超采、不合理利用地熱資源引起的環(huán)境問題分析

江國帆

【摘要】超采、不合理利用地熱資源引起的主要環(huán)境問題有：地震、地面沉降、地熱資源枯竭、地熱水有害成份污染、地溫變化。同時提出了一些防治建議。

【關鍵詞】地下熱水；開發(fā)利用；環(huán)境問題；防治措施

Super mining， analysis of the environmental problems caused by irrational use of geothermal resources

Jiang Guo-fan

（Bureau of geology for nuclear industry of Jiangxi province 268 battalionYushanJiangxi334700）

【Abstract】This paper describes overdraft， irrational use of geothermal resources caused by main environmental problems： earthquake， ground subsidence， geothermal resources， geothermal water pollution harmful ingredients， temperature changes. And puts forward some suggestions.

【Key words】Geothermal；Exploitation；Environmental issues；Preventing and controlling measure

1. 引言

（1）中國是一個地熱資源豐富的國家，我國地熱資源占全球的7.3%，總能量為11×106EJ/每年，高溫地熱資源（熱儲溫度≥150°c）主要分布在藏西、滇北、川西、以及我國臺灣省。中低溫地熱資源幾乎遍布全國各省、市、自治區(qū)。地下熱水作為水資源，它廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、與人民生活，在工業(yè)生產(chǎn)上主要用于發(fā)電、紡織、印染、造紙、和皮革加工處理等，農(nóng)業(yè)上也有廣泛的用處，在溫熱帶地區(qū)用熱水育苗、育稻、灌溉農(nóng)田、可以提早成熟，甚至可以實現(xiàn)改單季稻成雙季稻，擴大復種面積，增加糧食產(chǎn)量，此外還可以利用地下熱水溫室種菜，可以把地下熱水應用于孵化、養(yǎng)魚、種植蔬菜、花卉、魚苗越冬以及農(nóng)產(chǎn)品的蒸餾、干燥等方面。

（2）在人民生活方面，地下熱水含有豐富的有用元素和組分，如：硒、溴、硼、鋰、鎂、鉭、氨、芒硝、鉀鹽、重水等，有時含量很高，有極重要的提取價值。因此，可以把地下熱水看成上各種成分的礦產(chǎn)，有的地下熱水含有不同數(shù)量的微量元素和氣體成分，有很高醫(yī)療價值，飲用或淋浴，可以治療多種疾病，如關節(jié)炎，一些皮膚病等。另外，還可以進行地熱采暖、地熱洗浴、游泳等。因此，地下熱水的綜合利用是大有作為的。但事物都是二方面的，有利也有弊，雖然地下熱水資源的利用十分廣泛，但由此而引發(fā)的一系列環(huán)境問題也不容忽視。

2. 地熱能的利用

2.1地熱能發(fā)電。

地熱能發(fā)電是我國地熱能利用的最重要方式，高溫地熱流體會首先考慮應用于發(fā)電。發(fā)電就是把地下熱量轉化成電能，它既不用鍋爐和燃料，又不污染空氣，也不象原子能那樣具有放射性，同時成本低廉。我國地熱發(fā)電始于20世紀70年代初，如：我國已經(jīng)于1970年在廣東省某地建起了第一座試驗電站，利用100°C左右的地下熱水，采用減壓擴容法進行發(fā)電成功，同時天津還試驗成功了中間介質(zhì)發(fā)電，利用60°C左右的地下熱水，河北懷來于1971年建立了我國第一座中間介質(zhì)（氯乙烷）地熱電站。目前我國地熱發(fā)電裝機容量在世界22個國家中排名第14名。

2.2地熱直接利用。

進入20世紀90年代，隨著環(huán)保意識的增強，我國地熱興起了直接利用新高潮，尤其在北方地區(qū)加大了以地熱供熱（采暖的生活用水）為主要開發(fā)力度，從而減少了有害氣體的排放，并取得了明顯的綜合效益。地熱直接利用要求地熱水溫度較低，中低溫度的地熱資源都可以直接加以利用。近年來，北方地區(qū)的地熱供暖，特別是城市供暖發(fā)展迅速，天津、北京、西安等地有在熱的城市申請開發(fā)地熱的企業(yè)越來越多。總之，我國中低溫地熱水利用已經(jīng)有采暖、育種育苗、花卉栽培、水產(chǎn)養(yǎng)殖、洗浴、醫(yī)療、孵化、養(yǎng)魚、游泳、皮革加工、食品加工等20余項，名目繁多。但是，在充分利用地熱資源的同時，也給環(huán)境帶來了負面影響。

