(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

1 研究區(qū)概況

1.1 水文氣象

昭關(guān)地?zé)崽镅芯繀^(qū)位于安徽省含山縣昭關(guān)鎮(zhèn)，中心位置：東經(jīng)118°04′00″，北緯31°48′57″,與含山縣城距離約10.8 km，與馬鞍市距離約58 km。地處長(zhǎng)江北岸，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。氣候溫和，雨量適中，光照充分，熱量條件較好；季風(fēng)氣候顯著，冬寒夏熱，四季分明。年均氣溫15.8℃，無(wú)霜期247 d，年日照時(shí)數(shù)2 270 h。年均降雨量1 007.4 mm，年蒸發(fā)量1 469～1 629 mm。位于滁河以南，地表水系較發(fā)育，溝塘眾多，屬滁河水系。溝渠蜿蜒伸展，總體北西向匯入滁河，常年有水。昭關(guān)水庫(kù)位于查區(qū)南部，庫(kù)容1 154萬(wàn) m3，面積約1.5 km2。

1.2 區(qū)域地質(zhì)條件

昭關(guān)地?zé)嵛挥诤娇h昭關(guān)鎮(zhèn)境內(nèi)的香泉地質(zhì)推覆體后緣，由褶皺和斷層地質(zhì)構(gòu)造控制形成。震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)白云巖組成巖溶—裂隙型熱儲(chǔ)層。地?zé)崴纬删嘟?.05～1.32萬(wàn)年，受大氣降水補(bǔ)給。為中低溫地?zé)崽?Ⅱ-2類型)。地?zé)崽飬^(qū)域地?zé)岬刭|(zhì)系統(tǒng)平面分布范圍大，為一北東向的狹長(zhǎng)地帶，其補(bǔ)給區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出查區(qū)范圍，熱儲(chǔ)層埋藏于千米之下，其地質(zhì)構(gòu)造及地層條件復(fù)雜。

2 水文地質(zhì)概念模型的建立

針對(duì)研究區(qū)域建立地?zé)崽锏臄?shù)值模擬模型，用以計(jì)算、評(píng)價(jià)地?zé)醿?chǔ)量，并作為地?zé)崽锕芾砉ぞ摺Ｊ紫冉⒘搜芯繀^(qū)水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，然后運(yùn)用地下水模擬軟件Visual MODFLOW建立了研究區(qū)三維地?zé)崴鲾?shù)值模擬模型，并用多年地?zé)崃髁縿?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料和流場(chǎng)對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證。

2.1 地?zé)崽餆醿?chǔ)概化

查區(qū)熱儲(chǔ)由震旦系上統(tǒng)及奧陶系下統(tǒng)碳酸鹽巖地層組成，以白云巖為主，溶洞、溶孔和巖溶裂隙較發(fā)育。熱儲(chǔ)分布嚴(yán)格受北東向F3、F0和F4斷裂的控制，屬帶狀熱儲(chǔ)，構(gòu)成巖溶—裂隙型熱儲(chǔ)層(圖1)。

圖1 熱儲(chǔ)概化模型圖

2.2 研究區(qū)范圍

依據(jù)物探和鉆探資料圈定熱儲(chǔ)范圍，熱儲(chǔ)主要分布查區(qū)的油坊莊及其周邊地區(qū)，呈北東-南西向不規(guī)則長(zhǎng)條狀分布，長(zhǎng)約1.58 km，寬約0.66 km，面積約0.74 km2。

2.3 邊界條件

熱儲(chǔ)層上覆的第四系粘性土和震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)碳酸鹽巖構(gòu)成較好的蓋層，使裂隙巖溶冷水、松散巖類孔隙冷水與裂隙巖溶熱水兩系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，彼此間基本無(wú)水力聯(lián)系。因此熱儲(chǔ)上邊界可概化為無(wú)水量交換，是有熱量散失的半開(kāi)放邊界。

