重庆南温泉背斜地下热水可持续开发研究

重庆南温泉背斜地下热水可持续开发研究 重庆南温泉背斜地下热水可持续开发研究 第27卷第6期 2005年12月 重庆建筑大学学报 JournalofChongqingJianzhuUniversity Vo1.27No.6 Dec.2005 重庆南温泉背斜地下热水可?,tt,,J'.一J持续开发研究 罗云菊,刘新荣,刘东燕 (重庆大学土木工程学院,重庆400045) 摘要:重庆南温泉背斜南温泉,小泉及桥口坝地下热水开发点为一个地下热水系统,过去由于 缺乏对地下热水的可持续开发研究,各开发点盲目开采,使得有名的天然南温泉,小泉枯竭. 目前开发商正在桥口坝开发地下热水,为了避免重蹈覆辙,及合理开发和保护地下热水资源环 境可持续发展,必须进行地下热水可持续开发研究.在分析南温泉背斜地下热水系统物理模 型的基础之上,建立相应的有限元模型,并采用实测7F.-~与模拟水位对比进行模型校正,当模 拟水位与实测水位相近时,所得的模型是符合客观实际的.采用此模型模拟不同可持续开发 下,桥口坝地下热水的最大开采量,并对不同开发方案进行分析优选,得到最佳的可持续 开发方案. 关键词:南温泉背斜;地下热水;数学模型;可持续开发;开采量 中图分类号:P641文献标识码:A文章编号:1006—7329(2005)o6—0039—05 ResearchonSustainableExplorationoftheGeothermal WaterinNanwenquanAnticlineofChongqing LUOYun—jU,LIUXin—rong,LIUDong—yan (CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400045,P.R,China) Abstract:ThegeothermalwaterofNanwenquan,XiaoquanandQiaokoubaisawholegeothermalwatersystem inNanwenquananticlineofChongqing.Inthepast,duetolackofstudyonsustainableexplorationofthegeo— thermalwater,thesourceofgeothermalwaterfromNanwenquanandXiaoquanwasdryingup.Now,threeen— terprisesareexploitingthegeothermalwaterinQiaokouba,Theremustbeasustainableexplorationforthegeo— thermalwater,inordertoutilizeandprotectthegeothermalwaterresource.Thegeothermalwaterinthethree exploiter~areaswasquantitativelystudiedonsustainableexploitationbyfiniteelementnumericalsimulation. Thegeologicalmodewasgeneralizedandthemathematicalmodelwasestablished.Then,thesimulativewater levelobtainedwascomparedwiththeactualone,andthemathematicalmodelwasidentifiedandadjusted. Thefightmathematicalmodelhasbeenacquiredwhenthesimulativewaterlevelobtainedwasapproximateto actualwaterleve1.Theinfiltrationofgeothermalwaterwassimulatedundertwoschemesofexploitationcondi— tions.Anoptimumschemehasbeenobtainedbyanalysis.Themaximalyieldofexploitationwasacquiredan. dersustainableexploitationofthegeotherma1. Keywords:Nanwenquananticline;geothermalwater;mathematicalmodel;sustainableexploration;yield 南温泉地下热水系统,是指储存于南温泉背斜内的地下热水,包括南温泉,小泉及背斜南端的桥口 坝地下热水.