李俊峰，賈志，張芬娜，田光輝，靳寶珍，劉東林

（天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250）

天津市薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層水位動(dòng)態(tài)變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究

李俊峰，賈志，張芬娜，田光輝，靳寶珍，劉東林

（天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250）

通過(guò)對(duì)天津市薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層地下水位動(dòng)態(tài)規(guī)律的分析，利用LUMPFIT軟件預(yù)測(cè)了在不同開(kāi)采量下未來(lái)水位的變化規(guī)律。結(jié)果表明，水位呈逐年下降的趨勢(shì)，但由于回灌量的增加，水位下降速率明顯減小。

霧迷山組熱儲(chǔ)層；水位動(dòng)態(tài)；水位趨勢(shì)預(yù)測(cè)；天津市

天津地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用至今已有30多年的歷史，隨著國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)的制定，地?zé)嵝枨笱杆僭黾?。薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層作為最主要的開(kāi)采層，開(kāi)采量增加明顯，水位下降較快，盡管天津地區(qū)霧迷山組熱儲(chǔ)層從1998年開(kāi)始回灌，至2012年年回灌量已達(dá)到757.63×104m3/a，但回灌量?jī)H為45.21%，水位降幅依然較大[1]，表明地?zé)崃黧w開(kāi)采量遠(yuǎn)大于補(bǔ)給量，如不采取有效措施，勢(shì)必影響地?zé)豳Y源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用[2-4]。本次通過(guò)LUMPFIT軟件預(yù)測(cè)在不同開(kāi)采量下未來(lái)水位的變化規(guī)律，對(duì)地?zé)崽锏拈_(kāi)采量、水位進(jìn)行擬合[5]，預(yù)測(cè)不同開(kāi)采量下整個(gè)系統(tǒng)的水位及水溫變化，進(jìn)而提出了合理的開(kāi)采利用方案，為整體開(kāi)發(fā)布局提供科學(xué)依據(jù)。

1 熱儲(chǔ)特征

薊縣系霧迷山組是天津地區(qū)分布最廣、沉積厚度最大的地層，也是本區(qū)地?zé)衢_(kāi)發(fā)最主要的層位[6]。該熱儲(chǔ)層在滄縣隆起區(qū)普遍分布，即：北至寧河-寶坻斷裂，東至滄東斷裂，西至天津斷裂，南達(dá)天津與河北省行政交界處，熱儲(chǔ)面積2121 km2，目前尚無(wú)鉆孔揭穿該地層[7]。

霧迷山組從上至下分為四段、三段、二段和一段。四段巖性以深灰色粗晶白云巖、燧石條帶白云巖為主，孔、洞、縫發(fā)育，是主要富水層段；三段巖性以灰白色中粗晶白云巖、灰色微晶白云巖為主，溶孔、溶縫發(fā)育，也是重要的地?zé)崃黧w儲(chǔ)集層；二段與一段為富鎂碳酸鹽巖層段，一段尚未有鉆孔揭露，巖性以灰色、深灰色白云巖、硅質(zhì)條帶白云巖為主，有泥質(zhì)夾層。

該熱儲(chǔ)層裂隙發(fā)育段占揭露總厚度的6%～69%，孔隙度1%～5.8%，滲透系數(shù)0.49～2.81 m/ d，在不同地區(qū)差異較大，其中滲透系數(shù)高值區(qū)出現(xiàn)在沿滄東斷裂、海河斷裂、白塘口西斷裂分布的裂隙發(fā)育的地區(qū)。流體化學(xué)類型以Cl·HCO3·SO4-Na，Cl·SO4·HCO3-Na和Cl·SO4-Na型為主，礦化度1700～2100 mg/L，局部出現(xiàn)大于5000 mg/L礦化度高值區(qū)，總硬度300 mg/L，pH值7.5左右[8]。

2 水位開(kāi)采動(dòng)態(tài)特征

天津地區(qū)霧迷山組熱儲(chǔ)層壓力場(chǎng)的總體特征是西低東高，平面上熱儲(chǔ)壓力的大小和變化均與單位面積上開(kāi)采強(qiáng)度及斷裂的導(dǎo)水和隔水性質(zhì)有關(guān)[9]。截止到2012年末，共有霧迷山組熱儲(chǔ)層地?zé)峋?35眼，年開(kāi)采量為1675.91×104m3。因連續(xù)規(guī)?；_(kāi)采，地下水位呈現(xiàn)逐年下降的變化趨勢(shì)。對(duì)部分長(zhǎng)觀地?zé)峋乃粩?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一溫度（20℃）校正后[10]，繪制多年水位動(dòng)態(tài)曲線（圖1）可以看出，目前水位平均年降幅5～6 m，個(gè)別地區(qū)下降高達(dá)10 m，10年來(lái)總體下降50 m左右。

