西安市地下熱水資源可持續開發利用的瓶頸問題研究

馬致遠,豆惠萍

(長安大學環境科學與工程學院,陜西 西安 710054)

西安市地下熱水資源可持續開發利用的瓶頸問題研究

馬致遠,豆惠萍

(長安大學環境科學與工程學院,陜西 西安 710054)

地熱水既是一種寶貴的自然資源,又具有典型的稀有性和難以再生性。在大力提倡低碳經濟,節能減排,積極應對全球氣候變暖的今天,既要利用地熱水資源,又要重視地熱水資源的可持續性。西安市的地熱資源得天獨厚,具有分布廣,儲量大,溫度高,水量豐,水壓大,水質優等顯著特點。是大自然饋贈西安人民的十分珍貴的清潔能源。用得好,可為西安人們造福,可讓子孫后代受益,為西安經濟率先發展服務。用不好,可使水源枯竭,水質污染,地面沉降,后患無窮。本調研在扎實研究的基礎上,針對我市地下熱水開發中的一些制約可持續開發的關鍵問題開展深入調研,并提出了我市地下熱水可持續性開采的對策和建議。

地下熱水;可持續利用;低碳經濟;熱水回灌

1 現狀及問題

西安市地熱資源具有分布廣(圖 1),儲量大(西安市區及臨潼區、長安區部分地區約 1 286 km,區域內埋深 1 000～3 000m的第三系熱儲層地熱水可開采量達 9.23億 m3,其中西安城區 466 km范圍內第三系第二至第四熱儲層地熱水可開采量為 2.45億 m3),溫度高(118℃),水量豐(地下熱水單位面積可采量是天津的 2.3倍,是北京的 1437倍),水壓大(井成井時大部分為自噴井,西北郊進豐村小區地熱井最高關井壓力為 1.72兆帕,自噴達 172 m),水質優,(熱水中富含多種對人體有益的微量元素和化學成份。在已建成的熱水井中,氟、鍶、碘、氡、偏硅酸、偏硼酸、偏砷酸、硫酸等有益組分和微量元素 5～7項達到有醫療價值濃度,2-3項達到礦水命名,屬優質醫療熱礦水)等顯著特點[1-2]。

上個世紀 90年代以來,西安地熱資源的開發利用逐漸興起,至 90年代末形成高潮。轉入市場經濟后,企事業單位及開發商們忽然發現投資地熱是項很賺錢的事業。于是,地熱旅游、保健休閑和以地熱供暖的房地產開發熱潮迭起,方興未艾。至今西安地區(包括西安各郊縣)熱水開采井數達二百余眼[2-3]。

西安熱井的分布密度很大。截止 2008年西安市包括長安、周至、藍田、臨潼、戶縣共成井 205眼。西安 市區內分布約 107眼,主要分布三環以內。市區平均 10 km2就有一口熱水井,其中東大,藍田地區井位最為密集,東大在 18 km2范圍內分布著 25眼地熱井;藍田湯浴鎮 500 m范圍內開采熱水井 7眼。嚴重超出合理布井 km數(1～1.5 km2一眼井)。

隨著開采井數不斷增加,熱水井取水深度加大,開采量逐年攀升,地下熱水降位漏斗迅速擴展,平均下降 20m/年,平均累計下降幅度已 500 m,最大累計下降幅度已達 700 m(東湯裕),熱水開采量已衰減過半,水溫下降 30%以上。西安城區及長安區已有多眼熱水井在使用 5～7年后枯竭。據相關部門測算,西安地下熱水,若合理開發利用可用 20年,若掠奪式無度開采,僅可使用 5～10年[4-5].