南温泉背斜位于重庆,其由北向南从重庆中部穿过,南北延伸长45km,东西宽2km.南 温泉,小泉是文明遐迩的地下热水旅游区,但由于缺乏地下热水可持续开发研究,不能科学开发利用和 收稿日期:2005—05—25 基金项目:重庆市应用基础研究项目(8020) 作者简介:罗云菊(1973一),女,布依族,贵t州贵定人,讲师,博士生,主要从事岩土工程与地质工程研究. 40重庆建筑大学学报 保护地下热水,地下热水的开采呈现盲目混乱状况,导致天然南温泉,小泉20世纪90 年代初完全枯竭,今日的南温泉,小泉均通过钻孔取水维持旅游业的正常运转.目前, 开发商正在南温泉,小泉以南约16km的桥口坝地区开发地下热水.桥口坝地下热水 与南温泉,小泉为统一的地下热水系统——南温泉地下热水系统.且此系统的地下热 水是沿含水层由北往南流,南温泉,小泉位于水流的上游,桥口坝为下游.如桥口坝地 下热水开采不合理,南温泉,小泉将会遭到更为严重的破坏.地下热水是不可再生的矿 产资源,一旦破坏将不可恢复.在进行地下热水开发时必须坚持可持续发展的战略原 则.为了避免重蹈天然南温泉,小泉枯竭的覆辙,进行南温泉背斜地下热水可持续开发 研究是迫在眉睫之事. 1区域水文地质条件 南温泉背斜分布区,地势北高南低.背斜北端,中部及南端分别有长江(江水面海 拔高程167m)及花溪河(河水位约209.5m),清水河(水位标高200m)自东向西穿 过,最终汇入长江,见图1.本区从背斜轴部到两翼,依次出露飞仙关组(,)到侏罗系 (.,)地层,见图2.本区较薄与无明显界限,区域地质上示为:+由勘察 表明,由于各地层的岩性特点差异使得+,为地下热水含水层,其中砰,为主要含水 层段,,次之,,较弱;夹于两翼+Tlj之间的r成为弱透水层,两翼+ ,之外的为相对隔水层?. 本区地下热水属s04一Ca或s04一Ca?Mg型微咸水,矿化度2.16,2.62g/l,pH 值为7.6,7.7.地下热水主要来源于重庆以北, 与南温泉背斜呈斜鞍相接同属一个背斜系统的铜 锣峡背斜北端岩溶露头区大气降水补给,在+ ,埋深约2000m处加温,形成地下热水?;之 后,顺+,由北往南流,于南温泉背斜北端流 入南温泉背斜,往南流经背斜中部南温泉,小泉地 区,最终流入背斜末端桥口坝J.南温泉背斜 +埋藏浅,埋深起伏不大,地下热水以由北往南 的二维水平流为主. 2数学模型建立 在上述水文地质条件下,将+概化为热 水含水层,背斜中部夹于两翼+T1,之间的 为弱透水层,和+,底部的分别作为隔 水顶,底板,即相对的隔水层.东西两翼及背斜末 图1研究区水 文地质简图 图2研究区地层岩性综合柱简图 端+与舶分界线作为隔水边界线,北端为定水头边界.为了更接近实际,反映本区水文地质特 征,使计算的结果比较符合实际,采用有限元数值模拟,从水资源量定量的角度研 究南温泉背斜地下热 水可持续开发.根据此水文地质条件,即物理模型,建立相应的数学模型,其数学模型由地下热水流动 的偏微分方程,初始条件及变水头定水头边界条件确定. 在本区水文地质条件中,含水层为多孔或裂隙介质,根据水量均衡原理地下热水流动的二维有限元 数学模型可用方程式(1)的偏微分方程来表示: (m~xH)+(×m)+?=y)?/-2(1) 初始条件为初始水头边界,其由方程式(2)描述: 6期罗云菊,等:重庆南温泉程垫壁亚盟窒垒 日I: o:no(,Y)(,Y?力)(2) 变水头边界,即水头值随时间变化,其为方程(3): 日I口. = Hl(,Y,t)(t>0(3) 定水头边界的流量与地下热水在,Y坐标轴向上的变化量相等,且不随时间变化,因而定水头边界 条件可用方程(4)表示: ×mOSk×mOSy)]q×m>0(4) 故本区地下热水运动的有限元数学模型由方程(1),(4)来描述. 式中:日为水头函数,m;,分别为各向异性含水层X,Y方向的渗透系数,m/d;m为含水层的 厚度,m;风为初始时刻水头分布,m;H,为变水头边界B上已知水头,m;9为水量边界B:上侧单宽补 给流量,m.;为垂向渗流强度;为渗流区域;为储水系数;n为渗流区边界的外法线方向. 