圖1 多年水位動(dòng)態(tài)曲線Fig．1 Change of the groundwater level

3 水位動(dòng)態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3．1 概念模型

開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)是根據(jù)地?zé)峋嗄陝?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合當(dāng)前熱儲(chǔ)壓力、水位埋深及降幅等情況，用LUMPFIT軟件進(jìn)行綜合分析和預(yù)報(bào)。過(guò)去二十多年里，在冰島和世界其它地區(qū)數(shù)個(gè)低溫地?zé)崽?，LUMPFIT軟件已經(jīng)成功的用于擬合長(zhǎng)觀資料（Axelsson and Gunnlaugsson,2000），通過(guò)利用LUMPFIT軟件自動(dòng)進(jìn)行水位擬合，直到取得最佳擬合效果為止，并預(yù)測(cè)在不同開(kāi)采量下未來(lái)水位（壓力）動(dòng)態(tài)變化[11]。圖2是LUMPFIT軟件的原理簡(jiǎn)圖。

模型主要參數(shù)包括熱儲(chǔ)箱子的儲(chǔ)存系數(shù)（κi）和流體傳導(dǎo)系數(shù)（σi）。儲(chǔ)存系數(shù)反映地?zé)嵯到y(tǒng)中不同熱儲(chǔ)部分的體積儲(chǔ)存，它依賴于熱儲(chǔ)體積、孔隙度和熱儲(chǔ)壓縮系數(shù)，儲(chǔ)存系數(shù)可表示為：

κ=Vρct

式中：V為熱儲(chǔ)體積(m3)；ρ為流體密度(kg/ m3)；Ct為熱儲(chǔ)總壓縮系數(shù)(Pa-1)。

熱儲(chǔ)總壓縮系數(shù)公式如下：

式中：Cw和Ct分別為流體和巖石骨架的壓縮系數(shù),φ為熱儲(chǔ)的孔隙度。

傳導(dǎo)系數(shù)(σi)反映流體的傳輸能力，它依賴于滲透率、粘滯系數(shù)和熱儲(chǔ)幾何參數(shù)。二維流傳導(dǎo)系數(shù)表示方法如下：

式中：ki為滲透率(m2)；h為熱儲(chǔ)厚度(m)；v為流體水動(dòng)力粘滯系數(shù)(m2/s)；ri+1、ri為模型不同部分的半徑（m）。

圖2 LUMPFIT模型圖Fig．2 LUMPFIT model diagram

3．2 模型建立

依照上述模型，結(jié)合《天津市地?zé)豳Y源規(guī)劃》（2011-2015）的要求，對(duì)天津地區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層集中開(kāi)采區(qū)進(jìn)行開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)分兩種方案：方案一，以目前的開(kāi)采強(qiáng)度預(yù)測(cè)至2015年，分析其水位動(dòng)態(tài)特征；方案二，如果方案一預(yù)報(bào)結(jié)果滿足霧迷山組熱儲(chǔ)層年降幅大于3.0 m/a，就代表該地區(qū)屬于限制開(kāi)采區(qū)，反過(guò)來(lái)調(diào)整開(kāi)采量或回灌量，使其年降幅分別控制在3.0 m/a之內(nèi)，變成控制開(kāi)采區(qū)。

（1）根據(jù)多年監(jiān)測(cè)資料，我們可以發(fā)現(xiàn)地下水位動(dòng)態(tài)變化主要受開(kāi)采量的影響。因此，我們選取了2002-2011年的數(shù)據(jù)利用LUMPFIT軟件進(jìn)行水位擬合，模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

（2）數(shù)據(jù)擬合

將計(jì)算模擬的水位曲線與2004年12月-2012年10月實(shí)際觀測(cè)值（表2）進(jìn)行擬合對(duì)比（圖3）可以看出：模擬曲線與觀測(cè)值在變化趨勢(shì)和數(shù)值都很接近，大部分實(shí)際觀測(cè)值點(diǎn)都在模擬曲線上，兩者平均相對(duì)誤差為4.36%，擬合率達(dá)95.64%，小于給定的允許誤差，擬合值和觀測(cè)值較為一致；整個(gè)模型的擬合效果良好，相對(duì)誤差在允許范圍內(nèi)，只是在局部出現(xiàn)了較大的誤差，但可以滿足趨勢(shì)預(yù)測(cè)。出現(xiàn)部分大的偏差，可能是由于水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)具有一定的隨機(jī)性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少的原因引起的，需要更多的、可靠的數(shù)據(jù)來(lái)支持和擬合模型，并不斷修正參數(shù)，才能達(dá)到更好的效果。

表1 模擬數(shù)據(jù)表Table 1 Data of the simulated water level

表2 水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（2004-2012）Table 2 Monitor data of the water levels from 2004 to 2012

3．3 水位動(dòng)態(tài)變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)

本次對(duì)天津地區(qū)中心城區(qū)薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層水位動(dòng)態(tài)變化及趨勢(shì)預(yù)測(cè)，預(yù)預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。

