李學(xué)元，何滿潮

1.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083

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天津市熱儲(chǔ)規(guī)劃分區(qū)和地?zé)峋畬徟到y(tǒng)研發(fā)

李學(xué)元1，何滿潮2

1.中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京 100120 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083

為解決天津市地?zé)峁ぷ髦写罅康責(zé)岬刭|(zhì)專業(yè)數(shù)據(jù)處理工作周期長與管理決策快速、科學(xué)要求相矛盾的問題，滿足地?zé)衢_發(fā)利用科學(xué)規(guī)劃發(fā)展的要求，為資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供操作簡單、智能的工具和手段；在過去天津地?zé)峁ぷ鞯幕A(chǔ)上，提出了“兩線一面”三維動(dòng)態(tài)分區(qū)方法，利用MapGIS SDK及Visual Basic開發(fā)了地?zé)峁こ虩醿?chǔ)規(guī)劃分區(qū)及地?zé)峋畬徟樵兿到y(tǒng)。該系統(tǒng)的開發(fā)為規(guī)劃的制定和落實(shí)提供了快速、全面、直觀的規(guī)劃分區(qū)，并且具有動(dòng)態(tài)跟蹤功能。在規(guī)劃期間內(nèi)，每年根據(jù)熱儲(chǔ)動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)，利用該系統(tǒng)制作一套年度規(guī)劃分區(qū)圖，供管理部門掌握規(guī)劃情況和動(dòng)態(tài)審批。

地?zé)?；評(píng)價(jià)；三維動(dòng)態(tài)分區(qū)；規(guī)劃;天津市

0 引言

地?zé)崮苁强稍偕茉吹囊粋€(gè)重要組成部分，其應(yīng)用受到了世界各國的關(guān)注[1-4]。我國已初步形成以供暖、洗浴、種植等直接利用方式為主，高溫發(fā)電為輔的地?zé)豳Y源開發(fā)利用格局。此外，近幾年利用地源熱泵開發(fā)淺層地溫能進(jìn)行供暖和制冷也在全國各地迅速發(fā)展[5]。但是與其他資源一樣，地?zé)岬拈_發(fā)也存在一系列的問題，如：可持續(xù)開發(fā)與利用、資源開發(fā)與環(huán)境的協(xié)同發(fā)展、資源的有效利用與優(yōu)化配備等，這對(duì)地?zé)衢_發(fā)和管理工作者是一項(xiàng)挑戰(zhàn)[6]。天津作為中國地?zé)衢_發(fā)利用規(guī)模最大的城市，在世界地?zé)嵝袠I(yè)也有一定的影響。之前何滿潮等[7]針對(duì)天津市地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀，研發(fā)過地?zé)岬乩硇畔⑾到y(tǒng)，它可以進(jìn)行圖形和屬性信息的查詢以及簡單的空間分析和資源開發(fā)評(píng)價(jià)，但在數(shù)據(jù)的通用性以及操作的智能化方面開發(fā)還不夠。隨著天津地?zé)衢_發(fā)利用規(guī)模不斷擴(kuò)大，管理過程缺乏快速、具有控制性、可操作性強(qiáng)、簡單易用、界面友好的自動(dòng)化規(guī)劃分區(qū)及開發(fā)利用審批系統(tǒng)的問題日益突出。為此，作者在天津地?zé)衢_發(fā)管理部門已有研究的基礎(chǔ)上[8]，提出了“兩線一面”三維動(dòng)態(tài)分區(qū)方法[9]，并利用MAPGIS SDK[10]及Visual Basic開發(fā)了地?zé)峁こ虩醿?chǔ)規(guī)劃分區(qū)及地?zé)峋畬徟樵兿到y(tǒng)。并將其應(yīng)用于城市地?zé)豳Y源規(guī)劃審批工作，以期解決地?zé)峁こ坦芾硇畔⒘看蟆⑻幚碇芷陂L與管理決策快速需求的矛盾。

1 規(guī)劃分區(qū)方法的提出

天津地區(qū)地層從太古宇至新生界均有發(fā)育，但其中缺失上奧陶統(tǒng)--下石炭統(tǒng)及古近系古新統(tǒng)。天津絕大部分地區(qū)被第四系覆蓋，前中生界僅在北區(qū)薊縣北部山區(qū)出露，其中以中、新元古界長城系，薊縣系和青白口系為主。南區(qū)前中生界埋藏較深，其上堆積了巨厚的中、新生界；北區(qū)除有部分第四系覆蓋外，一般不發(fā)育中、新生界。地?zé)峥辈檠芯恐?，?xí)慣上將新近系以下地層稱為基巖，新近系及以上地層稱為蓋層。天津地區(qū)熱儲(chǔ)層按巖性特征可以分為第四系孔隙型熱儲(chǔ)層、新近系碎屑巖孔隙型熱儲(chǔ)層和基巖裂隙巖溶型熱儲(chǔ)層。

