安阳市地热水梯级开发利用模式探析

窦明， 王艳艳， 杜洁， 付博， 曹亚新， 张建岭

(1.郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001； 2.安阳市南海泉域管理处，河南 安阳 455000；

安阳市地热水梯级开发利用模式探析

窦明1， 王艳艳1， 杜洁2， 付博3， 曹亚新1， 张建岭1

(1.郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001； 2.安阳市南海泉域管理处，河南 安阳 455000；

3.安阳市水利局，河南 安阳 455000)

安阳市地热资源丰富，具有很大的开发潜力，但开发利用方式单一，探讨地热水的梯级开发利用模式已成为提高地热水利用效率的关键举措。在计算安阳市地热水储量的基础上，设计了地热水梯级开发利用总体模式，并结合安阳市的实际情况，提出5种地热水梯级开发利用模式，且从社会经济、地热资源以及产业结构等方面构建指标体系；最后，结合安阳市地热条件、社会经济发展水平以及产业结构等因素，采用加权评分法为地热水适宜开发区选择了主要的梯级开发利用模式，可为安阳市合理开发利用地热水提供参考依据。

安阳市；地热水；指标体系；加权评分；梯级开发利用模式

地热资源是一种综合性矿产资源，具有广泛的用途，不仅可以作为清洁能源用于发电、供暖，而且可以利用其矿物特性进行洗浴和理疗，同时还可以用于温室种植、农业灌溉等方面，具有巨大的社会、经济和环境效益。安阳市地热资源丰富，可利用量较大，具有很大的开发潜力[1]。安阳市的地热资源主要为地热水[2]，目前的开发利用方式普遍存在综合利用效率低、利用方式单一、未梯级利用、尾水随意排放等问题，不利于地热水的管理、保护和可持续利用。因此，为提高地热水的利用效率，减少地热资源的浪费，有必要研究地热水的梯级开发利用模式，为合理开发利用地下水提供参考。

1 安阳市地热水资源量计算

1.1 地热水适宜性分区

地热水适宜区的划分是地热水开发利用的基础，也是实现地热资源可持续利用的基础。地热水的开发利用受到多种条件的制约，主要制约因素有地热地质条件、地热资源开采保障、环境等。由于地热水适宜区的划分目前还没有可参考的规范以及实测资料的有限性，因此安阳市地热水适宜区的划分，仅考虑断层构造、热储结构、基岩埋深、地温、地形地貌及环境问题等因素。但由于目前安阳市地热水的开采尚未引起明显的地质环境问题，因此地热水适宜性分区暂不考虑地质环境问题。首先，地热水适宜性分区应考虑安阳市断层结构及热储结构，将汤阴断陷地热区及内黄凸起地热区作为地热水适宜区；其次，将基岩埋深1 000 m的界线定为地热水适宜区和不适宜区的界线，基岩埋深大于1 000 m的地区为适宜区，否则为不适宜区；再次，根据安阳市的地形地貌，将山区和丘陵区划分为地热水不适宜区，平原区划分为适宜区，即可分析得出以下结论：汤阴断陷地热区地热水适宜区主要分布在安阳市的大部、安阳县的北部及汤阴县的东部(汤阴县城至韩庄一带除外)；内黄凸起地热水适宜区主要分布在安阳县的东部、内黄县的北部及滑县的西部和南部，其余均为不适宜区[3]。

1.2 地热水资源量计算

1.2.1 区域地热水资源量的计算公式

安阳市地热水的主要开采对象为新近系及古近系热水，考虑到安阳市地热水处于相对稳定的地质环境中，地热水资源量即为承压含水层的弹性释水量。在合理消耗性开采状态下，采用式(1)计算地热水资源量。

(1)

式中：Q为地热水可开采资源量，m3/d；μ*为热储层弹性释水系数；F为热储面积，km2；Smax为最大允许降深，m；Δt为设计开采年限，取100 a。

1.2.2 相关参数的确定

1.2.2.1 热储层弹性释水系数μ*

该参数根据5组地热井非稳定流抽水试验资料，采用配线法，利用式(2)，并在参考《河南省豫北平原地热资源调查报告》[4]，结合前人的成果[3]及区域的水文地质、地热地质条件、钻孔资料的基础上确定的。