西安市地熱資源開發中的主要問題有:

(1)熱水的盲目開發,導致水位水壓水溫持續下降嚴重

西安市地下熱水水頭值較其初始水位埋深都有不同程度的下降。一般下降幅度在 65～200 m之間,最大下降224.60m。由于城區內開采層段過于集中,形成以第四醫大、測繪學院和西光廠為中心的水位降落漏斗,最大水位下降幅度達 246.5 m。這些漏斗區局部改變了地熱水的流向(地熱水由四周流向降落漏斗),降落漏斗形成區也是西安市地面沉降幅度和地裂縫活動顯著的地區。

圖1 西安市地熱井分布略圖

圖2 西安凹陷地下熱水水頭降深等值線圖

圖3 西安電子正街唐園小區XR 046地熱井水頭歷時曲線圖

西安市的水溫也呈逐年下降的趨勢,年平均變幅主要集中在 -0.45到 -1.06℃/a,開采年限超過 10年的地熱井,水溫下降幅度均超過 5℃,個別地熱井(西安省委 8號院XR 051)下降幅度甚至達到 16℃。

(2)地熱資源開發利用水平低,回灌滯后

西安市 95%以上的地熱井是用于洗浴。相當一部分天然溫泉水沒有被充分利用,井采地熱水回收率低。有些尾水的排放溫度甚至達到 60℃～70℃,水質達到熱礦水標準。大多熱水單一利用后就排放掉,大量高溫、高礦化度地熱水資源被浪費,還由此產生了周圍環境和地下水的熱污染和化學污染。在一些采取直供、直排供暖方式的單位,其熱能利用率僅為 20%～30%,嚴重浪費了地熱資源。

西安地區地下熱水的開采基本上是在消耗地下熱水系統的儲存資源。雖然每年在非采暖期由于停采或減少開采量使水位有所恢復,但一般已恢復不到上一年的水平。地下熱水水位的大幅度持續下降,可造成地表采暖設施效率下降,并對地表出現地面沉降等環境負效應及誘發地震等有重要影響。熱水回灌是減緩地熱水井水位下降速率,延長地熱水井的使用壽命的最佳途徑,只有適度開發,實施人工回灌,才能使地下熱水資源獲得部分恢復,實現可持續利用。

西安的地下熱水的回灌工作也處在實驗階段,僅有二、三眼回灌井。地熱流體回灌量與開采量之間存在巨大差距,熱水回灌工作滯后。其原因有二:一,由于西安市熱儲埋藏深度大,壓實性強,回灌有一定難度。如僅有的西安工程技術學院地熱井回灌量只有 25～32 t/h。曲江春曉苑回灌井回灌量也只有 27 t/h,且時斷時續。其二,政府職能部門及熱水用戶對回灌認識不足,資金不到位,研究實驗工作滯后。三是因為熱水回灌成本大,收益小,收益者不僅僅是熱水用戶本身,熱水用戶進行回灌積極性不高。

表1 西安,天津,北京地下熱水回灌現狀對比表

(3)地熱資源的不科學利用導致環境問題

地熱水利用的環境問題包括熱污染和化學物質污染。由于回灌工作實施不到位,大多數熱水利用后被直接排入了下水道隨居民生活污水一起進入城郊排水管網系統,后大部分同工業用水一起排入渭河。因為這些熱水只經過單一利用,溫度多在 40～50℃甚至更高直接排入下水道會造成各種微生物和細菌大量繁殖,從而造成地表水的污染。

其次因為地熱水的化學成分復雜,含有較高的礦物質和重金屬成分。西安地區地熱水中 F,偏硼酸(HBO2)、溶解性固體、礦化度、總硬度等含量較高,均超過飲用水、灌溉水水質標準,前兩項超過礦水命名標準,且鹽類含量普遍較高[27]。利用后其棄必然會給環境帶來污染。

(4)地熱資源管理體制不順、職責不清,對地熱資源可持續開發利用的監督管理力度不夠。

地熱資源應由國土資源地礦行政主管部門統一管理。但 2002年初至今我市地熱水開發由水務部門管理。由于業務不對口,相關部門把地熱資源混同于普通水資源進行管理,致使西安市地熱水開采的管理比較混亂,而對地熱資源的科學開采和合理利用方面的監管不力。缺少開發利用規劃,尚未建立系統的開采動態監測工作。西安城區僅有小部分熱水井開展了動態監測,長安,臨潼等地區基本未進行熱水井開采動態監測工作,為今后的地熱資源管理和研究造成困難。由于相關部門疏于管理,西安市部分地熱回灌試驗井已被改為開采井使用,致使相鄰開采同一熱儲的地熱井水位急劇下降,導致地熱井報廢。

