黄河流域（济阳段）地热资源在乡村振兴中的应用研究

颜 梅，孟苗苗，单吉成，杜兴风，于学友，王炳凤，马立丹

（1.山东省地矿工程集团有限公司，山东 济南 205200；2.沂源县自然资源局，山东 淄博 256100）

0 引言

济南市北部地热研究程度较高，资源丰富，开发用途广，在供暖、种植、养殖、温泉旅游等方面得到广泛应用[1-2]。济阳区垛石街道通过“旅游+”“生态+”等模式，整合生态观光、农业采摘、家庭农场等资源，拓展乡村旅游产业链，以“一河七园”为依托，规划打造垛石慢城田园综合体。而济阳区地热资源开发利用程度相对较低，在黄河流域生态保护和高质量发展背景下[3]，地热资源作为优质的清洁能源，其开发利用可以减少煤炭、石油等传统能源使用所产生的污染物，服务于“生态+”的乡村振兴模式。通过分析黄河流域（济阳段）地热资源潜力、地热资源开发利用现状，结合城市发展规划，对地热资源在乡村振兴中的应用进行研究。

1 研究区概况

研究区位于济南市东北部，为黄河流域济阳段，沿黄河两岸，东至高官寨、仁风镇，南至小清河，西至邢家渡引黄总干渠，北至徒骇河，面积1 275 km2（图1）。区内地热资源丰富，地下热水主要用于供暖、洗浴康养、监测等[4-6]。

根据山东省大地构造单元的最新划分方案，研究区属华北地层大区晋冀鲁豫地层区，以齐河-广饶断裂为界，以北属华北平原地层分区，以南属鲁西地层分区。研究区内主要的断裂构造有齐河-广饶断裂、卧牛山断裂、滩头断裂、文祖断裂、东野郭-大湾断裂等（图1）。

在齐河-广饶断裂以北，自上往下依次分布第四系，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组、沙河街组、孔店组及中生界白垩系[7]等，新近系馆陶组及古近系分布广泛，并且厚度较大，寒武-奥陶系埋藏较深。在齐河-广饶断裂以南，自上往下依次分布第四系、新近系明化镇组、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系、太古界泰山岩群，缺失新近系馆陶组及古近系，奥陶系埋藏较浅。

根据含水介质的岩性组合、埋藏分布条件和地下水的赋存特征，研究区的含水层主要划分为以下几部分：①第四系孔隙含水层：以第四系、新近系松散沉积为主；②石炭-二叠系碎屑岩类裂隙水和层间岩溶裂隙含水层：其岩性为石炭-二叠系的砂岩、粉砂岩、泥岩、泥岩夹煤层和石灰岩，总体富水性较弱；③奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层：岩性主要为灰岩、白云岩等；④基岩裂隙含水层：主要为济南岩体中风化裂隙水，富水性差。

2 研究区地热地质条件

研究区位于济南北部地区，是泰山隆起北翼的一部分，古生界分布广泛。研究区南部热储类型主要为奥陶系碳酸盐岩类岩溶裂隙热储，热储层为奥陶系马家沟组，总体上隶属于济北地热田；在垂向上，现有资料揭露地层的最大深度为3 519 m，自下而上地层为寒武系三山子组（未揭穿）、奥陶系马家沟组、石炭系本溪组、太原组、二叠系石盒子组、山西组、三叠系孙家沟组、刘家沟组、侏罗系三台组、新近系明化镇组以及第四系平原组。北部热储类型为新近系-古近系碎屑岩类孔隙裂隙热储，热储层以新近系馆陶组为主，局部开采少量古近系东营组、沙河街组热储；自下而上地层为古近系沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组以及第四系，部分区域缺失东营组地层。齐河-广饶断裂为两类热储的界线，对两侧地热地质条件控制明显。

2.1 地热地质条件

研究区以齐河-广饶断裂为界，南部为奥陶系岩溶裂隙热储，盖层为新生界第四系和新近系、古生界二叠系和石炭系；热储为奥陶系中、下统灰岩，正常的大地热流为其主要热源。济南岩体的存在阻挡了南部大量冷水向北径流，同时迫使南部一部分岩溶水向地下深处循环，起到增温和保温的作用，岩体内部深大断裂形成了地热水与深部热源沟通的通道[8]。奥陶系灰岩岩溶水水温为28～45 ℃[9]。热储层热储呈层状兼带状分布[10]，受断裂构造控制，彼此存在成生关系，地质构造条件比较复杂，属于中低温地热田Ⅱ-3 型。地下水总体流向由南向北径流[9]。

