楊夢(mèng)輝

(西北大學(xué) 地質(zhì)系，陜西 西安710069)

關(guān)中盆地地下熱水開發(fā)利用研究

楊夢(mèng)輝

(西北大學(xué) 地質(zhì)系，陜西 西安710069)

關(guān)中盆地地?zé)豳Y源豐富，具良好熱源背景和存儲(chǔ)場(chǎng)所，第三系和第四系地層為地?zé)崴峁┝己脙?chǔ)、蓋組合，水質(zhì)較好，水溫較高。為實(shí)現(xiàn)關(guān)中盆地地?zé)崴暮侠黹_發(fā)利用，本文對(duì)關(guān)中盆地地?zé)醿?chǔ)存條件、地?zé)崴a(bǔ)給及可更新性、開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行了綜合研究，總結(jié)了目前地?zé)衢_發(fā)利用先進(jìn)技術(shù)和合理的開發(fā)利用模式。為實(shí)現(xiàn)關(guān)中盆地地?zé)崴沙掷m(xù)開發(fā)利用提出建議。

地?zé)崴?熱儲(chǔ)層;可持續(xù)開發(fā);熱泵

關(guān)中盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，北接渭河北山，南依附秦嶺山脈，為喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)時(shí)期形成的斷陷帶。關(guān)中盆地面積約3.4萬(wàn) km2，西窄東寬，地勢(shì)西高東低，總體呈“新月”形立于陜西中部。該盆地受南北緣斷裂帶主控，可以分為6個(gè)構(gòu)造斷塊。盆地莫霍面北東向展布，在西安和固市有地?zé)岙惓?。關(guān)中盆地屬于大陸裂谷型沉積盆地，在晚白堅(jiān)世一古新世時(shí)期，即燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)，秦嶺構(gòu)造帶和華北地塊相向收縮擠壓，軟流圈處于上隆狀態(tài)，一直持續(xù)到古新世末。隨著熱脈動(dòng)由軟流圈向上的傳播，本區(qū)巖石圈地慢和中下地殼增熱，粘度下降，形成低速一高導(dǎo)層。盆地的熱流值因此時(shí)地殼減薄，地慢上涌，深部熱量沿深大斷裂上來(lái)，此時(shí)地表熱流非常高。

1 關(guān)中盆地地?zé)岬刭|(zhì)特征

1.1 含水層

盆地含水層主要為第四系砂礫孔隙含水層與第三系基巖裂隙孔隙含水層。其中:第四系含水層厚約800 m，主要巖性為淡灰黃色黃土及砂、礫石層，其主要富水段為砂、礫石孔隙含水層，富水性強(qiáng)，單井出水量50～200 m3/h;第三系含水層厚約數(shù)千米，主要巖性為泥巖及中、細(xì)粒砂巖，砂巖膠結(jié)疏松，孔隙、裂隙發(fā)育，富水性中等，單井出水量30～80 m3/h。

1.2 熱儲(chǔ)層

研究區(qū)比較好的熱儲(chǔ)層有三個(gè)，分別為:上第三系上新統(tǒng)的藍(lán)田灞河組，中新統(tǒng)龔家溝組下半部的冷水溝組，以及漸新統(tǒng)白鹿原組。

1)藍(lán)田灞河組

厚度307～1 060 m，巖性主要為紫紅、深灰色泥巖、棕、淺灰色粗砂巖，底部具礫石層，具良好隔熱保溫效果，為良好的熱儲(chǔ)層。

2)冷水溝組

厚度100～360 m，。上部巖性由底礫巖、砂巖、泥質(zhì)礫巖和泥質(zhì)粉砂巖組成;上部位砂礫巖，泥巖和泥質(zhì)砂巖互層。具上、下粗，中間細(xì)的特征，為地下會(huì)存儲(chǔ)運(yùn)移提供良好條件，是較好的熱水儲(chǔ)層。

3)白鹿原組

厚度500～780 m，下部含礫中砂巖與灰褐色含礫砂質(zhì)泥巖互層，中部灰黃色細(xì)砂巖、灰白色粉砂巖，上部主要為砂質(zhì)泥巖，本組以厚層狀灰白色含礫砂巖為特征，巖性脆、裂隙發(fā)育，容易形成溶蝕裂隙，是比較好的熱水儲(chǔ)層。

