汝南县地热资源开发利用与保护研究

徐军用

(河南省驻马店市节约用水办公室，河南 驻马店463000)

汝南县隶属于河南省驻马店市，地处豫南淮北平原，属淮河流域，县城是汝南县域的政治、经济、文化中心，以农副产品加工为基础的旅游城市。汝南县境位于华北坳陷的西南边缘，县城位于新华夏构造上蔡岗隆起与豫中北西向构造的复合部位，汝南地下深部富集了大量的地热能量，储存有较多地下热资源，汝南县自2009年开始开采地热水，主要用于住宅小区的洗浴、取暖等。鉴于地下水在开发利用过程中也出现了局部超采、地下水位下降漏斗、水质污染和地裂缝南等问题，加强对地热水的开发利用与保护研究尤为重要。

1 概况

1.1 自然地理概述

汝南县地处淮北平原，总体上西高东低，微倾斜状，地势平坦低洼，地面高程一般在44～70 m之间，南高北地，西高东低，岗洼相间，地形较为复杂。根据地貌成因和微地貌形态，可将区域分为冲积平原和冲胡积平原两种两类。

汝南县地处亚热带向暖温带过渡区，属于大陆性季风气候，季风明显、四季分明、温湿适中、雨热同季。多年平均降雨量为880 mm，降雨多集中在每年的6～9月，约占全年降水量的60%。降水量年际差异较大，建国以来最大降水量1 451.2 mm，最干旱年份降水量仅 419.6 mm。

县境内主要河流是汝河极其支流，汝河主要支流有北汝河、瑧头河、文殊河等，均属季节性河流，枯水期水位一般低于地下水位，形成排泄地下水的通道，仅在丰水期对地下水有短暂的补给。

汝南县境内地表岀露均为第四系地层，由中更新统冲洪积层(Q3a1-p1)、上更新统冲洪积层(Q3a1-1)、全新统冲积层(Q3a1)组成。新第三系深红色粘土岩直接隐伏于第四系地层之下，有奥陶系(O)、二迭系(P)、老第三系(E)、新第三系(N)深红色粘土夹砂层。

1.2 水文地质条件

1.2.1 赋存条件

汝南县地热水埋藏在840 m以下的新第三系馆陶组含水层中，根据河南省地质工程勘察院对汝南县城所作物探报告，新第三系(N)地层底板深度950 m，地层厚度690 m，含水砂层多有胶结，含水层岩性以细砂、砂砾岩为主，含水层性质为空隙裂隙含水层，该含水层厚度较大，透水性好，具有良好的储水能力，地下水量较为丰富。

1.2.2 补给、径流和排泄

地热含水层的补给与第四系深层地下水的补给相仿，主要为上游西部基岩山区接受大气降水入渗补给，通过深部含水层径流至本区。

在天然状态下，深层地热水自西向东缓慢径流。在县城区，由于受开采的影响，改变了天然流场状态，以开采井为中心，向抽水井汇流;在开采影响以外，仍保持天然流场状态。

汝南地热水开发利用水平较低，总体上仍保持着缓慢向东径流排泄方式，在开采井周围形成有小范围的地热水位下降漏斗，以人工开采为主要排泄方式。

2 开发利用评价

2.1 县城区地热水可利用水资源量

河省目前开发利用的主要是埋藏在新生界和前新生界热储层中的地热资源，新生界地热资源主要指新近系和古近系松散热储层中的空隙水[1]。地热水资源是地下水的一种，地热水资源的计算方法可用传统的深层地下水资源计算方法。目前传统的地下水资源计算方法有解析解法、比拟法、动态分析法、数值法、补给量计算法[2]。根据汝南县地热水含水层的分布特征和开发利用情况，结合汝南县城城市建设发展规划，采用补给量法计算可采资源量比较可靠。补给量计算法是首先将地热田内热储层概化，使其基本符合稳定流计算要求，然后计算地热田水位下降到一定程度可获得的径流补给量，将其视为地热水可采资源量。

