太原市城區(qū)水熱型地?zé)崮苜Y源承載力評價

劉 碩,呂義清,薛永安,李 敏,荊慶年

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.太原理工大學(xué) 地震與地質(zhì)災(zāi)害防治研究所，太原 030024;3.太原市國土資源局,太原 030024)

近年來隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,對化石能源的消耗迅速加大,在獲取高額的經(jīng)濟效益的同時,資源問題、環(huán)境問題也日趨嚴重,如何實現(xiàn)社會的可持續(xù)高效開發(fā)利用,成為時下廣為關(guān)注的一個問題。而地?zé)崮芫哂袧崈?、綠色低碳、污染環(huán)境小、資源可再生循環(huán)利用的特點,日漸成為新能源的重要組成。對地?zé)豳Y源的開發(fā)利用,可以有效地改善能源結(jié)構(gòu),對解決日趨嚴重的全球環(huán)境問題也具有重要的意義[1]。

現(xiàn)階段,國內(nèi)有關(guān)地?zé)豳Y源的研究集中在地?zé)崮墚a(chǎn)生演化機理以及地?zé)豳Y源儲量計算上[2-3],從資源承載力角度對地?zé)豳Y源進行研究尚處在初始階段[4],本文基于地?zé)豳Y源潛力、熱儲特征、地?zé)嵊猛尽ι鷳B(tài)環(huán)境影響四方面構(gòu)建地?zé)豳Y源承載力評價模型,對太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源承載能力進行研究,為今后太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源勘探、開發(fā)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 太原市城區(qū)地?zé)豳Y源概述

太原市城區(qū)包含尖草坪區(qū)、萬柏林區(qū)、杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、晉源區(qū)與小店區(qū),位于山西省中部,太原盆地的北端,總面積1 416 km2。太原市城區(qū)具有豐富的地?zé)豳Y源,主要蘊藏于太原城區(qū)中部的新生代斷陷盆地內(nèi),熱儲層為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r,是以“對流型”為主的“低溫”水熱型地?zé)豳Y源,屬于“中淺埋

藏開采適宜型”地?zé)崽?地?zé)豳Y源比較豐富[5]。太原市城區(qū)地?zé)崴酁镾O4—Ca·Mg型,其中氟、鍶、偏硅酸達到醫(yī)療價值濃度,氟、鍶達到礦泉水命名濃度,此外還含有多種對人體有益的微量元素,可用于供暖、理療保健、水產(chǎn)養(yǎng)殖、溫室栽培等多種用途[6]。

受到區(qū)內(nèi)西山山前大斷裂、三給地壘、東邊山斷裂等構(gòu)造的控制,太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源富集區(qū)被切割形成8個既具獨立性又有一定聯(lián)系的地?zé)崽?即城區(qū)凹陷區(qū)、西銘斷階區(qū)、城東斷階區(qū)、親賢地壘區(qū)、西邊山斷階區(qū)、黃陵斷階區(qū)、晉源凹陷區(qū)以及清交凹陷區(qū)(見表1),熱田面積共計586.75 km2。

太原市地?zé)峥辈殚_始于二十世紀七十年代,到1995年5月,在神堂溝鉆出太原第一口地?zé)峋?隨后在山西省地質(zhì)工程勘察院西院、農(nóng)展館、麗華苑、西華苑、匯錦花園、煤炭學(xué)校、傘兒樹等地施工十余眼地?zé)峋?。目?太原市地?zé)豳Y源利用方式主要是抽采地下熱水,因此太原在用地?zé)豳Y源為水熱型地?zé)豳Y源。

到2015年,太原市城區(qū)共有37眼熱水井,最大成井深度近2 500 m左右,出水量超過20 000 m3/d,折合標(biāo)準(zhǔn)煤111.41 t。由此可知2015年太原市城區(qū)地下熱水年抽采量為730萬m3,合計標(biāo)準(zhǔn)煤4.07×104t,可有效節(jié)約標(biāo)煤量1.42×104t,同時年減少二氧化碳排放量為3.40×104t,氮氧化物為85.46 t,二氧化硫為241.4 t,懸浮質(zhì)粉塵為113.98 t,年節(jié)省的環(huán)境治理費為401.86萬元。地?zé)豳Y源的開發(fā)已經(jīng)為太原市城區(qū)帶來了較為突出的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

2 太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源量

根據(jù)《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB11615-89),地?zé)崃黧w可開采量所產(chǎn)生的熱能量可以通過以下公式計算:

Wt=4.187Q(t-t0).

(1)

式中:Wt為地?zé)峋疅峁β?kW;Q為地?zé)崃黧w的可開采量,L/s;t為開采井地?zé)崃黧w溫度,℃;t0為回灌井地?zé)崃黧w溫度,℃。

經(jīng)統(tǒng)計太原市熱水井平均溫差為33.5 ℃,平均小時流量為139.05 m3,由此可得出太原市城區(qū)熱水井的平均熱功率為5.42 MW,根據(jù)《太原市地?zé)豳Y源調(diào)查評價報告》,可確定太原市城區(qū)地?zé)峋绊懓霃綖?00 m,則每平方千米的熱功率為11.06 MW,太原市冬季供暖消峰負荷取50 W/m2,可知每平方千米的供暖面積為22.12萬m2,則太原市城區(qū)8個地?zé)崽?86.75 km2范圍內(nèi)可供暖面積為1.30億 m2。