1.3 地?zé)崴瘜W(xué)特征

1)所含離子

地?zé)崴饕庪x子含量淺部以HCO3、SO4為主，深部則以SO4、Cl為主;陽(yáng)離子Na的含量有隨深度增加的趨勢(shì)。

2)礦化度

熱儲(chǔ)層段礦化度高，一般 2.5 ～4.0 g/L，最高 14.58 g/L;第三熱儲(chǔ)層段較低，一般1.0～2.0 g/L，第一熱儲(chǔ)層段最低，僅為0.5 g/L左右。

3)SiO2、F 含量變化

SiO2、F含量隨深度增加，主要開采層普遍較高，且以熱田中心部位最高。

1.4 地?zé)崴a(bǔ)給源與可更新性

關(guān)中盆地地下熱水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水、地表水及基巖裂隙水。根據(jù)環(huán)境同位素資料、同位素和水化學(xué)資料，關(guān)中地區(qū)地下熱水補(bǔ)給關(guān)系大致為，咸陽(yáng)的地下熱水由盆地北部及西部高地補(bǔ)給，而西安的地下熱水補(bǔ)給主要來(lái)自秦嶺古代山區(qū)降水，關(guān)中地區(qū)地下熱水接受補(bǔ)給時(shí)的溫度以西安地區(qū)最低，咸陽(yáng)次之。

關(guān)中盆地地下熱水的補(bǔ)給和更新特點(diǎn)具有明顯的非均一性和有限性。盆地南緣徑流條件好，地下水更新較快;盆地中部遠(yuǎn)離補(bǔ)給源地帶，地下水年老又更新緩慢，且埋藏較深，其上覆隔水或弱透水層，補(bǔ)給條件差，所以更新能力遠(yuǎn)弱于淺層水，西安咸陽(yáng)熱水的可更新性差。

2 地?zé)崴_采利用現(xiàn)狀

據(jù)《關(guān)中盆地地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)》報(bào)告顯示:整個(gè)關(guān)中盆地地?zé)豳Y源總熱量達(dá)2.67×1018kcal，相當(dāng)于381億 t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量;－4 000以上的地?zé)豳Y源可用熱量為1.869×1018kcal，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤267億 t，占總熱量的68%。目前，除西安、咸陽(yáng)兩市外，其余縣市地?zé)豳Y源開發(fā)的多處于起步階段，因此其開發(fā)潛力巨大。

截至2007年底，關(guān)中盆地利用地?zé)豳Y源井總數(shù)增至302眼，集中分布在西安、咸陽(yáng)、長(zhǎng)安等區(qū)域。目前，陜西省地?zé)峁┡娣e已達(dá)到350多萬(wàn)m2，地?zé)豳Y源醫(yī)療洗浴逐漸形成產(chǎn)業(yè);長(zhǎng)安東大地區(qū)還建起面積達(dá)18萬(wàn) m2的地?zé)狃B(yǎng)殖場(chǎng)，種植花卉14萬(wàn) m2。收到較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.1 沐浴、療養(yǎng)

如臨潼的溫泉約形成于二三百萬(wàn)年以前，水溫長(zhǎng)年恒止在43℃，溫泉水質(zhì)溫和、芳流千古不竭，名冠諸泉之首，享有“天下第一溫泉”的美譽(yù)。又有南山溫泉、藍(lán)田湯峪溫泉等等。

2.2 采暖

陜西省地?zé)崴┡娣e已達(dá)到350多萬(wàn) m2。西安武警學(xué)院全院營(yíng)區(qū)規(guī)劃供暖面積24萬(wàn) m2，地?zé)峋鏊?40～180 m3/h，出水溫度95℃。地?zé)岵膳?，采暖尾水供學(xué)院種植大棚取暖，而后排放;地?zé)崴灿糜谲姽?、家屬、學(xué)員、醫(yī)院人員的洗浴和游泳。

2.3 養(yǎng)殖

長(zhǎng)安東大地區(qū)建起面積達(dá)270多畝的地?zé)狃B(yǎng)殖場(chǎng)，種植地?zé)釡厝ɑ?00多畝。長(zhǎng)安區(qū)灃峪地區(qū)豐富的地下熱水資源，大力發(fā)展以羅非魚為主的水產(chǎn)養(yǎng)殖，帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3 地?zé)衢_發(fā)利用技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)關(guān)中盆地地?zé)崴沙掷m(xù)開發(fā)利用，我們秉承用熱不用水的思想尋找適合我們的技術(shù)。

3.1 熱泵

是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。熱泵利用地能一年四季溫度穩(wěn)定的特性，冬季把地能作為熱泵供暖的熱源，夏季把地能作為空調(diào)的冷源;即在冬季把高于環(huán)境溫度的地能中的熱能取出來(lái)供給室內(nèi)采暖，夏季把室內(nèi)的熱能取出來(lái)釋放到低于環(huán)境溫度的地能中。如圖1。

