楊詢昌

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州　253015)

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環(huán)境地質(zhì)

層狀孔隙裂隙熱儲(chǔ)最大允許水位降深研究
——以德州市城區(qū)為例

楊詢昌

(山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州253015)

摘要：當(dāng)前，地?zé)崴畲蠼瞪钊绾未_定方法很多，各地區(qū)因開(kāi)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(chǔ)上以德州市城區(qū)為例，通過(guò)對(duì)地面沉降與深層地下地?zé)崴治?，建立起了地?zé)崴畲笤试S水位降深數(shù)值模型，并計(jì)算出新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組、館陶組和古近紀(jì)東營(yíng)組地?zé)崴_(kāi)采最大允許水位降深值，確定了相似區(qū)域最大允許水位降深范圍，這對(duì)層狀孔隙裂隙熱儲(chǔ)地區(qū)熱儲(chǔ)最大允許水位降深確定和地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：層狀孔隙裂隙熱儲(chǔ)；最大允許水位降深；地?zé)崴?；地面沉降；?shù)值模型

引文格式：楊詢昌.層狀孔隙裂隙熱儲(chǔ)最大允許水位降深研究——以德州市城區(qū)為例[J].山東國(guó)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?zé)崴畲笤试S降深主要是從地?zé)豳Y源及環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，在提高地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)效益的條件下，綜合考慮地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)與地質(zhì)環(huán)境、資源保護(hù)等因素確定。最大允許降深過(guò)大，勢(shì)必會(huì)造成水位持續(xù)下降、水資源快速枯竭等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，并最終導(dǎo)致地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生。當(dāng)前，地?zé)崴畲蠼瞪钊绾未_定的方法很多，各地區(qū)因開(kāi)采條件不同其最大允許降深也不完全相同。我國(guó)北京、天津、河北、河南、山東等省市地?zé)崴刹闪坑?jì)算中最大降深一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取50～300m，最長(zhǎng)年限取50～100年。根據(jù)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(qū)域性地面沉降產(chǎn)生的主要原因[1]。因此，該次在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上對(duì)地?zé)崴畲笤试S水位降深值進(jìn)行研究。

1地?zé)崴畲笤试S降深影響因素分析

地?zé)崴畲笤试S降深主要受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和資源環(huán)境保護(hù)等3個(gè)方面影響。

地?zé)崴畲笤试S降深影響因素主要包括3個(gè)方面：即技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益和資源環(huán)境保護(hù)。

從技術(shù)水平來(lái)看，隨著鉆探、取水技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，目前多級(jí)潛水泵的揚(yáng)程可達(dá)300m以上。如河南省新鄉(xiāng)市潛水泵廠生產(chǎn)的300QJ140-294/16-220型多級(jí)潛水泵，出水量140m3/h，揚(yáng)程達(dá)336m，功率220kW。因此，開(kāi)采技術(shù)已不再是最大允許降深的瓶頸。

從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，降深增大，會(huì)增加取水能耗，必然導(dǎo)致地?zé)崴∷杀镜脑黾印５珡睦碚撚?jì)算和目前地?zé)崂媒?jīng)濟(jì)效益情況來(lái)看，允許降深可大于300m。因此，經(jīng)濟(jì)條件也不是最大允許降深的限制條件。

從地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)與地質(zhì)環(huán)境、資源保護(hù)等角度出發(fā)，最大允許降深過(guò)大，勢(shì)必會(huì)造成水位持續(xù)下降、水資源快速枯竭等一系列問(wèn)題，并導(dǎo)致地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生。

可見(jiàn)，地?zé)崴畲笤试S降深過(guò)大雖然從經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)水平已不是問(wèn)題，但從地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)與地質(zhì)環(huán)境、資源保護(hù)等角度出發(fā)，最大允許降深不宜過(guò)大，過(guò)量開(kāi)采地下液體最終可能會(huì)導(dǎo)致地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生。地?zé)崴试S降深過(guò)小，經(jīng)濟(jì)效益必然會(huì)降低，也不利于地?zé)豳Y源的有效開(kāi)采。因此，最大允許水位降深可在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上進(jìn)行確定。

