0 引言

地热能是可再生能源的一个重要组成部分，其应用受到了世界各国的关注^{[1, 2, 3, 4]}。我国已初步形成以供暖、洗浴、种植等直接利用方式为主，高温发电为辅的地热资源开发利用格局。此外，近几年利用地源热泵开发浅层地温能进行供暖和制冷也在全国各地迅速发展^[5]。但是与其他资源一样，地热的开发也存在一系列的问题，如：可持续开发与利用、资源开发与环境的协同发展、资源的有效利用与优化配备等，这对地热开发和管理工作者是一项挑战^[6]。天津作为中国地热开发利用规模最大的城市，在世界地热行业也有一定的影响。之前何满潮等^[7]针对天津市地热资源开发利用现状，研发过地热地理信息系统，它可以进行图形和属性信息的查询以及简单的空间分析和资源开发评价，但在数据的通用性以及操作的智能化方面开发还不够。随着天津地热开发利用规模不断扩大，管理过程缺乏快速、具有控制性、可操作性强、简单易用、界面友好的自动化规划分区及开发利用审批系统的问题日益突出。为此，作者在天津地热开发管理部门已有研究的基础上^[8]，提出了“两线一面”三维动态分区方法^[9]，并利用MAPGIS SDK^[10]及Visual Basic开发了地热工程热储规划分区及地热井审批查询系统。并将其应用于城市地热资源规划审批工作，以期解决地热工程管理信息量大、处理周期长与管理决策快速需求的矛盾。

天津地区地层从太古宇至新生界均有发育，但其中缺失上奥陶统——下石炭统及古近系古新统。天津绝大部分地区被第四系覆盖，前中生界仅在北区蓟县北部山区出露，其中以中、新元古界长城系，蓟县系和青白口系为主。南区前中生界埋藏较深，其上堆积了巨厚的中、新生界；北区除有部分第四系覆盖外，一般不发育中、新生界。地热勘查研究中，习惯上将新近系以下地层称为基岩，新近系及以上地层称为盖层。天津地区热储层按岩性特征可以分为第四系孔隙型热储层、新近系碎屑岩孔隙型热储层和基岩裂隙岩溶型热储层。

基于地热规划要考虑的诸多关系和问题，结合多年开发与管理经验的总结，提出“两线一面”三维分区方法：根据天津市地热资源开发利用现状分析，并考虑到科学技术的高速发展和地热井的使用年限，将天津市地热资源开发利用划分为4类区域(表 1)。其中：限制开采区是指目前水位降深与下降速率较大，开采强度必须严格控制的地区；控制开采区是指地热资源较丰富、开发潜力大，目前的开采强度已经引发了一定的水位降深，开采强度需协调确定的地区；鼓励开采区是指地热资源丰富、开发潜力巨大、经济效益好，目前尚未开采或开采的强度低，引发的水位降深与下降速率小的地区；资源待勘区是指地热资源状况不明有待于勘探的区域。

表 1 天津市地热资源开发利用分区及参数 Table 1 Tianjin geothermal region-division and parameter list

注：L0 为规划水位下降速率； Lf为实际水位下降速率； L1=1.5 L0。单位均为m/a。

表选项

根据当前开发设备的能力、开发的经济性、资源开发对环境影响、为未来留有发展空间等因素，新近系最低开采静水位控制在150 m之内(泵室位置一般为200~250 m)，基岩最低开采静水位控制在200 m之内(泵室一般位置为350~400 m)。根据科技发展周期和经济发展周期，将规划时限确定为30 a。

“两线一面”方法确定了三维分区的标准，按照该方法，将天津市地热资源划分为5个热储层，每个热储层根据上一年度动态资料划分成4种类型的分区，并作为本年度规划分区结果。通过相应的规划分区要求和条件对不同类型分区的开采情况实施动态控制。确定方法如下：

1)确定规划地热水位降幅△H，

点击浏览公式

2) 确定规划水位下降速率L₀，

点击浏览公式

3)确定分区界线L₁，L₁=1.5 L0 。

4)依据所在位置实际水位下降速率Lf ，按表 1方法进行分区。

2 系统研发 2.1 系统的开发及运行环境

本项研究主要采用Visual Basic软件进行开发,可运行于Windows操作平台，二次开发平台为MapGIS，数据库平台为SQL-Server，所以运行该系统必须安装SQL-Server和MapGIS基础平台及二次开发软件包。

地热规划智能分区及地热井审批查询系统包括系统数据库(包括空间数据和属性数据)、空间数据库管理、属性数据库管理、工程热储规划分区和地热井审批查询5部分。

1)数据库管理功能(包括空间数据和属性数据)：数据输入、查询、添加、更新、统计等。

2)数据库的转换功能：动态属性数据与空间数据库的自动转化，如自动生成地热井空间数据等。

3)地热资源开采强度智能计算功能，如根据动态观测数据计算地热资源不同热储不同位置的年规划水位下降速率。

4)智能分区功能，如根据最新动态数据和规划确定的分区算法逐个热储层进行智能规划分区。

5)规划分区图生成及查询功能。

6)地热井年规划基本情况查询功能，包括地热井基本情况、动态观测数据、年度规划下降速率等。

7)地热井审批功能，根据前面生成的规划分区图进行新地热井的审批查询，直接生成Word格式的审批查询报告。

在系统中，许多管理功能模块是通用的。对于这些通用模块，项目将统一开发。对已经有的通用功能采用软件集成的方法，在文档报告等方面采用Microsoft Word办公软件进行集成；对于与图形图像处理相关的通用功能，则以MapGIS提供的通用模块为基础进行集成。尽量减少软件的开发工作量，形成实用、面向专业的GIS系统。

