北京地區地熱流體質量評價

路 明

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

北京地區地熱流體質量評價

路 明

（北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

地熱流體的質量決定了其使用方向，以往地熱流體質量評價主要為單井評價或局部區域評價。本文首次利用140件地熱水化學資料開展全區地熱流體質量評價，主要包括醫療熱礦水質量評價、漁業用水水質評價、農業澆灌用水水質評價及地熱流體腐蝕（侵蝕）性及結垢趨勢評價。評價結果顯示，北京市地熱水絕大部分地熱水中含有氟且達到命名濃度，多數含有偏硅酸且達到醫療價值，有的達到命名濃度。北京市只有1/4左右到的地熱井可進行漁業直接用水；根據鈉吸附比進行評價，88.6%地熱水不適于農業澆灌直接用水；北京地區的地熱水中導致腐蝕的因素是比較弱的，結垢趨勢也相對較弱。

地熱；質量評價；腐蝕性評價；結垢性評價

0 前言

地熱資源是清潔能源，是獨特的不可代替的可再生資源。目前已廣泛應用于地熱采暖、保健、康復醫療、洗浴、娛樂等方面，取得了良好的社會和經濟效益，具有很好的發展潛力和前景（申建梅等，2000；關鳳峻等，2010；李安寧等，2001；賓德志等，2002；周訓等，2006）。

北京地區地熱資源主要分布于平原地區（含延慶盆地），屬盆地傳導型中低溫地熱資源，主要分布在相對獨立又有一定聯系的10個地熱田中，地熱資源溫度范圍為25℃～118.5℃。平原區地熱水的分布明顯受斷裂構造的控制（Zhou Xun et al，2008；柯柏林，2009；呂金波等，2001；林黎等，2007；國家技術監督局，1993）。北京地區主要熱儲為薊縣系霧迷山組硅質白云巖，寒武系和奧陶系灰巖在蓋層條件具備的情況下也是較好的熱儲，個別地區高于莊組白云巖和裂隙發育的侏羅系安山巖熱水也較為豐富（劉凱等，2014；劉凱等，2015；Edwards et al，1987）。

地熱水孕育和貯存在熱儲中，這與常溫地下水貯存在普通含水層中具有決然不同地球化學環境，特定的地球化學環境造就了特定的地下熱水流體特征。以往北京地區地熱流體質量評價主要以地熱資源開發利用中單井評價為主，本文首次針對全市開展地熱流體質量評價。

地熱流體質量評價主要針對全市地熱資源開展醫療熱礦水質量評價、漁業用水水質評價、農業澆灌用水水質評價及地熱流體腐蝕（侵蝕）性及結垢趨勢評價。本文利用收集以往70件地熱水化學資料及《北京市地熱資源現狀調查評價與區劃》項目所取70件水化學資料進行綜合評價。該140件樣品均勻分布在全市十個地熱田中，所取樣品取樣深度和取樣層位均具有顯著的代表性，取樣距離時間比較近，化學測試均由北京市水文地質工程地質大隊化驗室完成。

表1 醫療熱礦水評價結果示例表Tab.1 Quality evaluation table of geothermal water

1 醫療熱礦水質量評價

地下熱水的醫療保健功能在于天然形成的25℃以上的溫泉，并含有一定的礦物和氣體成分。醫療礦水評價以《地熱資源地質勘查規范》中“醫療熱礦水水質標準”為依據，以區內地熱水中各元素實際含量與之對比進行醫療熱礦水評價。其中評價指標依據GB/T13727-92天然礦泉水地質勘探規范（附錄B 醫療礦泉水水質標準），略作修改，主要包括二氧化碳、總硫化氫、氟、溴、碘、鍶、鐵、鋰、鋇、偏硼酸、偏硅酸、氡、溫度、礦化度等指標，指標取消了錳、偏砷酸、偏磷酸、鐳等4個意義不明或對人體有害的礦水類型。

根據全市十個地熱田的140件水樣評價結果，北京地區地熱水絕大部分地熱水中含有氟且達到命名濃度，多數含有偏硅酸且達到醫療價值，有的達到命名濃度；部分井的偏硼酸含量達到醫療價值，個別達到命名濃度；多數地熱井含有硫化氫，少數達到命名濃度；個別井中鐳、氡、碘、鋰、鐵、鋇、鍶達到命名濃度；絕大部分地熱水的溶解性總固體小于1.0g/L，少部分高于1.0g/L，其中最高達7.5g/L。北京地區的地熱水一般屬于微硬或軟水，在十個地熱田每個地熱田選取2件示例樣品評價結果見表1。