2基于地面沉降防控下地?zé)崴畲笤试S降深分析

地面沉降主要受地下流體(深層地下水和地?zé)崴?開(kāi)采影響，雖然目前地?zé)崴_(kāi)采對(duì)地面沉降影響小，但長(zhǎng)期開(kāi)采地?zé)崴厝粫?huì)加劇地面沉降的發(fā)生[2]。地下水位變化是研究分析地面沉降發(fā)展的最直接證據(jù)之一[3]。深層地下水與地?zé)崴畬偻唤橘|(zhì)，其過(guò)量開(kāi)采產(chǎn)生的沉降量計(jì)算公式相同，只是各參數(shù)不完全相同。因此，通過(guò)深層地下水與地面沉降關(guān)系分析，建立起深層地下水與地面沉降回歸方程，然后通過(guò)地面沉降計(jì)算公式，可建立起地?zé)崴试S水位降深計(jì)算數(shù)值模型，從而計(jì)算出不同熱儲(chǔ)地?zé)崴畲笤试S水位降深。

山東省德州市城區(qū)熱儲(chǔ)類型屬層狀孔隙裂隙型熱儲(chǔ)，深層地下水長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采已導(dǎo)致了明顯的地面沉降等災(zāi)害的發(fā)生[4]，且區(qū)內(nèi)深層地下水位與沉降量監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)，資料齊全。因此，該次以德州市城區(qū)為例對(duì)地?zé)崴畲笤试S降深進(jìn)行分析。

2.1地質(zhì)環(huán)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(gòu)造單元上隸屬于華北板塊。區(qū)內(nèi)2000m以淺主要地層為古近紀(jì)東營(yíng)組，新近紀(jì)館陶組、明化鎮(zhèn)組，第四紀(jì)平原組。區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源豐富，主要賦存于新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東組碎屑沉積巖中，為溫?zé)崴偷蜏氐責(zé)豳Y源，熱儲(chǔ)類型屬層狀孔隙裂隙型熱儲(chǔ)[5]，開(kāi)采熱儲(chǔ)層主要為館陶組，其底板埋深1300～1650m，地層厚度400～500m。多年來(lái)，深層地下水(明化鎮(zhèn)上段含水層組)的大量超采導(dǎo)致水位大幅下降，并產(chǎn)生了明顯的地面沉降地質(zhì)災(zāi)害。

2.2地面沉降產(chǎn)生機(jī)理分析

德州地面沉降發(fā)生于20世紀(jì)80年代，主要由開(kāi)采深層地下水產(chǎn)生[6]。當(dāng)前，地?zé)崴_(kāi)采產(chǎn)生的地面沉降缺少勘查與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)資料，但其機(jī)理相同，因此過(guò)量開(kāi)采地?zé)崴脖厝粫?huì)加劇地面沉降的發(fā)生[6，12]。

地面沉降是一個(gè)復(fù)雜的工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，同時(shí)也是一種地質(zhì)災(zāi)害，它的形成是自然因素和人為因素綜合影響的結(jié)果[7]。目前認(rèn)為，自然因素引起的地面沉降量很小可以忽略不計(jì)。人為因素中，超量開(kāi)采地下水(包括地?zé)崴?造成深層承壓含水層水位大幅度下降是產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)生地面沉降的內(nèi)因，地面沉降的實(shí)質(zhì)是松散地層的壓縮固結(jié)或壓密，如濱海和黃河三角洲平原地區(qū)以及河流沖積平原地區(qū)，其原因是這些地區(qū)松散沉積層較厚，顆粒較細(xì)，沉積時(shí)間相對(duì)較晚，沉積速度快，孔隙度大，結(jié)構(gòu)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(zhì)粘性土層，壓縮空間較大，這些地面沉降的內(nèi)在因素導(dǎo)致了地面沉降的發(fā)生。

