楊亞軍，丁桂伶，徐 巍，李海京，魯 鶴，王雨石，張俊華，王翊虹

(北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048)

小湯山熱田是北京地區(qū)最早開展地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)工作的地?zé)崽?，?958年的0.6 km2，一直到2004年的86.5 km2。1971年，北京城區(qū)完成4 眼地?zé)峋?30 km2的地?zé)崽镔Y源量勘查評(píng)價(jià)工作。2001年，北京城區(qū)完成基82 眼地?zé)峋?06 km2的地?zé)崽镔Y源量評(píng)價(jià)，年儲(chǔ)量達(dá)到6.70×106m3。同時(shí)，完成了李遂熱田、良鄉(xiāng)熱田等其他地?zé)崽镔Y源量的評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，分別在1900年、1999年、2005年采用熱儲(chǔ)法、比擬法、統(tǒng)計(jì)分析法等方法評(píng)價(jià)了全市的地?zé)豳Y源量，其中最近一次是為了編制《北京市2006—2020年地?zé)豳Y源可持續(xù)利用規(guī)劃》進(jìn)行了資源量評(píng)價(jià)，基于315眼地?zé)峋?，?duì)全市2 760 km2的地?zé)豳Y源進(jìn)行了計(jì)算，認(rèn)為北京年可開采量為3.470×107m3，總量相當(dāng)于2.14×108t標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。然而，北京地區(qū)通過歷時(shí)60余年的地?zé)衢_發(fā)利用，發(fā)現(xiàn)資源評(píng)價(jià)仍存在一些問題，主要是已有的可開采地?zé)崴Y源量及其所攜帶出的熱量，并沒有考慮地?zé)崃黧w回灌的影響。《地?zé)豳Y源勘查規(guī)范》中對(duì)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)周期要求：在地?zé)衢_采階段，資源量的更新和計(jì)算周期最好小于5 a[1-2]。地?zé)豳Y源量的計(jì)算應(yīng)隨著勘查工作程度的不斷提高及動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)日益豐富完善，其精度越來越高。

本文通過示蹤試驗(yàn)和長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)小湯山地區(qū)一處典型地?zé)峁┡?xiàng)目和小湯山整個(gè)熱田進(jìn)行了資源量計(jì)算分析，得到了保持溫度不變的條件下，典型地?zé)峋盁崽锏牡責(zé)豳Y源可開采量。

1 地?zé)衢_發(fā)現(xiàn)狀

小湯山熱田是北京市10個(gè)熱田中資源條件較好、開發(fā)利用較早，動(dòng)態(tài)監(jiān)測內(nèi)容全面、監(jiān)測時(shí)間序列最長，勘查資料完善，回灌量較大，供暖用戶最多，研究程度最高的熱田。從1956年開始進(jìn)行地?zé)峥辈楹烷_發(fā)，小湯山熱田目前已有地?zé)峋?00余眼，成井深度70～3 500 m，開采熱儲(chǔ)主要為薊縣系和寒武系，出水溫度40～70 ℃，單日出水量1 000～2 000 m3。地?zé)豳Y源主要用于地?zé)峁┡?、溫室種植和溫泉洗浴等，其中地?zé)峁┡挠脩糇疃?，地?zé)崴畵Q熱后尾水90%實(shí)現(xiàn)回灌。

小湯山地區(qū)北部為山區(qū)，南部被大型斷裂截?cái)啵責(zé)崴饕x存在薊縣系熱儲(chǔ)中，上下都有隔水層，因此可以視為一個(gè)均衡區(qū)[3]。小湯山熱田已有40多年的開采歷史，主要開采的熱儲(chǔ)層是薊縣系霧迷山組，其次是薊縣系鐵嶺組和寒武系。從20世紀(jì)70年代初期開始，開采規(guī)模逐年增加，到20世紀(jì)80年代中期突破年均開采量100×104m3。1990—2000年年均開采量大于300×104m3。2000年開始實(shí)施回灌等措施控制，年均凈開采量開始逐漸減少，2005年開采量已經(jīng)下降到150×104m3以下。然而，從2007年開始隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地?zé)釡厝獌?yōu)勢越來越突出，一些單位的地?zé)嵊盟?guī)模不斷擴(kuò)大，年開采量達(dá)到300×104m3，2013—2016年突破360×104m3/a。年均水位變化與年均凈開采量呈正相關(guān)，凈開采量越大，水位降深越大，多年平均水位下降在1～2 m范圍內(nèi)，但2004—2007年由于凈開采量的驟減，熱儲(chǔ)壓力下降速度開始減緩，甚至出現(xiàn)回升現(xiàn)象。

