黃河下游平原區地熱資源開發利用對策

宇 潔，朱衛民，王現國

(1.河南省欒川地質礦產局，河南洛陽471500;2.河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南鄭州 450053)

1 地熱地質條件概述

黃河下游沖積扇(河南部分)屬中朝準地臺的南部，二級分區則為華北臺坳的中南部，西為山西臺隆、華熊臺緣坳陷、嵩箕臺隆;東南為魯西中臺隆。坳陷區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，華北坳陷與相鄰構造單元為統一整體，地質構造特征基本相似。燕山運動以后，西部隆升，本區下沉，形成坳陷。坳陷內燕山運動晚期-喜馬拉雅運動早期，由于基底構造及斷裂活動影響，作不均衡下沉，形成一系列次級斷(坳)陷盆地和斷塊隆起。以新鄉-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，由于近東西向基底構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;隆起區缺失侏羅紀，古近系厚度可達5 000 m以上。古近紀以后，本區繼續大幅度下沉接受沉積，堆積了厚約500～1 000 m以上的新近系、第四系松散堆積物。

根據黃河下游沖積扇(河南部分)平原區第四系及其下伏的新近系有如下特征:新近系發育齊全，自下而上為:(1)館陶組(Ng):底板埋深開封1 685 m，鄭州1 000～1 200 m;(2)明化鎮組(Nm):厚990 m左右。第四系可分為(1)下更新統(Qp1)，黃河下游地區均有分布，厚度較大，一般80～200m，坳陷中心厚度大于200 m，成因類型主要為冰水、沖積及沖湖積、湖積等;(2)中更新統(Qp2)，該層厚度較大，一般40～60 m，最厚可達100余 m。(3)上更新統(Qp3)，區內普遍分布著黃河堆積物，厚度較大，一般30-50 m，坳陷(斷陷)中心可達60m以上;(4)全新統(Qh)，該套地層在區內較發育。其厚度在隆(凸)起區較薄，一般10～20 m，其它地區均在20～30 m之間，開封凹陷最厚可達40余米。堆積物主要為黃土物質經黃河搬運堆積而成。

根據區域地熱地質資料，湯陰斷陷地溫梯度2.5～3.00 C/100m，構造部位達3.50 C/100m;內黃隆起地溫梯度3.0-3.50 C/100m，由南向北地溫梯度逐漸降低;東明斷陷地溫梯度 2.25 ～2.750 C/100 m;埕寧隆起地溫梯度 3.0 ～3.50 C/100 m，局部小于3.00 C/100m;濟源-開封坳陷地溫梯度2.5 ～3.00 C/100m，開封以東大于 3.00 C/100m;通許隆起地溫梯度2.5～3.00C/100m，中部高，東西兩側略低，構造部位達4.00 C/100m;周口坳陷地溫梯度 2.5 ～3.00 C/100m，西部低，東部高。

2 地熱資源勘查開發現狀與存在問題

2.1 地熱資源勘查與開發現狀

自二十世紀五十年代以來，先后有地質、煤炭、地震、石油等部門開展了地熱資源勘察工作，基本查明在鄭州、開封、漯河、周口、濮陽、新鄉、商丘、鶴壁等地廣泛分布著低溫地熱資源，目前最深的地熱井為3 000 m左右，位于鶴壁市新區，其溫度達73℃左右，并含有大量的CO2和H2S氣體，目前鶴壁市政府擬建造5眼2 800～3 200 m地熱井進行集中供熱和化工原料的生產，現已完成3眼井的施工，其次是20世紀90年代初在開封縣由河南省地質工程公司負責實施的1 750 m地熱井，其溫度70℃左右。其余大多數地熱井深在1 200 m左右，溫度在42～58℃之間，如鄭州市地熱井180余眼，開發深度小于1 200 m。其水質多數達到了鍶和偏硅酸天然飲用礦泉水標準。總體上說，黃河沖積扇平原區(河南部分)地熱地質工作研究程度較低。初步查明熱儲層地熱水儲存量約 7.6 萬億 m3。

2.2 地熱資源勘查與開發中存在的主要問題

2.2.1 勘查研究程度低與開發深度淺

地熱開發工程施工單位技術參差不齊。實際能夠真正承擔或具備地熱井施工的單位為數不多。由于管理上比較混亂，造成不管有沒有實力或設備，只要與鉆井業務有關的單位或個體幾乎都可以從事這方面的工程，所以，地熱井相當一部分在使用不到兩三年即出現井管腐蝕破裂、出渾水或砂、水量減小、水溫降低等問題。

