陳迎輝

（河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北張家口075000）

目前對(duì)山間盆地地?zé)崽锟砷_采量計(jì)算尚沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法與標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐中多根據(jù)情況采用均衡法、解析法等多種方法確定，山間盆地型雙層結(jié)構(gòu)地?zé)崽镩_采層位在淺部，而熱水自深部裂隙涌出，無法直接對(duì)深部涌出量進(jìn)行計(jì)算，而以熱均衡方法直接折算深部熱水涌出量方法因未考慮異常區(qū)和地表方向熱量損失而存在誤差，本文以冀西北某山間盆地地?zé)崽餅槔?，采用在考慮地表和異常區(qū)散熱條件下對(duì)深部地?zé)崃黧w涌出量進(jìn)行計(jì)算，較單純的開采量熱均衡方法更加完善。

1 地?zé)崽锔艣r

冀西北某地?zé)崽镂挥谏介g盆地中，蔚縣—延慶深斷裂帶內(nèi)，有兩條北北東向斷裂通過，同時(shí)，還有三條北東東和兩條北西向斷裂呈棋盤狀交匯于此。從可控源電阻率剖面和淺層地溫異常分布情況分析，斷裂相交的位置出現(xiàn)明顯的低阻帶，是地?zé)崽餃\層水溫最高的區(qū)域，推測(cè)為深部熱水上涌的主要通道。熱水沿?cái)嗔焉嫌?，?duì)新生代孔隙含水層形成補(bǔ)給，并向四周擴(kuò)散，通過熱量交換導(dǎo)致一定范圍內(nèi)新生代孔隙含水層溫度升高，形成淺層的地?zé)岙惓^(qū)。

從地?zé)崽锏男纬珊蜔崴\(yùn)動(dòng)機(jī)理來看，熱田在深部和淺部分為兩種類型的熱儲(chǔ)。深部熱儲(chǔ)是大氣降水入滲地下，經(jīng)深循環(huán)到斷裂破碎帶的儲(chǔ)水空間中，或巖漿冷凝產(chǎn)生的原生水直接賦存在斷裂破碎帶形成的基巖裂隙型熱儲(chǔ)。淺部熱儲(chǔ)是深部熱儲(chǔ)中的熱水沿深大斷裂上涌到新生代地層，與冷水混合熱量交換，形成的淺部孔隙型熱儲(chǔ)。深部熱儲(chǔ)是淺部熱儲(chǔ)基礎(chǔ)和成因前提條件，是淺部熱儲(chǔ)熱量的來源，淺部熱儲(chǔ)是深部熱儲(chǔ)的熱能釋放通道和熱水排泄通道。

地?zé)崮Ｐ透呕畈繜醿?chǔ)埋深210～3000m，厚度2790m，面積約4.1km2，熱儲(chǔ)范圍內(nèi)中心區(qū)域推測(cè)熱儲(chǔ)溫度較高，面積0.6km2。淺部熱儲(chǔ)屬于層狀熱儲(chǔ)，埋深在35～210m，厚度175m，依據(jù)水井測(cè)溫確定熱儲(chǔ)溫度，以25℃的水溫等值線作為淺部熱儲(chǔ)的邊界，面積約5.67km2。深部熱儲(chǔ)和淺部熱儲(chǔ)大部分重疊，二者相加后地?zé)崽锟偯娣e6.56km2。淺部熱儲(chǔ)上部包氣帶視為熱儲(chǔ)蓋層，厚度一般在20～50m左右，主要受地形影響，熱田范圍內(nèi)變化大，平均厚度35m。

淺部熱儲(chǔ)按熱水區(qū)(＞60℃最高88℃)、溫?zé)崴畢^(qū)(40℃～60℃)和溫水區(qū)(25℃～40℃)分為三個(gè)區(qū)，熱儲(chǔ)溫度分別按其平均值計(jì)算，即74℃、50℃和37.5℃。見表1。

在淺部熱儲(chǔ)邊界以外，一定范圍內(nèi)，潛水水溫大于區(qū)域內(nèi)潛水平均溫度，將這一區(qū)域認(rèn)為是地?zé)岙惓В瑵撍疁囟燃s在15℃～25℃，高于區(qū)域內(nèi)正常潛水水溫(約10℃～15℃)。面積7.96km2，地?zé)崽锏臒岙惓Ｓ绊憛^(qū)域(水溫≥15℃)總面積約為13.63km2。