3. 超采、不合理利用地熱資源對環(huán)境的影響

3.1地震。

地熱異常區(qū)多數(shù)是現(xiàn)代火山、近代巖漿活動地區(qū)或近代地殼運動活躍地區(qū)。地熱資源開發(fā)一般發(fā)生在自然斷裂通道和活斷層上，即地熱資源開發(fā)大部分在區(qū)域地震活動性強的地區(qū)內(nèi)進行。地熱水是地球整體的重要組成部分，具有緩沖地基巖石板塊應力的作用，并承受和分散地表壓力。在山脈地區(qū)和城市高層建筑密集區(qū)域，地表壓力尤其巨大，因此，該區(qū)域的地下熱水受到的破壞程度，將直接威脅到此類地帶的地理穩(wěn)定性。對地下熱水體的大規(guī)模開采和利用會造成淺表地下水體水位下降，而大氣降水的補充不一定能夠填補這方面的缺失。當?shù)責崴w被過度開采后，導致大地的穩(wěn)定性受到破壞，這將誘發(fā)地震。王衛(wèi)東等科學家研究了西安及其附近地區(qū)自1976年以來該區(qū)域的地震活動，得出西安地區(qū)的地下熱水過度開采引起了西安附近地區(qū)地震活動性明顯增強。

3.2地面沉降。

3.2.1引發(fā)地面沉降的原因有很多，從地質(zhì)因素看，自然界發(fā)生的地面沉降大致有下列3種原因（1）地表松散地層或半松散地層等在重力作用下，在松散地層或半松散地層變成堅硬或半堅硬巖層時，地面會因地表層厚度的變小而發(fā)生沉降，（2）因地質(zhì)構造作用導致地表凹陷而發(fā)生沉降，（3）地震活動導致地面沉降。從人為因素看，主要包括開采地下水、油氣、地表荷載增加等。造成我國地面沉降的原因主要是地下水的長期超量開采。在一些蘊藏大量地下熱水資源的沿海地區(qū)，多沉積巨厚的松散層，其顆粒較細，結構復雜，由于大量開采地下熱水，引起了孔隙水壓力降低，和有效應力的增大，致使含水層被壓縮，顆粒接觸面積增大，孔隙度縮小并釋水，與此同時，含水層的水則因減壓而有少量膨脹，孔隙度減小釋水，產(chǎn)生彈性變形，當含水層中的水壓恢復后，骨架能復原，只形成暫時性的地面沉降。粘土性空隙度大，孔隙微小，主要含結合水，當含水層與粘性土之間的水頭差足以克服水和顆粒之間的結合力時，水便從粘土層中排出，釋水時空隙被壓縮，使粘土礦物顆粒接觸面積變大，顆粒間發(fā)生相對位移，孔隙結構被破壞而發(fā)生塑性變形。當含水層水壓恢復后，只能使粘土層壓縮的孔隙中水壓升高，從而其孔隙度、給水度、滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)不能恢復到原始狀態(tài)，形成永久地面沉降。地下熱水開采量逐年增加，抽取地下熱水引起的水位下降，地層孔隙水壓力減小，有效應力增加，降低了地下水的向上的浮托力，含水層厚度因上覆荷載的壓力而變小，逐慚壓縮壓實，從而使原來的一個穩(wěn)定的受力平衡得到破壞，為了得到新的平衡，地面就產(chǎn)生了相應的能量輸出，必然引起地面沉降。比如：大量抽取地下熱水，會導致局部范圍的地面下沉，帶來道路毀壞，地下管道破裂、水利設施和地面建筑物破壞的后果。