現有的地熱井主要在1 000～1 200 m左右，水溫也僅僅在40℃ ～58℃之間，開發深度淺。據區域地熱資料顯示，有些地區的地熱溫度可達70℃ ～80℃。

2.2.2 沒有明確的發展規劃與目標，開發利用單一

黃河沖積扇平原區地熱井的建設單位主要是政府、賓館、企事業單位和房地產商等，主要用于職工福利、溫泉洗浴、飲用和提高房地產的賣點。目前，政府沒有實行統一的規劃和管理，理沒有一個明確的思路和目標。所以出現了地熱資源開發與發展不均衡現象。主要表現在局部地區過于集中鉆井開采同一地層的地熱水，形成水位急劇下降;而大部分地區雖具備良好的地熱資源卻沒得到很好的開發和利用，到目前為止還沒有形成一定規模和有效的開發。

2.2.3 地熱資源勘查與開發管理無序

黃河沖積扇平原區沒有進行過系統的地熱地質勘察研究，開采管理比較混亂，出現了亂開采、亂審批、亂收費等現象，從而導致個別地區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的情況下，普遍存在飲用水安全問題的情況下，政府采取科學的措施來解決，在沒有科學調研和充分論證基礎上強行封井和不再審批所有建井許可(同時包括地熱井)。若不加強論證和管理而無序開采地下資源將會導致一系列的地質環境問題，因此在地熱資源開發利用方面，急需形成一個統一管理、統一規劃、統一論證的模式和權威性的業務管理工作與決策機構。

3 地熱資源的勘查與開發保護

黃河沖擊扇區地熱資源勘察與開發研究程度低，正確處理地熱資源的開發與生態、環境與經濟之間的關系，不能靠單一的行政指令封停或濫采，使之協調發展。

3.1 建立地熱資源開發統一管理法規措施

首先加強地下水資源或地熱資源行政主管部門的業務能力的學習和培訓，只有自身具有較強的專業技術知識或業務能力，才能行使好職能部門的權力或為政府提供科學的決策依據;其次是加強統一管理和規劃，在所有地下水或地熱資源開發利用前，做好前期論證和審批工作;加強監督管理和市場規范工作，建立地熱資源開發統一管理法規措施，因為地熱開發是一個地下工程，其工程質量的好壞直接與使用壽命和最大效益的發揮有關，杜絕無施工能力或技術實力較差的單位進行地熱工程的施工。

3.2 合理開發地熱資源，正確處理地熱資源開發引起的環境問題

熱水資源無序的“亂批、亂采、亂用”，則會導致許多的問題和后果，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。在地熱資源勘察與開發工作中，樹立起“地下水資源的可持續發展觀”，科學合理處理“生態、環境、經濟發展”關系，地熱資源的開發利用統籌規劃。

地熱資源作為一種地下新型的能源，無論是從環保方面、成本方面還是在水質與水資源安全，其他的都無可比擬。地熱水不但可作為一種環保型的熱能源供暖、溫泉洗浴、種植與養殖，而且其水質(飲用礦泉水)與嚴重污染的地表水相比，顯示出巨大的優越性。采用地熱資源供熱供水，而無鍋爐供熱的洗浴、房產等行業相繼出現，使生態環境得到了較好的保護，如采用鍋爐供熱，每萬平方米面積取暖，在取暖期內產生 SO2氣體 4.26 t，煙塵 7.11 t，垃圾 413.8 t;如果采用地熱供暖，不僅避免環境污染，而且還省去煤、機械費用、大量的人工投入，并且還可大大降低供暖成本，如北京市一套燃氣鍋爐的運行成本是40元/(m2.a)，而地熱供暖的成本是20元/(m2.a)。對于靠黃河為主要飲水的鄭州、開封，在黃河水經常出現嚴重污染和斷流的情況下，水資源安全受到嚴重威脅條件下，以地下深層熱水作為飲用水源或供暖，顯得尤重要和迫在眉睫。

3.3 加強地熱資源勘察與開發利用技術研究

在地熱資源或地下水資源開發的同時進行勘察與開發利用新技術研究，進行“開采與回灌”聯合調度運行模式，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境問題發生。回灌水可根據不同情況，利用自來水公司的地表水或污水處理廠經過處理并符合排放標準的水。另外，在開采地熱資源時，要根據不同用途和現有井的數量，分不同層次和深度地開采，避免在同一深度開采。

