黃河下游平原區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用對策

王現(xiàn)國

我國地?zé)豳Y源開發(fā)展望

人類利用地?zé)豳Y源的歷史悠久，早期主要是利用溫泉沐浴、醫(yī)療，利用地下熱水取暖、建造農(nóng)作物溫室、水產(chǎn)養(yǎng)殖等。人類真正認識地?zé)豳Y源并進行較大規(guī)模的開發(fā)利用始于20世紀中葉。

很長一段時間以來，中國利用地?zé)醿H限于泡溫泉澡，沒把它作為能源來利用。20世紀70年代，在科學(xué)家李四光的號召下，中國利用地?zé)岚l(fā)電曾取得了成功，但是以后沒有持續(xù)下去，在過去二三十年里地?zé)衢_發(fā)幾乎陷入停滯狀態(tài)。

從廣義上說，地?zé)豳Y源是指貯存在地球內(nèi)部的可再生熱能，它是一種寶貴的綜合性礦產(chǎn)資源，可供發(fā)電、采暖等利用，還是一種可供提取溴、碘、硼砂、鉀鹽、銨鹽等工業(yè)原料的熱鹵水資源和天然肥水資源，同時還是醫(yī)療熱礦水和飲用礦泉水資源以及生活供水水源。

2013年年初，我國多個部門印發(fā)的《關(guān)于促進地?zé)崮荛_發(fā)利用的指導(dǎo)意見》提出，積極開發(fā)利用地?zé)崮?，對緩解中國能源資源壓力、實現(xiàn)非化石能源目標、推進能源生產(chǎn)和消費革命、促進生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義和長遠戰(zhàn)略意義。2013年9月國務(wù)院專門頒布了大氣污染防治實施計劃，其中把地?zé)崮荛_發(fā)利用放在了太陽能、風(fēng)能等之前，反映了國家對可再生能源利用的重大戰(zhàn)略方向。

我國地?zé)豳Y源儲量豐富、分布廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國12個主要沉積盆地地?zé)豳Y源儲量折合標準煤就高達8532億噸，可采資源量折合標準煤2560億噸。我國大陸3000～10000米深處干熱巖資源儲量折合標準煤高達860萬億噸，相當于目前全國年度能源消耗總量的26萬倍。中國地?zé)豳Y源儲量巨大，但開發(fā)利用不夠，目前在國家能源結(jié)構(gòu)中所占份額很小。

據(jù)測算，到2020年，我國利用“淺層地溫能”的建筑物面積將達到24.8億平方米，相當于8680萬噸標準煤，占屆時全國能源消耗總量（45億噸標準煤）的1.9%，每年可減排二氧化碳2.27億噸。

黃河下游平原區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)面臨的困境

黃河下游沖積扇平原（這里主要指河南省部分）地?zé)豳Y源勘查和開發(fā)還處于起步階段，存在著一些觀念和管理上的問題。

黃河是我國西北、華北地區(qū)的主要水源。黃河水資源對緩解華北地區(qū)水資源短缺、促進區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。在長期的黃河治理、開發(fā)的實踐中，水文地質(zhì)學(xué)科未得到應(yīng)有的重視。因此，一方面水文地質(zhì)工作者需要轉(zhuǎn)變思路，提出的勘察成果一定要有很強的實用性和可操作性。另一方面，也要看到黃河下游地下熱水資源開發(fā)所引起的水環(huán)境問題，如地面沉降、水質(zhì)惡化、地下水位持續(xù)下降、水資源枯竭、土地沙化、濕地萎縮等。當前，水文地質(zhì)工作者要探索減少或避免這些問題發(fā)生的辦法，從根本上改變?nèi)藗儗λ牡刭|(zhì)學(xué)科的偏見。