式中：T为导水系数，m2/d；S为稳定出水量，m3/d；S为水位降深，m；W(u)为井函数；u为井函数自变量；a为导压系数；r为钻孔或过滤器半径，m；t为抽水时间,d；β=r/B，其中1/B为越流补给系数，其他符号意义同前。

1.2.2.2 热储面积、厚度和最大允许降深

热储面积即地热水适宜区的面积，是结合行政区划分配到各县市的面积。热储厚度则参考河南省基岩地质图、安阳市地热地质剖面图及地热井钻孔资料综合确定，其中汤阴断陷地热区应同时考虑新近系热储和古近系热储，热储厚度为两者之和；内黄凸起地热区古近系热储富水性较差，计算时仅考虑新近系热储厚度。最大允许降深则是根据水文地质条件及现有水泵扬程和钻孔结构确定的。

1.2.3 计算结果

参考《河南省安阳市地温地热水资源评价及开发利用规划》的成果(以下简称《规划》)，将计算的参数代入式(1)可计算出汤阴断陷地热区、内黄凸起地热区内各个县市的地热水资源量，结果见表1。

表1 地热水资源量计算表

由表1可以看出，汤阴断陷地热区的地热水储量为7 023.99 m3/d，内黄凸起地热区的地热水储量为21 065.00 m3/d。其中，安阳市的地热水储量为4 265.25 m3/d，安阳县的地热水储量3 150.95 m3/d，汤阴县的地热水储量为1 839.37 m3/d，内黄县的地热水储量为353.42 m3/d，滑县的地热水储量为18 480.00 m3/d。

2 地热水梯级开发利用模式构建

2.1 地热水梯级开发利用总体模式设计

地热水的梯级开发利用应在科学合理地制定区域地热水勘查和开发利用规划的基础上，有计划、有步骤地对地热水进行开采，杜绝无序开发、过度开采。在目前地热水处理、供暖、回灌等新技术支撑下，可以根据不同应用领域对地热水的不同需求以及地热水的水温和水质情况，提出以下地热水梯级开发利用总体模式如图1所示，以加大地热水的循环利用力度，减少尾水的高温度排放，提高地热水综合利用效率。

图1 地热水梯级开发利用总体设计模式示意图

由图1可知：首先，需要对地热水进行预处理，然后将温度高于150 ℃的地热蒸汽或者高于90 ℃的中温地热水通过干蒸汽发电系统、闪蒸汽发电系统或双工质循环发电系统进行发电；发电后，可以利用地热水供暖技术和梯级利用技术，将冷凝后的地热水经换热器进行换热并为用户供暖，若水温不低于70 ℃，可用于散热器供暖，水温处于50～55 ℃，可用于风机盘管地板采暖，水温处于40～50 ℃，可用于地板辐射采暖，且需根据采暖空间的不同选择采暖方式，并结合热泵系统设计不同的循环次数，以充分利用地热水的热量；根据地热尾水的温度以及区域产业的分布情况，还可以对供暖尾水进行再次利用，比如洗浴、水产养殖、地热温室等，以提高地热水的综合利用效率，最后经尾水处理将其排放或回灌至地下热储层；若水温处于70～90 ℃，可以直接通过热交换器产生热风，用于农副产品的烘干，然后用于供暖或者通入地热温室的水箱，用于温室供热。

2.2 安阳市地热水利用模式分类

安阳市地热井的出水温度较低，结合地热水梯级开发利用总体设计模式中的中低温地热水的梯级利用方式，并考虑安阳市的产业分布情况及地热水的水质情况，具体构建了以下5种模式，见表2。

表2 安阳市地热水利用模式分类

3 安阳市地热水梯级开发利用模式选取

3.1 安阳市地热水梯级开发利用模式评价指标体系

根据以上对地热水梯级开发利用模式的分类，进一步在地热水适宜开发区构建相应的评价指标体系，为安阳市不同区域的地热水梯级开发利用模式的选取提供理论依据。在参考国内外相关研究成果的基础上[6-7]，地热水梯级开发利用模式评价指标体系选取社会经济需求度、地热资源满足度和产业结构适宜度作为评价的原则。其中社会经济需求度选取人均GDP、人口密度指标进行衡量，人均GDP能反映当地的经济发展水平，人口密度能反映区域的城镇化水平；地热资源满足度选取水温、水质、地热水供需比率进行衡量，其中水温直接影响地热水的利用方式，水质决定了地热水的用途，地热水供需比率在一定程度上限制了高耗水行业的地热水开发利用；产业结构适应度选取第一产业增加值占GDP的比重，该指标能反映产业的分布情况，影响地热水的利用模式。