2．3地?zé)崴试S水位降深數(shù)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(jù)德州漏斗的地下水位觀測(cè)資料和1965—2007年地面沉降監(jiān)測(cè)資料分析，地面沉降與深層地下水位密切相關(guān)。1991年以前，深層地下水位埋深小于80m時(shí)，地面沉降量較小,隨著地下水位的持續(xù)降低，地面沉降量相應(yīng)的增加。1991—2000年，深層地下水位埋深由79m急劇降至111m，水位標(biāo)高達(dá)-90m，地面沉降量開(kāi)始增加，漏斗中心沉降量達(dá)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(biāo)高達(dá)-109m，地面沉降量迅速增加，漏斗中心沉降量達(dá)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(duì)比統(tǒng)計(jì)

2.3.2德州地面沉降與深層地下水位相關(guān)性分析

根據(jù)德州市城區(qū)國(guó)棉一廠地面沉降量測(cè)量點(diǎn)(D36) 1991—2007年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并根據(jù)階段沉降速率恢復(fù)和計(jì)算每年的累積沉降量(表2)，對(duì)地面沉降與深層地下水位進(jìn)行相關(guān)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(guān)程度較高，其相關(guān)系數(shù)為0.9947?？梢?jiàn)，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(fā)因素[8-9]。

圖1　水位標(biāo)高與地面標(biāo)高歷時(shí)變化對(duì)比曲線

年份地面標(biāo)高(m)水位標(biāo)高(m)累積沉降量(mm)年份地面標(biāo)高(m)水位標(biāo)高(m)累積沉降量(mm)相關(guān)系數(shù)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(jù)漏斗中心1991—2007年深層地下水水位與地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(表2)進(jìn)行線性擬合，可建立起德州城區(qū)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(guān)系密切的擬合曲線(圖2)。根據(jù)擬合曲線形態(tài)、方差分析及判定系數(shù)大小判斷，二次項(xiàng)曲線(二次擬合與三次擬合結(jié)果一樣)和原始曲線的擬合程度較高，且符合實(shí)際，因此可作為德州城區(qū)地面沉降與水位之間關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)。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(xiàng)擬合曲線

2.3.4深層地下水最大允許水位降深值計(jì)算

深層地下水最大允許水位降深是指不發(fā)生快速地面沉降及不發(fā)生地面沉降地質(zhì)災(zāi)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(yīng)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(guò)控制深層地下水的開(kāi)采，保證深層地下水水位在一個(gè)合理范圍，是控制地面沉降的唯一手段。因此，深層地下水開(kāi)采引發(fā)地面沉降變化的閾值問(wèn)題就尤其重要。

根據(jù)地面沉降與深層地下水位擬合方程，取m為0，可計(jì)算出臨界水位h，即地面沉降為0(不發(fā)生快速沉降)的水位。然后根據(jù)水位和地面標(biāo)高資料則可計(jì)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(jì)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(biāo)高為20.2m，則深層地下水允許水位埋深Δh=86.98≈87m。

2.3.5地?zé)崴畲笤试S水位降深數(shù)值模型建立

由于含水砂層的壓縮模量遠(yuǎn)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(jìn)行計(jì)算。根據(jù)已有研究成果，抽取地下水(包括深層地下水或地?zé)崴?引起的地面沉降問(wèn)題可按一維固結(jié)問(wèn)題處理。假設(shè)各含水層的初始水位相同，開(kāi)采地下水后，各含水層水位下降值也相同，均為Δh，根據(jù)土力學(xué)原理，粘性土的最終壓密量可按下式計(jì)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(shù)(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(kāi)采粘性土壓密量計(jì)算，同樣也符合新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東營(yíng)組等孔隙熱儲(chǔ)地?zé)崴_(kāi)采粘性土壓密量計(jì)算，且無(wú)論對(duì)哪一層流體壓密量計(jì)算，其允許水位降深下最終地面沉降壓密量(S∞)都應(yīng)該是相同的。因此，通過(guò)方程等量代換，可建立起不同熱儲(chǔ)流體開(kāi)采最大允許水位降深計(jì)算數(shù)值模型：