齐河-广饶断裂北部为新近系-古近系碎屑岩类孔隙裂隙热储，盖层为新生界第四系和新近系明化镇组；热储层主要为新近系馆陶组，少部分为古近系东营组和沙河街组，岩性以砂岩为主；热储呈层状分布，分布面积广，厚度稳定，构造条件比较简单，属于中低温地热田Ⅱ-1 型。正常大地传导性热流为该热储的主要热流，热水的主要来源为储存于含水层的古存水及周边远距离降水补给[8]。地下水总体流向由南向北径流。

2.2 热储特征

奥陶系岩溶裂隙热储分布在研究区南部，热储层呈带状分布，顶界埋深在179.29～2 448 m 之间，厚度在600～1 000 m，平均厚度为800 m 左右。目前，该热储地热井成井深度一般在904.95～1 800.56 m，除济阳热1 井外，均未揭穿该热储层，上部石炭-二叠系、三叠系、侏罗系、新近系以及第四系地层为热储盖层，总厚度在179.29～2 448 m 之间。单井涌水量也根据构造和岩溶发育的不同而异，一般为100～2 000 m3/d，局部地段富水性弱，单井出水量小于100 m3/d，地热井出水温度33～56 ℃。

新近系-古近系碎屑岩类孔隙裂隙热储分布在研究区北部，自下而上地层为古近系沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组以及第四系。地下热水主要赋存在新近系馆陶组的碎屑岩孔隙-裂隙中，局部赋存在古近系东营组、沙河街组中，热储类型为孔隙裂隙型热储，分布较稳定。顶界埋深一般在750～900 m，底界埋深一般为900～1 200 m，地层厚度为50～300 m；热储砂层厚度10～50 m，岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩和泥岩互层为主。

2.3 地热流体特征

根据水质分析资料，地热井中新近系-古近系碎屑岩类孔隙裂隙热储地热水水化学类型为Cl-Na型，奥陶系岩溶裂隙热储地热水水化学类型为SO4-Na·Ca 型和SO4-Ca 型。新近系馆陶组热储地热水中阴离子以氯离子为主，其次为硫酸根离子；阳离子中钠离子占绝对优势。奥陶系岩溶裂隙热储地热水阴离子以硫酸根离子为主，其次为氯离子；阳离子中钙离子占绝对优势。

地热水中含有丰富的微量元素，新近系-古近系碎屑岩类孔隙裂隙热储地热水中，偏硼酸含量1～1.498 mg/L，达到有医疗价值浓度，具有医疗价值；偏硅酸含量33.72～37.75 mg/L，达到了矿水浓度，具有医疗价值。奥陶系岩溶裂隙热储地热水中，氟含量0.28～2.62 mg/L，达到有医疗价值浓度，具有医疗价值；大部分地热井锶含量大于10 mg/L，达到命名浓度，可命名为锶水，具有医疗价值；部分地热井偏硼酸、偏硅酸含量达到有医疗价值浓度，具有医疗价值。

研究区内地热水由于溴酸盐、氟化物等含量超标，不适合作为饮用天然矿泉水；由于氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度等含量超标，不适合作为生活饮用水；由于地热水温度较高，部分Cl-含量超标，不适合直接作为农业灌溉用水、渔业用水。

3 地热资源潜力

3.1 开发利用现状

研究区及周边地区包括新施工地热井在内共有地热井22 眼（图2 和表1）。其中，在遥墙-临港一带的地热井开发利用程度较高，研究区内现有地热井9 眼，其中，奥陶系岩溶裂隙热储地热井7 眼，仅桃1井和桃2 井用于养殖，济阳热1 井用于地震监测；新近系-古近系碎屑岩类孔隙裂隙热储地热井2 眼，其中，JR025 井用于洗浴，DS-1 井为本次新施工地热井，拟用于济阳垛石街道慢城综合体建设使用；其他地热井未开发利用。

图2 地热井分布图Fig.2 Distribution map of geothermal well

3.2 地热资源潜力评价

DS-1 井位于济南市济阳区垛石桥街道办西北200 m，拟用于济阳垛石街道慢城综合体建设使用，钻探深度1 508 m，成井深度1 498.91 m（图3）。该地热井钻遇地层依次为第四系、新近系明化镇组、新近系馆陶组、古近系沙河街组，取水层位为新近系馆陶组、古近系沙河街组，取水层段选定在井深1 247.45～1 498.91 m 之间，取水层段地层总厚度为251.46 m，含水层厚度为65.3 m。