3数学模型校正 南温泉钻孔热水受常温水影响较小,其水位最能反应南温泉背斜地区地下热水渗流场的水位变化 状况,利用所建立的数学模型,模拟1991,1995年南温泉的水位,并和实测水位进行对比,同时在实验 所得参数初值基础上结合水文地质条件,分别增加或减少0.1,0.005个数量级来调整参数和, 变化很小以实验所得为准,直到模拟结果比较接近实际观测值为此,以此校正模型.模型参数初值,是 根据重庆南江水文队1986年小泉宾馆地下热水勘查抽水试验资料,计算和分析得到.初始水头由水位 监测资料及水力坡度推算确定.模拟水位与实测水位对比见图3.由图3可知,模拟水位与实测水位 比较接近,说明经过多次调整后得到了符合客观实际的数学模型J,此时的参数值为本区比较符合客 观实际的参数值(表1)... 215.5 表1水文地质参数 4可持续开发方案设计 图3南温泉模拟水位 与实际观测水位对比图 地下热水资源开采,开采量必须小于补给量才能保证地下热水资源环境可持续发展,因而开发之前 需计算补给量. 4.1天然补给量 重庆南温泉地下热水主要是沿背斜轴部顺+T,自北向南纵向流动.地下热水的补给来源,显然 就是由径流量构成.因而有: Q=F××J(5) 式中:F为背斜北端,,+712的过水断面宽度,约为1807.5m;J为天然条件下背斜北端 的水力坡度,约 为0.35%;为平行于背斜轴线方向的导水系数(=×m),由重庆南江水文队抽水实验得到, 值约为1048m/dJ.于是计算得补给量Q为6629.91m./d. 4.2开发方案 温泉背斜除南温泉,小泉地下热水开发外,目前,开发商正在南温泉以南,背斜南端桥口坝开发地下 热水.背斜各处地下热水为一个统一的热水系统,各点在开发地下热水时必须进行可持续性开发规划, 避免盲目开采导致开采过量,使地下热水枯竭,或花溪河,清水河常温水倒灌补给地下热水,影响地下热 水的水质,水温,从而破坏地下热水生态环境,使闻名遐迩的南温泉,小泉永远消失. 42重庆建筑大学学报 环境与发展是当今国际社会普遍关注的重大问.1987年世界环境与发展委员会在《我们共同的 未来》中提出可持续发展概念,即"满足当代人的需求,又不能损害了子孙后代满足其需求能力的发 展."地下热水资源是不可再生资源,在进行地下热水开发时必须坚持可持续发展的战略原则.在 计算研究区地下热水的补给量基础之上,采用符合客观实际的数学模型,模拟相同的渗流条件,初始条 件及边界条件(即同一数学模型)下,不同开采时段开采量不一样的开发方案下地下热水渗流场,从而 得到不同方案桥口坝地下热水最大开采量,并对开采方案进行对比分析,优选出最佳的开发方案J. 4.2.1开发方案一南温泉,小泉维持已有开采量,即南温泉开采量为1000m/d,小泉为700m/d, 模拟桥口坝以不同开采量开采时地下热水渗流场,从而得到此方案中桥口坝的最 大开采量. 南温泉,小泉维持已有开采量,桥口坝以2000-4800m/d的量开采30年,2036年各开发点水位 见表2.为了地下热水可持续开发,避免常温水补给地下热水,在开采地下热水时,地下热水的最低水 位必须高于花溪河209.5m的水位和清水河200.0m的水位.桥口坝地下热水开采量为4600m/d 时,开采井水位高于花溪河水位2.7m以上,高于清水河水位0.57m;当开采量为4800m/d时,开采 井水位低于清水河水位0.08m,见表2.由此知4800m/d的开采量过大,桥121坝开采量只能在4600 m/d范围内. 表2以开发方案一开采2036年各开发点水位状况 桥I21坝开采量/m?d一.20004000450046004800 桥口坝开采井水位/m207.96202.51200.95200.57199.92 南温泉水位/m213.98212.77212.22212.22211.99 小泉水位/m214.33213.17212.63212.61212.41 在桥121坝以4600m/d开采量开采,南温泉,小泉以及桥121坝 开采井的水位变化情况见图4,由图可看出在2011年时,各开发点 水位开始趋于稳定,2016年时水位基本稳定,到2036年时水位很 稳定,此时的水位为稳定水位,继续以此量开采.