量化中国山东省西北部平原地区砂岩多孔地热储层在城市供暖方面的潜在不确定性及其开发适宜性

地热资源潜力评估中采用体积法与蒙特卡洛模拟结合的不确定性分析方法，构建包含地质条件、资源潜力和社会经济因素的多维度评价框架，通过AHP、CVM、EWM和GTCM等权重方法量化评估，识别高资源丰度与开发适宜性重叠区域，验证显示GTCM方法与实际井分布匹配度达69.33%，与产水量相关系数R2=0.83，确定德州断陷等区域为优先勘探区。

　　

何一祥|丁鹏鹏|田子扬|闫家贤|刘少华

宁夏大学土木与水利工程学院，中国银川750021

摘要

作为稳定且可持续的清洁能源，砂岩多孔地热储层在能源转型和碳中和过程中发挥着关键作用。以山东平原西北部的新近纪官陶组砂岩地热储层为案例研究，本文采用体积法结合蒙特卡洛模拟对地热资源潜力进行了不确定性分析。提出了一种综合考虑“地质条件、资源潜力和社会经济因素”的多维度适宜性评估框架，解决了传统地热评估中缺乏定量社会经济因素的问题。通过分析层次分析法（AHP）、变异系数法（CVM）、熵加权法（EWM）和博弈论组合法（GTCM）等主观和客观加权方法，定量评估了地热开发的适宜性。系统分析了空间分布模式和影响因素。评估结果与地热井的空间分布及水流量进行了验证。此外，基于“资源潜力-开发适宜性”二维模型确定了区域地热开发的优先目标区。研究结果表明，官陶组地热资源的最大可能值为5.68×10²⁰焦耳。地热资源丰富的构造单元包括德州隐伏断层凹陷区、高塘隐伏断层隆起区和固城-官陶隐伏断层隆起区。基于GTCM的评估显示出最佳的整体性能，适宜性结果与实际地热井分布之间的空间匹配度达到69.33%，同时与井水流量有很强的相关性（R²= 0.83）。被评为“良好”及以上的区域主要集中在德州隐伏断层凹陷区。该区域不仅地热资源丰富，而且开发适宜性良好，因此是地热勘探和开发的优先目标。本研究为砂岩多孔地热储层的可持续发展规划提供了理论参考。

引言

地热是一种来自地球内部的熱能资源，是一种清洁且稳定的可再生能源（Wassihun等人，2025年）。由于应用范围广、利用效率高、储量丰富且环境效益显著（Carapezza等人，2022年），地热资源在全球应对气候变化和能源系统转型中具有重要的战略价值（Ngarambe等人，2025年）。人口增长和快速城市化导致了对地热资源需求的持续增加（Ramos-Escudero等人，2021年）。山东平原西北部的新近纪官陶组砂岩储层是典型的中低温多孔储层，其储层结构、成因背景和开发方法与巴黎盆地、维也纳盆地和北美高平原的砂岩储层相似。因此，本研究不仅有助于中国东部的地热开发，也为全球类似沉积盆地砂岩储层的潜力评估和适宜性分区提供了方法论参考。

中国的地热资源储量约占全球总量的六分之一，其中低温（< 150 °C）地热水资源是冬季供暖的主要热源（Lund和Toth，2021年）。作为典型的中低温地热资源富集区，山东平原西北部具有广泛的资源分布和优越的储层条件（Du等人，2024年；Zhu等人，2015年）。该地区的地热流量较高（53～83 mW/m²），地热梯度也较大（31.2～40.4 °C/km）（Wang等人，2024年），同时地热储层厚度和温度条件也较为有利。

然而，该地区化石燃料供暖带来的环境问题日益突出，因此迫切需要推广清洁和可再生能源，并对地热资源进行潜力评估和开发适宜性评价。

地热资源量的评估对于地热资源的合理开发和利用至关重要，现有方法主要分为动态和静态方法（Ciriaco等人，2020年）。动态方法（如数值模拟）适用于数据齐全的成熟地热田（Malate等人，1991年；Gao等人，2022年；Kerschbaum等人，2025年）。而在早期勘探阶段，由于数据有限，通常采用静态方法（如体积法）进行资源潜力评估（Seward等人，2018年；Wang等人，2022年）。本研究聚焦早期勘探阶段，采用静态评估方法来应对数据有限条件下的地热资源潜力和适宜性不确定性。

体积法是早期勘探中广泛使用的评估技术（Muffler和Cataldi，1977年）。然而，其关键参数（如储层面积、厚度和孔隙度）往往存在显著的空间异质性和观测不确定性。传统的确定性体积法依赖于单参数估计，无法准确反映参数的真实分布，容易导致评估结果的不确定性范围被低估（Jatmiko等人，2022年；Tian等人，2020年；Witter等人，2019年）。