黃河是多泥沙河流，作為供水水源處理時，工藝復(fù)雜，費用較高。由于黃河上游地區(qū)工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水的排入，黃河干支流水質(zhì)已遭到污染，這更加劇了流域內(nèi)水資源供求的緊張局面，勢必造成對沿黃地下水的開采。黃河下游不但賦存有淺層孔隙淡水，而且蘊藏有比較豐富的地?zé)豳Y源。淺層地下水資源主要由黃河水滲透補給形成，并且補給非常迅速，屬激發(fā)補給。經(jīng)過多年研究，已初步探明了這部分淺層地下水資源的分布規(guī)律。但是，目前對黃河下游沖積扇平原的地?zé)豳Y源研究程度還較低。因此，加強對該地區(qū)地下熱水循環(huán)演化機理研究，對合理開發(fā)黃河地下熱水資源有著重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟意義。

綜觀幾十年來黃河下游沖積扇平原區(qū)的水文地質(zhì)勘察工作，雖然在地?zé)崴牡刭|(zhì)勘察方面取得了一定的成績，但是受黃河獨特性質(zhì)的影響還存在很多難題。建議在今后的黃河水資源開發(fā)中，應(yīng)把地?zé)崴牡刭|(zhì)勘察納入黃河綜合治理規(guī)劃，采用新技術(shù)、新理論、新方法，全面開展黃河下游地?zé)崴牡刭|(zhì)勘察，圈定具有供水意義的地?zé)崽?，進行供水水文地質(zhì)勘探和開發(fā)利用研究，提高沿黃城市供水的安全性，改善人民生活條件，為沿黃城市提供新的潔凈能源。

黃河下游平原區(qū)的地?zé)岬刭|(zhì)條件

黃河下游平原區(qū)屬中朝準地臺的南部，二級分區(qū)則為華北臺坳的中南部，西為山西臺隆、華熊臺緣坳陷、嵩箕臺??；東南為魯西中臺隆。坳陷區(qū)地表廣為新生界覆蓋，僅大邊緣地帶有基巖零星出露。研究資料表明，燕山運動早期及其以前，華北坳陷與相鄰構(gòu)造單元為統(tǒng)一整體，地質(zhì)構(gòu)造特征基本相似。燕山運動以后，西部隆升，該地區(qū)下沉，形成坳陷。坳陷內(nèi)燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期，由于基底構(gòu)造及斷裂活動影響，產(chǎn)生不均衡下沉，形成一系列次級斷（坳）陷盆地和斷塊隆起。以新鄉(xiāng)-商丘深斷裂為界，以北在太行山坳陷和隆起均為北北東向，且相間分布，包括湯陰斷陷、內(nèi)黃隆起、東明斷陷、臨清坳陷、濟陽坳陷、埕寧隆起等。新商斷裂以南地區(qū)，由于近東西向基底構(gòu)造線方向和斷裂影響，坳陷和隆起多呈東西向或北西向展布，包括濟源-開封坳陷、通許隆起、周口坳陷等。古近紀以后，該區(qū)域繼續(xù)大幅度下沉接受沉積，堆積了厚度為500～1 000米的新近系、第四系松散堆積物。

黃河下游平原區(qū)依據(jù)含水層的埋藏深度和開采條件可分為淺層地下水、中深層地下水、深層地?zé)崴统顚拥責(zé)崴?/p>

淺層地下水指埋藏于地表80米深度內(nèi)的潛水，分布在黃淮海沖積平原區(qū)。中深層地下水指埋藏在80～350米深度的承壓含水層（組），是當?shù)毓I(yè)及生活用水的主要開采水源。深層地?zé)崴嘎癫厣疃仍?00～800米之間的地下水，此層水中鍶和偏硅酸含量較高，多為鍶、偏硅酸復(fù)合型飲用天然礦泉水，是地?zé)崴闹饕_采層。超深層地?zé)崴癫厣疃葹?00～1500米，水中偏硅酸和鍶的含量較高，為珍貴的地?zé)岬V泉水資源。

黃河下游沉降盆地新近系、古近系熱儲層分布面積約為8.5萬平方公里。新近系孔隙熱儲層的熱水總量為205806億立方米、每天可采資源量約為106.4萬立方米。古近系裂隙孔隙熱儲層的熱水總量68314億立方米、每天可采資源量約為18.2萬立方米。