2 基于示蹤試驗(yàn)的典型地?zé)峋Y源量評(píng)價(jià)

采用小湯山熱田一處典型地?zé)峁┡?xiàng)目示蹤試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行了回灌模式下地?zé)豳Y源可開采量計(jì)算及溫度預(yù)測計(jì)算，最終提出了開采溫度100 a不下降可持續(xù)開發(fā)利用的地?zé)崃黧w資源量[4-5]。

2.1 地?zé)峋_發(fā)利用概況

該地?zé)峋責(zé)崂媚Ｊ绞恰皟刹梢还唷?，熱?chǔ)為薊縣系霧迷山組，開采量110 m3/h，回灌量76 m3/h，開采溫度為69°，回灌溫度為30°，回灌井距離兩個(gè)開采井的距離分別為300，500 m，其開發(fā)利用示意圖見圖1。該用戶從2004年開始利用地?zé)釋?shí)施供暖，已有16 a，由動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地?zé)峋乃粵]有下降，說明熱儲(chǔ)壓力保持穩(wěn)定，生產(chǎn)井溫度也沒有明顯下降，說明回灌還沒有對(duì)生產(chǎn)井產(chǎn)生影響[6-7]。

圖1 典型地?zé)峋_發(fā)利用示意圖Fig.1 Development and utilization diagram of a typical geothermal well

2.2 示蹤試驗(yàn)

對(duì)回灌井投放碘化鉀示蹤劑，在開采井進(jìn)行不同頻率的取樣，測試碘化鉀的濃度[8-9]，歷時(shí)106 d，取樣總數(shù)為752 個(gè)，其中化驗(yàn)166 個(gè)，測出碘離子濃度大于0.02 mg/L的樣品為80 個(gè)(表1)。由圖2可以看出，1號(hào)生產(chǎn)井在試驗(yàn)第5天，示蹤劑從回灌井到達(dá)生產(chǎn)井，在第34天濃度達(dá)到了峰值0.267 mg/L，之后開始下降，最后趨于平穩(wěn)。2號(hào)生產(chǎn)井在試驗(yàn)的第5天，示蹤劑從回灌井到達(dá)生產(chǎn)井，且在第32 d濃度達(dá)到了峰值0.338 mg/L，之后開始下降，最后趨于平穩(wěn)。采用數(shù)值計(jì)算軟件模擬計(jì)算，推斷出這2口井之間存在著3條通道，計(jì)算得到通道長度、流速、彌散系數(shù)、通道截面積等參數(shù)(表2，圖3)。

表1 示蹤試驗(yàn)取樣結(jié)果

圖2 示蹤試驗(yàn)濃度變化曲線Fig.2 Tracer test concentration curve

表2 示蹤試驗(yàn)?zāi)M計(jì)算結(jié)果

圖3 1號(hào)和2號(hào)生產(chǎn)井通道模擬曲線Fig.3 Channel simulation curve of the No.1 and No.2 production wells

2.3 可開采量計(jì)算

基于示蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)及模擬計(jì)算結(jié)果，采用專業(yè)計(jì)算軟件研究分析了1號(hào)和2號(hào)生產(chǎn)井開采量分別為200 m3/h、500 m3/h及1 000 m3/h，回灌溫度為30°，100%回灌的三種供暖方案條件下，生產(chǎn)井后期出水溫度影響變化情況(圖4和表3)。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

進(jìn)一步深入分析，繪制溫度預(yù)測曲線，得出了該地?zé)峋３?00 a溫度不下降可持續(xù)開發(fā)利用的地?zé)崃黧w資源量為340 m3/h。