水位不会再有变 一一米开 一 南温泉 一一? 小泉 . 1 l l \—.…——————..————. 2006:201120162021202620312036 t/a 图4开采方案一桥口坝开采量为4600 m/d地下热水水位变化曲线图 化.桥口坝开采量小于4600m/d时,30年后水位必定为稳定水位,此时的水位均高于花溪河水位和 清水河水位,同样满足可持续发展要求. 小泉,南温泉维持已有的开采量时,桥口坝最大开采量为4600m/d. 4.2.2开发方案二随着人民生活水平提高,对旅游业的需求日益增大,5年后,南温泉,小泉需要增 加开采量才能满足旅游发展的需求,而旅游地自然环境有一个饱和度,旅游人次不能无限制地增加,旅 游业开发也必须控制在一定范围之内,这样才能使环境可持续发展.由目前南温泉,小泉旅游状况分 析,2010,2015年南温泉,小泉开采量分别增加300ITI/d,即南温泉开采量1300ITI/d,小泉1000ITI/ d;2015年后分别增加500ITI/d,即南温泉开采量1500ITI/d,小泉1200ITI/d足以n. 南温泉,小泉不断增加开采量情况下,桥VI坝以不同的量开采地下热水,开采300时水位较稳定, 桥口坝开采井,南温泉,小泉的水位见表3.由表3可知,此开采方案下桥口坝开采量不能为大于3300 ITI/d.如以3500ITI/d开采,2030年南温泉,小泉的水位分别为209.14ITI,209.47ITI, 分别低于花溪河 河水位0.36m和0.03ITI;因此大于3300ITI/d的量开采是会导致常温水补给地下热水,破坏地下热水 的可持续发展. 表3开发方案二2036年各开发点水位状况 如果以小于3300m/d的量3000m/d开采,2036年,桥口坝开采井水位高于清水河水 位3.89 m;南温泉,小泉的水位分别高于花溪河水位0.73ITI,1.05m,这未能充分开发利用地下热水,仍能以比 6期罗云菊,等:重庆壶塞堂垒堑窒 3000in/d大的量开采.开采量为3300in/d,2036年,桥口坝最低水位高于清 水河水位2.82In;南温泉水位高于花溪河水位0.07In;小泉水位高于花溪河水 位0.39In,见表2.以3300In/d的量开采既能充分开发利用地下热水,又能保 证地下热水可持续发展.桥口坝3300in/d的开采量为开采方案二的最大和最 佳开采量. 开采方案二,桥口坝以3300in/d的开采量开采,2036年南温泉背斜地下 热水渗流场,见图5. 4.3最佳可持续开发方案 这两种开发方案中,从两个方面来分析可得到第二种开发方案为最佳开发 方案:即社会经济不断发展,相应的人民对旅游业的需要不断增强,因而南温泉, 小泉的开采量需要增加,但其增加量与旅游业发展同步,是逐步增加.而自然旅 游环境有一个饱和度,旅游的人次必须控制在一定范围以内,这样才能使环境可 持续性发展,因此南温泉,小泉旅游业不能无限制的扩大.南温泉,小泉,开采量 在5年,10年之后大概需要增加300in/d,500in/d就足够;另一方面,在第二 种开发方案下,桥口坝的最大可开采量为3300in/d,目前有三家单位正在此开 采地下热水,总的可开采量为3300in/d,每家可获1100in/d开采量,而此开 采方案在5年后南温泉,小泉的开采量也分别为1000in/d以上,这样5家开采 单位的开采量相差不大,旅游业得到均衡发展. 5结语 南温泉背斜南温泉,小泉及桥口坝开发点是一个统一的地下热水系统,各地 下热水开发点在进行开发时必须坚持可持续发展的原则.通过数值模拟定量研图5开采方案二桥13坝 究不同的开发方案,并进行分析优选,得到最佳的可持续开发方案.由最佳开发开采量3300m/d2036 方案可知,南温泉,小泉,因旅游业发展的需要不断增加开采量,及南温泉背斜地年地下热水渗流场 下热水资源环境可持续发展的条件下,桥口坝的最大开采量为3300in/d.由此研究也表明了,南温 泉背斜地下热水补给量丰富,在不影响南温泉,小泉地下热水资源环境可持续发展的前提下,桥口坝有 可观的地下热水可持续开采量. 参考文献: [1]李鸿举.重庆小泉宾馆地下热水的水文地质特征及利用条件[J].四川地质学报,1987,7(1):21—27. 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