熱儲(chǔ)下部由F0、F3斷裂形成的“V”型或“U”型結(jié)構(gòu)組成，F(xiàn)3斷裂帶下盤為震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)白云巖，F(xiàn)0斷裂帶下盤為志留系高家邊組、泥盆系五通組砂巖，共同構(gòu)成了熱儲(chǔ)下邊界，1 500 m以下的基巖概化為可以向熱儲(chǔ)供熱的穩(wěn)定熱源，以維持熱儲(chǔ)的溫度恒定，熱源與熱儲(chǔ)之間可概化為不存在水量交換而有熱量供給的下邊界。

主要依據(jù)物探和鉆探資料圈定熱儲(chǔ)范圍，熱儲(chǔ)埋藏深度主要分布在1 000～1 400 m，熱儲(chǔ)埋藏深度表現(xiàn)為西南淺，中部和東北部深(下界面一般在1 400 m以下)。熱儲(chǔ)的分布嚴(yán)格受北東向F3斷層和F0斷層的控制，兩組斷層剖面上構(gòu)成“V”字或“U”字形，熱儲(chǔ)位于其復(fù)合部位：“V”字或“U”字底部一帶。熱儲(chǔ)的剖面呈“燕”字形，底部(斷層的復(fù)合部位)厚,最厚處一般260 m余，最大厚度可達(dá)360 m。

2.4 區(qū)域地?zé)崽飻?shù)值模擬模型

下面先根據(jù)水文地質(zhì)模型建立數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.4.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，將模擬區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)各向同性、有越流的非穩(wěn)定二維地下水流模型，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如式1：

(1)

式中：Kx，Ky為地下水在x、y方向的滲透系數(shù)(假定滲透系數(shù)主軸方向和坐標(biāo)軸的方向一致)；H為地下水水頭；H0為地下水初始水頭；Γ1為第一類邊界；Γ2為第二類邊界； K為邊界面法向方向的滲透系數(shù)。

2.4.2 時(shí)空離散

在已建好的水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上，采用Visual MODFLOW進(jìn)行地下水流數(shù)值模擬的建模和運(yùn)算。建立面積為32 m×32 m的矩形區(qū)域，模型剖分為1層，區(qū)域上39行×41列，根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，將模擬區(qū)范圍外的區(qū)域設(shè)置為不活動(dòng)單元格，模型平面網(wǎng)格剖分如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 地?zé)崽锬M區(qū)平面網(wǎng)格剖分圖

圖3 地?zé)崽锬M區(qū)橫剖面垂向網(wǎng)格剖分圖

圖4 地?zé)崽锬M區(qū)縱剖面垂向網(wǎng)格剖分圖

模擬期為2015年1月～2016年7月，以2016年7月的區(qū)域地下水水位為模型的初始流場(chǎng)，以月為單位作為應(yīng)力期，整個(gè)模擬期分為19個(gè)應(yīng)力期。模擬區(qū)的源匯項(xiàng)主要包括降雨入滲補(bǔ)給量、蒸發(fā)排泄量、越流量、側(cè)向補(bǔ)給量、地下水開(kāi)采量。開(kāi)采井主要集中在地?zé)崽飪?nèi)，開(kāi)采井?dāng)?shù)量及開(kāi)采量由調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)而得，地?zé)衢_(kāi)采井主要包括： HS04井、HS06井、HS08井、HS12井、HXK02井。

2.4.3 初、邊條件

根據(jù)2016年7月的地?zé)峋叵滤粚?shí)測(cè)資料，結(jié)合研究區(qū)的地形地貌特征，確定研究區(qū)目標(biāo)含水層的初始流場(chǎng)等值線。

區(qū)內(nèi)地?zé)崃黧w流場(chǎng)的展布受構(gòu)造邊界條件的控制，地?zé)崃黧w由東南部及東北部、西南部經(jīng)深部循環(huán)，流向西中部(地?zé)衢_(kāi)采區(qū)域——漁場(chǎng))。與區(qū)域水文地質(zhì)條件相符。研究區(qū)地下水流整體上以水平運(yùn)動(dòng)為主、垂向運(yùn)動(dòng)為輔，地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律；在常溫常壓下地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律；考慮相鄰含水層之間存在水量交換，地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動(dòng)由層間水頭差異引起，地下水運(yùn)動(dòng)可概化為空間三維流；地下水系統(tǒng)的輸入輸出隨時(shí)間、空間變化，故地下水為非穩(wěn)定流；參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性；參數(shù)在平面上沒(méi)有明顯的方向性，可視為平面各向同性，而垂向上與水平方向有較大的差異，表現(xiàn)出明顯的各項(xiàng)異性。將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向異性二維地下水非穩(wěn)定流系統(tǒng)，模擬時(shí)段2015年年1月～2016年7月。