黃河下游平原區(qū)地?zé)豳Y源成因類型

依據(jù)地?zé)崽锼幍拇蟮貥?gòu)造環(huán)境和地溫場成因機制，一般地?zé)崽锍梢蚩煞譃槌两蹬璧貍鲗?dǎo)型和隆起山地斷裂構(gòu)造對流型兩種基本類型。另外，在隆起山地向沉降盆地的過渡地帶存在受沉積盆地和斷裂構(gòu)造雙重作用控制的對流-傳導(dǎo)混合型。黃河下游地區(qū)地?zé)崽飳儆诔两蹬璧貍鲗?dǎo)型，熱儲介質(zhì)主要為新近系、古近系松散砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽巖，具有多層及面狀分布的特點。

一般地下熱水溫度達到100攝氏度，埋深需超過2500 米。如開27孔井，在3603米時獲105攝氏度的熱水，豫深1號井在3500米時獲113.3攝氏度的熱水。熱儲層具有層狀和帶狀之分，垂向上按其結(jié)構(gòu)組合，可分為單一熱儲結(jié)構(gòu)、雙層熱儲結(jié)構(gòu)和多層熱儲結(jié)構(gòu)三種組合類型。黃河下游沉降盆地一般由多個熱儲層相互疊加而成。

黃河下游地?zé)豳Y源勘查開發(fā)存在的問題

自20世紀50年代以來，在黃河下游平原區(qū)先后有地質(zhì)、煤炭、地震、石油等部門開展了地?zé)豳Y源勘查工作，基本查明在鄭州、開封、漯河、周口、濮陽、新鄉(xiāng)、商丘、鶴壁等地廣泛分布著低溫地?zé)豳Y源。目前最深的地?zé)峋疄?000米左右，位于鶴壁市新區(qū)，其溫度達73攝氏度，水中含有大量的二氧化碳和硫化氫氣體。近期鶴壁市政府擬建造5眼2800～3200米地?zé)峋M行集中供熱和化工原料的生產(chǎn)，現(xiàn)已完成3眼井的施工。20世紀90年代初，河南省地質(zhì)工程公司在開封縣建設(shè)了1750米地?zé)峋?，水溫?0攝氏度左右。其余大多數(shù)地?zé)峋疃仍?200米左右，水溫在42～58攝氏度，如鄭州市地?zé)峋?80余眼，開發(fā)深度小于1500米。初步查明，黃河沖積扇平原區(qū)熱儲層地?zé)崴畠Υ媪考s7.6萬億立方米。另外，該區(qū)域的地?zé)崴|(zhì)多數(shù)達到了鍶和偏硅酸天然飲用礦泉水標準?？傮w上說，黃河沖積扇平原區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)工作研究程度還較低。

（1）地?zé)豳Y源勘查研究程度低、開發(fā)深度淺。目前，地?zé)衢_發(fā)工程施工單位技術(shù)參差不齊，能夠真正承擔或具備地?zé)峋┕さ膯挝惠^少。由于管理上比較混亂，造成不管有沒有實力或設(shè)備，只要與鉆井業(yè)務(wù)有關(guān)的單位或個體幾乎都可以從事這方面的工程。這樣，造成一部分地?zé)峋谑褂脙扇昙闯霈F(xiàn)井管腐蝕破裂、出渾水、水量減小、水溫降低等問題。

現(xiàn)有的地?zé)峋疃戎饕?000～1500米，水溫也僅僅在40～58攝氏度之間。但是，據(jù)該區(qū)域的地?zé)豳Y料，有些地區(qū)的地?zé)釡囟瓤蛇_80攝氏度。