因淺部熱儲(chǔ)埋藏較淺，不具備熱源條件，并非真正意義上的熱儲(chǔ)，是深部熱儲(chǔ)熱能和熱水釋放的通道，其熱能是由深部上涌熱水傳導(dǎo)至介質(zhì)儲(chǔ)存，深部熱儲(chǔ)和淺部熱儲(chǔ)的分層依據(jù)僅是基巖裂隙和孔隙含水層的區(qū)別，兩層熱儲(chǔ)的熱能來源均來自深部巖漿余熱或深層地?zé)嵩鰷?。淺部第四系包氣帶屬于熱儲(chǔ)蓋層，由于包氣帶不含水，熱傳導(dǎo)速率較小，對(duì)潛水含水層中地?zé)崴鸬奖刈饔?，包氣帶厚度隨地下水位升降而動(dòng)態(tài)變化。

表1 地?zé)崽餃\部熱儲(chǔ)分區(qū)面積溫度一覽表

2 可采資源量計(jì)算評(píng)價(jià)

地?zé)崽飳儆诘蜏氐責(zé)崽?Ⅱ-3)型，其特征為兼有層狀熱儲(chǔ)和帶狀熱儲(chǔ)特征，彼此存在成生關(guān)系，地質(zhì)構(gòu)造條件比較復(fù)雜。淺部熱儲(chǔ)能量來自于深層熱儲(chǔ)的地?zé)崴砍觯瑴\層熱儲(chǔ)研究程度高于深層熱儲(chǔ)，因此將淺層熱儲(chǔ)的可開采量作為地?zé)崽锏目砷_采量，以深層熱儲(chǔ)開采系數(shù)法計(jì)算的可開采量做對(duì)比分析。

淺部熱儲(chǔ)“均衡法”計(jì)算依據(jù)來源為兩熱田近期11年的開采量統(tǒng)計(jì)、水位水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，熱田2009～2019年11年期間在（236.70～310.38）×104m3/a之間，平均276.43×104m3/a，基本保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)間。水溫在72.0℃～74.1℃之間，變幅2.1℃，平均73.4℃。地下水位471.11～475.55m之間，變幅4.44m，平均473.03m。2019年開采量236.70×104m3為統(tǒng)計(jì)11年期間的最小值，因此將236.70×104m3/a即6484.93m3/d，作為熱田均衡法計(jì)算確認(rèn)為地?zé)崃黧w可開采量。地?zé)岙惓?大于15℃)范圍的地?zé)崃黧w開采總量為332.38×104m3/a即9106.30m3/d。

均衡法計(jì)算的可開采量是從長系列開采量中選擇了保障程度最高的長系列最低開采量作為可開采量，保障程度高；在人為選擇性影響下，熱田熱水區(qū)(t≥60℃)的開采強(qiáng)度是溫水區(qū)(25℃≤t＜40℃)的3.3倍，地?zé)崂眯矢?；開采歷史時(shí)期，最低開采量條件下，水位水溫均呈上升趨勢(shì)，說明深層熱水補(bǔ)給量和補(bǔ)給能量均大于開采量，呈正均衡狀態(tài)，可保證長期開采；均衡法可開采量經(jīng)長期驗(yàn)證，開采能力沒有問題；可開采總量相比解析法低，保障程度更高

3 淺部熱儲(chǔ)熱量傳導(dǎo)損失

熱儲(chǔ)屬于松散地層巖土體，由深層熱水上涌帶來的熱量導(dǎo)致巖土體溫度升高，并與冷水混合致使區(qū)內(nèi)水溫升高，由于淺部熱儲(chǔ)比周圍巖土體溫度高，按照熱力學(xué)原理，熱量從溫度高的物質(zhì)向溫度低的物質(zhì)傳導(dǎo)，因此淺部熱儲(chǔ)與周邊巖土體存在熱量交換，淺部熱儲(chǔ)向周邊巖土體傳導(dǎo)熱量。淺部熱儲(chǔ)熱量傳導(dǎo)主要有三個(gè)方向：一是向底部基巖方向傳導(dǎo)熱量；二是橫向與臨近巖土體熱量交換；三是通過包氣帶向地表散熱。其中在熱儲(chǔ)底部基巖方向，分析認(rèn)為淺部熱儲(chǔ)與底部基巖溫度差異較小，熱量傳遞較緩慢；而橫向與臨近巖土體熱量交換主要是能通過地下水的流動(dòng)與冷水混合實(shí)現(xiàn)，地?zé)崴械臒崃看蟛糠滞ㄟ^地下水開采損失，在熱量橫向傳遞過程中，巖土體的熱量可以認(rèn)為是地下熱水傳遞至巖土體的，而地下混合熱水溫度是自熱田中心向四周逐漸過渡到常溫地下水溫度狀態(tài)的，通過巖土體熱量傳導(dǎo)損失熱量較輕微。淺部熱儲(chǔ)的熱量損失主要是通過包氣帶向地表散熱。