F0為地?zé)岬难a(bǔ)給邊界，F(xiàn)3為地?zé)岬膶?dǎo)熱儲(chǔ)熱邊界，F(xiàn)11和F12為弱透熱邊界(于構(gòu)造的復(fù)合部位導(dǎo)熱)，F(xiàn)4為地?zé)岬母魺徇吔?；玄武巖體為阻熱邊界，松散層和巖溶發(fā)育微弱的碳酸鹽巖為地?zé)岬母魺徇吔纭?/p>

2.4.4 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)本區(qū)的水文地質(zhì)條件結(jié)合本次勘查中取得的抽水試驗(yàn)成果，求得的水文地質(zhì)參數(shù)為：熱儲(chǔ)滲透系數(shù)(K)26.13 m/d，導(dǎo)水系數(shù)(T)1 251.84 m2/d，熱儲(chǔ)貯水系數(shù)平均為0.006 8。

熱儲(chǔ)巖石的孔隙度(φ)主要依據(jù)熱儲(chǔ)埋深和裂隙巖溶發(fā)育程度而定。本次采取了7組巖樣送往中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所進(jìn)行物理性質(zhì)參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知:熱儲(chǔ)巖石的孔隙度為0.027。

表1 巖樣物性參數(shù)測(cè)試成果匯總表

2.4.5 源匯項(xiàng)

地下水系統(tǒng)的均衡要素是指其補(bǔ)給和排泄項(xiàng)。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水以大氣降水為主要補(bǔ)給源，其大部分裸露區(qū)可直接接受大氣降水，其覆蓋區(qū)大氣降水則通過(guò)松散層越流補(bǔ)給。碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的排泄途經(jīng)主要為側(cè)向逕流排泄于沖溝、小溪等地表水體或以伏流形式向下游及松散巖類孔隙水中排泄，常以泉形式出現(xiàn)，次為人畜生活飲用開(kāi)采和蒸發(fā)排泄。

模擬時(shí)段內(nèi)降雨入滲量主要與包氣帶巖性，植被發(fā)育、潛水位埋深、降雨量大小等因素有關(guān)，模擬區(qū)降雨入滲系數(shù)取值為0.32。

地?zé)崃髁磕M期的日開(kāi)采量見(jiàn)表2。

表2 模擬期內(nèi)地?zé)崃髁咳臻_(kāi)采量統(tǒng)計(jì)表

2.4.6 模型識(shí)別與驗(yàn)證

數(shù)值模型建立后，利用井群降壓試驗(yàn)中觀測(cè)到的觀測(cè)孔的地下水位觀測(cè)值資料，采用試錯(cuò)法進(jìn)行模型識(shí)別，調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，使得計(jì)算水位和觀測(cè)水位擬合情況較好，滿足一定的精度要求，從而達(dá)到模型識(shí)別的目的。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)參，最終得到了較為理想的模型識(shí)別結(jié)果，觀測(cè)孔擬合結(jié)果如圖5所示。模擬區(qū)地下水水位模擬結(jié)果較好，說(shuō)明所建立的數(shù)值模擬模型能基本反映研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，可用于預(yù)測(cè)不同開(kāi)采方案條件下地?zé)崽锏叵滤蛔兓^(guò)程。

圖5 抽水試驗(yàn)觀測(cè)孔HS04孔水位降深擬合圖

3 研究區(qū)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 熱儲(chǔ)層物理特性評(píng)價(jià)

熱儲(chǔ)溫度分布與其埋藏條件密切相關(guān)，熱儲(chǔ)埋藏深，蓋層較厚，熱儲(chǔ)溫度相對(duì)較高。查區(qū)年平均氣溫15.8℃，地?zé)岢雎稖囟纫缘責(zé)峋L(zhǎng)期實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)，一般38℃～42℃，熱儲(chǔ)層的基礎(chǔ)溫度則由地球化學(xué)溫標(biāo)計(jì)算而得，計(jì)算結(jié)果為49.18℃～94.17℃,取所有計(jì)算結(jié)果的算術(shù)平均值得出熱儲(chǔ)層的溫度80.24℃。

