基于GIS技術(shù)的新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

楊德金

(河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州450045)

地?zé)嶙鳛橐环N優(yōu)質(zhì)、清潔、便利和可再生的能源，具有溫度高、用途廣、可直接利用、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和開采利用價(jià)值［1］。開發(fā)利用地?zé)豳Y源有利于補(bǔ)充和緩解當(dāng)前能源緊缺，實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排的治理目標(biāo)，同時(shí)也是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大、人口的急劇增加，能源消耗大幅增加，能源和環(huán)境保護(hù)問題日益突出，以地?zé)崮茉礊榇淼男滦途G色能源將成為未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要支柱［2］。

地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)是地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用的重要依據(jù)，但由于評(píng)價(jià)范圍較大［3］、勘探手段的限制［4］、評(píng)價(jià)參數(shù)的空間變異性［5］等因素的影響，傳統(tǒng)的地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)方法并不能夠給出精確的地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量，使得地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)結(jié)果可信度下降。本次研究針對(duì)這些問題，選擇新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)為研究區(qū)，為克服參數(shù)的空間變異性和評(píng)價(jià)區(qū)域較大的缺點(diǎn)，引入基于GIS技術(shù)的單元體熱儲(chǔ)計(jì)算法，在查明地?zé)豳Y源分布埋藏特征、地?zé)岬刭|(zhì)背景條件和成因類型的基礎(chǔ)上，精確計(jì)算各地?zé)醿?chǔ)層的地?zé)豳Y源量，為新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)地?zé)豳Y源合理開發(fā)利用與保護(hù)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本次研究選取為新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)為典型研究區(qū)，研究區(qū)地處河南省北部，總面積為421.6 km2。從區(qū)域上來看，新鄉(xiāng)地?zé)崽镂挥跍帞嘞莩练e盆地埋藏型地?zé)崽锏哪喜?，是由新生界蓋層、新近系、古近系熱儲(chǔ)層、奧陶系熱儲(chǔ)層構(gòu)成的地?zé)嵯到y(tǒng)。根據(jù)地?zé)嵝纬傻闹饕刭|(zhì)條件，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)熱儲(chǔ)類型以沉積盆地型為主，斷裂深循環(huán)型熱儲(chǔ)僅分布在洪門及鳳泉區(qū)北部一帶，面積較小。

通過野外地?zé)嵴{(diào)查獲取地?zé)醿?chǔ)層的空間展布和地?zé)崽卣魇沁M(jìn)行地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)的重要基礎(chǔ)工作［6～8］。本次研究在綜合分析新鄉(xiāng)市地?zé)崴畬拥目臻g展布的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前地?zé)峋_采深度和熱儲(chǔ)埋藏深度，以青羊口斷裂為界，將新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)在平面上分為隆起區(qū)地?zé)崽锖桶枷輩^(qū)地?zé)崽铩?/p>

界線西北為隆起區(qū)地?zé)崽铮娣e為123.14 km2，主要熱儲(chǔ)層為奧陶系熱儲(chǔ)層，主要分布在新鄉(xiāng)北站青陽口斷裂與盤古寺斷裂交匯部位，其巖性以碳酸鹽為主，主要為灰?guī)r和白云巖，有效含水空間2.37～3.84%，頂板埋深小于1 000 m，自南向北逐漸變薄至出露地表，熱儲(chǔ)層缺乏蓋層或蓋層較薄;由于受構(gòu)造控制，其裂隙、溶隙、溶洞發(fā)育程度不等，富水性不均。熱儲(chǔ)層井口水溫25～35℃左右，屬低溫地?zé)豳Y源。

界線東南為凹陷區(qū)地?zé)崽?，面積為298.46 km2。主要熱儲(chǔ)層為新近系熱儲(chǔ)層和古近系熱儲(chǔ)層，新近系熱儲(chǔ)層巖性以中砂、細(xì)砂及粉細(xì)砂為主，單層厚度3～20 m，累計(jì)厚度90～170 m，其厚度變化趨勢(shì)為，由山前向平原區(qū)厚度逐漸增大。井口水溫45～75℃，該熱儲(chǔ)層是目前的主要開采層段之一;古近系熱儲(chǔ)層分布于1 500～2 000 m之間，根據(jù)鉆孔資料分析，其含水層主要巖性為砂巖、砂礫巖及礫巖，屬高溫地?zé)豳Y源。由于開采條件及成本限制，目前該層水尚未進(jìn)行開采。

