地?zé)豳Y源開發(fā)利用
河北省地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)特征及開采預(yù)警方案研究
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時(shí)間:2021-10-27 15:49:55瀏覽次數(shù):1556
1 前言
河北省地?zé)豳Y源豐富,地?zé)衢_采始于二十世紀(jì)八十年代。二十世紀(jì)九十年代后,隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,對地?zé)豳Y源的需求不斷增加,地?zé)?/a>資源開采規(guī)模呈不斷擴(kuò)大趨勢,特別是近十年來,地?zé)峋?/a>數(shù)量及開采量迅速增加,水位出現(xiàn)了較大幅度下降,對地?zé)?/a>資源可持續(xù)開發(fā)極為不利。一方面,熱儲(chǔ)層水頭壓力大幅減小,導(dǎo)致地?zé)峋?/a>出水能力降低,開采難度增大; 另一方面,水位下降造成地?zé)崴?/a>流場改變,在一定程度上影響地?zé)崴?/a>水溫、水質(zhì)的變化。
2 河北省地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀
河北省地?zé)豳Y源開采呈逐年增大趨勢,至2011年,河北省山區(qū)地?zé)峋?/a>數(shù)量達(dá)77 眼,平原區(qū)地?zé)峋?/a>369 眼。地?zé)?/a>井分布不均勻,主要集中于縣城及市區(qū),形成縣市區(qū)集中開采區(qū),目前河北省地?zé)豳Y源集中開采區(qū)主要有18 處,其中平原區(qū)集中開采區(qū)15處,分布在廊坊市區(qū)、雄縣縣城、滄州市區(qū)、肅寧縣城、任丘市區(qū)、河間市區(qū)、獻(xiàn)縣縣城、黃驊市區(qū)、衡水市區(qū)、阜城縣城、深州市區(qū)、故城縣城、棗強(qiáng)縣城、辛集市區(qū)、新河縣城,山區(qū)集中開采區(qū)3 處,分布在遵化市湯泉、張家口市后郝窯、平山縣溫塘,主要用于冬季供暖、洗浴、療養(yǎng)及養(yǎng)殖。
3. 1 山區(qū)地?zé)?a href="http://sxvnqb.com/t/資源.html" >資源動(dòng)態(tài)
3. 1. 1 開采量及水位動(dòng)態(tài)特征
河北省山區(qū)地?zé)豳Y源主要用于療養(yǎng)。由于常年規(guī)模開采,水位呈不斷下降態(tài)勢,其中遵化市湯泉、張家口后郝窯集中開采區(qū)水位降速較大,分別達(dá)0. 71、0. 72m/a,平山縣溫塘鎮(zhèn)集中開采區(qū)降幅相對較小,年降速為0. 63m/a。水位降速與開采期及開采量密切相關(guān),水位變化總的規(guī)律: 1) 水位降速隨開采量增加呈增大趨勢。2) 當(dāng)開采規(guī)模穩(wěn)定時(shí),水位降速隨開采時(shí)間而變化,開采初期水位降速較大,隨著開采時(shí)間的延長,水位降速呈逐漸變緩趨勢。如平山縣溫塘鎮(zhèn)集中開采區(qū),地?zé)衢_采始于1998 年,2007 年以前年開采量保持在80 ×104m3 左右,之后開采規(guī)模逐年增大,2011 年開采量增大至116. 17 ×104m3。穩(wěn)定開采初期( 1998 ~ 2002 年) 水位年均降速達(dá)0. 83m/a,穩(wěn)定開采后期( 2002 ~2007 年) 水位年均降速減小為0. 33m/a, 2008 年后由于開采規(guī)模增大,水位降速呈增大趨勢,達(dá)1. 90m/a。
3. 1. 2 水溫動(dòng)態(tài)
隨著開采規(guī)模的增大,山區(qū)地?zé)崴?/a>水位較開采初期均有較大幅度下降,導(dǎo)致地?zé)崴?/a>系統(tǒng)補(bǔ)徑排條件發(fā)生改變,受表層低溫水補(bǔ)給量增加影響,水溫呈降低趨勢,如平山縣溫塘鎮(zhèn)郵電賓館井,1996 年成井時(shí)水溫為67℃,2010 水溫降至64. 8℃。張家口后郝窯大唐1 井,1971 年成井時(shí)水溫達(dá)72℃,2006年測得水溫69℃,2010 年水溫降至68℃。
3. 2 平原區(qū)地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)
3. 2. 1 年內(nèi)水位動(dòng)態(tài)特征
河北平原區(qū)地?zé)豳Y源利用以冬季供暖為主。冬季開采期,水位呈下降態(tài)勢,一般年初采水量最大,水位亦降至年內(nèi)最低,進(jìn)入2 月份由于氣溫變暖,采水量減小,水位出現(xiàn)小幅度上升,3 月中旬供暖結(jié)束,水位開始進(jìn)入上升期,且上升幅度呈由大到小變化規(guī)律,至第二年11 月中旬供暖前水位達(dá)到最高點(diǎn)。以雄縣集中開采區(qū)牛65,井為例,多年來,水位呈波浪式下降態(tài)勢。開采初期,由于開采量較小,年內(nèi)水位升降起伏較小,隨著開采規(guī)模不斷增大,年內(nèi)水位升降起伏幅度逐漸增大。
3. 2. 2 多年水位動(dòng)態(tài)特征
開采初期,河北平原多處地?zé)峋首粤鳡顟B(tài)。