圖1 熱泵原理示意圖

3.2 地?zé)峋聯(lián)Q熱器

井下?lián)Q熱器主要依靠井內(nèi)底部地?zé)崴畬拥淖匀粚?duì)流方式取熱，其最高提取熱量可以達(dá)到1 000 kW以上，具有不抽取地下水、無(wú)地?zé)崴欧诺葍?yōu)點(diǎn)，無(wú)污染環(huán)境問題，可以保護(hù)地下水資源。如圖2。

4 存在的問題及給出的建議

4.1 存在問題

4.1.1 過渡開發(fā)

由于地?zé)崴梅奖悖_發(fā)利用成本低，導(dǎo)致一些人無(wú)度濫采，西安城區(qū)開采熱水井?dāng)?shù)已達(dá)上百余眼，西安地區(qū)(包括西安各郊縣)熱水開采井?dāng)?shù)達(dá)二百余眼。據(jù)相關(guān)部門測(cè)算，西安地下熱水，若合理開發(fā)利用可用20 a，若掠奪式無(wú)度開采，僅可使用5～10 a。

4.1.2 地下熱水利用不當(dāng)

由于地?zé)崴_采相關(guān)制度規(guī)定不健全，不少開采屬于無(wú)證、或手續(xù)不全的開采。這些非法開采技術(shù)不成熟，利用不徹底，是對(duì)地?zé)豳Y源的浪費(fèi)和破壞，只能加劇地?zé)豳Y源生命的早日終結(jié)。

4.1.3 回灌困難

如果要實(shí)現(xiàn)地?zé)崴目沙掷m(xù)開發(fā)利用，必須解決地?zé)崴毓鄦栴}，目前嘗試打過的幾口回灌井均失敗，需對(duì)地下地質(zhì)情況進(jìn)一步調(diào)查，和改善回灌技術(shù)，尋求新的方法。

圖2 地?zé)峋聯(lián)Q熱器示意圖

4.2 關(guān)中盆地地?zé)崴侠黹_發(fā)的一些建議

4.2.1 井位選擇

在采集地下熱水時(shí)，井位的選擇應(yīng)首先考慮所處位置的斷裂分布情況及斷裂的影響程度，當(dāng)靠近斷裂時(shí)，水溫高，水量相對(duì)較大，可能形成高溫自流井。遠(yuǎn)離斷裂時(shí)，水量較小，水溫也較低。對(duì)于已有一些熱水井分布的地區(qū)，如長(zhǎng)安東大，水文地質(zhì)條件優(yōu)越，埋藏淺，水溫高，水量大，水質(zhì)好，多眼水井為自流井，仍有較大的開發(fā)潛力。

4.2.2 防止污染

由于研究區(qū)基底上部沉積了巨厚的第三系，第四系沉積物，當(dāng)?shù)叵聼崴驍嘞葜醒脒\(yùn)輸時(shí)，溶解的上覆地層中的礦物質(zhì)加大，鹽分累積增高。例如西安及咸陽(yáng)熱水井。因此，在開發(fā)第三系地下熱水時(shí)，由于位置不同，水質(zhì)多有變化。當(dāng)水質(zhì)惡化時(shí)要考慮采用必要的處理，提高地下熱水質(zhì)量，防止環(huán)境污染，以便更好地開發(fā)利用。

4.2.3 規(guī)范開采

加強(qiáng)對(duì)地?zé)崴_采單位資格的審核，并建立監(jiān)管制度，防止過度開采，浪費(fèi)地?zé)豳Y源。

［1］胡偉偉，李婷，馬致遠(yuǎn)，豆惠萍.地下水資源可更新性的環(huán)境同位素研究［J］.地下水.2011，(2).

［2］王興—渭河盆地?zé)豳Y源特征及開發(fā)的環(huán)境因素［J］.陜西煤炭.2003.

［3］陜西省一三九煤田地質(zhì)勘探隊(duì).陜西省渭河盆地東部地下熱水賦存規(guī)律研究報(bào)告［R］.渭南:陜西省一三九煤田地質(zhì)勘探隊(duì).1996.

［4］金海峰，張益謙.西安地下熱水開采現(xiàn)狀與合理開發(fā)利用探討［J］.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào).2004，(9):40 －43.

P314.1

B

1004－1184(2012)03－0075－02

2012－04－10

楊夢(mèng)輝(1987－)，男，河南開封人，在讀碩士研究生，主攻方向:石油開發(fā)。