宋前進(jìn)，王 剛，許一川，程 磊

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053；3.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 工程管理與房地產(chǎn)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

地?zé)豳Y源是指貯存在地球內(nèi)部的可再生熱能，一般集中分布在構(gòu)造板塊邊緣一帶，起源于地球的熔融巖漿和放射性物質(zhì)的衰變。根據(jù)地?zé)豳Y源所處深度，可將其劃分為淺層地溫能、深層地?zé)崮芎透蔁釒r等類型[1]。深層地?zé)崮苄栌刑囟ǖ膬?chǔ)藏條件，即熱源、導(dǎo)熱斷裂、控?zé)釘嗔?、有效熱?chǔ)層和蓋層等要素，地?zé)崴鲌?chǎng)也與這些要素有關(guān)，其中熱儲(chǔ)層特征對(duì)地?zé)崴鲌?chǎng)的影響不容忽視[2-5]。文慧儉等[6]認(rèn)為有效熱儲(chǔ)層是具有一定埋深和厚度、可使地層水采出地面時(shí)仍有40～60℃的具有商用價(jià)值的含水巖層；李雪英等[7]對(duì)松遼盆地?zé)醿?chǔ)層滲流模型開展研究，基于質(zhì)量和能量守恒原理、達(dá)西滲流規(guī)律，建立熱儲(chǔ)層流場(chǎng)的滲流數(shù)學(xué)模型；張萌等[8]研究浙江省地?zé)豳Y源的賦存特征，詳細(xì)分析熱儲(chǔ)層特征；李海泉等[9]從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造角度研究臨汾盆地曲沃地?zé)崽餆醿?chǔ)特征，明確地?zé)崽锏臒醿?chǔ)邊界；馬月花等[10]以青海共和盆地地?zé)豳Y源勘探開發(fā)為例，從地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造角度分析熱儲(chǔ)層特征對(duì)地?zé)崴鲌?chǎng)的重要作用。

深層地?zé)崮苁峭ㄟ^開發(fā)其載體得以利用，開采時(shí)會(huì)改變地?zé)崴难a(bǔ)徑排條件，進(jìn)而改變熱儲(chǔ)層地?zé)崴牧鲌?chǎng)狀態(tài)。長(zhǎng)期不合理開采會(huì)造成地?zé)崴怀掷m(xù)下降，形成一定規(guī)模的降落漏斗，進(jìn)而引發(fā)區(qū)域性地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題。筆者以蘭考縣深層地?zé)崮荛_發(fā)為例，分析了區(qū)域地質(zhì)條件和深層地?zé)岬膬?chǔ)藏情況，并分區(qū)論述地?zé)豳Y源量及開發(fā)利用前景，運(yùn)用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)深層地?zé)崮荛_發(fā)對(duì)地?zé)崴鲌?chǎng)造成的影響，以期為蘭考縣和周邊地區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)及環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)與地?zé)衢_采狀況

1.1 地質(zhì)與構(gòu)造

蘭考縣位于河南省東部，地?zé)崆鍧嵞茉撮_發(fā)利用在全省范圍內(nèi)起到了示范性作用。該縣地處黃淮平原腹地，屬流水堆積地貌，新生代以來，區(qū)內(nèi)沉積巨厚新生代地層，包括古近系、新近系和第四系。古近系分為沙河街組和東營(yíng)組，頂板埋深約2 000 m，底板埋深4 000～6 500 m，巖性有泥巖、砂巖、含礫砂巖及角礫狀灰?guī)r；新近系分為館陶組和明化鎮(zhèn)組；館陶組(N1)為泥巖、砂質(zhì)泥巖、塊狀砂巖，平均厚度650 m；明化鎮(zhèn)組(N2)為砂質(zhì)泥巖與粉細(xì)砂巖互層，底部為含礫砂巖或砂礫巖，平均厚度1 100 m；第四紀(jì)地層底板埋深300～360 m，巖性為粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土及黏土。

