兰州市城区地下水源浅层地热资源特征浅析

田万生，周 斌

(1.甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州730020;2.甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州730050)

兰州位于甘肃中部，是甘肃省省会，为全省政治、经济、文化和科技中心，也是西北地区重要的交通枢纽。现辖城关、七里河、西固、安宁、红古五区和永登、榆中、皋兰三县，总面积1.31万 km2，其中市区面积1 631.6 km2，城市建成区面积130 km2。总人口319万人，其中市区人口208万人。

本文所指研究区范围，以兰州城市规划区范围为界，即西起西固宣家沟，东至城关桑园峡，南、北两侧至丘陵区谷肩或分水岭。地貌单元主要包括了黄河Ⅰ～Ⅳ级阶地及部分丘陵。行政区划涉及西固、安宁、七里河、城关四区。地理坐标介于:东经 103°33'～103°57'，北纬 36°00'～ 36°10'，工作区总面积 358.58 km2。

兰州深居我国大陆腹地，位于中国西部三大高原交汇处，气候干燥，区域环境较恶劣。长期以来存在的生态环境脆弱、环境污染严重等问题制约着兰州市投资环境的改善和人民生活质量的提高。因此，开发利用清洁环保的浅层地热能资源对于改善城区环境质量，提高城市品位，创造良好的投资环境有着十分重要的意义。

1 地下水源浅层地热能资源

浅层地热能，是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200 m埋深)，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源，其分布广泛，温度稳定，与地表存在反向温差，是很好的替代能源和清洁能源，日益受到人们的重视，成为地热开发利用新的增长点。地源热泵技术是目前开发利用浅层地热能资源的主要技术，通过输入少量的高品位电能将低品位的浅层地热能向高品位能源转移，从而实现利用浅层地热能给建筑物供暖或制冷。

地下水源是兰州市城区主要的浅层地热能资源。区内水文地质条件良好，第四系松散岩类孔隙潜水(即河谷潜水和断陷盆地潜水)丰富，城区大部分地段单井涌水量在500～5 000m3/d，特别是断陷盆地潜水，水量丰富，单井涌水量一般在1 000～5 000 m3/d，地下水水温一般在11℃ ～16℃之间，具有很好的利用温差。地下水中蕴藏着丰富的浅层地热能资源。本文所指的地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水。

1.1 河谷潜水

1.1.1 河谷潜水水文地质特征

分布于黄河河谷及大型沟谷，潜水赋存于河(沟)谷漫滩及Ⅰ、Ⅱ级阶地第四系砂砾卵石中。依据分布地段，主要有城关、西固、安宁十里店～沙井驿黄河河谷潜水及雷坛河、韩家河、黄峪沟沟谷潜水，其水文地质条件不仅各地段差异较大，就同一地段内变化也较大(表1)。

表1 兰州市城区河(沟)谷潜水水文地质特征一览表

1.1.2 河谷潜水补给、径流及排泄条件

河沟谷潜水主要接受地表水、降水入渗补给和地下潜流补给为主，其次为渠系灌溉回归水、城市输水管网的渗漏补给。其排泄途径为人工开采及潜流排泄。

1.1.3 河谷潜水水化学特征

河谷潜水水质普遍较差，具有近河岸地带水质较好，远离河岸水质逐渐变差的水化学分带规律。

1.1.4 河谷潜水水温特征

根据区内地下水动态长期监测资料和水文地质勘查成果，水温一般变化在11～16℃之间，即冬季最低11℃，夏季最高16℃，年均水温13℃。

1.2 断陷盆地潜水

1.2.1 断陷盆地潜水含水层岩性特征及变化规律

该类水赋存于断陷盆地下更新统大厚度砂砾卵石中。含水层分为上、下两层，上部为卵石层，下部为含泥质卵石层，上、下含水层水力联系密切，具有统一的自由水面，属于潜水(图1)。据钻孔揭示，含水层在盆地西部马滩、崔家大滩一带厚316.77 m，盆地东部小西湖一带厚250 m左右，盆地南部受到山前洪积影响，为亚砂土及砂砾卵石互层。含水层垂向上，上部150 m左右的砂砾卵石，松散，粉土含量低，下部砂砾卵石则密实，且粉土含量高。

水位埋深近河岸地带较小，一般5～15 m，其中傍河集中式开采井附近埋深较大，可达20 m，盆地向南至黄峪一带水位埋深达100 m。

据抽水试验资料，渗透系数在盆地南部丘陵沟谷、高坪区及其边缘地带小于10 m/d，龚家湾、西站、崔家大滩东部以及刘家堡～马家庄为10～40 m/d，西站～马滩、迎门滩一带为20～40 m/d。