2.1.1 渗透系数的计算

根据汝南县东方假日酒店电测井深成果分析，汝南县城深层地热水含水层顶板埋深855 m，底板深度946 m，属于华北馆陶组地热含水层，其间共有5层空隙含水层，含水层总厚度38.1 m，地层岩性从上到下分别是中砂、细中砂、细砂、粗砂、细砂。汝南县地热含水层分布地域比较宽广，含水层抽水影响半径相对于地层分布范围来说可作为均匀无承压含水层考虑。该抽水井井管半径为0.15 m，该井含水层为深层地热承压含水层，含水层渗透系数可根据抽水试验(见表1)，选用下面裘布依稳定流承压水完整井流公式与经验公式R=3 000Sw行迭代逼近计算。计算得该含水层渗透系数 K=0.9 m/d，导水系数 T=34.29 m2/d。

式中:Q为单井出水量(m3/d)〔Q’单位m3/h〕;K为渗透系数(K=0.9 m/d);R为影响半径(采用经验公式:R=3 000 Sw;M为承压水含水层厚度(M=38.1 m);rw为抽水井半径(rw=0.15 m);Sw为抽水降深(m)

表1 不同降深抽水试验统计表

2.1.2 补给边界影响半径与补给断面

汝南县城东西长约4 km，南北长约3 km，已建成面积约12 km2。根据汝南县国民经济“十二五”发展规划，到2015年末城区规划区面积将达到35 km2，到2020年将达到60 km2。城区地热含水层受开采影响，势必形成水位降落漏斗，随着抽水时间的延长和取水量的增多，县城中心水位将逐渐下降，漏斗边沿也将逐渐扩大到影响范围边沿，开采降落漏斗为一近似圆形，周围地下水向开采中心径流。将该城区预测面积60 km2作为地热开采影响区域面积，将计算断面为补给边界至中心路段的中心(即R/2)所围成的圆作为补给断面。

式中:R为补给边界影响半径(m);A为补给面积(35km2);π为圆周率。

计算得补给边界影响半径R=4 371 m。

式中:R补为设定补给断面半径(R补=R/2=2 186 m);L为补给断面周长(m);计算的L=13 728 m。

2.1.3 地热水补给量计算

开采条件下，地热水通过补给断面的补给量由达西公式计算:

式中:W径=径流补给量(m3/d);L为补给断面边周长(10 488 m);I为水力坡度，为漏斗周边平均水力坡度，为0.006 9;T 为导水系数(m2/d)，为 34.29 m2/d。

计算得径流断面的径流补给量为3 248 m3/d，该数值即为汝南县地热水可利用量。

2.2 出水水温分析评价

汝南地热田属构造凹陷沉积传导型地热田，其热源来自地壳深部，区域大地热流是其恒定热源，在地壳深部呈平均分布。第四系地下水常温深度约为25 m，平均地温梯度为3.2℃ /100m。根据《地热资源评价方法》(DZ40—85)，采用地温梯度推算法计算热储温度，计算公式为:

式中:t为热储温度，单位:℃;d为热储埋藏深度，单位:m;h为常温层埋藏深度，单位:m，取25 m为地温梯度，单位:℃ /100m;t0为常温层温度，单位:℃，取 16.5℃，。

经计算得热储层出水温度约为43℃ ～46℃。根据《地热资源评价方法》(DZ40—85)，地热水按水温高低分为六个级别，汝南地热水属于中低温地热水，适于洗浴用水。见表3。

表3 热储层水温分级表

2.3 开发利用现状评价

2.3.1 评价标准

地热开发利用现状开采程度分为五类〔3〕，具体分类标准见表2。

表2 地热开发利用现状评价标准

2.3.2 现状评价

汝南县目前有东方假日酒店、伊清温泉地热井、富源双河湾地热井等地热取水井6眼，日开采量为780 m3/d，开采强度为0.24，属于较低开采区，汝南地热开发利用潜力较大。

3 存在的问题

3.1 勘查投入不足，地热基础资料不详实

政府在地热洁净资源前期勘查投入不足，地热地质基础资料不详实、不全面，地热地质基础工作较差。目前河南省重点城市浅层地热能开发利用规划已经完成，但针对深层地热能以及地热能综合开发利用规划尚无可靠的资料可查。已开展的地热勘查，钻探、物化探等工作投入较少，1 500 m以深勘查评价程度低[4]。

3.2 利用效率低下，综合利用水平低

汝南地热开发处于刚起步阶段，利用以洗浴为主，规模化及产业化水平不高，开发利用单一分散，未实施梯级开发和对井采灌制度，热能利用率低、浪费严重地热资源，几乎没有地热田的综合利用和梯级利用，从而造成宝贵资源的浪费。特别是温泉洗浴的尾水全部白白排放，不但造成热能的浪费，同时还导致热污染和地下水环境的破坏。

