太原市城区水热型地热能资源承载力评价

刘 硕,吕义清,薛永安,李 敏,荆庆年

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.太原理工大学 地震与地质灾害防治研究所，太原 030024;3.太原市国土资源局,太原 030024)

近年来随着中国经济的快速发展,对化石能源的消耗迅速加大,在获取高额的经济效益的同时,资源问题、环境问题也日趋严重,如何实现社会的可持续高效开发利用,成为时下广为关注的一个问题。而地热能具有洁净、绿色低碳、污染环境小、资源可再生循环利用的特点,日渐成为新能源的重要组成。对地热资源的开发利用,可以有效地改善能源结构,对解决日趋严重的全球环境问题也具有重要的意义[1]。

现阶段,国内有关地热资源的研究集中在地热能产生演化机理以及地热资源储量计算上[2-3],从资源承载力角度对地热资源进行研究尚处在初始阶段[4],本文基于地热资源潜力、热储特征、地热用途、对生态环境影响四方面构建地热资源承载力评价模型,对太原市城区水热型地热资源承载能力进行研究,为今后太原市城区水热型地热资源勘探、开发与管理提供科学依据。

1 太原市城区地热资源概述

太原市城区包含尖草坪区、万柏林区、杏花岭区、迎泽区、晋源区与小店区,位于山西省中部,太原盆地的北端,总面积1 416 km2。太原市城区具有丰富的地热资源,主要蕴藏于太原城区中部的新生代断陷盆地内,热储层为奥陶系中统石灰岩,是以“对流型”为主的“低温”水热型地热资源,属于“中浅埋

藏开采适宜型”地热田,地热资源比较丰富[5]。太原市城区地热水多为SO4—Ca·Mg型,其中氟、锶、偏硅酸达到医疗价值浓度,氟、锶达到矿泉水命名浓度,此外还含有多种对人体有益的微量元素,可用于供暖、理疗保健、水产养殖、温室栽培等多种用途[6]。

受到区内西山山前大断裂、三给地垒、东边山断裂等构造的控制,太原市城区水热型地热资源富集区被切割形成8个既具独立性又有一定联系的地热田,即城区凹陷区、西铭断阶区、城东断阶区、亲贤地垒区、西边山断阶区、黄陵断阶区、晋源凹陷区以及清交凹陷区(见表1),热田面积共计586.75 km2。

太原市地热勘查开始于二十世纪七十年代,到1995年5月,在神堂沟钻出太原第一口地热井,随后在山西省地质工程勘察院西院、农展馆、丽华苑、西华苑、汇锦花园、煤炭学校、伞儿树等地施工十余眼地热井。目前,太原市地热资源利用方式主要是抽采地下热水,因此太原在用地热资源为水热型地热资源。

到2015年,太原市城区共有37眼热水井,最大成井深度近2 500 m左右,出水量超过20 000 m3/d,折合标准煤111.41 t。由此可知2015年太原市城区地下热水年抽采量为730万m3,合计标准煤4.07×104t,可有效节约标煤量1.42×104t,同时年减少二氧化碳排放量为3.40×104t,氮氧化物为85.46 t,二氧化硫为241.4 t,悬浮质粉尘为113.98 t,年节省的环境治理费为401.86万元。地热资源的开发已经为太原市城区带来了较为突出的环境效益和经济效益。

2 太原市城区水热型地热资源量

根据《地热资源地质勘查规范》(GB11615-89),地热流体可开采量所产生的热能量可以通过以下公式计算:

Wt=4.187Q(t-t0).

(1)

式中:Wt为地热井热功率,kW;Q为地热流体的可开采量,L/s;t为开采井地热流体温度,℃;t0为回灌井地热流体温度,℃。

经统计太原市热水井平均温差为33.5 ℃,平均小时流量为139.05 m3,由此可得出太原市城区热水井的平均热功率为5.42 MW,根据《太原市地热资源调查评价报告》,可确定太原市城区地热井影响半径为700 m,则每平方千米的热功率为11.06 MW,太原市冬季供暖消峰负荷取50 W/m2,可知每平方千米的供暖面积为22.12万m2,则太原市城区8个地热田586.75 km2范围内可供暖面积为1.30亿 m2。

3 太原市城区地热资源承载力评价

地热资源承载力是指地热资源在一定时期、一定空间以及人类一定的开发利用强度下维持自身持续稳定以及环境不会遭受破坏的能力。对地热资源承载力进行评价需要考虑地热资源自身特点、对生态环境影响以及使用方法等多方面的因素,在此基础上构建起综合评价模型。

3.1 评价模型构建

根据《太原市地热资源调查评价报告》以及所收集的相关数据,构建太原市城区地热资源承载力综合评价模型。模型分为3个层次:第1层次为目标层,即地热资源承载力评估层;第2层次为准则层,是地热资源承载力的主要影响因素,包括地热资源潜力、热储特征、生态环境以及地热用途4个子系统;第3层为指标层,是建立在4个子系统各组成要素基础上的各因素指标的集合。