淺部熱儲(chǔ)通過包氣帶向地表熱量傳遞計(jì)算概化條件是：淺部熱儲(chǔ)水位穩(wěn)定，邊界穩(wěn)定，水平地溫場(chǎng)穩(wěn)定。按各淺部熱儲(chǔ)溫度區(qū)間分帶計(jì)算向地表傳導(dǎo)熱量。

淺部熱儲(chǔ)向地表方向傳導(dǎo)熱量計(jì)算公式：

式中：Q總——淺部熱儲(chǔ)向地表方向傳導(dǎo)熱量，J/d；

Qi——淺部熱儲(chǔ)地?zé)崴疁囟葏^(qū)間向地表方向傳導(dǎo)熱量，J/d。

淺部熱儲(chǔ)地?zé)崴疁囟饶硡^(qū)間傳導(dǎo)熱量計(jì)算，傅立葉導(dǎo)熱定律如下：

式中：Φ——導(dǎo)熱量，W；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)或J/(m·s·K)；

A——傳熱面積，m2；

t——溫度，K或℃；

x——在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)，m；

dt/dx——物體沿x方向的溫度變化率。

將包氣帶概化為單層均質(zhì)各項(xiàng)同性的介質(zhì)。

傅立葉導(dǎo)熱定律的單層平面介質(zhì)傳熱一般方程形式：

式中：Q——熱量功率，W；

t1、t2——地表溫度和地?zé)崴疁囟饶硡^(qū)間平均值，K或℃；

H——包氣帶厚度，m；

A——地?zé)崴疁囟饶硡^(qū)間投影面積，m2。

各參數(shù)取值：t1地?zé)崴疁囟饶硡^(qū)間平均值；地表溫度取當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁?.6℃；λ取經(jīng)驗(yàn)值，熱田包氣帶以砂、粉土等為主，孔隙較多，導(dǎo)熱能力較低，熱田綜合取值0.21W/(m·K)即18144J/(m·d·℃)。

熱田淺部熱儲(chǔ)向地表方向傳導(dǎo)總熱量30.30×1012J/a，熱功率損失0.96MW，單位面積熱功率損失0.17MW/km2。經(jīng)對(duì)比分析，按均衡法計(jì)算熱田產(chǎn)能10.81MW計(jì)算，淺部熱儲(chǔ)向地表方向傳導(dǎo)熱量約占涌出地?zé)崴衫脽崃康?.88%。地?zé)岙惓７秶乇矸较騻鲗?dǎo)總熱量45.97×1012J/a，熱功率損失1.46MW，單位面積熱功率損失0.11MW/km2。

4 深部熱水涌出量計(jì)算

無論是利用采用解析法還是均衡法方法計(jì)算的地?zé)崃黧w可開采量，均是指深層地?zé)崴砍龊笈c常溫地下水混合降溫后的“混合熱水”，計(jì)算的可開采量是混合有常溫地下水的“混合熱水”。根據(jù)多年動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，認(rèn)為目前開采量條件下，地?zé)崽锼缓蜏囟葓?chǎng)保持基本穩(wěn)定，認(rèn)為開采的熱水量與深層涌出量基本處于平衡狀態(tài)。均衡法計(jì)算可開采量將后郝窯熱田和奚家堡熱田按溫度分帶，統(tǒng)計(jì)各溫度分區(qū)的開采量，按各開采溫度分區(qū)開采熱水平均溫度和開采量以熱平衡方法計(jì)算出來自深層涌出的地?zé)崴浚鳒囟确謪^(qū)開采的來自深層涌出的地?zé)崴恐图礊樯顚佑砍龅責(zé)崴目偭俊?/p>