图3 井身结构Fig.3 Well structure

DS-1 井出水口温度59 ℃左右，水化学类型为Cl-Na 型，溶解性总固体5 711 mg/L，pH 值7.55。该井地热水偏硅酸含量为37.75 mg/L，达到矿水浓度的标准，有医疗价值；不适合作为饮用天然矿泉水、生活饮用水，以及直接作为农业灌溉用水。

根据《单井地热资源评价技术规程》（DB37/T 4243—2020）规定，采用非回灌条件下利用降压试验的方法估算单井地热可开采量[11]，估算DS-1 井降深50 m 时，可开采量为819.66 m3/d。计算单井产能为1 827.08 kW，年可利用的热能9.603×107MJ。

依据地热流体可开采量所采出的热量，按式（1）计算地热井的产能（热能或电能）[12]。

式中：Wt为热功率，kW；Q为地热流体可开采量，L/s；t为地热流体温度，℃；t0为当地年平均气温，℃。

计算参数确定：Q=9.49 L/s（降深为50 m 时，地热井单井可采量取值），t=59 ℃，t0取垛石桥镇平均气温12 ℃。将有关参数代入式（1）计算得到产能Wt=1 827.08 kW。

地热流体年开采累计可利用的热能量按式（2）计算。

式中：ΣWt为开采一年可利用的热能，MJ；D为全年开采日数（按24 h 换算的总日数），d；Wt为式（1）计算得出的热功率值，kW；K为热效比（按燃煤锅炉的热效率0.6 计算）。

计算参数确定：D=365 d，K取0.6，计算得到ΣWt=9.603×107MJ。

根据《地热资源地质勘查规范》（GB/T 11615—2010），采用热储法（式（3）～式（8））计算热储中储存的地热资源量[12]，计算结果见表2。

表2 资源量计算结果表Table 2 Resource quantity calculation result table

式中：Q为热储中储存的热量，J；Qr为岩石中储存的热量，J；QL为热储中储存的水量，m3；Q1为截止到计算时刻，热储孔隙中热水的静储量，m3；Q2为位降低到目前取水能力极限深度时热储所释放的水量，m3；QW为水中储存的热量，J；A为计算区面积，m2；d为热储厚度，m；ρr为热储岩石密度，kg/m3；cr为热储岩石比热，J/kg·℃；φ为热储岩石的孔隙度，无量纲；tr为热储温度，℃；t0为当地年平均气温，℃；ρw为地热水密度，kg/m3；cw为水的比热，J/kg·℃；S为弹性释水系数，无量纲；H为计算起始点以上高度，即水面算起最大取水深度，m。

通过计算，在研究区949.0 km2范围内，地热资源总量为1.14×1019J，按1 t 煤的热值为2.93×1010J 计算，折合标准煤3.9×108t。其中，馆陶组热储中存储的热量为1.12×1018J，折合标准煤3.84×107t；东营组热储中存储的热量为1.52×1018J，折合标准煤5.19×107t；沙河街组热储中存储的热量为3.46×1017J，折合标准煤1.18×107t；奥陶系马家沟群热储中存储的热量为8.42×1018J，折合标准煤2.87×108t。研究区地热流体可开采量为94 997.83 m3/d。

根据地热田规模分级标准[12]，研究区地热田热能为188.8 MW，属于大型地热田。地热田热功率为1.888×105kW，按每年开采365 d 计算，年开采累计可利用的热能量为9.92×1015J，折合标准煤3.39×105t。

根据计算，研究区地热资源总量为1.14×1019J，地热流体资源可开采量为94 997.83 m3/d。地热资源量与地热流体开采产生热量对比，按地热流体可开采量100 年所能采出的总热量为5.837×1017J，仅占地热田热储中储存热量的5.12%。从热量角度来说，研究区内地热流体可采资源量是能够得到保证的[13]。

4 区域地热资源应用问题及建议

4.1 问题

研究区内有地热井9 眼，其中，未利用的地热井达5 眼，其余4 眼用于监测、养殖和洗浴；区域内调查地热井22 眼（图4 和表1），其中，未利用的地热井有12 眼，占比约为54.5%，利用率较低。黄河流域（济阳段）地热资源储量丰富，但开发利用程度不高。