根据以上指标，安阳市地热水梯级开发利用模式选取的指标体系如图2所示。

图2 安阳市地热水梯级开发利用模式选取的指标体系

3.2 安阳市地热水梯级开发利用模式选取标准

在制定安阳市地热水梯级开发利用模式评价标准时，本文根据《安阳统计年鉴》《规划》《地热资源地质勘察规范》(GB/T 11615—2010)[8]、《渔业水质标准》(GB 11607—89)[9]、《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)等文献，收集并计算了安阳市社会经济、地热资源、产业结构等方面的数据，并结合安阳的实际地域情况制定出合理的评价标准。

从社会经济需求角度，人均GDP和人口密度能反映区域的收入水平和城镇化水平。人均GDP越高、人口密度越大，表明该区域人口密集，越适宜发展“供暖+热泵循环模式”和“供暖+洗浴模式”，不适宜发展以温室种植、水产养殖以及农业灌溉为主的模式。从地热资源满足度角度，水温越高越适宜发展“供暖+热泵循环模式”和“供暖+温室种植模式”，反之，则适宜于水产养殖和农业灌溉；水质锅垢少，腐蚀性弱，不易腐蚀供暖设备，较适宜发展“供暖+热泵循环模式”和“供暖+温室种植模式”，若水质满足渔业用水要求以及地域条件，则优先发展“供暖+水产养殖模式”，若水质满足农业灌溉用水要求，且分布有大量农田，则优先发展“供暖+农业灌溉模式”，若服务业集中且水质满足洗浴用水的要求，则优先发展“供暖+洗浴模式”；地热水供需比率越低，表明缺水越严重，不适宜发展“供暖+农业灌溉模式”等水资源消耗多的模式；第一产业增加值占GDP的比重越高，表明农业用水的比重较大，越适宜发展“供暖+温室种植模式”、“供暖+水产养殖模式”、“供暖+农业灌溉模式”。根据对这些指标的分析，采用10分制的方法(分制越高，表明越适宜发展该模式，反之表明不适宜发展该模式)制定各个模式在不同指标范围内的标准值，具体见表3。

表3 安阳市地热水梯级开发利用模式评价指标及评分值

3.3 安阳市地热水梯级开发利用模式评价

在安阳市地热水梯级开发利用评价指标体系构建以及相应标准设定的基础上，采用加权评分法为各区域地热水梯级开发利用模式评价提供依据。首先，采用层次分析法计算C层(图2中的第3层)相对于A层(图2中的第1层)的权重为(0.046，0.108，0.140，0.581，0.555，0.069)；然后，结合《规划》中的地热水分区结果，在地热水适宜开发区统计各乡镇的指标情况并进行评分；最后，将对应的各模式的评分与权重相乘即得各个区域各模式下的综合评分值，并将其以柱状图的形式绘制在安阳市地热水梯级开发利用模式分区图上，如图3所示。在地热水适宜开发区，每个区域都有5个柱状图，依次表示5种地热水梯级开发利用模式的综合评分值。柱状图高度越高，表示该区域该柱状图对应的地热水开发利用模式越适宜在本区域得以发展，反之，不适宜在本区域发展。同时，结合各地区的地域情况，得出各区域主要的地热水梯级开发利用模式。

图3 安阳市地热水梯级开发利用模式分区

由图3可以看出，在地热水开发适宜区内，“供暖+温室种植模式”和“供暖+农业灌溉模式”分布的比重较高，经统计这两种模式占主要优势的区域分别占48%、47%。考虑到农业是安阳的传统产业，安阳地区广泛分布着大量的农田和温室大棚，且地热水的出水温度、水质均能满足农业灌溉和大棚供暖的需求，地热储量丰富，因此可以在安阳的大部分农村以及特色乡镇发展这两种地热水开发利用模式。而“供暖+热泵循环模式”、“供暖+洗浴模式”主要分布在安阳市内，是地热水开发常见的利用方式。考虑到这些区域的人口比较集中、城镇化率较高、服务业比较发达，地热水的取水温度能达到该模式的要求，开发利用程度也在地热水的承受范围之内，因此可以增加热泵的循环次数，提高地热水的热利用效率，以满足居民的供暖需求以及服务用水需求，增加经济效益。“供暖+水产养殖模式”极少，主要分布在水库附近，比如岳城水库，水库丰富的地热资源能够带动附近村庄的水产养殖的发展。