平原區(qū)15 處集中開采區(qū)中,10 處開采初期地?zé)峋首粤鳡顟B(tài),占67%,自流高度一般0. 5 ~ 10m。隨著地?zé)崴牟粩嚅_采,地?zé)崴怀什粩嘞陆祽B(tài)勢,目前集中開采區(qū)水位埋深一般為50m 左右,最深達(dá)103m。地?zé)崴幌陆邓俾手饕?a href="http://sxvnqb.com/t/地?zé)崴_采.html" >地?zé)崴_采規(guī)模影響,開采初期,開采規(guī)模較小,水位下降速度較慢,近幾年,地?zé)豳Y源開采規(guī)模快速增長,集中開采區(qū)地?zé)崴唤邓倜黠@增大,見圖3。以深州為例,地?zé)衢_采始于1998 年,自流高度約1. 0m,2002 年以前僅有地?zé)峋? 眼,年開采量為68 × 104m3,由于開采量較小,地?zé)峋恢碧幱谧粤鳡顟B(tài)。2003 ~2009 年,地?zé)峋當(dāng)?shù)量及開采量呈小幅度增加,水位亦呈小幅度下降趨勢,年降速為1. 9m/a,2009 年開始,隨著開采井的快速增加,開采量增大( 年開采量達(dá)215 × 104m3 ) ,地?zé)崴豢焖傧陆担杲邓龠_(dá)15. 9m/a。
將典型地?zé)峒虚_采區(qū)水位變化與開采量變化進(jìn)行對比,見圖3、4,發(fā)現(xiàn)各集中開采區(qū)隨開采量增加水位下降幅度不盡相同,呈現(xiàn)出相同開采規(guī)模條件下深凹陷構(gòu)造單元區(qū)地?zé)崴唤捣^其它區(qū)域大的特征。如深州開采區(qū)位于冀中凹陷構(gòu)造單元,屬于深凹陷區(qū),其熱儲(chǔ)層孔隙度較小,僅為20% 左右,2011 ~ 2012 年水位降幅與年單位面積開采量之比為1. 69 ×10 -4m/m3·km2。黃驊開采區(qū)位于黃驊臺(tái)陷構(gòu)造單元區(qū),孔隙度約30%, 2011 ~2012 年水位降幅與年單位面積開采量之比為0. 85 ×10 -4m/m3·km2。
圖3 河北平原典型地?zé)峒虚_采區(qū)水位動(dòng)態(tài)曲線圖4 河北平原典型地勢集中開采開采量動(dòng)態(tài)曲線3. 2. 4 地?zé)峋鏊芰ψ兓卣?/div>
隨著地?zé)崴坏南陆担瑔挝挥克砍蕼p小趨勢,如辛集市區(qū)辛熱1 井, 2009 年冬季供暖初期,開采水位下降35. 6m ,單位涌水量為2. 697m3 /h·m,供暖高峰期,開采水位下降90. 15m,單位涌水量減小為0. 732m3 /h·m。任丘縣集中開采區(qū),隨著水位的下降,地?zé)峋鏊芰Σ粩鄿p少, 2010 年靜水位已降至103m,同等降深情況下出水量僅為開采前期的1/2。
3. 2. 5 水溫變化特征
4 地?zé)崴幌陆档奈:?/div>
4. 1 資源枯竭
多年來,河北省地?zé)崴坏牟粩嘞陆担瑢?a href="http://sxvnqb.com/t/地?zé)豳Y源開發(fā).html" >地?zé)豳Y源開發(fā)造成較大影響,部分地?zé)峋_采過程中出現(xiàn)抽空現(xiàn)象,局部地?zé)峋殉霈F(xiàn)報(bào)廢。如任丘集中開采區(qū),20 世紀(jì)80 年代至90 年代處于地?zé)衢_采旺盛期,單井出水量約80m3 /h,經(jīng)過20 多年的開采,靜水位已達(dá)103m,動(dòng)水位降至200m 左右時(shí)出水量僅為40m3 /h,水位下降造成提水困難。任丘地?zé)崽?/a>地?zé)崴Y源已處于半枯竭狀態(tài),多數(shù)地?zé)峋驯黄汝P(guān)閉,地?zé)豳Y源開發(fā)已處于停滯狀態(tài)。深州市集中開采區(qū),近兩年來由于開采量劇增,水位以約
15. 9m/a的降速下降,造成地?zé)峋榭眨瑖?yán)重影響地?zé)豳Y源的正常開發(fā)。
4. 2 地面沉降災(zāi)害隱患
河北平原地?zé)豳Y源主要賦居于新生界第三系,由于第三系地層成巖性較差,當(dāng)?shù)責(zé)崴幌陆岛螅?a href="http://sxvnqb.com/t/熱儲(chǔ)層.html" >熱儲(chǔ)層內(nèi)水壓力減少,熱儲(chǔ)層骨架的內(nèi)水壓力與上覆地層壓力形成的天然受力平衡狀態(tài)遭到破壞,在上覆地層壓力下,熱儲(chǔ)層出現(xiàn)壓縮,從而造成地面沉降,對地面建筑設(shè)施造成破壞。
5 地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)預(yù)警
動(dòng)態(tài)預(yù)警的目標(biāo)是通過控制單井開采量及水位降深,控制開采總量不突破可開采量,保證地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用。預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)測及動(dòng)態(tài)預(yù)警兩個(gè)功能。首先建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),獲取地?zé)峋_采量及水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),然后通過在預(yù)警系統(tǒng)模塊中對地?zé)峋_采量及水位的允許極值進(jìn)行報(bào)警設(shè)定,當(dāng)實(shí)際開采情況達(dá)到臨界值時(shí),予以報(bào)警提示。
5. 1 地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)預(yù)警系統(tǒng)概況
5. 1. 1 主要設(shè)備
該系統(tǒng)主要設(shè)備由動(dòng)態(tài)監(jiān)測采集器、遠(yuǎn)程傳輸模塊、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器及動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警軟件組成。