2 對策與建議

(1)重視熱水資源的可持續利用,政府及其職能部門在科學發展觀學習實踐活動中應充分認識科學、可持續開發地熱資源的重要性,重視地熱水資源的可持續性利用中出現的問題,下大力氣,投入有效資金,以熱水回灌補給為平臺切實解決地熱水的可持續利用中的問題,為加速以西安為龍頭的關中帶地熱旅游帶的建設,拉動西安經濟率先發展提供保證。

在此基礎上,對熱水的科學利用立法。我們國家在熱水資源的開采和利用方面的法律還不完備,管理還有些混亂。特別是熱水的回灌,因為回灌本身不產生經濟效益,如果進行回灌立法,政府對實施回灌用戶給予資金補助,則可在政策層面上保證回灌工作的制度化,常態化。

(2)建議政府進行西安地下熱水補給及可更新問題的專項研究,提高西安市地熱資源勘查和環境評價精度,進一步查明地下熱水的來源及運移機制,為西安地下熱水開發戰略的制定提供依據。

建立西安市地熱資源的監測和評價機制。檢測評價機制的設置有兩方面的意義。一是可以檢測井田的水溫水壓以及降深的變化趨勢,以便于及隨時采取必要的措施保持熱水的可持續利用。二是可以為熱水研究提供完整的資料。由于有些地熱動態監測孔布局和檢測設施不完善等原因,造成動態監控檢測資料不全或不完善。現有的熱水資料有限,大都是一個階段的調查資料,缺少連續性和精確性。這使得對資源的的可更新性及其他屬性的變化的評價缺少依據。

(3)重視熱水資源的可持續利用加強新技術新方法的研究。西安市對地熱回灌可行性及新型技術方法的理論研究十分薄弱,地熱回灌地質條件及新型技術方法的理論研究尚未引起我市相關部門高度重視,需設立專項資金,加強研究力度。從現有資料表明,西安地下熱水的熱儲層屬于地壓型半封閉地質構造,熱儲層地壓大,回灌難度大,回灌率不高。在地壓地層進行回灌新技術方法成為回灌成敗的關鍵。加大地熱回灌地質條件及新型技術方法的理論研究的資金投入,設立地熱回灌技術方法研究專項資金勢在必行。建議政府相關部門保證回灌資金投入,組織技術力量赴天津等地兄弟城市取經,同時積極開展與美國、冰島、新西蘭等國家的技術交流,加速實現對口井開采。

(4)加強政府管理。建議由政府統一管理地熱資源,從井位選擇、開采層段設計、開采用途、動態監測,均設置完善的制度;其次對地熱資源利用率高的單位實行政策優惠,將開發利用率高的單位作為示范推廣。對早期開發的地熱井,要加快相關設備的升級改造,減少資源浪費損失,提高對地熱的熱能利用水平,降低尾水溫度,開展尾水利用,達到梯級利用綜合開發的目的,對新開發單位,在申請開發時要研究制定綜合開發方案報管理部門審查。

建議扶植提高熱水梯級利用,綜合利用水平高的相關項目,建立地下熱水綜合利用示范項目,改變地熱資源的單一利用狀況。學習國內外綜合利用地熱資源經驗,把供暖、洗浴后的水用于回灌、養殖、提高地下熱水綜合利用水平.