3.2.2新西蘭陶波湖北部的懷拉基地勢發(fā)電部，因耗費了大量的地下熱水而發(fā)生地面下沉，下沉范圍直徑約1000米，自1958年以來已下沉6米，平均每年下沉約15厘米。我國天津市有三個地熱區(qū)，也出現(xiàn)了地面沉降，有的下沉超過1米。福州市在60年代地面沉降量小于20mm/a，70年代地面沉降量在25～33mm/a之間，到了二十世紀八十年代地下熱水抽取量不斷增加，到了90年代初已經(jīng)大大超過規(guī)定最大開采量9800m3 /d，地下熱水抽取量的增加又得不到及時補償，形成抽取量與補償量之間的差額，因此水位下降漏斗迅速形成，地面沉降量也增至50mm/a。

3.3地熱資源衰竭。

地熱資源和別的資源一樣，不是取之不盡用之不竭的，過度不合理的取用熱儲層的地下熱水靜儲量資源，支出大于收入造成熱儲層的地下熱水嚴重虧損，地下熱水水位下降是它的外部表現(xiàn)，熱儲層的地下熱水資源衰竭才是它的本質(zhì)。而地下熱水的衰竭是一個難以彌補的損失。如：美國得克薩斯州和新墨西哥州高原的奧格拉拉地下熱儲層的地下熱水，可采地下熱水量300億立方米，截止1981年已經(jīng)抽取了60億立方米，每年抽取6～12億立方米，抽取量超過了天然補給量50倍以上，據(jù)估計，即使停止抽水，依靠天然補給也要幾千年才能恢復。

3.4地熱水有害成份污染。

地熱水的形成一般為大氣降水經(jīng)過地下深部循環(huán)，與圍巖進行化學物質(zhì)交換，圍巖中的各種化學組分進入水體，使地熱水中含有對環(huán)境有害的常量成分、微量成分及放射性成分，包括H2S、CO2、鉛、砷等。在開發(fā)利用地熱水時，不僅破壞了天然的水量均衡，有時也破壞了天然的水質(zhì)均衡（鹽均衡），使之朝差的開采的方向發(fā)展。如果鹽均衡朝著水質(zhì)淡化的方向發(fā)展，水質(zhì)一般不會發(fā)生變化，如果鹽均衡朝著水質(zhì)咸化某些有害成分不斷積累的方向發(fā)展，而且這種發(fā)展超過允許的限度時，就會導致嚴重的水質(zhì)惡化。

地下熱水水質(zhì)惡化的原因：

（1） 由于過量開采地熱水，使水動力條件發(fā)生變化，導致不同含水層發(fā)生水力聯(lián)系，好水和壞水發(fā)生混合，引起水質(zhì)惡化。

（2） 由于開采地下熱水出現(xiàn)了新的補給源，如果新的補給源的水質(zhì)不好，滲入補給開采層后，可使流向開采井的地下熱水水質(zhì)惡化。

（3） 濱海地區(qū)或內(nèi)陸瀕臨咸水區(qū)大量開采淡水，由于咸水入侵導致水質(zhì)惡化。尤其是在咸水區(qū)內(nèi)開采淡水透鏡體的地下熱水時，若開采水位下降過深，則將嚴重破壞地熱水和咸水之間的平衡狀態(tài)，導致地熱水咸化。

（4） 開采井的工藝不合理，沒有對水質(zhì)不良的含水層采取止水封閉措施或封閉不嚴密，導致地熱水和壞水混合，使水質(zhì)變壞。

（5） 取水工程材料的腐蝕作用也可以使地熱水水質(zhì)變壞。如：水中的氫離子與井管或過濾管的鐵發(fā)生置換反應，產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象，使水中的鐵質(zhì)增加，地熱水水質(zhì)變壞。

3.5地溫變化。

3.5.1通常地溫隨著深度的增加有明顯的規(guī)律性變化，隨著深度的增加，溫度也越來越高。在較淺的地層內(nèi)，地熱增溫級增幅比較明顯，在中深部地層內(nèi)地熱增溫級增幅相對較小，并且隨著深度的增加，溫度增加的速率在逐漸變慢，地熱增溫級逐漸變大。在淺表的地層中，地下水的運動對淺表地層的地溫變化起著決定性作用。當降雨滲入地下并形成地下逕流時，地下水對淺表地層起降溫冷卻作用，形成近地表地層低溫區(qū)或低溫帶。當水在近地表運動時，由于其導熱率或熱容量都很大，極容易影響和控制巖土層的地下溫度，對地溫變化起決定性作用，使地溫保持在一個比較低的溫度水平上，并且處于動態(tài)平衡。當?shù)叵滤珊?，由于地下水水位的大幅下降，會使上覆的松散巖土層因失去水這個冷卻劑而形成采空區(qū)，并且打破原來的水溫和地溫的動平衡，使地溫升高。據(jù)調(diào)查，由于地下水位的大幅下降，無水地層的溫度一般升高3°～5°，最高可達10°。