2.3.1 系统工作流程

系统的工作流程见图 1。

图 1 系统工作流程图 Fig. 1 System workflow

图选项

1)数据库管理功能的实现

数据库包括属性数据和空间数据2部分。属性数据库管理功能通过SQL-Server及VB开发来实现；空间数据库的管理主要通过MapGIS的空间数据管理模块实现。空间数据库内容包括地理底图、基础地质图、地热地质图、地热资源现状图、地热资源预测图 5部分。

2)地热资源开发智能规划分区功能的实现

基础网格的实现：利用MapGIS的GRD模型，根据工作区的范围，取工作区域左下角和右上角坐标，根据数据的精度以及研究目的的要求，制定单元格的大小，计算出网格的行数和列数，然后利用MapGIS的二次开发的画图及拓扑造区功能函数生成基础网格图区文件。

离散点数据网格化及运算功能的实现：利用MapGIS的数字高程模型预留的二次开发接口，从基础网格的生成过程自动读取相关参数(如工作区范围、网格的行数和列数)，采用GRID模型中的距离幂函数反比加权网格化方法进行剖分，形成热储层的年规划水位下降速率和实际水位下降速率GRD格式的规则网文件。

资源规划分区功能的实现：

①提取已经形成的基础网格图、规划水位下降速率GRD文件、实际水位下降速率GRD文件及工作区范围区文件，利用MapGIS的属性查询、修改及保存功能，在基础色块图中创建规划水位下降速率和实际水位下降速率2个新字段，分别将规划水位下降速率GRD文件、实际水平下降速率GRD文件中的数据按相应位置写进新建的2个字段中。

②将写好规划水位下降速率和实际水位下降速率的基础色块图与工作区文件进行空间分析的求交运算，减去工作区以外的基础网格部分。

③再次利用MapGIS的属性查询功能，查出②中做好的工作区范围基础网格图中各个区块中的规划水位下降速率和实际水位下降速率值，用规划分区第三步所提出的表 2规划分区界限表进行对比，划分不同的分区，并按各分区规定好的颜色值修改该分区的颜色参数，实现规划分区。上述流程如图 1所示，过程原理如图 2所示。

图 2 规划分区原理图 Fig. 2 Schematic diagram of subregion planning

图选项

3)地热井审批功能的实现

①在对天津市5个热储层进行了规划分区生成规划分区图后，根据用户申请地热井的相关参数，利用MapGIS的空间查询功能进行新地热井的审批，在对应的规划分区专题图上查找审批井附近地热井及所处分区、规划水位下降速率及实际水位下降速率等热储开发现状资料，根据申请地热井附近的参数及规划分区原则，分析该地区是否适合新增地热井，进而形成审批意见。

②利用VB对Word的API函数进行代码开发，将①中所查询获得的相关资料直接按设定的模板写进Word格式的审批查询报告，自动生成排版格式的审批报告。

在系统主体功能界面点击“资源分区”，将出现资源规划分区窗口，规划分区结束后，为了方便用户从系统直接查看规划分区专题图，设计了图件查看功能，通过此功能可以打开某热储层的规划分区专题图。图 3为明化镇组热储规划分区查看窗口。

图 3 规划分区查看窗口 Fig. 3 Viewing window of subregion planning

图选项

从图 3可以看出：天津市明化镇组热储层在市区及东丽区和大岗局部地区由于地热井分布密度较大，地热水开采过度，造成了明显的水位下降过快，属于红色限制开采区和黄色控制开采区；而其他地区则由于地热井数量较少、开采量较低，属于蓝色的鼓励开采区和绿色的资源待勘区。将本年度规划分区作为下一年度地热开采量审批及新井审批的依据可知，在红色限制开采区应通过提高热利用率及增大回灌量等措施，禁止增加新地热井；黄色控制开采区也属于水位下降过快地区，应该尽量采取措施减少地热水的开采量，控制水位下降速率的幅度，禁止新增地热井；蓝色的地区属于水位下降速率小于年规划水位下降速率的地区，在这些地区可以增加开采量及鼓励用户采用地热资源进行建筑供暖；绿色地区属于地热资源勘探程度不高、有待于进行探明的地区，该地区鼓励用户进行尝试性的开凿地热井，并应给予相应的优惠政策，以便扩大地热田的边界范围，缓解城市能源紧张的局面。

在对天津市5个热储层进行规划分区的基础上，工作人员即可利用系统的地热井审批及报告生成功能进行新地热井的审查工作。通过地图查看功能可以打开某热储层规划分区专题图，审查功能可以将设计井按其设计参数置于规划分区图中，放大显示设计井附近区域(图 4)，图中闪烁虚线显示了以设计井为圆心，以1 km距离为半径的圆形范围，以便工作人员可以方便地查看设计井周围1 km范围内现有地热井开采情况。从图 4可看出，设计井周围1 km范围内已有5眼地热开采井，地热井密度已经过大，处于红色限制开采区内，不应在该位置新增地热井。

图 4 地图查看窗口 Fig. 4 Viewing window of map

图选项

利用天津市热储规划分区和地热井审批系统，建立了天津市全套地热资源开发利用数据库，实现了天津市热储智能规划分区，解决了海量数据处理工作周期长与管理决策科学、快速的矛盾；实现了地热资源的动态、智能规划及新地热井的动态审批。但仍然存在一些不足，有待更深入研究和探讨：一是没能研究形成热储评价的系统的数学物理模型；二是由于地热井在工作区分布不均匀，致使规划分区存在一定的局限和偏差；三是由于时间所限，没有在系统及数据的安全性方面拿出具体的解决方案。