3 基于長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的地?zé)崽镔Y源量評(píng)價(jià)

小湯山熱田是北京地區(qū)10個(gè)地?zé)崽镏凶钤玳_始開發(fā)利用的熱田，至今已經(jīng)開發(fā)利用近二十年。本文通過收集小湯山熱田自1990—2015年地?zé)豳Y源量開發(fā)利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了地?zé)豳Y源平均開采量、平均回灌量和累計(jì)下降水位之間的關(guān)系，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性特征將25 a的監(jiān)測數(shù)據(jù)分為7個(gè)階段，并進(jìn)一步對(duì)年平均凈開采量、年均水位變化和單位降深凈開采量進(jìn)行了計(jì)算和繪制曲線(表4和圖5)[10-11]。

根據(jù)曲線擬合發(fā)現(xiàn)多年平均凈開采量和水位變化呈對(duì)數(shù)相關(guān)性，確定系數(shù)為0.858：

y=-2.019lnx+9.896 2

(1)

圖4 1號(hào)和2號(hào)生產(chǎn)井溫度預(yù)測曲線Fig.4 Temperature prediction curve of the No.1 and No.2 production wells

由式(1)可知，若要保持小湯山熱田水位不下降，年平均可開采量為1.345×106m3；若平均水位下降0.5 m，年平均可開采量為1.724×106m3；若平均水位下降1.0 m，年平均可開采量為2.214×106m3；若平均水位下降2.0 m，年平均可開采量為3.651×106m3；若平均水位下降5.0 m，年平均可開采量為1.603 6×107m3。但地?zé)豳Y源量不僅與地?zé)崃黧w的量有關(guān)，而且與地?zé)崃黧w的溫度息息相關(guān)。

在小湯山熱田整個(gè)開發(fā)利用階段，僅1990—2000年小湯山熱田年平均水位下降在1.42～2.15 m，因此對(duì)該段時(shí)間內(nèi)地?zé)豳Y源開發(fā)利用范圍內(nèi)的地面沉降、地裂縫、地震、地下水水質(zhì)等地下水環(huán)境及周邊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查和資料收集發(fā)現(xiàn)，小湯山熱田在地?zé)豳Y源利用過程中，熱儲(chǔ)壓力水位下降2.0 m時(shí)未發(fā)現(xiàn)任何地質(zhì)環(huán)境問題。

地?zé)豳Y源補(bǔ)給包括地?zé)崃黧w的補(bǔ)給和熱量的補(bǔ)給，通過多年長期的監(jiān)測顯示小湯山地區(qū)在目前開采條件下，地?zé)崃黧w溫度未發(fā)生顯著變化。因此，基于長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出小湯山熱田保持地?zé)崃黧w溫度不發(fā)生顯著變化的前提下，年均水位下降2.0 m，可以保障的最少可開采量為3.651×106m3。

4 結(jié)論

(1)基于采灌平衡條件，采用示蹤試驗(yàn)對(duì)小湯山地區(qū)典型地?zé)峋_采資源量進(jìn)行了計(jì)算，得出該地?zé)峋３?00 a溫度不下降可持續(xù)開發(fā)利用的地?zé)崃黧w資源量為340 m3/h。

表4 小湯山地區(qū)熱田多年動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值

圖5 小湯山地區(qū)熱田多年平均凈開采量與水位變化曲線Fig.5 Curve of average annual net exploitation and groundwater level changes in the geothermal field of the Xiaotangshan area

(2)根據(jù)多年連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)小湯山熱田資源量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)年均凈開采量與年均水位下降成對(duì)數(shù)相關(guān)性。

(3)結(jié)合地?zé)崃黧w溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析認(rèn)為小湯山熱田保持地?zé)崃黧w溫度不發(fā)生顯著變化的前提下，年均水位下降2.0 m，可以保障的最少年均可開采量為3.651×106m3。

結(jié)合小湯山熱田多年的開發(fā)利用資料和經(jīng)驗(yàn)，提出如果合理科學(xué)可持續(xù)的開發(fā)利用地?zé)豳Y源，必須堅(jiān)持“以熱定采，以灌定采”模式。