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造區(qū)劃，蘭考縣屬華北地臺(tái)區(qū)，位于秦嶺東西向構(gòu)造體系東端和新華夏構(gòu)造體系的復(fù)合部位。該區(qū)被新鄉(xiāng)-商丘大斷裂(F3)分為南北兩部分，北部在東濮凹陷內(nèi)，南部在開封凹陷內(nèi)，基底被NE、NW和EW向3組斷裂切割為不同的次級(jí)斷塊構(gòu)造，如圖1所示。構(gòu)造活動(dòng)總體特征為斷陷，不同斷塊的升降運(yùn)動(dòng)差異性明顯。

1.2 地?zé)衢_采歷史、現(xiàn)狀及存在問題

自20世紀(jì)80年代，蘭考縣開始零星開發(fā)地?zé)?，?000年前后形成規(guī)模。2013年前主要是利用第四系(Q)和新近系明化鎮(zhèn)組(N2)的地?zé)崮?，地?zé)峋疃? 000～1 300 m，水溫40℃左右。2013年，河南省中石化新星石油有限公司在蘭考油田六社區(qū)內(nèi)施工1口探采結(jié)合試驗(yàn)井，成井深度1 980 m，單井出水量120 m3/h，出孔水溫72℃，開采對(duì)象為新近系館陶組熱儲(chǔ)層水。隨后，蘭考油田六社區(qū)相繼又施工3口井深2 000 m的地?zé)峋?。截?019年12月底，區(qū)內(nèi)井深1 942～2 270 m的地?zé)峋^24口，深度小于1 300 m的地?zé)峋鸩奖煌Ｓ谩Ｐ陆叼^陶組(N1)熱儲(chǔ)成為區(qū)內(nèi)地?zé)崮艿闹饕_發(fā)對(duì)象。

熱儲(chǔ)層地?zé)崴奶烊涣鲌?chǎng)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地層條件控制[11-13]。隨著地?zé)衢_發(fā)，人工開采成為熱儲(chǔ)層熱水的主要排泄方式，對(duì)流場(chǎng)的影響也越來越大。前期開采第四系和新近系明化鎮(zhèn)組地?zé)崮軙r(shí)，熱水用完后基本排入河流等地表水體，造成很大資源浪費(fèi)。地?zé)衢_發(fā)到一定規(guī)模后，熱儲(chǔ)層熱水的排泄量遠(yuǎn)大于補(bǔ)給量，造成地下水水位持續(xù)下降。根據(jù)蘭考縣三義寨鄉(xiāng)三義寨村地?zé)峋乃挥^測(cè)資料，新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層水位下降情況如圖2所示，下降速度驚人。水位持續(xù)下降會(huì)形成不同規(guī)模的降落漏斗，導(dǎo)致原有的流場(chǎng)遭到破壞。同時(shí)，熱儲(chǔ)層水位降低改變了熱儲(chǔ)層及上覆地層的應(yīng)力狀況，進(jìn)而引發(fā)地面沉降等環(huán)境問題。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Regional geological structure

圖2 新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層水位下降曲線Fig.2 Decline of heat storage head at Neogene Minghua Town Formation

近幾年，隨著新近系館陶組地?zé)崮艿拈_發(fā)利用，第四系和新近系明化鎮(zhèn)組地?zé)岬拈_采井逐漸被停用。2018年后，區(qū)內(nèi)地?zé)衢_發(fā)利用方式也發(fā)生變化，開始采用封閉循環(huán)利用熱能，將取熱后回水同層回灌熱儲(chǔ)層。根據(jù)應(yīng)用情況，一對(duì)一抽采回灌時(shí)回灌率普遍較低，一般在40%～50%。

2 區(qū)域地?zé)豳Y源特征

2.1 區(qū)域熱儲(chǔ)層

蘭考縣深層地?zé)崮軐俪练e盆地?zé)醿?chǔ)類型[14]，熱源供給為大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)，即地球深部的熱能傳輸至地表。區(qū)內(nèi)新生界地層厚度大，具備形成熱儲(chǔ)層的條件，淺部第四系發(fā)育有多層黏土和砂質(zhì)黏土層，具有保溫隔熱作用，有利于地?zé)岬母患c儲(chǔ)存。區(qū)內(nèi)主要有第四系(Q)、新近系明化鎮(zhèn)組(N2)、新近系館陶組(N1)及古近系等熱儲(chǔ)層。第四系(Q)熱儲(chǔ)層深度300～350 m，水溫略高于25℃；明化鎮(zhèn)組(N2)熱儲(chǔ)層深度350～1 300 m，水溫30～55℃；館陶組(N1)熱儲(chǔ)層深度1 500～2 200 m，水溫80～90℃。目前，本區(qū)古近系及其以下的地?zé)豳Y源尚未開發(fā)。