3 太原市城區(qū)地?zé)豳Y源承載力評價

地?zé)豳Y源承載力是指地?zé)豳Y源在一定時期、一定空間以及人類一定的開發(fā)利用強度下維持自身持續(xù)穩(wěn)定以及環(huán)境不會遭受破壞的能力。對地?zé)豳Y源承載力進行評價需要考慮地?zé)豳Y源自身特點、對生態(tài)環(huán)境影響以及使用方法等多方面的因素,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建起綜合評價模型。

3.1 評價模型構(gòu)建

根據(jù)《太原市地?zé)豳Y源調(diào)查評價報告》以及所收集的相關(guān)數(shù)據(jù),構(gòu)建太原市城區(qū)地?zé)豳Y源承載力綜合評價模型。模型分為3個層次:第1層次為目標(biāo)層,即地?zé)豳Y源承載力評估層;第2層次為準(zhǔn)則層,是地?zé)豳Y源承載力的主要影響因素,包括地?zé)豳Y源潛力、熱儲特征、生態(tài)環(huán)境以及地?zé)嵊猛?個子系統(tǒng);第3層為指標(biāo)層,是建立在4個子系統(tǒng)各組成要素基礎(chǔ)上的各因素指標(biāo)的集合。

根據(jù)地?zé)豳Y源特點,最終篩選確定指標(biāo)6項,其中采用地下熱水可采資源量、地下熱水可采資源模數(shù)表征地?zé)豳Y源潛力;采用單井單位涌水量和熱儲埋深表征地?zé)豳Y源熱儲特征;采用地下熱水礦化度表征生態(tài)環(huán)境影響;采用熱儲溫度表征地?zé)嵊猛?如表2 所示。

表2 太原市城區(qū)地?zé)豳Y源承載力綜合評價模型Table 2 Comprehensive evaluation model on carrying capacity of geothermal resources of urban areas in Taiyuan

3.2 權(quán)重確定

為了反應(yīng)各級指標(biāo)對地?zé)豳Y源承載力的影響程度,本文對各級指標(biāo)用定量方法賦予權(quán)重,即通過變異系數(shù)法和熵值法這兩種方法分別計算權(quán)重,并對其結(jié)果進行平均,確定最終權(quán)重。

3.3 數(shù)據(jù)分層賦值

通過對太原市城區(qū)地?zé)豳Y源承載因素水平進行分析,結(jié)合全國地?zé)豳Y源利用水平、太原市城區(qū)地?zé)豳Y源的富集程度及是否有利于開展地?zé)豳Y源開采,參考《太原市地?zé)豳Y源調(diào)查評價報告》以及相關(guān)文獻,并結(jié)合專家打分,制定太原市城區(qū)地?zé)豳Y源承載力各評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn),將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為介于1～9區(qū)間的無量綱數(shù)值。

3.4 地?zé)豳Y源承載力評估

通過對各評價指標(biāo)進行加權(quán)求和,得出各熱田承載力評價分值,根據(jù)最終分值的分布情況確定承載能力的強弱。分值1～5確定為承載能力極弱,5～6為承載能力弱,6～7為承載能力中等,7～8為承載能力強,8～9為承載能力極強。所得結(jié)果見表3。

從表3中可以看出,太原市城區(qū)地?zé)豳Y源承載力最高的熱田是親賢地壘區(qū),總分超過8,屬于承載力極強區(qū)域,此區(qū)也是現(xiàn)太原市地?zé)豳Y源開發(fā)利用的集中區(qū);其次是城區(qū)凹陷區(qū)、西邊山斷階區(qū)和黃陵斷階區(qū),總分7～8,屬于承載力強區(qū)域;其余四區(qū)總分也在6～7之間,屬于承載力中等區(qū)域。可見太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源是比較豐富的,可以承載比較高強度的資源開采。

表3 太原市城區(qū)地?zé)豳Y源承載力評價表Table 3 Evaluation of carrying capacity of geothermal resources in urban area of Taiyuan

4 結(jié)論與建議

通過對太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源承載力的評價,可以看出太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源具有較高的開發(fā)潛力,需要在今后加大開發(fā)利用力度,特別是親賢地壘、黃陵斷階、西邊山斷階這樣承載力強的熱田,以及鄰近太原市高新區(qū)、太原經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、太原科技創(chuàng)新城等地的晉源凹陷、清交凹陷等熱田。這不僅是《國家地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》的要求,也是太原市今后改變發(fā)展思路,治理生態(tài)環(huán)境的必需。

具體來說要加大在城區(qū)以外郊縣的地?zé)豳Y源勘查力度,嚴格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求完成勘查工作;還要做到對地?zé)豳Y源開發(fā)利用的統(tǒng)一規(guī)范和統(tǒng)一管理;同時還應(yīng)制定相關(guān)的產(chǎn)業(yè)幫扶政策,在財稅、價格方面加大支持力度。但是也應(yīng)注意到地?zé)豳Y源的開發(fā)也存在對環(huán)境的破壞,表現(xiàn)在可能造成地面沉降、熱污染以及地下熱水含有害化學(xué)元素對環(huán)境的污染,需要在今后開發(fā)過程中加以注意。

同時,本文基于綜合評價模型對太原市水熱型地?zé)豳Y源承載力進行評價,結(jié)果表明,采用綜合評價模型能夠真實體現(xiàn)出水熱型地?zé)豳Y源承載力的真實水平,對今后太原市城區(qū)水熱型地?zé)豳Y源的開發(fā)利用而言具有很高的應(yīng)用價值。今后有必要對有關(guān)評價指標(biāo)選取、指標(biāo)取值范圍以及模型算法進行進一步的研究。

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