在考慮各熱田地?zé)岱謪^(qū)同時(shí)向地表熱量傳導(dǎo)，導(dǎo)致熱量損失，熱田開采熱水的總熱量和熱田熱功率損失之和，確定為深層地?zé)崴砍鰩淼臒崃勘容^合適，深層熱水涌出溫度，以各田實(shí)際調(diào)查最高溫度為計(jì)算依據(jù)較推測(cè)的熱儲(chǔ)溫度更加接近情況，本次計(jì)算后郝窯熱田深層涌出地?zé)崴?8℃計(jì)算，奚家堡熱田深層涌出地?zé)崴?1℃計(jì)算。

深層地?zé)崴砍隹偭坑?jì)算公式：

式中：Q深——熱田深層地?zé)崴砍隹偭浚琺3/d；

Q深i——熱田各開采地?zé)崴疁囟葏^(qū)間的開采水量中包括的深層地?zé)崴砍隽?，m3/d。

式中：Si——熱田某一開采地?zé)崴疁囟葏^(qū)間面積，km2；

Ti——熱田某一開采地?zé)崴疁囟葏^(qū)間熱水平均溫度值，℃；

T?！獏^(qū)域內(nèi)常溫地下水年平均溫度，取12℃；

Tmax——熱田內(nèi)地?zé)崴罡邷囟龋暈樯畈康責(zé)崴砍鰷囟?，℃?/p>

深層涌出地?zé)崴疅崃坑?jì)算：

式中：Q深熱——深層涌出地?zé)崴疅崃坑?jì)算，kcal；

ρ——熱水的密度，視為常量，取1026.8kg/m3；

Cw——熱水的比熱容，視為常量，取1.0kcal/kg·℃。

熱田均衡法熱田范圍開采地?zé)崴?36.70×104m3/a，開采熱量75.63×109kcal/a，地表熱量傳導(dǎo)損失7.23×109kcal/a，計(jì)算深層傳遞熱量82.56×109kcal/a，熱功率11.01WM，換算為現(xiàn)狀分區(qū)開采量共264.19×104m3/a，折算為深部涌出88℃熱水106.18×104m3/a。異常區(qū)總計(jì)開采地?zé)崴?32.38×104m3/a，開采熱量83.47×109kcal/a，地表熱量傳導(dǎo)損失10.97×109kcal/a，計(jì)算深層傳遞熱量94.44×109kcal/a，熱功率12.55WM，換算為現(xiàn)狀分區(qū)開采量共405.51×104m3/a，折算為深部涌出88℃熱水121.02×104m3/a。各分區(qū)計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

5 熱均衡法開采量

表2 熱田深層傳遞熱量計(jì)算表

表3 熱田深層涌出熱水計(jì)算表

依據(jù)“熱儲(chǔ)法”按熱量均衡原理，按開采系數(shù)5%計(jì)算，深部熱儲(chǔ)可采開采88℃地?zé)崃黧w317×104m3/a，是按均衡法換算深部熱水涌量的約3倍，從熱均衡理論上可以推測(cè)深部熱儲(chǔ)熱量較多，可以滿足均衡法計(jì)算的可開采熱量。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）山間盆地型雙層結(jié)構(gòu)地?zé)崽锇淳夥ㄓ?jì)算的地?zé)崃黧w可開采量是冷熱混合后的地?zé)崴?，開采總量固定的前提條件下，開采不同溫度的熱水比例變化，導(dǎo)致開采熱量變化，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際開采的深層地下熱水涌量，在此種類型地?zé)崽镞M(jìn)行可開采量計(jì)算時(shí)，應(yīng)該以開采熱量和深部涌出地?zé)崴疄榛鶞?zhǔn)，換算為一定開采溫度下的地?zé)崃黧w開采量。

（2）山間盆地型雙層結(jié)構(gòu)地?zé)崽锟砷_采熱量和可開采標(biāo)準(zhǔn)地?zé)崃黧w量應(yīng)該以地?zé)岙惓^(qū)為計(jì)算范圍，并考慮地表散熱損失。

（3）山間盆地型雙層結(jié)構(gòu)地?zé)崽锏目砷_采量應(yīng)該以熱均衡原理以熱儲(chǔ)法計(jì)算的深部地?zé)崃黧w可開采量計(jì)算。