2.2 構(gòu)造影響

區(qū)內(nèi)發(fā)育有聊城-蘭考斷裂(F1)、鄭州-蘭考斷裂(F2)、新鄉(xiāng)-商丘斷裂(F3)等多條區(qū)域性斷裂，切穿地殼，活動(dòng)強(qiáng)烈[15]。這些斷裂形成良好的地下熱水運(yùn)移通道和儲(chǔ)存空間，使深部熱能可通過F3、F7等斷裂傳至新近系館陶組(N1)、明化鎮(zhèn)組(N2)及第四系的熱儲(chǔ)層中，如圖3所示。傳導(dǎo)至N1、N2及Q的熱能被上覆第四系黏土層、砂質(zhì)黏土層等阻隔得以大量?jī)?chǔ)存，形成可開采的深層地?zé)豳Y源。熱儲(chǔ)層的地?zé)豳Y源量由地層結(jié)構(gòu)和沉積特征決定，與導(dǎo)熱斷裂發(fā)育情況密切相關(guān)。根據(jù)地?zé)嵴{(diào)查，區(qū)內(nèi)淺層地下水溫度分布的特點(diǎn)為基底斷裂構(gòu)造越發(fā)育，溫度越高、地?zé)岙惓Ｔ矫黠@。

2.3 熱儲(chǔ)層的差異及影響因素

圖3 蘭考縣熱儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)Fig.3 Thermal reservoir structure of Lankao County

蘭考縣深層地?zé)崴难a(bǔ)給源主要為開封凹陷西部山區(qū)大氣降水，地下水排泄方式以側(cè)向徑流和人工開采為主。研究區(qū)深層地?zé)崮茉诘乇頍o地?zé)犸@示，自恒溫帶以下溫度隨深度的增加而升高。根據(jù)蘭考職業(yè)技術(shù)學(xué)院地?zé)峋┕r(shí)的測(cè)井資料，地層溫度隨深度的增加曲線如圖4所示。研究區(qū)目前所開采的深層地?zé)崮苡械谒南?Q)熱儲(chǔ)層、明化鎮(zhèn)組(N2)熱儲(chǔ)層和館陶組(N1)熱儲(chǔ)層。第四系熱儲(chǔ)層深度300～350 m，新近系明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)埋深1 000～ 1 300 m，新近系館陶組熱儲(chǔ)埋深1 900～2 400 m，3個(gè)熱儲(chǔ)層的地下水在地質(zhì)、地溫、水文地質(zhì)、水化學(xué)特征等方面明顯不同，為3個(gè)相互獨(dú)立的熱儲(chǔ)層。由于各熱儲(chǔ)層之間存在較厚的隔水層，各層之間的垂向水力聯(lián)系不明顯，不同熱儲(chǔ)層的水位高度差異較大。例如蘭考縣三義寨鄉(xiāng)三義寨村礦泉水井，成井深度650 m，開采層埋深463.6～644.35 m，水位埋深為70.12 m；蘭考縣天泉洗浴廣場(chǎng)的地?zé)峋?，成井深? 161.4 m，開采層埋深1 087.4～1 153.3 m，水位埋深27 m；蘭考縣油田六社區(qū)1號(hào)地?zé)峋?，成井深? 980 m，開采層埋深1 511.4～1 972.3 m，水位埋深為60.69 m。

圖4 蘭考縣地層溫度隨深度變化曲線Fig.4 Temperature-increasing curve of strata with depth in Lankao County

研究區(qū)內(nèi)各熱儲(chǔ)層埋藏條件不同，熱儲(chǔ)量和資源量差別較大，不同構(gòu)造部位熱儲(chǔ)層的水文地質(zhì)參數(shù)也有所不同，見表1。處在不同的構(gòu)造部位，受到斷裂構(gòu)造的影響，導(dǎo)致這些地帶熱儲(chǔ)層裂隙較發(fā)育，形成地?zé)崴己玫倪\(yùn)移通道和儲(chǔ)存空間，熱儲(chǔ)層的富水性與斷裂構(gòu)造的關(guān)系極為密切。油田六社區(qū)地?zé)峋谝怀橐换貭顟B(tài)下，其回灌量可達(dá)114.8 m3/h，回灌系統(tǒng)穩(wěn)定壓力水頭高19.65 m，回灌效果比較好，推測(cè)其原因也與斷裂附近的裂隙發(fā)育密度密切相關(guān)。