2 基于GIS技術(shù)的單元熱儲(chǔ)體積法計(jì)算地?zé)豳Y源量

熱儲(chǔ)法是地?zé)豳Y源量計(jì)算常用的方法，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)地?zé)釤醿?chǔ)層主要為新生界新近系、古近系熱儲(chǔ)層和下古生界熱儲(chǔ)層，結(jié)合各熱儲(chǔ)層的實(shí)際特征，分別給出這兩個(gè)熱儲(chǔ)層地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)的計(jì)算公式如下:

(1)新生界熱儲(chǔ)層計(jì)算公式

式中:Qre:地?zé)崮軆?chǔ)存量(J);A:計(jì)算單元熱儲(chǔ)面積(m2);D:計(jì)算單元熱儲(chǔ)層有效厚度(m);Φ:計(jì)算單元熱儲(chǔ)層有效孔隙率(%);Pr、Pw:熱儲(chǔ)層介質(zhì)和地?zé)崃黧w的密度(kg/m3);Cr、Cw:熱儲(chǔ)層介質(zhì)和地?zé)崃黧w的比熱(J/kg·℃);T:熱儲(chǔ)層計(jì)算單元的平均溫度(℃);T0:基準(zhǔn)溫度(新鄉(xiāng)市年平均氣溫14℃)。

(2)下古生界熱儲(chǔ)層計(jì)算公式

式中:EV:計(jì)算單元熱儲(chǔ)層系數(shù)(熱水儲(chǔ)層占熱儲(chǔ)體積之比值);Φ:計(jì)算單元熱儲(chǔ)層有效裂隙孔隙率(%);其它符號(hào)意義同前。

在地?zé)豳Y源量評(píng)價(jià)過程中，由于上述計(jì)算公式中各評(píng)價(jià)參數(shù)的空間變異性，使得簡(jiǎn)單的參數(shù)分區(qū)計(jì)算結(jié)果不能夠精確地反映區(qū)域地?zé)崽锏膶?shí)際儲(chǔ)量?？紤]到GIS技術(shù)能夠快速批處理大量空間數(shù)據(jù)的特征［9］，已經(jīng)在礦產(chǎn)資源［3］、CO2地質(zhì)儲(chǔ)存量和地下水資源量評(píng)價(jià)中被廣泛應(yīng)用，本次研究為精確刻畫各計(jì)算參數(shù)的空間變異性，引入了基于GIS技術(shù)的單元熱儲(chǔ)體積法，其基本原理是:將各儲(chǔ)層進(jìn)行空間剖分，在分別計(jì)算各亞熱儲(chǔ)層單元體的地?zé)醿?chǔ)量之后進(jìn)行加和，由此獲取各亞儲(chǔ)層的地?zé)豳Y源量。

由于研究區(qū)范圍較大，參數(shù)變異性明顯，對(duì)各儲(chǔ)層的空間剖分結(jié)果復(fù)雜，因此需要借助GIS技術(shù)中空間分析模塊:對(duì)計(jì)算區(qū)分割出的單元體進(jìn)行參數(shù)插值和賦值，獲取不同參數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)庫，利用空間分析中強(qiáng)大的空間計(jì)算功能，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)分區(qū)層之間的疊置分析，利用熱儲(chǔ)體積法計(jì)算地?zé)豳Y源量，隨后再應(yīng)用GIS加和技術(shù)對(duì)各單元體的地?zé)豳Y源量進(jìn)行加和，由此可以得到計(jì)算區(qū)內(nèi)各亞熱儲(chǔ)層的地?zé)豳Y源量。

3 新鄉(xiāng)市地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

3.1 新鄉(xiāng)市地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)分區(qū)

新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)地?zé)釤醿?chǔ)層主要為新生界新近系、古近系熱儲(chǔ)層和下古生界熱儲(chǔ)層，本次評(píng)價(jià)范圍為埋深800～2 000 m之間的熱儲(chǔ)層。