2 漁業用水水質評價

地熱水養魚是目前地熱資源利用中十分普遍的。地熱水養魚要求的水溫不高，如養殖熱帶羅非魚正常生長溫度為22℃～35℃，而30℃左右生長最快。養殖熱帶石斑魚要求水溫25℃～28℃，一般家魚要求的水溫更低。所以地熱水養魚又是地熱梯級綜合利用中尾水余熱利用的有效途徑。

魚類對水質的要求比較寬松，一般淡水魚能在溶解固體濃度為10000mg/L的水中正常生長，美國環保局對于淡水魚提出的標準是溶解固體含量不宜超過15000mg/L。區內地熱水中《漁業水質標準》（GB11607-89）規定的各類污染物含量一般低于檢出濃度，其中對漁業用水水質影響較大的元素主要是氟化物、酚、砷及汞。汞的毒性很大，魚類對汞的富集能力極強，富集系數高達105，藻類對汞的富集也達103，由于魚類既直接從水中又間接從餌料中富集汞（山東省地質調查研究院，2013），因此，即使養殖水體中汞的含量對魚類生長無直接影響，它可能通過食物鏈對人類造成危害。砷對水生物的毒性大，魚類及其他水生物也能對砷富集濃縮，但程度要比對汞的富集小。無機氟化物是一種持久性生物積累物，與鈣有特殊的親和力，對骨骼影響很大，過量的氟會使魚畸形甚至死亡，也會通過在魚體內的富集而間接影響到人類。參照《地熱資源開發利用實用全書》中的有關內容，漁業用水的水質評價標準如表2所示。

根據140件取樣評價結果，北京市地熱水質資料分析表明絕大多數地熱水中含有氟，其中氟含量只有37個水樣小于5 mg/L，較適合漁業養殖，而且這些地熱井多出在地熱田外圍，其中小于1 mg/L的優質地熱水僅有7件，1～2 mg/L的僅有2件，2～5的有28件。絕大多數氟含量在5～9 mg/L之間（80個），氟含量大于9mg/l的約有20組樣品，故大多數地熱井不適合漁業養殖直接用水。在所有樣品中揮發酚類含量均小于0.001 mg/L，比較適宜漁業養殖。在所有樣品中只有2個樣品濃度大于0.0001 mg/ L，其他均小于0.00005 mg/L，比較適宜漁業養殖。其他元素如銅、鎘、鉛、鎳除極個別樣品濃度大于規定值外，均小于檢出值，比較適宜漁業養殖。

表2 漁業用水水質評價標準一覽表（單位：mg/L）Tab.2 Evaluation standard table of water quality for f shery water

綜上所述，北京市只有1/4左右的地熱井可進行漁業直接用水，絕大多數地熱水氟含量均超標，一般不能直接作為漁業用水。具體北京地區部分漁業用水水質示例評價結果見表3。

北京市利用地熱水發展水產養殖，對引進優良魚種、魚越冬、縮短魚苗培育期、魚的工廠化養殖等有特殊作用，在我國已引起了普遍的關注。北京利用地熱水發展水產養殖始于20世紀80年代初期，現有養殖水面200多畝，分布于昌平小湯山、順義李遂、豐臺水產中心及南宮等多處，主要用于特種魚生產及供觀賞、垂釣魚的養殖，如北京市朝政檢測場利用地熱水進行優良育種養殖。