基于地?zé)嵋?guī)劃要考慮的諸多關(guān)系和問題，結(jié)合多年開發(fā)與管理經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，提出“兩線一面”三維分區(qū)方法：根據(jù)天津市地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀分析，并考慮到科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和地?zé)峋氖褂媚晗?，將天津市地?zé)豳Y源開發(fā)利用劃分為4類區(qū)域(表1)。其中：限制開采區(qū)是指目前水位降深與下降速率較大，開采強(qiáng)度必須嚴(yán)格控制的地區(qū)；控制開采區(qū)是指地?zé)豳Y源較豐富、開發(fā)潛力大，目前的開采強(qiáng)度已經(jīng)引發(fā)了一定的水位降深，開采強(qiáng)度需協(xié)調(diào)確定的地區(qū)；鼓勵(lì)開采區(qū)是指地?zé)豳Y源豐富、開發(fā)潛力巨大、經(jīng)濟(jì)效益好，目前尚未開采或開采的強(qiáng)度低，引發(fā)的水位降深與下降速率小的地區(qū)；資源待勘區(qū)是指地?zé)豳Y源狀況不明有待于勘探的區(qū)域。

表1 天津市地?zé)豳Y源開發(fā)利用分區(qū)及參數(shù)

Table 1 Tianjin geothermal region-division and parameter list

分區(qū)名稱規(guī)劃圖中顏色簡稱參數(shù)限制開采區(qū)紅色Ⅰ類區(qū)Lf>L1控制開采區(qū)黃色Ⅱ類區(qū)L0≤Lf≤L1鼓勵(lì)開采區(qū)藍(lán)色Ш類區(qū)Lf

注：L0為規(guī)劃水位下降速率；Lf為實(shí)際水位下降速率；L1=1.5L0。單位均為m/a。

根據(jù)當(dāng)前開發(fā)設(shè)備的能力、開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性、資源開發(fā)對(duì)環(huán)境影響、為未來留有發(fā)展空間等因素，新近系最低開采靜水位控制在150 m之內(nèi)(泵室位置一般為200～250 m)，基巖最低開采靜水位控制在200 m之內(nèi)(泵室一般位置為350～400 m)。根據(jù)科技發(fā)展周期和經(jīng)濟(jì)發(fā)展周期，將規(guī)劃時(shí)限確定為30 a。

“兩線一面”方法確定了三維分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，按照該方法，將天津市地?zé)豳Y源劃分為5個(gè)熱儲(chǔ)層，每個(gè)熱儲(chǔ)層根據(jù)上一年度動(dòng)態(tài)資料劃分成4種類型的分區(qū)，并作為本年度規(guī)劃分區(qū)結(jié)果。通過相應(yīng)的規(guī)劃分區(qū)要求和條件對(duì)不同類型分區(qū)的開采情況實(shí)施動(dòng)態(tài)控制。確定方法如下：

1)確定規(guī)劃地?zé)崴唤捣鱄，

(1)

式中：H為允許最低開采靜水位，m；H0為規(guī)劃制定年靜水位，m。

2) 確定規(guī)劃水位下降速率L0，

(2)

式中：t為規(guī)劃年限，本次研究確定為30 a。

3)確定分區(qū)界線L1，L1=1.5L0。

4)依據(jù)所在位置實(shí)際水位下降速率Lf，按表1方法進(jìn)行分區(qū)。

2 系統(tǒng)研發(fā)

2.1 系統(tǒng)的開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

本項(xiàng)研究主要采用Visual Basic軟件進(jìn)行開發(fā),可運(yùn)行于Windows操作平臺(tái)，二次開發(fā)平臺(tái)為MapGIS，數(shù)據(jù)庫平臺(tái)為SQL-Server，所以運(yùn)行該系統(tǒng)必須安裝SQL-Server和MapGIS基礎(chǔ)平臺(tái)及二次開發(fā)軟件包。