（2）沒有明確的發(fā)展規(guī)劃與目標，開發(fā)利用單一。黃河沖積扇平原區(qū)地?zé)峋慕ㄔO(shè)單位主要是政府、賓館、企事業(yè)單位和房地產(chǎn)商等，主要用于職工福利、溫泉洗浴、飲用和提高房地產(chǎn)的附屬賣點。目前，政府沒有實行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，沒有一個明確的思路和目標，所以，出現(xiàn)了地?zé)豳Y源開發(fā)與發(fā)展不均衡現(xiàn)象。主要表現(xiàn)在局部地區(qū)過于集中鉆井開采同一地層的地?zé)崴?，形成水位急劇下降；而大部分地區(qū)雖具備良好的地?zé)豳Y源卻沒得到很好的開發(fā)和利用，沒有形成一定規(guī)模和有效的開發(fā)。

（3）地?zé)豳Y源勘查與開發(fā)管理無序。黃河沖積扇平原區(qū)沒有進行過系統(tǒng)的地?zé)岬刭|(zhì)勘察研究，開采管理比較混亂，出現(xiàn)了亂開采、亂審批、亂收費等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致個別地區(qū)地下水位急劇下降和污染問題。在目前地下水資源承載力十分脆弱、存在飲用水安全問題的情況下，政府應(yīng)采取科學(xué)的措施來解決，對于沒經(jīng)過科學(xué)調(diào)研和充分論證的地?zé)衢_采井必須強行封井，并不再審批建井許可。若不加強管理而無序開采地下資源將會導(dǎo)致一系列的地質(zhì)環(huán)境問題。因此，在地?zé)豳Y源開發(fā)利用方面，急需形成一個統(tǒng)一管理、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一論證的模式和權(quán)威性的業(yè)務(wù)管理工作與決策機構(gòu)。

黃河下游地?zé)豳Y源的開發(fā)保護策略

黃河沖積扇區(qū)地?zé)豳Y源勘查與開發(fā)研究程度低，正確處理地?zé)豳Y源的開發(fā)與生態(tài)、環(huán)境與經(jīng)濟之間的關(guān)系，不能靠單一的行政指令封停或濫采，應(yīng)促使地?zé)豳Y源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展。

（1）建立地?zé)豳Y源開發(fā)統(tǒng)一管理體系。首先，應(yīng)加強地下水資源或地?zé)豳Y源行政主管部門的業(yè)務(wù)能力的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，只有自身具有較強的專業(yè)技術(shù)知識或業(yè)務(wù)能力，才能行使好職能部門的權(quán)力或為政府提供科學(xué)的決策依據(jù)。其次，加強統(tǒng)一管理和規(guī)劃，在所有地下水或地?zé)豳Y源開發(fā)利用前，做好前期論證和審批工作。最后，還要加強監(jiān)督管理和市場規(guī)范工作，完善地?zé)豳Y源開發(fā)管理法規(guī)。

（2）合理開發(fā)地?zé)豳Y源，正確處理地?zé)豳Y源開發(fā)引起的環(huán)境問題。熱水資源無序地“亂批、亂采、亂用”，會導(dǎo)致許多嚴重問題，如資源的浪費、地下水位下降、地面不均勻沉降、地裂縫、建筑物開裂或傾斜、地下水污染等。在地?zé)豳Y源勘查與開發(fā)工作中，應(yīng)樹立起“地下水資源的可持續(xù)發(fā)展觀”，科學(xué)合理處理“生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展”關(guān)系，必須制定地?zé)豳Y源開發(fā)利用的統(tǒng)籌規(guī)劃。

地?zé)豳Y源作為一種地下新型的能源，無論是在環(huán)保方面、成本方面還是水質(zhì)與水資源安全方面，其他的能源都無可比擬。地?zé)崴粌H可用作環(huán)保型的熱能源供暖、溫泉洗浴、種植與養(yǎng)殖，而且其水質(zhì)（飲用礦泉水）與地表水相比，具有巨大的優(yōu)越性。采用地?zé)豳Y源供熱供水，使得無鍋爐供熱的洗浴、房產(chǎn)等行業(yè)相繼出現(xiàn)。合理利用地?zé)豳Y源可保護生態(tài)環(huán)境、減少碳排放，如采用鍋爐供熱，每萬平方米面積取暖產(chǎn)生二氧化硫氣體4.26噸，煙塵7.11噸，垃圾413.8噸。如果采用地?zé)峁┡?，不僅避免環(huán)境污染，而且還省去燃煤費用、機械費用、人工投入，可大大降低供暖成本。北京市一套燃氣鍋爐的運行成本是每年40元/平方米，而地?zé)峁┡某杀臼敲磕?0元/平方米。