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

3不同熱儲(chǔ)地?zé)崴畲笤试S水位降深值計(jì)算

根據(jù)以上建立的數(shù)值模型可知，如果知道德州市城區(qū)深層地下水開(kāi)采層位壓縮層物理參數(shù)和各計(jì)算熱儲(chǔ)壓縮層物理參數(shù)，然后將計(jì)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(shù)值模型計(jì)算，即可求得各熱儲(chǔ)地?zé)崴畲笤试S水位降深值。

根據(jù)已有資料及區(qū)內(nèi)鉆孔土力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試指標(biāo)，首先確定出德州市城區(qū)深層地下水與不同熱儲(chǔ)計(jì)算參數(shù)，然后根據(jù)已建立的數(shù)值模型即可求得德州市城區(qū)地?zé)崴_(kāi)采最大允許降深。經(jīng)計(jì)算，在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上，德州市新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東營(yíng)組地?zé)崴_(kāi)采最大允許降深分別為102m，183m,287m。參數(shù)選取與計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。由于各地區(qū)計(jì)算參數(shù)不同，因此其計(jì)算數(shù)值也不可能完全相同，因此，在缺少計(jì)算參數(shù)情況下，相似區(qū)域不同熱儲(chǔ)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(jì)算參數(shù)選取及最大允許水位降深計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

注：粘性土壓縮系數(shù)和粘性土初始孔隙比均取近似平均值。

4結(jié)論

(1)總結(jié)了地?zé)崴畲笤试S降深影響因素，對(duì)地面沉降機(jī)理及其與深層地下水、地?zé)崴年P(guān)系進(jìn)行了分析，并以德州市城區(qū)為例，在基于地面沉降防控基礎(chǔ)上建立了地?zé)崴畲笤试S降深數(shù)值模型，計(jì)算得新近紀(jì)明化鎮(zhèn)組下段、館陶組和古近紀(jì)東營(yíng)組地?zé)崴_(kāi)采最大允許降深分別為102m,183m,287m；同時(shí)提出了缺少計(jì)算參數(shù)情況下相似地區(qū)對(duì)應(yīng)熱儲(chǔ)地?zé)崴畲笤试S降深范圍： 90～110m,150～200m,250～300m。

(2)建立的數(shù)值模型是直接已有數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行推導(dǎo)得出，理論依據(jù)充分，模型計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際。該模型對(duì)深部地理系統(tǒng)進(jìn)行抽象和概化的基礎(chǔ)上,對(duì)基于地面沉降下的最大允許水位降深進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá),為城市地下水(包括地?zé)崴?開(kāi)采管理政策的執(zhí)行及城市規(guī)劃方案的制定和評(píng)估提供可行的技術(shù)支持，具有較好的應(yīng)用前景。

(3)建立的數(shù)值模型主要建立在層狀孔隙裂隙熱儲(chǔ)及各含水層壓縮系數(shù)、厚度、初始孔隙比等力學(xué)參數(shù)基礎(chǔ)之上。因此，在具有相關(guān)力學(xué)參數(shù)的同類層狀孔隙裂隙熱儲(chǔ)地區(qū)，該模型對(duì)最大允許水位降深的確定和地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用與管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義和理論參考價(jià)值。

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收稿日期：2015-05-18；

修訂日期：2016-06-15；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

作者簡(jiǎn)介：楊詢昌(1977—)，男，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)人，工程師，主要從事水、工、環(huán)地質(zhì)等方面的工作；E-mail:yangxunchang@sohu.com

中圖分類號(hào)：P314

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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