2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)的總體框架

地?zé)嵋?guī)劃智能分區(qū)及地?zé)峋畬徟樵兿到y(tǒng)包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))、空間數(shù)據(jù)庫管理、屬性數(shù)據(jù)庫管理、工程熱儲(chǔ)規(guī)劃分區(qū)和地?zé)峋畬徟樵?部分。

2.2.2 系統(tǒng)的主要功能

1)數(shù)據(jù)庫管理功能(包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))：數(shù)據(jù)輸入、查詢、添加、更新、統(tǒng)計(jì)等。

2)數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)換功能：動(dòng)態(tài)屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)轉(zhuǎn)化，如自動(dòng)生成地?zé)峋臻g數(shù)據(jù)等。

3)地?zé)豳Y源開采強(qiáng)度智能計(jì)算功能，如根據(jù)動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)計(jì)算地?zé)豳Y源不同熱儲(chǔ)不同位置的年規(guī)劃水位下降速率。

4)智能分區(qū)功能，如根據(jù)最新動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和規(guī)劃確定的分區(qū)算法逐個(gè)熱儲(chǔ)層進(jìn)行智能規(guī)劃分區(qū)。

5)規(guī)劃分區(qū)圖生成及查詢功能。

6)地?zé)峋暌?guī)劃基本情況查詢功能，包括地?zé)峋厩闆r、動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)、年度規(guī)劃下降速率等。

7)地?zé)峋畬徟δ埽鶕?jù)前面生成的規(guī)劃分區(qū)圖進(jìn)行新地?zé)峋膶徟樵?，直接生成Word格式的審批查詢報(bào)告。

2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)中，許多管理功能模塊是通用的。對(duì)于這些通用模塊，項(xiàng)目將統(tǒng)一開發(fā)。對(duì)已經(jīng)有的通用功能采用軟件集成的方法，在文檔報(bào)告等方面采用Microsoft Word辦公軟件進(jìn)行集成；對(duì)于與圖形圖像處理相關(guān)的通用功能，則以MapGIS提供的通用模塊為基礎(chǔ)進(jìn)行集成。盡量減少軟件的開發(fā)工作量，形成實(shí)用、面向?qū)I(yè)的GIS系統(tǒng)。

2.3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖Fig.1 System workflow

2.3.2 系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)

1)數(shù)據(jù)庫管理功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)2部分。屬性數(shù)據(jù)庫管理功能通過SQL-Server及VB開發(fā)來實(shí)現(xiàn)；空間數(shù)據(jù)庫的管理主要通過MapGIS的空間數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)?？臻g數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括地理底圖、基礎(chǔ)地質(zhì)圖、地?zé)岬刭|(zhì)圖、地?zé)豳Y源現(xiàn)狀圖、地?zé)豳Y源預(yù)測圖5部分。

2)地?zé)豳Y源開發(fā)智能規(guī)劃分區(qū)功能的實(shí)現(xiàn)

基礎(chǔ)網(wǎng)格的實(shí)現(xiàn)：利用MapGIS的GRD模型，根據(jù)工作區(qū)的范圍，取工作區(qū)域左下角和右上角坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)的精度以及研究目的的要求，制定單元格的大小，計(jì)算出網(wǎng)格的行數(shù)和列數(shù)，然后利用MapGIS的二次開發(fā)的畫圖及拓?fù)湓靺^(qū)功能函數(shù)生成基礎(chǔ)網(wǎng)格圖區(qū)文件。

離散點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化及運(yùn)算功能的實(shí)現(xiàn)：利用MapGIS的數(shù)字高程模型預(yù)留的二次開發(fā)接口，從基礎(chǔ)網(wǎng)格的生成過程自動(dòng)讀取相關(guān)參數(shù)(如工作區(qū)范圍、網(wǎng)格的行數(shù)和列數(shù))，采用GRID模型中的距離冪函數(shù)反比加權(quán)網(wǎng)格化方法進(jìn)行剖分，形成熱儲(chǔ)層的年規(guī)劃水位下降速率和實(shí)際水位下降速率GRD格式的規(guī)則網(wǎng)文件。

資源規(guī)劃分區(qū)功能的實(shí)現(xiàn)：

①提取已經(jīng)形成的基礎(chǔ)網(wǎng)格圖、規(guī)劃水位下降速率GRD文件、實(shí)際水位下降速率GRD文件及工作區(qū)范圍區(qū)文件，利用MapGIS的屬性查詢、修改及保存功能，在基礎(chǔ)色塊圖中創(chuàng)建規(guī)劃水位下降速率和實(shí)際水位下降速率2個(gè)新字段，分別將規(guī)劃水位下降速率GRD文件、實(shí)際水平下降速率GRD文件中的數(shù)據(jù)按相應(yīng)位置寫進(jìn)新建的2個(gè)字段中。