1.2.2 断陷盆地潜水含水层富水性

盆地上部为大厚度疏松卵石含水层、下部为泥卵石含水层。由于含水层厚度大，岩性及颗粒级配在垂直方向变化也较大，直接控制和影响着地下水富水性。

根据富水性差异，将大厚度含水层划分为三层。浅层含水层控制深度0～100 m左右;中层含水层控制深度100～200 m左右;深层含水层控制深度200～300 m左右。

图1 三滩水源地水文地质剖面图

1)浅层含水层富水性

浅层含水层富水性较好，但不均匀，富水程度差异较大。以龚家湾隐伏断裂为界，断裂以北地下水较丰富，以南地下水较贫乏，富水性较弱或弱。

富水性极强的地段:分布范围小，主要集中在马滩、迎门滩近黄河地带，呈北西～南东向的条带状，单井涌水量大于5 000 m3/d。

富水性强的地段:分布范围较大，东起小西湖，西至崔家大滩，北部的吊场，南部到范家坪一带，单井涌水量1 000～5 000 m3/d。

富水性较弱的地段:分布在龚家湾至黄峪较大的范围内，呈东西向带状分布，单井涌水量100～500 m3/d。

富水性弱的地段:位于盆地最南部，地下水位埋深大于100 m。单井涌水量小于100 m3/d。

2)中层含水层富水性

含水层位于地表以下100～200 m深度之内，富水性较上部含水层显著变差。

富水性强的地段:分布在西站～崔家崖，为长约8 km，宽1 km的条带状。单井涌水量1 000～5 000 m3/d，多数变化在1 200～2 600 m3/d之间。

富水性中等的地段:分布面积较大，主要分布在马滩、崔家大滩和迎门滩及龚家湾和小西湖一带。单井涌水量500～1 000 m3/d之间，其中“三滩”水源地一带富水性较好，一般单井涌水量都在800～950 m3/d，其他地段富水性略差，一般在550～600 m3/d之间。

富水性较弱的地段:分布在龚家湾隐伏断裂以南的广大地区，单井涌水量100～500 m3/d。

3)深层含水层富水性

含水层位于地表以下200～300 m深度，富水程度较中层和浅层含水层大大降低。

富水性强的地段:仅分布在西站—崔家崖，较中层含水层分布范围缩小。单井涌水量1 000～5 000 m3/d，大多在1 000～1 300 m3/d之间。

富水性中等的地段:分布在马滩、崔家大滩、迎门滩部分地区及龚家湾、晏家坪一带，单井涌水量500～1 000 m3/d，一般为500～700 m3/d。

富水性较弱的地段:主要分布在断陷盆地边缘地带，单井涌水量仅100～500 m3/d。

综上所述，兰州断陷盆地富水性有以下特征:

(1)盆地中心部位特别是傍河地带地下水富水性强或极强，而盆地边缘地带富水性弱。

(2)盆地地下水富水性垂直分带明显，随着深度的增加，富水性逐渐减弱(表2)，强富水地段面积逐渐缩小，弱富水地段面积扩大。

(3)以龚家湾隐伏断裂为界，盆地富水程度分为两部分，南部富水性弱，北部富水性强。

表2 兰州断陷盆地含水层垂向富水性统计表

2 断陷盆地潜水补给、迳流、排泄条件

2.1 地下水的补给条件

兰州断陷盆地地下水补给条件较复杂，其补给来源主要有大气降水、灌溉水、沟谷地表水、沟谷地下潜流、河谷潜水和黄河地表水补给。

(1)大气降水渗入补给:兰州地区多年平均降水量317.6 mm，对地下水补给有意义的有效降水量为187.9 mm(平水年均值)，主要补给集中在黄河河谷低阶地。Ⅳ级以上高阶地及黄土丘陵区，由于地下水埋藏深度较大，降水入渗补给微弱。

(2)灌溉入渗补给:主要集中在马滩、崔家大滩和迎门滩水源地。该地区分布大面积蔬菜地，地下水埋藏深度小，地表粉土较薄，有利于灌溉水入渗。蔬菜地灌水量较大，一般每亩年灌水量都在1 000 m3以上，如果按20﹪的渗入补给量计算，其渗入补给量是相当可观的。

(3)沟谷地表水(包括洪水)渗入补给:盆地南北两侧沟谷发育，汇水面积较大。沟谷地表水进入盆地之后，由于遇到疏松砾卵石层，地表水在很短的距离内就渗入地下，补给盆地疏松砾卵石含水层。特别是洪水期流量增大，补给强度增大。