根据地热资源特点,最终筛选确定指标6项,其中采用地下热水可采资源量、地下热水可采资源模数表征地热资源潜力;采用单井单位涌水量和热储埋深表征地热资源热储特征;采用地下热水矿化度表征生态环境影响;采用热储温度表征地热用途,如表2 所示。

表2 太原市城区地热资源承载力综合评价模型Table 2 Comprehensive evaluation model on carrying capacity of geothermal resources of urban areas in Taiyuan

3.2 权重确定

为了反应各级指标对地热资源承载力的影响程度,本文对各级指标用定量方法赋予权重,即通过变异系数法和熵值法这两种方法分别计算权重,并对其结果进行平均,确定最终权重。

3.3 数据分层赋值

通过对太原市城区地热资源承载因素水平进行分析,结合全国地热资源利用水平、太原市城区地热资源的富集程度及是否有利于开展地热资源开采,参考《太原市地热资源调查评价报告》以及相关文献,并结合专家打分,制定太原市城区地热资源承载力各评价指标的分级标准,将所有数据转化为介于1～9区间的无量纲数值。

3.4 地热资源承载力评估

通过对各评价指标进行加权求和,得出各热田承载力评价分值,根据最终分值的分布情况确定承载能力的强弱。分值1～5确定为承载能力极弱,5～6为承载能力弱,6～7为承载能力中等,7～8为承载能力强,8～9为承载能力极强。所得结果见表3。

从表3中可以看出,太原市城区地热资源承载力最高的热田是亲贤地垒区,总分超过8,属于承载力极强区域,此区也是现太原市地热资源开发利用的集中区;其次是城区凹陷区、西边山断阶区和黄陵断阶区,总分7～8,属于承载力强区域;其余四区总分也在6～7之间,属于承载力中等区域。可见太原市城区水热型地热资源是比较丰富的,可以承载比较高强度的资源开采。

表3 太原市城区地热资源承载力评价表Table 3 Evaluation of carrying capacity of geothermal resources in urban area of Taiyuan

4 结论与建议

通过对太原市城区水热型地热资源承载力的评价,可以看出太原市城区水热型地热资源具有较高的开发潜力,需要在今后加大开发利用力度,特别是亲贤地垒、黄陵断阶、西边山断阶这样承载力强的热田,以及邻近太原市高新区、太原经济开发区、太原科技创新城等地的晋源凹陷、清交凹陷等热田。这不仅是《国家地热能开发利用“十三五”规划》的要求,也是太原市今后改变发展思路,治理生态环境的必需。

具体来说要加大在城区以外郊县的地热资源勘查力度,严格按照相关技术规范要求完成勘查工作;还要做到对地热资源开发利用的统一规范和统一管理;同时还应制定相关的产业帮扶政策,在财税、价格方面加大支持力度。但是也应注意到地热资源的开发也存在对环境的破坏,表现在可能造成地面沉降、热污染以及地下热水含有害化学元素对环境的污染,需要在今后开发过程中加以注意。

同时,本文基于综合评价模型对太原市水热型地热资源承载力进行评价,结果表明,采用综合评价模型能够真实体现出水热型地热资源承载力的真实水平,对今后太原市城区水热型地热资源的开发利用而言具有很高的应用价值。今后有必要对有关评价指标选取、指标取值范围以及模型算法进行进一步的研究。

[1] 关锌.我国地热资源开发利用现状及对策与建议[J].中国矿业,2010,19(5):7-9. GUAN Xin.The Situation,Measures & Suggestions on the Exploration and Utilization of Geothermal Resources[J].China Mining Magazine,2010,19(5):7-9.

[2] 庞忠和,黄少鹏,胡圣标,等.中国地热研究的进展与展望(1995-2014)[J].地质科学,2014,49(3):719-727. PANG Zhonghe,HUANG Shaopeng,HU Shengbiao,etal.Geothermal Studies in China:Progress and Prospects 1995-2014[J].Chinese Journal of Geology,2014,49(3):719-727.

[3] 李同彪.地热资源评估方法综述[J].能源与环境,2015,132(5):91-92. LI Tongbiao.Review of Geothermal Resources Assessment Methods[J].Energy and Environment,2015,132(5):91-92.

[4] 刘洪战.河南省地热资源承载力评估[J].能源技术与管理,2016,41(6):169-172. LIU Hongzhan.Evaluation of Carrying Capacity of Geothermal Resources in Henan[J].Energy Technology and Management,2016,41(6):169-172.

[5] 山西省地质工程勘察院.太原市地热资源调查评价报告[R]. 太原：山西省地质工程勘察院,2005.

[6] 杨欣荣.太原市地热资源概况及开发利用前景[J].山西科技,2006(1):1-3. YANG Xinrong.The Situation and the Prospect of Exploration and Utilization of Geothermal Resources in Taiyuan[J].Shanxi Science and Technology,2006(1):1-3.