②將寫好規(guī)劃水位下降速率和實(shí)際水位下降速率的基礎(chǔ)色塊圖與工作區(qū)文件進(jìn)行空間分析的求交運(yùn)算，減去工作區(qū)以外的基礎(chǔ)網(wǎng)格部分。

③再次利用MapGIS的屬性查詢功能，查出②中做好的工作區(qū)范圍基礎(chǔ)網(wǎng)格圖中各個(gè)區(qū)塊中的規(guī)劃水位下降速率和實(shí)際水位下降速率值，用規(guī)劃分區(qū)第三步所提出的表2規(guī)劃分區(qū)界限表進(jìn)行對(duì)比，劃分不同的分區(qū)，并按各分區(qū)規(guī)定好的顏色值修改該分區(qū)的顏色參數(shù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃分區(qū)。上述流程如圖1所示，過程原理如圖2所示。

圖2 規(guī)劃分區(qū)原理圖Fig.2 Schematic diagram of subregion planning

3)地?zé)峋畬徟δ艿膶?shí)現(xiàn)

①在對(duì)天津市5個(gè)熱儲(chǔ)層進(jìn)行了規(guī)劃分區(qū)生成規(guī)劃分區(qū)圖后，根據(jù)用戶申請(qǐng)地?zé)峋南嚓P(guān)參數(shù)，利用MapGIS的空間查詢功能進(jìn)行新地?zé)峋膶徟?，在?duì)應(yīng)的規(guī)劃分區(qū)專題圖上查找審批井附近地?zé)峋八幏謪^(qū)、規(guī)劃水位下降速率及實(shí)際水位下降速率等熱儲(chǔ)開發(fā)現(xiàn)狀資料，根據(jù)申請(qǐng)地?zé)峋浇膮?shù)及規(guī)劃分區(qū)原則，分析該地區(qū)是否適合新增地?zé)峋M(jìn)而形成審批意見。

②利用VB對(duì)Word的API函數(shù)進(jìn)行代碼開發(fā)，將①中所查詢獲得的相關(guān)資料直接按設(shè)定的模板寫進(jìn)Word格式的審批查詢報(bào)告，自動(dòng)生成排版格式的審批報(bào)告。

3 系統(tǒng)功能實(shí)例演示

3.1 天津市地?zé)峁こ虩醿?chǔ)開發(fā)利用規(guī)劃分區(qū)系統(tǒng)實(shí)例分析

在系統(tǒng)主體功能界面點(diǎn)擊“資源分區(qū)”，將出現(xiàn)資源規(guī)劃分區(qū)窗口，規(guī)劃分區(qū)結(jié)束后，為了方便用戶從系統(tǒng)直接查看規(guī)劃分區(qū)專題圖，設(shè)計(jì)了圖件查看功能，通過此功能可以打開某熱儲(chǔ)層的規(guī)劃分區(qū)專題圖。圖3為明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)規(guī)劃分區(qū)查看窗口。

從圖3可以看出：天津市明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層在市區(qū)及東麗區(qū)和大崗局部地區(qū)由于地?zé)峋植济芏容^大，地?zé)崴_采過度，造成了明顯的水位下降過快，屬于紅色限制開采區(qū)和黃色控制開采區(qū)；而其他地區(qū)則由于地?zé)峋當(dāng)?shù)量較少、開采量較低，屬于藍(lán)色的鼓勵(lì)開采區(qū)和綠色的資源待勘區(qū)。將本年度規(guī)劃分區(qū)作為下一年度地?zé)衢_采量審批及新井審批的依據(jù)可知，在紅色限制開采區(qū)應(yīng)通過提高熱利用率及增大回灌量等措施，禁止增加新地?zé)峋?；黃色控制開采區(qū)也屬于水位下降過快地區(qū)，應(yīng)該盡量采取措施減少地?zé)崴拈_采量，控制水位下降速率的幅度，禁止新增地?zé)峋?；藍(lán)色的地區(qū)屬于水位下降速率小于年規(guī)劃水位下降速率的地區(qū)，在這些地區(qū)可以增加開采量及鼓勵(lì)用戶采用地?zé)豳Y源進(jìn)行建筑供暖；綠色地區(qū)屬于地?zé)豳Y源勘探程度不高、有待于進(jìn)行探明的地區(qū)，該地區(qū)鼓勵(lì)用戶進(jìn)行嘗試性的開鑿地?zé)峋?yīng)給予相應(yīng)的優(yōu)惠政策，以便擴(kuò)大地?zé)崽锏倪吔绶秶?，緩解城市能源緊張的局面。