通过概率密度函数对参数不确定性进行量化，蒙特卡洛模拟可以生成输出结果的完整概率分布，突破了单一确定性值的限制（Elmasry等人，2023年；Palacios等人，2024年）。该方法适用于不同的构造单元和地质背景条件，能够识别资源估算中的关键控制参数，并生成资源概率分布曲线，为勘探目标区和开发方案的优化提供概率基础。例如，Li等人（2023年）使用三角分布和均匀分布模型量化参数不确定性，并通过蒙特卡洛模拟方法预测广东省隆起山脉的地热资源分布、温度和流量。Frey等人（2023年）结合体积法和蒙特卡洛方法评估了上莱茵地堑北部的地热资源，并量化了温度和密度等参数的不确定性。

在地热资源开发适宜性评估领域，多准则决策分析（MCDA）与地理信息系统（GIS）的结合已成为资源潜力评估的主要方法（Zaher等人，2018年；Cambazo?lu等人，2019年）。这种方法的科学有效性和可靠性在很大程度上取决于评估指标权重系统的合理性。传统的单一加权方法（如AHP或EWM）往往难以平衡专家经验和数据客观性的双重需求（Xu等人，2023年）。因此，结合主观和客观的加权策略显示出显著优势。例如，Li等人（2023年）整合数据和领域知识，开发了一个结合主成分分析（PCA）和AHP的GIS模型，应用于江西省的地热资源评估和分区。Li等人（2024年）综合了地质、地球物理和遥感数据，使用EWM和AHP确定指标权重，并采用TOPSIS模型对二原县的地热资源潜力进行了全面评估。

然而，关于不同加权方案（如主观、客观或组合方法）如何影响地热适宜性评估结果的比较研究仍然较少。评估指标体系的构建往往主要关注地热地质条件，而对社会经济驱动因素的关注不足。全面的适宜性评估必须综合考虑地质条件、资源潜力和社会经济因素。地热系统的采用不仅受资源禀赋影响，还受政策、技术和成本效益的影响（Soltani等人，2018年）。Ramos-Escudero等人（2022年）开发了一个基于GIS的多准则决策分析系统，系统地整合了地质、资源潜力和社会经济因素，以评估含水层热能存储系统的潜力。

本文基于体积法和蒙特卡洛模拟的耦合模型，定量表征了地热储层参数（如孔隙度和储层厚度）的不确定性，获得了地热资源的概率分布特征，并实现了区域地热资源潜力的不确定性评估。

建立了地热资源适宜性的多维度综合评估指标体系，涵盖了地热资源特征、地质条件和社会经济等方面。比较分析了AHP、EWM、CVM和GTCM的评估结果，并研究了它们的空间分布特征和影响因素。通过结合地热井的空间分布和水流量的双重验证方法，分析了不同地热适宜性评估模型的可靠性。通过对地热资源潜力和适宜性的全面评估，确定了研究区域内地热资源勘探和开发的优势。

识别地热优势区域的技术体系，包括“不确定性量化”-“多方法应用”-“影响因素分析”三个环节，可为山东省西北平原的地热资源开发和区域能源结构调整提供技术支持。

部分内容摘录

地质结构特征

研究区域位于华北平台东部，属于中生代-新生代断层盆地。主要的热控制断层是齐河-广饶断层和聊城-兰考断层。该地区的构造分布以典型的交替隆起和凹陷为特征，主要由区域断层控制（Wang等人，2023年）。隐伏断层隆起是指沿断层面抬升的基底岩石，形成构造高地。

方法论

本文采用体积法结合蒙特卡洛概率模拟来定量评估研究区域的地热资源潜力，并通过概率分布分析表征资源不确定性。适宜性评估体系综合考虑了地热储层的地质条件和社会经济因素。

使用不同的加权方法计算指标权重，以评估

地热资源特征

地热梯度是指地层温度随深度增加而增长的速率，不受大气温度影响，这一参数反映了地球内部温度分布的不均匀程度（Templeton等人，2014年），对地热资源勘探和开发非常重要。先前的研究表明，地表温度低于热稳定带，地层深度与地表温度之间存在正相关关系

结论

本文结合山东平原西北部砂岩地热储层的地质条件，利用蒙特卡洛法和体积法分析了地热资源的潜力。通过整合地热储层特征、社会经济等因素，建立了多维度地热适宜性评估指标体系。不同的主观和客观方法以及综合加权方法被应用于

未引用参考文献

Li等人，2022年；Soltani等人，2019年

CRediT作者贡献声明

何一祥：撰写——初稿；数据整理。丁鹏鹏：撰写——审稿与编辑；方法论构建；概念化。田子扬：数据验证；软件应用。闫家贤：资源调查。刘少华：数据可视化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了天津市中低温地热资源观测与研究站开放基金（编号TJDRYWZ-202407）、国家自然科学基金青年科学基金（编号42307272）、宁夏自然科学基金（编号2024AAC05027）以及宁夏高校一流学科建设（水利工程）项目（编号NXYLXK2021A03）的支持。