3.3 缺乏水资源统一规划管理，管理水平低下

地热井的建设单位主要是宾馆、房地产公司等，主要用于供暖、温泉、洗浴等。目前，政府还没有实行统一的规划和管理，造成了过于集中钻井开采同一地层的地热水现象。

4 开发利用保护措施

地热资源是新的能源与补充能源，地热资源开发利用是实施低碳可持续发展战略的重要途径。开发地热资源可以节约不可再生的煤炭、石油等资源，并且利用过程相对环保。其能源效益、社会效益、环境效益显著，要保持长期连续稳定开采，不致形成地质环境问题，必须十分重视资源的保护工作[5]。

4.1 加强地热资源开发的管理制度建设

建立健全地热资源管理制度，建立科学有序的地热资源开发市场，加强统一规划和管理，严格水资源论证制度，在地热资源开发利用前，做好前期论证和审批工作;加强监督管理，按照地热井合理间距及强度控制原则，审批项目布局的合理性，必须采取强有力的措施，避免“乱批、乱采、乱用”;规范地热勘查开发市场，杜绝无施工能力或技术实力较差的单位进行地热工程的施工，加强成井工艺及技术的交流和推广应用，为政府提供技术支撑和科学决策，使地热资源开发利用趋于科学化、合理化和正规化，为优化能源结构和可持续发展做出贡献。

4.2 加强地热水动态监测

随着地热水的开发利用，水位、水量、水质、水温将随开采的进行而发生变化。为避免因过量开采产生地面沉降、水源枯竭等环境地质灾害，应加强水的动态监测工作，以随时准确掌握地下水量、水位、水质、水温等动态变化信息，建立地热井运行档案，确保地热水可持续、稳定开发。

4.3 建立科学合理的开采模式

为防止地热水污染，须阻断各含水层通过水井井筒及井管水力联系通道，在开采时，应做好上层止水，切断上部含水层和深部地热水层之间的水力联系，避免水质污染，避免相互垂直补给造成地层压力和水温下降;合理控制井距，单井限量开采，避免大范围内过量开采;采用梯级、综合、高效利用新技术，提高资源利用率，地热采暖项目必须采用回灌[6]开发模式。所谓梯级利用，就是按照用户终端需要的供热水温，从高到低排序，高能高用，温度适用，分配得当，各得其所。通过梯级利用，可有效提高地热资源利用率。不论是哪种温度的地热水，梯级利用都是一个最佳的利用方案[7]。

4.4 建立地热田评价和管理述学模型

根据汝南地热地质条件，应对地温场、热储、地热流体回灌等进行试验研究，确定地热田的温度、热储条件、储量、流体性质和水化学类型，并建立相关的数学模型，为地热资源保护和合理开采布局提供科学的依据。

4.5 加强尾水处理，减少环境污染

热流体中通常含有 H2S、CO2等凝气体，特别是在高温地热流体中浓度更大，废地热流体直接排放会造成热污染和流体中有害成分的超标排放，如果处理不当，则会对大气和环境造成污染。应对尾水进行处理，前者可采用沉淀法、过滤法、结冰法除氟[8]，后者可采取气水分离燃气技术，做到兴利除害，最大限度的降低地热开发对环境的影响。

[1]王心义，黄丹.河南省地热资源开发利用现状评价[J].地下水.2010，32(1):54-70.

[2]廖资生，余国光.北方岩溶水资源的基本类型和评价方法的选择[J].中国岩溶.1990(2).

[3]中华人民共和国地质矿产部.地热资源评价方法(D240—85)[S].1986.

[4]王继华.河南省地热资源开发与保护浅析[J].地下水.2009，31(4):45—47.

[5]阳结华，雷东锋，樊子玉，等.浅议河南省地热资源现状及开发保护[J].矿产保护与利用.2010(5):48-51.

[6]刘时彬.地热资源及其开发利用和保护[M].北京:化学工业出版社.2005.237—238.

[7]卢予北，张古彬，陈莹.河南省地热资源开发利用现状与问题研究[J].探矿工程.2010，37(10):35—39.

[8]张梅桂，孙法德，谭世燕.地热资源及科学利用[J].油气田地面工程.2004，23(4);38.