3.2 地?zé)峋畬彶榧皥?bào)告生成系統(tǒng)實(shí)例分析

圖3 規(guī)劃分區(qū)查看窗口Fig.3 Viewing window of subregion planning

圖4 地圖查看窗口Fig.4 Viewing window of map

在對(duì)天津市5個(gè)熱儲(chǔ)層進(jìn)行規(guī)劃分區(qū)的基礎(chǔ)上，工作人員即可利用系統(tǒng)的地?zé)峋畬徟皥?bào)告生成功能進(jìn)行新地?zé)峋膶彶楣ぷ?。通過地圖查看功能可以打開某熱儲(chǔ)層規(guī)劃分區(qū)專題圖，審查功能可以將設(shè)計(jì)井按其設(shè)計(jì)參數(shù)置于規(guī)劃分區(qū)圖中，放大顯示設(shè)計(jì)井附近區(qū)域(圖4)，圖中閃爍虛線顯示了以設(shè)計(jì)井為圓心，以1 km距離為半徑的圓形范圍，以便工作人員可以方便地查看設(shè)計(jì)井周圍1 km范圍內(nèi)現(xiàn)有地?zé)峋_采情況。從圖4可看出，設(shè)計(jì)井周圍1 km范圍內(nèi)已有5眼地?zé)衢_采井，地?zé)峋芏纫呀?jīng)過大，處于紅色限制開采區(qū)內(nèi)，不應(yīng)在該位置新增地?zé)峋?/p>

4 結(jié)語

利用天津市熱儲(chǔ)規(guī)劃分區(qū)和地?zé)峋畬徟到y(tǒng)，建立了天津市全套地?zé)豳Y源開發(fā)利用數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了天津市熱儲(chǔ)智能規(guī)劃分區(qū)，解決了海量數(shù)據(jù)處理工作周期長與管理決策科學(xué)、快速的矛盾；實(shí)現(xiàn)了地?zé)豳Y源的動(dòng)態(tài)、智能規(guī)劃及新地?zé)峋膭?dòng)態(tài)審批。但仍然存在一些不足，有待更深入研究和探討：一是沒能研究形成熱儲(chǔ)評(píng)價(jià)的系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型；二是由于地?zé)峋诠ぷ鲄^(qū)分布不均勻，致使規(guī)劃分區(qū)存在一定的局限和偏差；三是由于時(shí)間所限，沒有在系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全性方面拿出具體的解決方案。

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Planning on Region-Division of Tianjin Geothermal Reservoirs and Approval System for Geothermal Well

Li Xueyuan1, He Manchao2

1.ChinaNationalCoalGroupCorp.,Beijing100120，China2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083，China

In order to resolve the problem with long working period of processing mass data in geothermal and geological domains and the requirements for rapid and scientific management decisions in the geothermal work in Tianjin, and satisfy the needs of scientific planning, a simple and intelligent tool is provided for the sustainable exploitation of geothermal resources. Based on the previous geothermal work in Tianjin, the methodology of “two lines and one surface” 3D dynamic region division is presented. The geothermal reservoir sub-region planning project and the geothermal well search and approval system are developed by using MapGIS SDK and Visual Basic, which provide a rapid, overall and directly perceived sub-region planning with the function of dynamic tracking. In the planning period, a set of annual region division planning map will be produced by the system based on the annual geothermal reservoir dynamic observation data, for the reference of the administrative department commanding planning status and dynamic approval.

geothermal; assessment; 3D dynamic region-division; planning;Tianjin

10.13278/j.cnki.jjuese.201502203.

2014-10-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50490270)

李學(xué)元(1970--)，男，高級(jí)工程師，博士，主要從事地質(zhì)及礦山開采技術(shù)研究，E-mail:lixueyuan@126.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201502203

P314.1

A

李學(xué)元，何滿潮.天津市熱儲(chǔ)規(guī)劃分區(qū)和地?zé)峋畬徟到y(tǒng)研發(fā).吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(2):546-551.

Li Xueyuan, He Manchao.Planning on Region-Division of Tianjin Geothermal Reservoirs and Approval System for Geothermal Well.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(2):546-551.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201502203.