計(jì)算中，以大地構(gòu)造單元為依據(jù)，以青羊口斷層為界，將新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)劃分為隆起區(qū)(Ⅰ區(qū))和凹陷區(qū)(Ⅱ區(qū))兩個(gè)大區(qū)，結(jié)合區(qū)內(nèi)地?zé)岬刭|(zhì)條件，將隆起區(qū)和凹陷區(qū)進(jìn)一步劃分為兩個(gè)亞區(qū)(圖1)。其中Ⅰ1區(qū)新生界地層埋深小于800 m，不進(jìn)行評(píng)價(jià)，下古生界厚度500 m，進(jìn)行評(píng)價(jià);Ⅰ2區(qū)新生界厚度0～200 m，下古生界厚度500 m，均進(jìn)行評(píng)價(jià);Ⅱ1區(qū)新生界埋深小于800 m，下古生界缺失，均不進(jìn)行評(píng)價(jià);Ⅱ2區(qū)新生界厚度800 m～1 200 m，進(jìn)行評(píng)價(jià)，下古生界缺失或大于2 000 m，均不進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 基于GIS技術(shù)的地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)

本次計(jì)算中，將新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)剖分為1.5 km×1.5 km的單元格(圖1)，各單元格的熱儲(chǔ)層厚度以通過該單元格中心的地層厚度等值線及典型鉆孔柱狀圖上的砂層厚度確定;各單元格的熱儲(chǔ)溫度以該單元格所在區(qū)的地溫梯度計(jì)算熱儲(chǔ)層頂、底板溫度后取平均值。

3.3 基于GIS技術(shù)的地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算方法計(jì)算可得，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)800 m～2 000 m之間的熱儲(chǔ)層地?zé)崮芸們?chǔ)存量為1 184.13×1016J，折合標(biāo)準(zhǔn)煤4.04×108噸，電 328.8×1010度。其中，隆起區(qū)儲(chǔ)存量為 379.16 ×1016J，凹陷區(qū)儲(chǔ)存量為 804.97 ×1016J。

從地?zé)豳Y源儲(chǔ)存量計(jì)算結(jié)果可以看出，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)隆起區(qū)(Ⅰ區(qū))地?zé)豳Y源主要儲(chǔ)存在下古生界奧陶系熱儲(chǔ)層中，新生界熱儲(chǔ)地?zé)豳Y源分布面積及熱儲(chǔ)厚度均較小，相應(yīng)的儲(chǔ)存量亦較小，地?zé)豳Y源開發(fā)利用中應(yīng)以下古生界奧陶系熱儲(chǔ)中地下熱水為主;凹陷區(qū)(Ⅱ區(qū))地?zé)豳Y源均儲(chǔ)存于新生界新近系和古近系熱儲(chǔ)層中，且熱儲(chǔ)厚度較大，儲(chǔ)存量亦較大，是地?zé)豳Y源主要開發(fā)利用主要熱儲(chǔ)層，利用中應(yīng)保護(hù)利用相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用(見表1)。

圖1 網(wǎng)格剖分及計(jì)算分區(qū)圖

表1 儲(chǔ)存地?zé)崮芰坑?jì)算匯總表

4 結(jié)論

(1)根據(jù)新鄉(xiāng)市地?zé)崽锏姆植继卣骱蜔醿?chǔ)埋藏深度，新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)在平面上分為兩個(gè)地?zé)崽?西北部的隆起區(qū)和東南部的凹陷區(qū);垂向上分為三個(gè)熱儲(chǔ)含水層:新近系與奧陶系雙重結(jié)構(gòu)熱儲(chǔ)層、新近系與古近系雙重結(jié)構(gòu)熱儲(chǔ)層及古近系熱儲(chǔ)層;

(2)地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)結(jié)果表明:新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)800 m ～2 000 m之間的熱儲(chǔ)層地?zé)崮芸們?chǔ)存量為1184.13×1016J，其中隆起區(qū)地?zé)嶂饕獌?chǔ)存在下古生界奧陶系熱儲(chǔ)層中，地?zé)醿?chǔ)量為379.16×1016J;凹陷區(qū)地?zé)嶂饕獌?chǔ)存在新生界新近系和古近系熱儲(chǔ)層中，地?zé)醿?chǔ)量為804.97×1016J，該區(qū)域熱儲(chǔ)層開發(fā)潛力大，是新鄉(xiāng)市規(guī)劃區(qū)未來地?zé)豳Y源開發(fā)利用的主要層位。

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