3.5.2地溫變化可能引起很多問題：（1）在一些地區(qū)由于平均地溫春、夏、冬普遍升高，在冬季一些越冬害蟲的繁殖能力成倍增加，蟲害明顯增加。如南方的煙草根結線蟲，本來在冬季越冬基數(shù)很小，活動也受到一定的限制，在地溫增加的情況下，可以大量繁殖，（2）近地表地溫的上升，也會進一步加速擴散土層的干燥過程，在地下水被疏干的地層中，土的含水量急劇下降。在干旱季節(jié)蒸發(fā)能力增強，這對北方干旱平原區(qū)來說本來就干旱的土層更加不利，使土層中的一些作物生長所需的微生物失去活力，同時降低了土壤和土層中的有機肥料的含量，影響農(nóng)作物的生長。

4. 建議和防治措施

合理開發(fā)利用和保護地熱水資源，保障地熱水資源的可持續(xù)利用，可以采取相應的措施：

（1）成立領導和管理地熱水資源的統(tǒng)一組織機構，加強管理，建立健全合理的開采制度，對開采地下熱水企業(yè)必須要擬定出地下熱水資源定時、定量開采和限制開發(fā)深度，免于枯竭和污染的措施，否則禁止設計、施工和投產(chǎn)。在集中開采區(qū)加強對地熱水開采動態(tài)的監(jiān)測及對地熱水情況的預報工作。

（2）擴展新的開采層：在水文地質(zhì)和經(jīng)濟技術條件許可的情況下，可在水源地范圍內(nèi)增加新的開采層或新建水源地，減少原有取水工程的開采量，以控制地熱水水位下降。

（3）對好的地熱水和壞水相間的含水層要采取分層開采，成井時要做好嚴格有止水工作。

（4）合理控制地熱水的開采量和水位降深，避免奪取水質(zhì)不良的地表水或相鄰地下水。對開采區(qū)和降落漏斗范圍內(nèi)工業(yè)廢水和生活污水的排放渠應采取防滲措施。

（5）在瀕臨咸水區(qū)的地熱水區(qū)打井時，應注意選擇合理的井距、開采量和水位降深，防止咸水倒灌。

（6）根據(jù)地熱水水質(zhì)采用不同的耐蝕材料。

（7）本著綜合利用，興利除害的原則，加強對工業(yè)"三廢"的治理是防止地熱水污染的根本辦法。

（8）城市建設必須充分考慮地熱水區(qū)水文地質(zhì)條件，全面規(guī)劃，合理布局。新建或擴建供水熱水源地應該盡可能選在地熱水上游的補給區(qū)，對于易引起污染的工廠、企業(yè)應盡可能布置在遠離地熱水源的下游區(qū)。

（9）建立地下水監(jiān)測站網(wǎng)，進行地熱水動態(tài)（尤其是水質(zhì)動態(tài)）長期觀測，開展對地下熱水污染的調(diào)查研究，以便及時發(fā)現(xiàn)問題和采取措施。

（10）加強對地熱水資源的保護和管理。

（11）對于熱污染，盡量采用梯級多次利用熱資源，提高熱水的利用率，降低排放熱水的溫度，也可以通過回灌的辦法，但需對尾水進行處理，使之符合回灌水的水質(zhì)要求，不造成二次污染。

（12）綜合開發(fā)利用，提高地熱水資源利用技術和利用水平，合理規(guī)劃井點，優(yōu)化開采模式。

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[作者簡介] 江國帆（1963.10-），男，職稱：工程師，工作單位：江西省核工業(yè)二六八地質(zhì)大隊從事水、工、環(huán)工。