4 结语

地热水梯级开发利用总体模式的设计对于我国地热区高效利用地热水起到了重要的作用。本文在核算安阳市地热水储量、考虑安阳市产业布局以及地热水水温、水质情况的基础上，建立了5种地热水梯级开发利用模式，即供暖+热泵循环模式、供暖+洗浴模式、供暖+温室种植模式、供暖+水产养殖模式、供暖+农业灌溉模式，并通过建立安阳市地热水梯级开发利用模式评价指标体系和相应的评价标准，采用加权评分法计算了各区域各模式的综合评分值。经分析，在安阳市地热水适宜区中，供暖+温室种植模式、供暖+农业灌溉模式分布的比重较高，分别达到48%和47%，主要分布在安阳的大部分农村以及特色乡镇；供暖+热泵循环模式、供暖+洗浴模式主要分布在市区内；供暖+水产养殖模式极少，零星分布在水库附近。安阳市地热水梯级开发利用模式的选取结果与区域的地域条件相协调，满足各区域的经济发展需要，可为安阳市的地热水开发利用提供参考。

[1]闫银花．河南省安阳市地热开发的环境效应和环境保护[J]．中国矿业，2010，19(1)：104-106．

[2]柴智，张振邦.安阳市地热资源开发利用研究[J]．安阳师范学院学报，2003(2)：67-68．

[3]河南省水文地质工程地质勘察院．河南省安阳市地温地热水资源评价及开发利用规划[R]．郑州：河南省水文地质工程地质勘察院，2011：63．

[4]河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队．河南省豫北平原地热资源调查报告[R].郑州：河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队，2004：32-46．

[5]中华人民共和国农业部．农田灌溉水质标准：GB 5084—2005[S]．北京：中国标准出版社，2005．

[6]卢晓旭，陆玉麒，靳诚，等．江苏湿地资源旅游开发适宜性评价[J]．自然资源学报，2011,26(2)：278-290．

[7]刘淑茹．产业结构合理化评价指标体系构建研究[J]．科技管理研究，2011(5)：66-69．

[8]全国国土资源标准化技术委员会．地热资源地质勘查规范：GB/T 11615—2010[S].北京：中国标准出版社，2010．

[9]国家环境保护局．渔业水质标准：GB 11607—1989[S]．北京：中国标准出版社，1989．

(责任编辑：乔翠平)

Research on Geothermal Water Cascade Exploitation and Utilization Patterns in Anyang City

DOU Ming1, WANG Yanyan1, DU Jie2, FU Bo3, CAO Yaxin1, ZHANG Jianling

(1.College of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Nanhai Spring Management Office of Anyang, Anyang 455000, China; 3.Water Conservancy Bureau of Anyang, Anyang 455000, China)

The rich geothermal resources have great potential of exploitation in Anyang City, but considering the single way of exploitation and utilization, the exploration of the cascade exploitation and utilization of geothermal water has become the key way to improve the efficiency of geothermal resources. On the basis of calculating geothermal water reserves, the geothermal water cascade exploitation and utilization overall pattern was designed. Then combined with the actual situation of Anyang, five geothermal water cascade exploitation and utilization patterns were put forward in this paper and the corresponding evaluation index system was constructed. At last, by the application of weighted scoring method, the main cascade exploitation and utilization pattern was chosen for geothermal water appropriate development zone combining geothermal conditions, industrial structures and social and economic development level. This can provide some references for rational exploitation and utilization of geothermal water in Anyang City.

Anyang City; geothermal water; indicator system; weighted scoring method; cascade exploitation and utilization

2016-05-27

国家自然科学基金项目(51679218，U1304509)；安阳市水利局项目。

窦明(1975—)，男，山东淄博人，教授，硕导，博士，主要从事水资源与水环境方面的研究。E-mail：douming@zzu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.06.003

TV213

A

1002-5634(2016)06-0014-06