎮遠人，工程師，主要從事水、工、環地質等方面的工作；E-mail:yangxunchang@sohu.com

中圖分類號：P314

文獻標識碼：A

Study on Maximum Allowable Drawdown of Layered Pore and Fractural Geothermal Reservoir——Setting Districts in Dezhou City as an Example

YANG Xunchang

(Shandong Lubei Geo-ngineering Exploration Institute,Shandong Dezhou 253015, China)

Abstract：Nowadays, how to determine the maximum allowable drawdown of layered pore and fractural geothermal reservoir is still unsettled. Based on the control ofland subsidence, taking Dezhou city as an example, through analysis on land subsidence and deep underground water, a numerical model has been established for the maximum allowable drawdown ofgeothermal water and the date of maximum allowable drawdown of the geothermal water mining of Neogene Minghuazhen group and Guantao group and Eogene Dongying group is calculated. Finally, the maximum allowable drawdown range of similar area is determined. This study has important practical significance and theoretical reference value for the study of maximum allowable drawdown of layered pore and fractural geothermal reservoir and the sustainable development and utilization of geothermal resources.

Key words:Layered pore and fractural maximum reservori; allowable drawdown; geothermal water; land subsidence; numerical model