尋求新的地熱水資源，根據地熱地質條件推斷和預測，在鄭州、開封、周口、漯河等地，在1 500～4 000 m之間具備較好的熱儲條件和豐富的地下水資源，其溫度預計可達70～100℃。

加大地熱鉆探設備投入和技術創新工作，目前在地熱井專業施工設備方面主要是2 000 m以下的鉆井設備(石油系統除外)，并且都是正循環泥漿鉆進。無論是設備性能方面還是成井工藝方面都存在著一定問題，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，導致地熱井正常的使用壽命低，主要表現在:短期內出現水量減小、涌砂或出混水、并管腐蝕破裂。所以，今后應該繼續加大地熱鉆探設備的投入和技術創新工作。

3.4 建立地熱田的評價和管理數學模型和制定地熱資源開發利用總體規劃

根據黃河沖擊扇區地熱地質條件，對地溫場、熱儲、地熱流體、回灌試驗等進行研究，確定地熱田的溫度、熱儲條件、儲量、流體性質和水化學類型，并建立相關的數學模型。為地下資源保護與合理開采布局提供科學的依據。

由于地熱流體中通常含有CO2、H2S等凝氣體，特別是在高溫地熱流體中其濃度更大，另外，廢地熱流體的直接排放會造成熱污染和流體中有害組分的超標排放。如果處理不當，則會對大氣和環境造成污染;在新生界松散沉積層及半成巖熱儲層中開采地熱流體可能產生地面沉降等。這些問題的出現都會對環境造成一定的影響或破壞，地熱資源開發利用時，必須進行環境影響評價。

4 結論

黃河水資源是我國西北、華北地區的主要水資源，是北方地區最大的供水水源。不僅對緩解華北水資源短缺、促進地區社會可持續發展起著重要的作用，而且在全國經濟發展中占有重要地位。在長期的治理、開發黃河的實踐中，作者深感水文地質學科得不到應有的重視，原因是多方面的。一方面水文地質工作者需要轉變思路，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所引起的水環境問題，如地面沉降、水質惡化、地下水位持續下降、水資源枯竭、土地沙化、濕地萎縮等，水文地質工作者當前所面臨的就是盡量減少或避免這些問題的發生，從根本上改變人們對水文地質學科的偏見。可預見，水文地質學科的發展必將會越來越受到人們的重視。

黃河是著名的多泥沙河流，作為供水水源，處理工藝復雜，且費用也高。尤其是七十年代以來，黃河下游出現斷流，進入九十年代后，幾乎年年斷流，切斷流時間、河段持續增長。直接威脅沿黃城市和引黃灌區的供水安全。同時，由于黃河上游工礦業、農業和生活污水的大量排入，使黃河干支流水質污染越來越重，這更加劇了水資源緊張局面，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熱資源。淺層地下水資源主要是黃河水滲透補給形成的，并且補給非常迅速，屬激發補給。經過多年研究，初步探明了這部分淺層地下水資源的分布規律;黃河下游沖積扇平原(河南部分)的地下地熱資源，研究程度較低，因此，加強地下熱水循環演化機理研究，對合理開發黃河地下熱水資源有著重要的現實意義和經濟意義。

綜觀幾十年的水文地質勘察工作，黃河下游河南部分的地熱水文地質勘察取得了一定的成績，但由于黃河的獨特性質，勘察工作中還存在很多的難題需要解決，在今后的黃河水資源開發及黃河治理中，把地熱水文地質勘察納入其中，采用新技術、新理論、新方法，全面開展黃河下游地熱水文地質勘察，圈定具有供水意義的地熱田，進行供水水文地質勘探和開發利用研究，提高沿黃城市供水的安全性，改善人民生活條件，為當地提供新的潔凈能源。建議建立動態觀測網，嚴格進行地熱系統水質和水位的動態觀測工作，作好水量和水質變化的預測工作，防止地下水質惡化和水量超采。在開采的同時，就水量和水質變化規律、水井布局和井深的合理性等課題繼續進行研究同時，也需要進一步加強:黃河下游地熱水文地球化學作用及地熱水循環演化形成條件的研究和地熱水合理開發利用技術研究。

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