根據(jù)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果（表3），可以看出如果繼續(xù)維持2012年的開(kāi)采模式和規(guī)模進(jìn)行開(kāi)采，至2015年中心城區(qū)的水位埋深為131.65 m，降幅為3.03 m/a，大于3 m/a，屬于限制開(kāi)采區(qū)，說(shuō)明目前的凈開(kāi)采量偏大，應(yīng)減小至目前凈開(kāi)采量的90%左右；按照方案二開(kāi)采，水位埋深為130.11 m，降幅為2.51 m/a，可以將降幅控制在3 m/a以內(nèi)，但水位仍呈逐年下降趨勢(shì)。

圖3 實(shí)測(cè)水位和模擬水位對(duì)比圖Fig．3 Measured water lever VS simulated water level

圖4 水位預(yù)測(cè)圖Fig．4 Water lever predication

表3 水位預(yù)測(cè)表Table 3 Water lever predication

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)天津市薊縣系霧迷山組熱儲(chǔ)層水位動(dòng)態(tài)資料分析，利用LUMFIT對(duì)不同開(kāi)采量下水位動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，與實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)基本吻合，擬合度高。

（2）如果保持目前的開(kāi)采量，到2015年，水位年降幅將達(dá)到3.03 m/a，若開(kāi)采量將為目前的90%，則年降幅可降至2.51 m/a。

（3）如不采取有效控制趨勢(shì)，隨著需求量的增加，地下水位的下降速率和年降幅可能要比預(yù)測(cè)值更大，因此應(yīng)積極采取有效措施，加強(qiáng)回灌，減少凈開(kāi)采量

（4）必須對(duì)地?zé)崽镞M(jìn)行統(tǒng)一管理，加強(qiáng)地?zé)崽锏?/p>

監(jiān)測(cè)，主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括開(kāi)采量、回灌量、水位和水溫。定期采取水樣分析水化學(xué)變化，這些變化可能預(yù)示地?zé)崽锏臏囟群脱a(bǔ)給源發(fā)生了變化，要積極預(yù)防由于水位繼續(xù)下降而導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

[1]田光輝，宋美鈺，劉東林,等.天津地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)年報(bào)[R].天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院,2001-2012.

[2]周訓(xùn)，周海燕，方斌，等.淺析開(kāi)采條件下地下熱水資源的演變[J].地質(zhì)通報(bào)，2006，25（4）：482-486.

[3]樊友麗，周訓(xùn)，林黎，等.天津地區(qū)深層地下熱水開(kāi)采動(dòng)態(tài)分析[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2006,20（3）：486-493.

[4]周訓(xùn)，阮傳俠，方斌，等.海潮及濱海含水層地下水位變化的擬合與預(yù)測(cè)[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2006，（1）：10-14.

[5]黃衛(wèi)星，尹立河，王曉勇.山西奇村地?zé)崽镔Y源評(píng)價(jià)[J].西北地質(zhì)，2003，36（4）：87-92．

[6]田光輝，曾梅香，阮傳俠．天津地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用動(dòng)態(tài)特征淺析[J].地下水，2008,30（5）：28-31．

[7]孫寶成，林黎，程萬(wàn)慶，等.天津市地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)成果報(bào)告[R].天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院,2008.

[8]李俊峰，靳寶珍，程萬(wàn)慶,等.天津薊縣系霧迷山組地?zé)崃黧w水化學(xué)特征研究[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2008,31（4）：339-345.

[9]夏大平，王心義，林建旺，等.天津地?zé)衢_(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境地質(zhì)條件的影響[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（5）：14-18.

[10]周訓(xùn),陳明佑,趙維明.深層地下熱水鉆井井內(nèi)動(dòng)水位升高值的計(jì)算[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2000，（5）：33-35.

[11]Axelsson G．Simulation of pressure response data from geothermal reservoirs by lumped parameter models．Fourteenth Workshop on Geothermal Reservoir Engi—neering，Jan[M]．Stanforduniversity，1989，257-263．

Research on the Change and Trend Prediction of the Water Level of Wumishan Geothermal Reservoir in Jixian System,Tianjin

LI Jun-feng,JIAZhi,ZHANG Fen-na,TIAN Guang-hui,JIN Bao-zhen,LIU Dong-lin
（Tianjin Geothermal Exploration and Development-Designing Institute,Tianjin,300250）

By analysis on the Tianjin level dynamic law of the Wumishan geothermal reservoir in the Jixian System,the authors utilize LUMPFIT software to predict future water level variation in the different extraction.The forecast results show that the water level show a declining trend,but due to the increase in recharge,water level drop rate is significantly reduced.

Wumishan geothermal reservoir;water level dynamics;prediction of trend of the water level;tianjin

P314.1

A

1672-4135（2013）02-0221-05

2013-04-19

資助項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目：天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)（1212011220232）

李俊峰（1971-）男，高級(jí)工程師，2006年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），獲地質(zhì)工程碩士學(xué)位，長(zhǎng)期從事地?zé)峥辈檠芯抗ぷ?，E-mail：tjdryjz@sina.com。