基于Visual MODFLOW的昭关地热流场模拟及储量评价研究

(安徽省地质环境监测总站，安徽 合肥 230001)

1 研究区概况

1.1 水文气象

昭关地热田研究区位于安徽省含山县昭关镇，中心位置：东经118°04′00″，北纬31°48′57″,与含山县城距离约10.8 km，与马鞍市距离约58 km。地处长江北岸，属亚热带湿润季风气候。气候温和，雨量适中，光照充分，热量条件较好；季风气候显著，冬寒夏热，四季分明。年均气温15.8℃，无霜期247 d，年日照时数2 270 h。年均降雨量1 007.4 mm，年蒸发量1 469～1 629 mm。位于滁河以南，地表水系较发育，沟塘众多，属滁河水系。沟渠蜿蜒伸展，总体北西向汇入滁河，常年有水。昭关水库位于查区南部，库容1 154万 m3，面积约1.5 km2。

1.2 区域地质条件

昭关地热位于含山县昭关镇境内的香泉地质推覆体后缘，由褶皱和断层地质构造控制形成。震旦系上统—奥陶系下统白云岩组成岩溶—裂隙型热储层。地热水形成距今1.05～1.32万年，受大气降水补给。为中低温地热田(Ⅱ-2类型)。地热田区域地热地质系统平面分布范围大，为一北东向的狭长地带，其补给区远远超出查区范围，热储层埋藏于千米之下，其地质构造及地层条件复杂。

2 水文地质概念模型的建立

针对研究区域建立地热田的数值模拟模型，用以计算、评价地热储量，并作为地热田管理工具。首先建立了研究区水文地质概念模型和数学模型，然后运用地下水模拟软件Visual MODFLOW建立了研究区三维地热水流数值模拟模型，并用多年地热流量动态监测资料和流场对模型进行识别和验证。

2.1 地热田热储概化

查区热储由震旦系上统及奥陶系下统碳酸盐岩地层组成，以白云岩为主，溶洞、溶孔和岩溶裂隙较发育。热储分布严格受北东向F3、F0和F4断裂的控制，属带状热储，构成岩溶—裂隙型热储层(图1)。

图1 热储概化模型图

2.2 研究区范围

依据物探和钻探资料圈定热储范围，热储主要分布查区的油坊庄及其周边地区，呈北东-南西向不规则长条状分布，长约1.58 km，宽约0.66 km，面积约0.74 km2。

2.3 边界条件

热储层上覆的第四系粘性土和震旦系上统—奥陶系下统碳酸盐岩构成较好的盖层，使裂隙岩溶冷水、松散岩类孔隙冷水与裂隙岩溶热水两系统相对独立，彼此间基本无水力联系。因此热储上边界可概化为无水量交换，是有热量散失的半开放边界。

热储下部由F0、F3断裂形成的“V”型或“U”型结构组成，F3断裂带下盘为震旦系上统—奥陶系下统白云岩，F0断裂带下盘为志留系高家边组、泥盆系五通组砂岩，共同构成了热储下边界，1 500 m以下的基岩概化为可以向热储供热的稳定热源，以维持热储的温度恒定，热源与热储之间可概化为不存在水量交换而有热量供给的下边界。

主要依据物探和钻探资料圈定热储范围，热储埋藏深度主要分布在1 000～1 400 m，热储埋藏深度表现为西南浅，中部和东北部深(下界面一般在1 400 m以下)。热储的分布严格受北东向F3断层和F0断层的控制，两组断层剖面上构成“V”字或“U”字形，热储位于其复合部位：“V”字或“U”字底部一带。热储的剖面呈“燕”字形，底部(断层的复合部位)厚,最厚处一般260 m余，最大厚度可达360 m。

2.4 区域地热田数值模拟模型

下面先根据水文地质模型建立数学模型，然后进行数值模拟。

2.4.1 数学模型

根据水文地质概念模型，将模拟区地下水流概化为非均质各向同性、有越流的非稳定二维地下水流模型，相应的数学模型如式1：

(1)

式中：Kx，Ky为地下水在x、y方向的渗透系数(假定渗透系数主轴方向和坐标轴的方向一致)；H为地下水水头；H0为地下水初始水头；Γ1为第一类边界；Γ2为第二类边界； K为边界面法向方向的渗透系数。

2.4.2 时空离散

在已建好的水文地质概念模型的基础上，采用Visual MODFLOW进行地下水流数值模拟的建模和运算。建立面积为32 m×32 m的矩形区域，模型剖分为1层，区域上39行×41列，根据水文地质概念模型，将模拟区范围外的区域设置为不活动单元格，模型平面网格剖分如图2、图3和图4所示。

图2 地热田模拟区平面网格剖分图

图3 地热田模拟区横剖面垂向网格剖分图

图4 地热田模拟区纵剖面垂向网格剖分图

模拟期为2015年1月～2016年7月，以2016年7月的区域地下水水位为模型的初始流场，以月为单位作为应力期，整个模拟期分为19个应力期。模拟区的源汇项主要包括降雨入渗补给量、蒸发排泄量、越流量、侧向补给量、地下水开采量。开采井主要集中在地热田内，开采井数量及开采量由调查资料统计而得，地热开采井主要包括： HS04井、HS06井、HS08井、HS12井、HXK02井。

2.4.3 初、边条件

根据2016年7月的地热井地下水位实测资料，结合研究区的地形地貌特征，确定研究区目标含水层的初始流场等值线。

区内地热流体流场的展布受构造边界条件的控制，地热流体由东南部及东北部、西南部经深部循环，流向西中部(地热开采区域——渔场)。与区域水文地质条件相符。研究区地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；在常温常压下地下水运动符合达西定律；考虑相邻含水层之间存在水量交换，地下水系统的垂向运动由层间水头差异引起，地下水运动可概化为空间三维流；地下水系统的输入输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流；参数随空间变化，体现了系统的非均质性；参数在平面上没有明显的方向性，可视为平面各向同性，而垂向上与水平方向有较大的差异，表现出明显的各项异性。将研究区概化为非均质各向异性二维地下水非稳定流系统，模拟时段2015年年1月～2016年7月。