其中動(dòng)態(tài)監(jiān)測采集器包括溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器,用于測定地?zé)峋隹跍囟取⑺患伴_采量。溫度傳感器及流量傳感器安裝于地?zé)峋樗鞴艿溃何粋鞲衅靼惭b于井內(nèi)動(dòng)水位以下位置。
5. 1. 2 動(dòng)態(tài)預(yù)警系統(tǒng)工作原理
溫度傳感器、液位傳感器、流量傳感器實(shí)時(shí)對地?zé)峋弧⑺疁亍㈤_采瞬時(shí)流量及累計(jì)開采水量進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS 遠(yuǎn)傳模塊無線傳輸至監(jiān)測中心服務(wù)器,監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件自動(dòng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),形成監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,并自動(dòng)生成水位、水溫、水量實(shí)時(shí)變化曲線,以此實(shí)現(xiàn)地?zé)崴弧⑺疁亍⑺靠梢暬O(jiān)測平臺(tái)。當(dāng)?shù)責(zé)峋弧⑺窟_(dá)到預(yù)警參數(shù)設(shè)置值時(shí),系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號。
5. 2 預(yù)警系統(tǒng)參數(shù)選取及設(shè)置
5. 2. 1 預(yù)警參數(shù)選取
地?zé)崴恢苯佑绊懙責(zé)峋克浚責(zé)峋_采量又決定了地?zé)崴幌陆邓俾省T擃A(yù)警系統(tǒng)將地?zé)峋蛔畲笾底鳛榈谝活A(yù)警參數(shù),單井涌水量作為第二預(yù)警參數(shù)。
1) 單井瞬時(shí)涌水量確定。根據(jù)地?zé)峋?a href="http://sxvnqb.com/t/抽水試驗(yàn).html" >抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù),以穩(wěn)定水位最大涌水量作為單井允許涌水量。
2) 水位最大值。為地?zé)峋F(xiàn)狀靜水位與年允許靜水位降速之和。
3) 靜水位年允許降速確定原則。保證開采期內(nèi)地?zé)峋i_采。根據(jù)穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)動(dòng)水位降深及現(xiàn)狀地?zé)峋O(shè)備提水能力,在動(dòng)水位不超過150m 的前提下,以50 年作為開采年限確定的靜水位年降速,作為允許降深預(yù)警參數(shù)。即:
v = 150 - S1 - S250
其中: v 為靜水位年允許降深,m; S1為現(xiàn)狀靜水位埋深,m; S2: 動(dòng)水位降深,m;
5. 2. 2 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)置
在預(yù)警模塊中通過水位最大值和單井涌水量兩個(gè)預(yù)警參數(shù)對各監(jiān)測地?zé)峋A(yù)警閥值進(jìn)行設(shè)置。預(yù)警參數(shù)設(shè)置模式見圖5。當(dāng)水位或單井涌水量預(yù)警參數(shù)達(dá)到預(yù)警臨界值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。
5. 3 地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果
對地?zé)峋弧⑺矔r(shí)流量、累計(jì)流量、井口水溫進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測頻率為每小時(shí)采集一次,監(jiān)測數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程模塊上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)中心,以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲(chǔ),并對累計(jì)流量、瞬時(shí)流量、水位、井口水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)生成可視變化曲線。以辛一建熱1井為例。
3) 在復(fù)雜的砂頁巖地區(qū),由于地層變化較大造成人工挖孔擴(kuò)底樁樁長相差較大,當(dāng)樁端進(jìn)入穩(wěn)定持力層后,其應(yīng)不會(huì)對樁基變形造成顯著影響。
4) 在復(fù)雜的砂頁巖地區(qū),通過對檢樁數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明: 在持力層巖石強(qiáng)度及厚度滿足要求的條件下,沉降量隨著裂隙發(fā)育程度有增大的趨勢;巖石裂隙發(fā)育程度是影響樁基沉降的主要因素之一,在以后的類似工程中要引以重視。
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