3 農業澆灌用水水質評價

我國對農田灌溉用水的水質控制標準為《農田灌溉水質標準》（GB5084-92），該標準規定的汞、鎘、砷、鉻、鉛、銅、鋅、硒等微量元素在區內地熱水中均小于檢出濃度。根據農作物對水質的要求，灌溉水質主要由下述化學特征來確定：①可溶鹽的總濃度或鹽漬度：鹽分主要通過它的滲透性影響作物的生長，滲透壓取決于離子總量，因此可以用溶解性總固體含量來表征。②鈉相對于其他陽離子的濃度或堿化度：如果灌溉水中鈉離子含量過高，鈉會成為土壤中占優勢的陽離子，導致鹽分濃度增大，使部分交換性鈣和鎂被鈉所取代，吸附鈉將引起土壤分散和膨脹，降低土壤的滲透性。③硼或其他對植物生長有毒害的元素的濃度：硼是植物正常發育必不可少的微量元素，在缺硼土壤中合理施用硼肥可提高農作物產量和質量，但是環境中過量的硼又會使土壤變壞及農作物受害。與硼類似，作物中一般含有一定數量的氟而不影響其生長發育，但是氟對作物是敏感的微量元素，過量的氟也會引起農作物減產甚至死亡。因此，參照《地熱資源開發利用全書》農業灌溉用水的控制項目為溶解性總固體TDS、氯化物、碳酸鹽、鈉吸附比SAR、硼、砷及氟化物，灌溉用水水質分級如表4所示。

根據評價內容主要分為3個方面評價：①農業澆灌用水的控制項目指標：北京市地熱水水質資料分析表明絕大多數地熱水中含有氟，其中適用于農業澆灌用水的小于1 mg/L的優質地熱水僅有7件；用于農業澆灌的良好地熱井氟含量在1～3 mg/L的僅有7件；適用于一般農業澆灌的氟含量在3～10 mg/L的地熱井有111件。氟含量大于1 mg/L的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ不適用于農業澆灌的僅有16件，故按照氟含量大多數（90%）地熱井適合農業澆灌直接用水。北京市地熱井溶解性總固體在0.33～7.5 mg/L之間，其中沒有優于澆灌用水的Ⅰ類地熱水；良好的Ⅱ類地熱水有44件；一般適用于農業澆灌的Ⅲ類地熱水87件；不適用于農業澆灌用水的為10件，故按照溶解性總固體評價北京市地熱水絕大多數（92.9%）適用于農業澆灌直接用水。從氯化物方面評價優于灌溉用水水樣126件，良好的3件，一般的3件，此外較差、差和極差的共8件，按照氯化物評價北京市地熱水絕大多數（94.3%）適用于農業澆灌直接用水。從硫酸鹽進行評價，北京市地熱水優于灌溉用水的115件，良好12件，一般的7件，此外較差、差和極差的共6件，按照硫酸鹽評價北京市地熱水絕大多數（95.7%）適用于農業澆灌直接用水。②鈉吸附比：用鈉吸附比進行評價，北京市地熱水優于澆灌用水的僅4件，良好7件，一般5件，較差6件，差47件，極差71件，按照鈉吸附比進行評價北京市地熱水絕大多數（88.6%）不適用于農業澆灌直接用水。③地熱水溫度的要求：根據實際統計資料分析，北京市絕大多數地熱井溫度大于35℃，只有極個別幾個溫度低于35℃（北工大22℃，洼里20℃），故地熱水不能直接用于農業灌溉，需經梯級利用后使尾水溫度低于35℃方可用于農業澆灌（表5）。

表3 漁業用水水質評價結果一覽表（單位：mg/L）Tab.3 Evaluation results of water quality for f shery

表4 灌溉用水水質評價分級表（單位：mg/L）Tab.4 Evaluation table of the quality for agricultural irrigation water

綜上所述，依據農業灌溉用水的控制項目溶解性總固體TDS、氯化物、碳酸鹽、硼、砷及氟化物等評價，絕大部分地熱水可以作為農業澆灌的直接用水。根據鈉吸附比SAR進行評價，88.6%地熱水不適于農業澆灌直接用水。此外，由于北京市地熱水溫度多大于35℃，故地熱水不能直接用于農業灌溉，需經梯級利用后使尾水溫度低于35℃方可用于農業澆灌。

表5 北京市灌溉用水評價結果表Tab.5 Evaluation results of irrigation water consumption in Beijing