(4)沟谷地下潜流补给:兰州断陷盆地范围内有大小沟谷近十条，其中以雷坛河、西果园沟、黄峪沟、金沟等沟谷地下潜水较丰富，在其向黄河河谷迳流过程中，补给兰州断陷盆地地下水。

由于受到地质构造控制，沟谷潜流在盆地边缘地带往往形成地下跌水，地下水位落差达到100 m以上。沟谷潜水全部补给盆地地下水。

(5)河谷潜水补给:兰州断陷盆地地下水与河谷潜水有水力联系的地段较少。仅限于崔家大滩，敦煌路及黄河北部的十里店。

盆地西侧和北侧均可接受侧向补给，其补给量在1 000×104m3/a左右。

应该指出:以上地段只有在开采条件下，河谷潜水才有补给盆地地下水的可能。

(6)黄河地表水激发补给:在开采条件下黄河地表水对地下水激发补给往往占有相当重要的地位，是保证傍河地带地下水正常开采必不可少的条件。

2.2 地下水迳流条件

兰州断陷盆地地下水受长期开采影响，目前形成大面积降落漏斗，使原始迳流条件发生了较大变化，改变了原来补给、迳流和排泄条件。

原设计中，超前管棚每2.0 m高打一环，环向间距0.5 m，每环共57根，每根长3.0 m，共需1 160根，长3 480 m。实际施工中，采用本施工方案从地面自上而下一次性钻孔打进，深入地下38.4 m，间距0.5 m，共57个钻孔需无缝钢管约2 050 m，比原设计少1 274 m长，节省超前管棚支护（灌浆）投资约35万元。本出渣方案省去调压井口门机、钢丝绳和吊罐等吊装设备，减少门机司机、信号员等特种作业人员，减少施工资源投入。

随着城市发展，需水量逐年增加，开采加剧，地下水位急剧下降，降落漏斗不断扩展，经过40余年的强烈开采，地下水降落漏斗中心水位累计下降5.28 m，地下水迳流条件发生了很大变化。

黄河以南地下水主要向北东方向迳流，马滩、崔家大滩一带地下水从四周向漏斗中心汇流，水力坡度为8‰左右。漏斗中心位于马滩8号井附近，中心水位1513.40 m。

黄河以北地区的地下水向南西或南迳流，黄河岸边地下水则向北东迳流，形成以四水厂井群为中心的降落漏斗，中心水位1513.78 m左右，水力坡度7.5‰左右，傍河地带水力坡度变陡。

2.3 地下水的排泄

兰州断陷盆地范家坪组砾卵石松散岩类孔隙潜水，上世纪六十年代以前，尚未被开发利用，地下水处于天然的原始状态，黄河是地下水唯一排泄通道。随着地下水的开发利用，水位逐年下降，漏斗不断扩大，地下水排泄条件发生了质的变化，现在人工开采成为盆地地下水的主要排泄途径。

3 断陷盆地潜水水化学特征

3.1 地下水水质的水平分带

黄河地表水体从盆地中部流过，把其分割成水文化学条件不同的南北两部分。

盆地地下水在开采条件下，受到黄河地表水的强烈补给，同时也受到南北山区和黄土丘陵区地下水的补给。这种双重补给的结果，势必造成地下水水文化学条件复杂多变的特征。

随着补给水源水质的差异和迳流途径长短及溶滤作用强弱的不同，地下水水化学类型、矿化度、总硬度等呈现有规律的变化。

自黄河向南可划分为三个水化学带。

淡水带:分布在崔家大滩、马滩傍河地带，围绕着黄河地表水体呈带状分布，为HCO3～Ca～Mg或HCO3～SO4～Ca～Mg型水，矿化度小于0.5 g/L，总硬度200～300 mg/L或小于200 mg/L，以重碳酸型水为主。

过渡带:分布在黄河淡水带以南，呈长条形，为HCO3～SO4～ Ca～Na～Mg型水，矿化度 0.5～1.0 g/L，总硬度 300～450 mg/L，以重碳酸硫酸型水为主。

咸水带:东起雷坛河口，西至深沟桥呈东西向带状，为Cl～SO4～Ca～Na或 Cl～Na型水，矿化度 1～3 g/L或 3～5 g/L，局部大于5 g/L，总硬度变化在600～5 000 mg/L之间，以氯化物硫酸型水为主。

3.1.2 黄河北部

自黄河向北可划分为三个水化学带。

淡水带:沿黄河北部迎门滩傍河地带分布，为HCO3～Ca或HCO3～Ca～Mg型水，矿化度小于2 g/L，总硬度200～300 mg/L或小于10 mg/L，属于重碳酸型水。