對于靠黃河為主要飲用水水源的鄭州、開封等城市，在黃河水出現(xiàn)污染或供水量不足的情況下，開發(fā)好地下深層熱水作為飲用水水源或供暖尤為重要。

（3）加強地?zé)豳Y源勘查與開發(fā)利用技術(shù)研究。在地?zé)豳Y源或地下水資源開發(fā)的同時進行勘查與開發(fā)利用新技術(shù)研究，進行“開采與回灌”聯(lián)合調(diào)度運行模式，即開采地下熱水資源的同時，同步實施地下水回灌，可有效防止地面沉降等環(huán)境問題發(fā)生?；毓嗨筛鶕?jù)不同情況，利用自來水公司的地表水或污水處理廠經(jīng)過處理并符合排放標準的水。另外，在開采地?zé)豳Y源時，要根據(jù)不同用途和現(xiàn)有井的數(shù)量，分不同層次和深度開采，避免在同一深度大量開采。

加大地?zé)徙@探設(shè)備投入和技術(shù)創(chuàng)新工作，目前地?zé)峋畬I(yè)施工設(shè)備主要是利用2000米以下的鉆井設(shè)備，并且都是正循環(huán)泥漿鉆進。無論在設(shè)備性能方面還是成井工藝方面都存在著一些問題，如鉆井深度能力差、效率低、成本高、地層污染嚴重。由于成井材料和工藝問題，導(dǎo)致地?zé)峋５氖褂脡勖停饕憩F(xiàn)在短期內(nèi)出現(xiàn)水量減小、涌沙或出混水，且產(chǎn)生管道腐蝕破裂等。因此，今后應(yīng)該繼續(xù)加大地?zé)徙@探設(shè)備的投入和技術(shù)創(chuàng)新工作。

（4）建立地?zé)崽锏脑u價和管理數(shù)學(xué)模型，并制定地?zé)豳Y源開發(fā)利用總體規(guī)劃。根據(jù)黃河沖積扇區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)條件，對地溫場、熱儲、地?zé)崃黧w、回灌試驗等進行研究，確定地?zé)崽锏臏囟?、熱儲條件、儲量、流體性質(zhì)和水化學(xué)類型，并建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。

由于地?zé)崃黧w中通常含有二氧化碳、硫化氫等氣體，特別是在高溫地?zé)崃黧w中這些氣體的濃度更大，因此廢地?zé)崃黧w的直接排放會造成熱污染和流體中有害組分的超標排放。若這些氣體處理不當，則會對大氣和環(huán)境造成污染。在新生界松散沉積層及半成巖熱儲層中開采地?zé)崃黧w還可能產(chǎn)生地面沉降等。這些問題的出現(xiàn)都會對環(huán)境造成一定的影響或破壞，因此在地?zé)豳Y源開發(fā)利用時，必須進行環(huán)境影響評價。

另外，還應(yīng)建立動態(tài)觀測網(wǎng)，嚴格進行地?zé)嵯到y(tǒng)水質(zhì)和水位的動態(tài)觀測工作，做好水量和水質(zhì)變化的預(yù)測工作，防止地下水水質(zhì)惡化和水量超采。在開采地?zé)豳Y源的同時，應(yīng)就水量和水質(zhì)變化規(guī)律、水井布局和井深的合理性等課題繼續(xù)進行研究。還應(yīng)進一步加強黃河下游地?zé)崴牡厍蚧瘜W(xué)作用和地?zé)崴h(huán)演化形成條件的研究，以及地?zé)崴侠黹_發(fā)利用技術(shù)的研究。