另外，熱儲(chǔ)層同層之間地下水的流動(dòng)性提高了巖體導(dǎo)熱效果，使地?zé)崽荻戎底冃?，地溫?chǎng)的垂向變化一定程度上也受地層巖性和地下水活動(dòng)情況的影響。

2.4 地?zé)岱謪^(qū)及地?zé)豳Y源量

針對(duì)目前研究區(qū)所開發(fā)的3個(gè)深層熱儲(chǔ)層，采用GDP-32Ⅱ多功能電法儀對(duì)全區(qū)280 km2進(jìn)行可控源音頻大地電磁測(cè)深[16]，查明區(qū)內(nèi)的導(dǎo)熱斷裂分布、熱儲(chǔ)層發(fā)育、隔水邊界等條件，并通過地質(zhì)勘探方法進(jìn)行印證。區(qū)內(nèi)不同部位熱儲(chǔ)層的厚度、埋深及地?zé)豳Y源量有所差異。為便于計(jì)算資源量，根據(jù)熱儲(chǔ)層特征結(jié)合構(gòu)造將全區(qū)分為4個(gè)地?zé)岱謪^(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū))，如圖5所示。

Ⅰ區(qū)面積107.78 km2，熱儲(chǔ)層埋深1 300～1 940 m，累計(jì)厚度201～361 m；

Ⅱ區(qū)面積57.49 km2，熱儲(chǔ)層埋深986～1 880 m，累計(jì)厚度50～388 m，區(qū)內(nèi)新生界厚度由東南向西北逐漸減小；

表1 不同構(gòu)造部位熱儲(chǔ)層水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 Index of thermal reservoir in different tectonic sites

圖5 蘭考縣地?zé)岱謪^(qū)Fig.5 Geothermal zoning in Lankao County

Ⅲ區(qū)面積54.80 km2，熱儲(chǔ)層埋深1 078～1 896 m，累計(jì)厚度127～375 m，區(qū)內(nèi)新生界厚度由西南向東北逐漸減?。?/p>

Ⅳ區(qū)面積59.93 km2，熱儲(chǔ)層埋深1 300～1 940 m，累計(jì)厚度202～357 m。

利用“熱儲(chǔ)法”對(duì)各區(qū)的地?zé)豳Y源儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算，全區(qū)熱儲(chǔ)層存熱量為2.16×1019J。其中第四系總存熱(Q)為2.21×1018J，水中儲(chǔ)存熱量(QW)為 1.06×1018J；明化鎮(zhèn)組(N2)熱儲(chǔ)層存熱量(Qz)為2.92×1018J，水中儲(chǔ)存熱量(QW) 1.33×1018J；館陶組(N1)熱儲(chǔ)層存熱量(Qz)為1.65×1019J，水中存熱量(QW)為1.04×1019J，Ⅰ—Ⅳ區(qū)各層地?zé)豳Y源情況見表2，包括巖體儲(chǔ)熱量QR。根據(jù)計(jì)算，回灌條件下館陶組地?zé)崃黧w可采量為90 067 134.31 m3/a，明化鎮(zhèn)組地?zé)崃黧w的可開采量約為16 468 660.80 m3/a，館陶組地?zé)峥砷_采量是明化鎮(zhèn)組可采量的5.47倍。

表2 Ⅰ—Ⅳ區(qū)地?zé)豳Y源情況Table 2 Ⅰ-Ⅳ region geothermal resources

2.5 針對(duì)性策略

隨著蘭考縣城市的快速發(fā)展，僅館陶組熱儲(chǔ)層的資源量已無法滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)地?zé)岬男枨?，區(qū)內(nèi)古近系東營(yíng)組及更深的地?zé)豳Y源也應(yīng)開發(fā)利用。綜合利用第四系、明化鎮(zhèn)組、館陶組及古近系東營(yíng)組等多個(gè)熱儲(chǔ)層的資源，且合理規(guī)劃地?zé)衢_采井的平面布局[17]，是本區(qū)地?zé)峥茖W(xué)、合理的開發(fā)方式。