过度带:呈北西～南东向条带状，为HCO3～SO4～Ca～Mg或SO4～HCO3～Ca～Mg型水，矿化度 0.5～1 g/L或1～3 g/L，总硬度15～35 mg/L，以硫酸重碳酸型水为主。

咸水带:分布在安宁堡一带，为Cl～SO4～Na型水，矿化度3～5 g/L，总硬度大于600 mg/L，以氯化物硫酸型水为主。

综上所述，兰州断陷盆地地下水具有围绕着黄河地表水呈南北对称的水文地球化学分带特征，表现为黄河南北两侧近岸地带水质好，远离河岸水质逐渐变差，近黄河补给源水质好，远离黄河补给水质变差的规律。

3.2 地下水水质的垂直分带

兰州断陷盆地地下水水文地球化学的垂直分带性受到含水层结构、岩性、补给条件及开采强度等综合因素的控制，表现出水质复杂、变化大的特征。根据现有勘探资料，可以将盆地地下水水质在垂直方向上的变化规律划分为三个带。其深度范围大致在0～100 m为浅层带，100～200 m为中层带，200 m以下为深层带。依据地下水垂向水化学特征的差异，分为正向水文化学带和逆向水文化学带。

3.2.1 正向水化学带

即地下水水质随深度的增加由好变差的分布规律。主要展布在马滩和迎门滩的黄河沿岸地区。

浅层淡水带:该带分布在马滩和迎门滩地区，地下水埋深从水位以下至100 m左右。由于地下水开采强度大，又近补给水源，迳流途径短，水交替强烈，为 HCO3～Ca～Mg或HCO3～SO4～ Ca～Mg型水，矿化度0.5 g/L 或 0.5～1 g/L。总硬度小于270 mg/L，是兰州市区主要的供水地带。

中层微咸水带:位于淡水带下部，埋藏深度100～200 m之间，受地下水开采影响较弱，水交替减缓，为CI～HCO3～Na.～Mg‥或HCO3～ CI～Na.～Mg‥型水，矿化度1g/L左右，局部1～3 g/L，总硬度1 800 mg/L左右。目前只有极少数供水井开采该层地下水。

深层咸水带:该带埋藏深度大于200 m，基本上不受地下水开采的影响，水交替近于停滞状态，为 Cl～Na型水，矿化度3～6 g/L，总硬度高达 450 mg/L以上，没有开采利用价值。

总之，地下水随着深度增加，水质逐渐变差，由重碳酸型水渐变为氯化物型水，矿化度由低升高(表3)。

表3 马滩K44号孔水化学垂直分带表

3.2.2 逆向水化学带

即地下水水质随深度增加，水质由差逐渐变好的分布规律。此种水化学带主要分布在小西湖至崔家大滩距离黄河较远的较大范围之内。

浅层咸水带:位于含水层上部，埋藏深度小于100 m。由于处在地下水排泄地区或近排泄地区及其降水溶虑作用，盐分聚集地下水盐化。同时受到城市高矿化污水渗入补给影响，地下水为Cl～Na或SO4～Cl～Ca～Na型水，矿化度3～6 g/L，局部1～3 g/L，总硬度大于900 mg/L，为氯化物型水。中层微咸水带:埋藏深度100～200 m，由于局部隔水层和浅层地下水的保护，地下水基本未遭受高矿化水混合作用的影响，保持着地下水形成时期的水化学成分，一般为Cl～SO4～HCO3～Mg～Na～Ca型水，矿化度1 g/L左右，局部为3 g/L，总硬度450 mg/L左右。

深层淡水带:埋藏深度在200 m以下，为HCO3～SO4～Na～Mg或 HCO3～Mg～Na～Ca型水，矿化度 0.5 g/L左右，总硬度小于270 mg/L。不难看出，逆向水化学带地下水随着深度增加，水质由差逐渐变好，矿化度由高变低，总硬度也相应降低(表4)。

表4 马滩S23号孔水化学垂直分带一览表

4 断陷盆地潜水水温特征

断陷盆地内地下水温与河谷潜水基本一致，水温一般变化在11～16℃之间，即冬季最低11℃，夏季最高16℃，年均水温13℃。

5 结语

浅层地热能是地热资源的一部份。地下水源浅层地热能资源的开发利用是一项新兴产业，其经济、节能、环保的战略意义已被社会所共识。因此，科学合理地发展地源热泵项目对兰州市落实节能减排政策，改善生态环境等具有重要意义，将产生明显的经济效益、环境效益和社会效益。

［1］《兰州市城区浅层地热能资源调查评价报告》，甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，2010.10。

［2］《兰州市区区域水文地质调查报告》，甘肃省地质环境监测总站，1997.10。