F0为地热的补给边界，F3为地热的导热储热边界，F11和F12为弱透热边界(于构造的复合部位导热)，F4为地热的隔热边界；玄武岩体为阻热边界，松散层和岩溶发育微弱的碳酸盐岩为地热的隔热边界。

2.4.4 水文地质参数

根据本区的水文地质条件结合本次勘查中取得的抽水试验成果，求得的水文地质参数为：热储渗透系数(K)26.13 m/d，导水系数(T)1 251.84 m2/d，热储贮水系数平均为0.006 8。

热储岩石的孔隙度(φ)主要依据热储埋深和裂隙岩溶发育程度而定。本次采取了7组岩样送往中国科学院武汉岩土力学研究所进行物理性质参数测试，测试结果如表1所示。由表1可知:热储岩石的孔隙度为0.027。

表1 岩样物性参数测试成果汇总表

2.4.5 源汇项

地下水系统的均衡要素是指其补给和排泄项。碳酸盐岩类裂隙岩溶水以大气降水为主要补给源，其大部分裸露区可直接接受大气降水，其覆盖区大气降水则通过松散层越流补给。碳酸盐岩类裂隙岩溶水的排泄途经主要为侧向迳流排泄于冲沟、小溪等地表水体或以伏流形式向下游及松散岩类孔隙水中排泄，常以泉形式出现，次为人畜生活饮用开采和蒸发排泄。

模拟时段内降雨入渗量主要与包气带岩性，植被发育、潜水位埋深、降雨量大小等因素有关，模拟区降雨入渗系数取值为0.32。

地热流量模拟期的日开采量见表2。

表2 模拟期内地热流量日开采量统计表

2.4.6 模型识别与验证

数值模型建立后，利用井群降压试验中观测到的观测孔的地下水位观测值资料，采用试错法进行模型识别，调整水文地质参数，使得计算水位和观测水位拟合情况较好，满足一定的精度要求，从而达到模型识别的目的。经过反复调参，最终得到了较为理想的模型识别结果，观测孔拟合结果如图5所示。模拟区地下水水位模拟结果较好，说明所建立的数值模拟模型能基本反映研究区的水文地质条件，可用于预测不同开采方案条件下地热田地下水水位变化过程。

图5 抽水试验观测孔HS04孔水位降深拟合图

3 研究区地热资源储量计算评价结果

3.1 热储层物理特性评价

热储温度分布与其埋藏条件密切相关，热储埋藏深，盖层较厚，热储温度相对较高。查区年平均气温15.8℃，地热出露温度以地热井长期实测值为准，一般38℃～42℃，热储层的基础温度则由地球化学温标计算而得，计算结果为49.18℃～94.17℃,取所有计算结果的算术平均值得出热储层的温度80.24℃。

热储层为震旦系上统—奥陶系下统白云岩，查《水文地质手册》(第二版)中271页表7-1-5，可知，其密度为2.70×103kg/m3，由比热0.92 kJ/kg·℃。

3.2 地热流体性质

地热流体相态单一，为低温热水。查《水文地质手册》(第二版)中271页表7-1-5，得其物理及热力学性质指标为：密度平均值取1×103kg/m3，比热平均值取4.18 kJ/kg·℃。

3.3 地热能储量计算

在该模型下的地热储量的计算公式如下：

其中，热储岩石和液体的平均热容量按下式计算：

式中：ρc、ρω为分别为岩石和液体的密度(kg/m3)；Cc、Cω为分别为岩石和液体的比热容(kJ/kg·℃)；Φ为热储中岩石孔隙度，无量纲。

共剖分了825个活动单元格，因此n取825，每一个单元格的厚度通过软件输出得到，热储温度tr取80.24℃，热储基准温度tj取15.8℃，岩石和液体的密度ρc、ρω分别为2 700 kg/m3、1 000 kg/m3，岩石和液体的比热容Cc、Cω分别为0.92 kJ/kg·℃、4.18 kJ/kg·℃，岩石孔隙度Φ取0.027。

通过以上计算可得：地热田中蕴藏的总资源量为3.639×1016。

4 结语

通过收集资料、地质综合测绘与调查、地热流体及地下水动态监测、地球物理勘探、钻探及成井、降压试验、岩水样测试和综合研究等工作方法对昭关地热资源进行详细综合勘查。经过一个水文年紧张有效的勘查工作，基本查明了形成地热的区域地质特征和地热田地热地质条件，对地热流场特征、热水资源储量以及地热流体质量进行了综合评价。

(1)昭关地热田的分布以及地热的补给、储存、运移、排泄等都明显受地质构造和地层岩性的控制。查区地热38℃～42℃，属低温地热中的温热水资源。

(2)采用热储法、解析法、数值法和统计分析进行了地热资源量计算得出，勘查评价的地热资源储量分别为：验证的地热储量2 360(m3/d)，探明的地热储量250(m3/d)，控制的储量650(m3/d)。

(3)地热田热储中蕴藏的总资源量为3.639×1016J。其中岩石蕴藏的热能为3.476×1016J，热液蕴藏的热能为1.623×1015J。

(4)研究区地热资源储量大、分布集中、质量好、温度适宜，可广泛利用于洗浴、泥浴、疗养、养殖、种植等农业和水产业生产方面，可带动旅游、环境保护等相关产业的的健康发展。具有广泛的适用性和良好的开发利用前景。