回灌率低是國(guó)內(nèi)地?zé)衢_發(fā)中的主要技術(shù)難題之一，壓力回灌是解決此問題的主要思路。為研究回灌情況，在蘭考油田六社區(qū)地?zé)峋謩e進(jìn)行了小灌量加壓回灌試驗(yàn)和大灌量加壓回灌試驗(yàn)。小灌量回灌試驗(yàn)曲線如圖6所示，回灌量78.5 m3/h時(shí)回灌系統(tǒng)穩(wěn)定壓力水頭為17.58 m；大灌量回灌試驗(yàn)曲線如圖7所示，回灌量113.8 m3/h時(shí)回灌系統(tǒng)穩(wěn)定壓力水頭為19.65 m；回灌量加大44.97%，而回灌壓力水頭僅升高11.77%，即回灌系統(tǒng)加壓后，回灌率可得到有效提高。

圖6 小灌量回灌試驗(yàn)曲線Fig.6 Experimental curve of small irrigation volume

圖7 大灌量回灌試驗(yàn)曲線Fig.7 Experimental curve of big irrigation volume

3 熱儲(chǔ)層流場(chǎng)的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型建立

為有效控制深層地?zé)豳Y源開發(fā)對(duì)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境造成的不良影響[18]，需預(yù)測(cè)地?zé)衢_采造成的熱儲(chǔ)層熱水流場(chǎng)的變化情況。根據(jù)研究區(qū)熱儲(chǔ)層水文地質(zhì)特征及相關(guān)參數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型模擬地?zé)豳Y源開采一段時(shí)間后地?zé)崴鲌?chǎng)的變化情況。由于近期本區(qū)無開發(fā)古近系熱儲(chǔ)的規(guī)劃[14]，本次數(shù)值模擬不涉及古近系地下水流場(chǎng)?？紤]到區(qū)內(nèi)原生地下水流場(chǎng)穩(wěn)定，同一含水層組地下水間存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，故將區(qū)內(nèi)熱儲(chǔ)層地?zé)崴飨到y(tǒng)概化為均質(zhì)三維穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，在不考慮流體密度變化的情況下，采用數(shù)學(xué)模型為：

式中：H是地下水位，m；Kx、Ky、Kz依次為x、y、z方向的滲透系數(shù)，m/d；K為邊界法線方向的滲透系數(shù)；Ss為含水層儲(chǔ)水率，1/m；Γ為模擬區(qū)域第一類邊界；H0是含水層初始水位，m；q為含水層第二類邊界單位面積過水?dāng)嗝嫜a(bǔ)給流量，m2/d；ε為源匯項(xiàng)強(qiáng)度(包括開采強(qiáng)度等)，d-1；Ω為滲流區(qū)域；n為滲流區(qū)邊界的單位外法線方向。

本次使用GMS(Groundwater Modeling System)10.4.5_64數(shù)值模擬軟件，水流模擬采用軟件中的MODFLOW2005模塊進(jìn)行三維流模擬。GMS地下水模擬系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件。

1) 模型剖分

建模范圍為蘭考縣地?zé)衢_采區(qū)，總面積210 km2，垂向深度為2 000 m。模型水平方向剖分網(wǎng)格為22 514個(gè)，網(wǎng)格水平間距在150 m左右，開采井及回灌井位置進(jìn)行網(wǎng)格局部加密以控制井損。綜合考慮地?zé)崽卣骷暗刭|(zhì)條件，本次研究的3大熱儲(chǔ)層在垂向上剖分為5層：第1層為第四系含水層，底板埋深600 m，等效厚度200 m，忽略淺層水的影響；第2層為隔水層，底板埋深900 m，層厚300 m；第3層為明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層，底板埋深1 300 m，層厚400 m；第4層為隔水層，底板埋深1 800 m，層厚500 m；第5層為館陶組熱儲(chǔ)層，底板埋深2 000 m，層厚200 m。