[1]中國地質調查局,我國地熱資源及其開發利用報告 2006.01

[2]陜西省地礦廳《西安地熱普查報告》1996.08

[3]陜西省關中盆地地熱資源調查評價項目工作進展報告,2006.10

[4]馬致遠,王心剛等,陜西關中盆地中部地下熱水 H、O同位素交換及其影響因素。地質通報。2008.6 Vol.27,No.6:888-89

[5]蘇艷,馬致遠西安、咸陽地下熱水氘過量參數研究 《煤田地質與勘探》2007(3)39-42

[6]馬致遠,余娟等,關中盆地地下熱水環境同位素分布特征及其水文地質意義地球科學環境學報 2008.6 56-62

[7]馬致遠,錢會,蘇艷,范基嬌.關中盆地南部含水層之間相互關系的環境同位素水文地球化學證據,《地球科學與環境學報》,2006(3);69-75

[8]Ian D.Clark,Peter Fritz.Environmental Isotopes in Hydrogeololgy[M].New York:Lewis Publishers.1997:208-225.

[9]馬致遠,范基嬌,蘇艷,牛光亮.關中南部地下熱水氫氧同位素組成的水文地質意義.地球科學與環境學報.第 28卷第 1期,2006.1:41-47.

[10]陶書華.1995.西安附近地下熱水的形成.水文地質工程地質,(5):6-11

[11]秦大軍,龐忠和,Jeffrey V.TURNER,翁修榮,趙耀東,徐小麗,劉濤.西安地區地熱水和渭北巖溶水同位素特征及相互關系[J].巖石學報,2005(5).34-39

[12]馬致遠范基嬌 牛光亮。關中地區地下熱水的分類,《煤田地質與勘探》,2005(5):54-57

[13]馬致遠環境同位素方法在西北巖溶地下水研究中的應用,《地質論評》,2004.(3)78-83

[14]馬致遠,錢會.《環境同位素地下水文學》[M].陜西科技出版社,2004.10.

[15]Zhiyuan Ma,Fang Liu,Yan Su,WendiWu.,Feng Li Genxu Mu Isotope Constraintson Rock-Water Reaction of GeothermalW ater in Guanzhong Basin,Shaanxi,China Proceeding of in ternational water-rock reaction 2007 Taylor and Francisgroup,London,ISBN 978-0-41545136-9 763～766

[16]Zhiyuan Ma,Yinkang Zhou,Matthias Hinderer,。Environmental I-sotope Study on Recharge and groundwater residence time in a Covered Ordovician Carbonate Rock,《The proceedings of Tenth Multidisciplinary Conference on Sinkholes and the Engineering and Environmental Impacts of Karst》,U.S.A 2005.9

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[18]MA Zhi-yuan,Wu Wen-di,FAN Ji-jiao SU Yan Environmental Isotopes Study on Geothermal Water in Guanzhong Basin,Shaanxi Province Jou rnal Of Ch ina University O f Minging and Technology 2007.(2):45-49

[27][2]金海峰,張益謙.西安地下熱水開采現狀與合理開發利用探討[J].地球科學與環境學報,2004,26(3):40～43.

Research of the Ground Geotherm alW ater Resource in Xi'an City and its Sustainable Use

M A Zhi-yuan,DOU Hui-ping

(Environmental Engineering department of Changan University,Shann'XiX i'an 710054)

The warm groundwater is a p retty p ressure nature resource with the typical characteristics of rare and non-renewable.Today in the atmosphere of high ly advocating low carbon economy,Energy-saving and em ission-reduction,and positive ly face up with the Global Warm ing prob lem,it is important to use the warm groundwater resource sustainab ly.The warm groundwater resource in X i'an is pretty abundant.It has the Characteristics ofhigh temperature,high pressure,and big quantity and so on,It is a gift from nature for xi'an people.If it is used properly,itwill begood for the development of the city's econom ic and bring benefit to xi'an people and its O ffsp ring.But if it is imp roperly used,itwill cause a lot of environment problem such as the exhaustion ofwater sources,the pollution of the water resource,ground subsidence and so on.In this research,we have investigated and studied the Key issue which constrains the warm groundwater's sustainable exploitation and use in Xi'an,and have also brought up some suggestions and solutions.

ground geothermal water;sustainable use;low carbon econom ic;warm water in filtration

P641.8

A

1004-1184(2011)01-0041-03

2010-09-21

馬致遠(1956-),女,天津市人,教授,主要從事水文地質教學及研究工作。