熱儲(chǔ)層為震旦系上統(tǒng)—奧陶系下統(tǒng)白云巖，查《水文地質(zhì)手冊(cè)》(第二版)中271頁(yè)表7-1-5，可知，其密度為2.70×103kg/m3，由比熱0.92 kJ/kg·℃。

3.2 地?zé)崃黧w性質(zhì)

地?zé)崃黧w相態(tài)單一，為低溫?zé)崴２椤端牡刭|(zhì)手冊(cè)》(第二版)中271頁(yè)表7-1-5，得其物理及熱力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為：密度平均值取1×103kg/m3，比熱平均值取4.18 kJ/kg·℃。

3.3 地?zé)崮軆?chǔ)量計(jì)算

在該模型下的地?zé)醿?chǔ)量的計(jì)算公式如下：

其中，熱儲(chǔ)巖石和液體的平均熱容量按下式計(jì)算：

式中：ρc、ρω為分別為巖石和液體的密度(kg/m3)；Cc、Cω為分別為巖石和液體的比熱容(kJ/kg·℃)；Φ為熱儲(chǔ)中巖石孔隙度，無(wú)量綱。

共剖分了825個(gè)活動(dòng)單元格，因此n取825，每一個(gè)單元格的厚度通過(guò)軟件輸出得到，熱儲(chǔ)溫度tr取80.24℃，熱儲(chǔ)基準(zhǔn)溫度tj取15.8℃，巖石和液體的密度ρc、ρω分別為2 700 kg/m3、1 000 kg/m3，巖石和液體的比熱容Cc、Cω分別為0.92 kJ/kg·℃、4.18 kJ/kg·℃，巖石孔隙度Φ取0.027。

通過(guò)以上計(jì)算可得：地?zé)崽镏刑N(yùn)藏的總資源量為3.639×1016。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)收集資料、地質(zhì)綜合測(cè)繪與調(diào)查、地?zé)崃黧w及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地球物理勘探、鉆探及成井、降壓試驗(yàn)、巖水樣測(cè)試和綜合研究等工作方法對(duì)昭關(guān)地?zé)豳Y源進(jìn)行詳細(xì)綜合勘查。經(jīng)過(guò)一個(gè)水文年緊張有效的勘查工作，基本查明了形成地?zé)岬膮^(qū)域地質(zhì)特征和地?zé)崽锏責(zé)岬刭|(zhì)條件，對(duì)地?zé)崃鲌?chǎng)特征、熱水資源儲(chǔ)量以及地?zé)崃黧w質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

(1)昭關(guān)地?zé)崽锏姆植家约暗責(zé)岬难a(bǔ)給、儲(chǔ)存、運(yùn)移、排泄等都明顯受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性的控制。查區(qū)地?zé)?8℃～42℃，屬低溫地?zé)嶂械臏責(zé)崴Y源。

(2)采用熱儲(chǔ)法、解析法、數(shù)值法和統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行了地?zé)豳Y源量計(jì)算得出，勘查評(píng)價(jià)的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量分別為：驗(yàn)證的地?zé)醿?chǔ)量2 360(m3/d)，探明的地?zé)醿?chǔ)量250(m3/d)，控制的儲(chǔ)量650(m3/d)。

(3)地?zé)崽餆醿?chǔ)中蘊(yùn)藏的總資源量為3.639×1016J。其中巖石蘊(yùn)藏的熱能為3.476×1016J，熱液蘊(yùn)藏的熱能為1.623×1015J。

(4)研究區(qū)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量大、分布集中、質(zhì)量好、溫度適宜，可廣泛利用于洗浴、泥浴、療養(yǎng)、養(yǎng)殖、種植等農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方面，可帶動(dòng)旅游、環(huán)境保護(hù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的的健康發(fā)展。具有廣泛的適用性和良好的開(kāi)發(fā)利用前景。