2) 邊界條件

邊界條件是研究邊界處水位或流量應(yīng)滿足的條件，反映模擬區(qū)內(nèi)水流與周圍環(huán)境的相互制約關(guān)系。一般分為已知邊界水位變化規(guī)律的第一類邊界，已知邊界處流量變化規(guī)律的第二類邊界，已知邊界上水位與流量線性組合規(guī)律的第三類邊界。本次根據(jù)區(qū)內(nèi)所有地?zé)峋膶?shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，采用插值外推計(jì)算出邊界處的水位值。在可持續(xù)開采狀態(tài)下，應(yīng)保持邊界處水位穩(wěn)定，即區(qū)內(nèi)深層地?zé)衢_發(fā)不能對(duì)周邊區(qū)域熱儲(chǔ)層流場(chǎng)造成明顯影響，故將邊界定義為第一類邊界。

3) 初始水位

模型校正采用供暖末時(shí)刻同點(diǎn)位水位對(duì)比和供暖過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位對(duì)比相結(jié)合的方法。

4) 水文地質(zhì)參數(shù)

考慮到第四系(Q)地下水經(jīng)過多年開發(fā)利用，其水位值下降劇烈，彈性釋水量已遠(yuǎn)小于重力釋水量，故本次模擬中忽略其彈性釋水量。

3.2 初始賦值與模型修正

根據(jù)地?zé)峋樗囼?yàn)結(jié)果及監(jiān)測(cè)井長(zhǎng)期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行初始賦值。數(shù)值模型設(shè)定2018年底的地?zé)崴鲌?chǎng)為初始流場(chǎng)，第四系(Q)地下水初始流場(chǎng)如圖8a所示，區(qū)域內(nèi)棕紅色越深表示水位埋深越大；明化鎮(zhèn)組熱儲(chǔ)層(N2)初始流場(chǎng)如圖8b所示，區(qū)域內(nèi)藍(lán)色越深表示水位埋深越??；館陶組(N1)熱儲(chǔ)層初始流場(chǎng)如圖8c所示，區(qū)域內(nèi)藍(lán)變綠越深表示水位埋深逐漸增大。

考慮到Q層和N2層開采井已經(jīng)被逐步關(guān)停，開采呈現(xiàn)出顯著減少的收斂趨勢(shì)，本次模擬Q層和N2層開采井只維持目前開采狀態(tài)(圖8a、圖8b)，重點(diǎn)關(guān)注層位為N1層，共布設(shè)長(zhǎng)觀點(diǎn)5個(gè)，剔除異常數(shù)據(jù)后得到3個(gè)點(diǎn)位的有效動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖8c)，3個(gè)點(diǎn)位分別為1、2、3號(hào)觀測(cè)點(diǎn)。為保證模擬符合實(shí)際，采用流場(chǎng)隨機(jī)識(shí)別法，即把各觀測(cè)孔的水位投放到相同時(shí)刻的模擬流場(chǎng)中的對(duì)應(yīng)位置上，檢驗(yàn)?zāi)M效果并修正滲透系數(shù)等參數(shù)。通過模型擬合修正得到模型的運(yùn)行參數(shù)值，詳見表3。水位擬合曲線如圖9—圖10所示。其中，圖9為空間上的擬合情況，圖10為時(shí)間上的擬合情況。實(shí)測(cè)值為各監(jiān)測(cè)井實(shí)際測(cè)得的水位值，修正值為通過參數(shù)調(diào)整后的模擬水位值。修正后模擬數(shù)值與實(shí)測(cè)值接近，變化趨勢(shì)保持一致，基本認(rèn)定模型校正結(jié)果可以接受。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)區(qū)內(nèi)第四系(Q)、明化鎮(zhèn)組(N2)、館陶組(N1)3個(gè)熱儲(chǔ)層特征及地?zé)衢_采對(duì)地?zé)崴跏剂鲌?chǎng)的影響模式，綜合考慮時(shí)間離散等因素校正后的數(shù)值模型，每5天為一個(gè)步距，推演出不同時(shí)期熱儲(chǔ)層地?zé)崴鲌?chǎng)情況及其發(fā)展趨勢(shì)：采用限制條件下小規(guī)模開發(fā)利用方式模擬第四系(Q)及明化鎮(zhèn)組(N2)熱儲(chǔ)層在開采5 a(2023年)后的地?zé)崴鲌?chǎng)(圖11a—圖11b)；采用取熱后加壓同層回灌、封閉循環(huán)利用方式模擬館陶組(N1)在地?zé)衢_采5 a后的熱儲(chǔ)層熱水流場(chǎng)情況如圖11c所示。