图4 地热资源开发利用情况Fig.4 Development and utilization of geothermal resources

1）与城市规划分布不匹配。研究区内地热井多远离村镇地区，由于城市规划晚，起步慢，地热资源开发利用需求较低，从而造成了大部分地热井未开发利用。

2）勘查难度大，勘查方向不明。研究区内齐广断裂以南已有多眼地热井施工成功，说明区域上存在地热资源，但是由于地热水沿构造控制明显，区域构造及岩溶发育具有不均一性，勘查找热难度较大，如济阳热1 井、CZ01 井等地热井，因水量较小，无法开采利用。研究区内齐广断裂以北，热储层越往北厚度越大，地热地质条件越好，但离城区越远，开发利用难度增大。

3）地热尾水回灌研究程度较低。研究区内地热资源尾水回灌工作尚未开展，地热尾水一般直接排放，缺少地热尾水处理装置，对周围环境造成了一定影响。

4.2 开发利用建议

1）制定合理规划，积极推动开发。与地方政府做好对接工作，紧紧围绕“黄河战略”，制定黄河沿岸“河-湖-泉”综合开发利用规划，利用黄河-沿河水库-地热温泉自然资源，打造黄河沿岸绿色生态旅游长廊，提升济南泉城文化内涵。

2）加强科学研究，提升利用高度。以JR025 井和DS-1 井为依托，结合济南市济阳区乡村振兴建设，打造以地热康养洗浴为主的旅游特色小镇，为新农村建设提供样板。

3）加强勘查力度，提供资源保障。围绕《山东省黄河流域生态保护和高质量发展规划》，有针对性地开展地热勘查工作，提高控制精度，实现由探到采的合理转变，为黄河流域高质量发展规划提供基础地质资料。

4）加强环境保护，提高尾水回灌。地热资源并不是取之不尽用之不竭的，在开发利用地热资源的同时，也要做好相应的回灌及环境保护等工作。

4.3 地热资源在乡村振兴中的应用方向

4.3.1 “地热+供暖”

“地热+供暖”模式已经得到广泛应用并取得了较大、较好的经济效益。DS-1 井出水口温度59 ℃，可直接用于地热供暖，地热供暖与其他供暖方式相比，具有直接运行费少、开发周期短、见效快、能耗低、污染小、供暖时间可延长、可全年提供生活用热水等多项优点。“地热+供暖”模式有助于提升居民居住舒适度，降低碳排放，促进当地村民经济效益与生态效益的双丰收，营造绿色低碳的生态环境，带动乡域产业振兴，有助于推动当地绿色低碳发展[14]。

4.3.2 “地热+温泉康养”

“地热+温泉康养”模式已经广泛应用于医疗保健、娱乐康养。研究区地热水属于中低温热矿水，多数地热井水富含锂、氟、氡、偏硼酸和偏硅酸等多种矿物质，有一定的医疗和保健作用[15]。DS-1 井水偏硅酸含量为37.75 mg/L，达到矿水浓度的标准锶、氡含量均接近医疗价值浓度；JR-025 井正用于温泉康养，该井的开发利用对DS-1 井有一定指导和借鉴作用。此外，依托温泉康养，还可以开发游泳馆、嬉水乐园、疗养中心、温泉饭店和温泉度假村等一系列娱乐旅游项目，有助于加快垛石慢城田园综合体综合开发，助力发展旅游度假和休闲观光农业，带动当地村民致富，助推乡村振兴，有助于提升温泉康养方面的技术运用水平，打造全方位、立体化的功能性休闲区[6]。

4.3.3 “地热+综合能源体系”

研究区内地热水不能直接用于农业灌溉，建议利用地热资源绿色低碳、可循环利用的优势，打造“地热+”绿色发展模式，将地热资源与燃气、太阳能、风能等多种清洁能源有机整合，因地制宜地加强与其他可再生能源的互补综合利用，形成集成互补的“地热+综合能源体系”，再结合地方整体发展规划，着力建设农业灌溉、水上娱乐、垂钓等一体的水文化观光体验区和以农业产业园区的方式发展现代农业产业园区，以促进新型城镇化建设和生态文明建设。

5 结语

地热资源是优质的清洁能源，研究区内地热资源丰富、医疗价值高、开发利用前景广阔，可以从地热供暖、康养洗浴、农业养殖、温泉旅游、生态保护等多方面精准服务于垛石街道“生态+”的乡村振兴模式，促进旅游度假和休闲观光农业发展，带动当地村民致富，加快垛石慢城田园综合体建设，助推垛石街道旅游产业转型升级，助力乡村振兴发展，充分开发利用地热这一清洁能源，将黄河流域（济阳段）打造为黄河流域生态保护和高质量发展示范区和真正的未来城市样板[16]。