圖8 不同熱儲(chǔ)層地下水初始流場(chǎng)Fig.8 Initial groundwater flow fields in different thermal reservoir

圖9 統(tǒng)測(cè)點(diǎn)水位擬合情況Fig.9 Water level fitting at survey points

圖10 1—3號(hào)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位擬合情況Fig.10 Water level fitting at monitoring point No.1-No.3

表3 水文地質(zhì)參數(shù)Table 3 Hydrogeological parameters

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過對(duì)比蘭考縣深層地?zé)崮荛_采至2023年后熱儲(chǔ)層流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果與初始流場(chǎng)情況，可以看出：Q熱儲(chǔ)層流場(chǎng)由2處大面積降落漏斗狀態(tài)演變?yōu)樽晕飨驏|的面狀徑流，雖然Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)的水位顯著下降，但降落漏斗逐步消失；而N2地?zé)崴鲌?chǎng)漏斗面積小于0.05 km2，且未形成二級(jí)漏斗，流場(chǎng)漏斗效應(yīng)明顯減小[19]；N1熱儲(chǔ)層流場(chǎng)漏斗效應(yīng)明顯。

分析研究可知：Q熱儲(chǔ)層流場(chǎng)變化是由于其接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，隨著該層位開采井的逐步關(guān)停，恢復(fù)到自西向東的原始流場(chǎng)模式；N2熱儲(chǔ)層隨著開采井分批關(guān)停，漏斗效應(yīng)逐步減弱；N1熱儲(chǔ)層是區(qū)內(nèi)地?zé)嶂饕拈_采層，隨著地?zé)豳Y源持續(xù)開采，漏斗效應(yīng)明顯，受開采井分布、熱儲(chǔ)層滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等影響，降落漏斗分布不規(guī)則。

4 結(jié)論

a.新近系館陶組(N1)地?zé)豳Y源量明顯大于新近系明化鎮(zhèn)組(N2)資源量，回灌條件下前者地?zé)崃黧w可采量為90 067 134.31 m3/a，后者地?zé)崃黧w可開采量為16 468 660.80萬m3/a。

b.新近系明化鎮(zhèn)組(N2)熱儲(chǔ)和新近系館陶組(N1)熱儲(chǔ)的地質(zhì)、地溫、水文地質(zhì)、水化學(xué)特征明顯不同，為2個(gè)相互獨(dú)立的熱儲(chǔ)層。明化鎮(zhèn)組(N2)熱儲(chǔ)層的滲透系數(shù)與彈性釋水系數(shù)分別為1.00 m/d、0.001 73，館陶組(N1)的滲透系數(shù)與彈性釋水系數(shù)分別為1.25 m/d、0.047 20。

c.通過數(shù)值模擬，Q熱儲(chǔ)層流場(chǎng)隨著該層位開采井的逐步關(guān)停，恢復(fù)到自西向東的原始流場(chǎng)模式；N2熱儲(chǔ)層隨著開采井分批關(guān)停，漏斗效應(yīng)逐步持續(xù)減弱；N1熱儲(chǔ)層隨著地?zé)豳Y源持續(xù)開采，漏斗效應(yīng)明顯，受開采井分布、熱儲(chǔ)層滲透系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等影響，降落漏斗分布不規(guī)則。

d.采用加壓回灌方式可以大幅度提供回灌率，封閉循環(huán)利用地?zé)豳Y源、取熱后同層回灌的方式能有效降低熱儲(chǔ)層流場(chǎng)的漏斗效應(yīng)。具備條件時(shí)可同時(shí)開采古近系東營(yíng)組的熱儲(chǔ)，綜合利用多層熱儲(chǔ)，合理規(guī)劃各層的開采量及平面布局，以有效控制漏斗效應(yīng)。

圖11 2023年不同熱儲(chǔ)層地下水流場(chǎng)Fig.11 Groundwater flow field in different thermal reservoirs in 2023