4 地熱流體腐蝕（侵蝕）性評價

根據《地熱資源地質勘查規范》，地熱水腐蝕性是地熱水通過其化學組分、溫度、流速及壓力等諸多因素與所用材料相互作用的復雜結果，其中地熱水的化學組分對金屬材料的腐蝕性起關鍵作用。當地熱水中氯離子含量超過25%毫克當量百分數時，采用拉申（Larson）腐蝕指數評價較為合理。當地熱流體中Cl-的毫克當量百分含量均低于25%，一般不能采用拉申指數進行評價。依據《地熱資源地質勘查規范》（GB/T11615-2010），可參照工業上用腐蝕系數Kk來衡量地熱水用于鍋爐的腐蝕性。地熱水對混凝土建筑的侵蝕主要是通過分解侵蝕、結晶侵蝕及分解結晶復合侵蝕作用進行的。

根據地熱水的水質測試結果，當地熱水中氯離子含量超過25%毫克當量百分數時，采用拉申（Larson）腐蝕指數評價，北京市熱儲地熱水的拉申指數為0.68～70.03（共20件樣品），其中適用拉申指數評價的具有腐蝕性的地熱水除個別在東南城區地熱田（3件）、西北城區地熱田（2件）、后沙峪地熱田（2件）外，剩余全部集中在天竺地熱田。其中具有輕微腐蝕性水（0.5＜LI＜3.0）樣品共12件，中等腐蝕性水5件（3.0＜LI＜10），強腐蝕性水（LI＞10）3件。

采用腐蝕系數Kk來衡量地熱水用于鍋爐的腐蝕性的樣品共計120件，其中具有腐蝕性水1件，半腐蝕性水35件，非腐蝕性水84件。故北京市地熱水60%為非腐蝕性水，25%的地熱水為半腐蝕性水，只有15%為腐蝕性水，腐蝕性水中又以輕微腐蝕性水為主。

根據水質資料分析評價，140件北京市地熱水只有JR-91同時對硅酸鹽水泥(A) 和火山灰質礦渣硅酸鹽水泥(B)具有分解侵蝕性，只有溫熱-5和JR-131對火山灰質礦渣硅酸鹽水泥(B)具有分解侵蝕性，其余137件樣品對硅酸鹽水泥(A) 和火山灰質礦渣硅酸鹽水泥(B)均無分解侵蝕性。

北京市地熱水pH值均大于凝土的分解性侵蝕計算參數取值及結晶性侵蝕評判標準一覽表中酸性侵蝕pH標準，即實測pH值均大于6.2和6.4，不具有酸性侵蝕。

根據水質化驗結果，北京市地熱水中游離二氧化碳值均小于計算評價出的碳酸侵蝕指標[CO2]s，故北京市所有地熱水均不具有碳酸侵蝕性。

結晶侵蝕主要是硫酸侵蝕，水與水泥反應形成石膏或硫酸鹽晶體，充填在混凝土孔洞中，由于結晶膨脹作用導致混凝土力學強度降低乃至破壞，含量是結晶性侵蝕評價的主要指標。根據北京市地熱水質化驗結果，北京市140個水樣中只有12件樣品對普通硅酸鹽水泥(A) 和普通火山灰質礦渣硅酸鹽水泥(B)具有結晶侵蝕性，其余128件樣品對普通硅酸鹽水泥(A) 和普通火山灰質礦渣硅酸鹽水泥(B)均無結晶侵蝕性。

所有樣品對抗硫酸硅酸鹽水泥(A) 和抗硫酸火山灰質礦渣硅酸鹽水泥(B)均無結晶侵蝕性。

5 結垢趨勢評價

結垢趨勢評價主要包括碳酸鈣垢、硫酸鈣垢、硅酸鹽垢結垢趨勢評價。

影響碳酸鈣結垢的主要因素有pH值、壓力、溫度及共存鹽的濃度，依據北京市地熱水質化驗結果，北京市雷茲諾指數計算評價中有嚴重碳酸鈣結垢趨勢的9件，中等結垢趨勢的89件，輕微結垢趨勢的33件，不結垢的僅9件。

硫酸鈣垢主要以二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)的形態沉淀，在中、低溫狀況下（小于100℃），熱流體中硫酸鈣離子溶積超過二水硫酸鈣的溶解度，二水硫酸鈣就沉淀，影響硫酸鈣沉積的主要因素為溫度和水中總固形物的含量。根據評價方法及北京市水質化驗結果，北京市140個樣品的計算評價結果均為R·S≤0，即無CaSO4·2H2O垢生成。

硅酸鹽水垢的結構比較復雜，其結垢趨勢一般采用無定形SiO2的相對飽和度(relative saturation)的大小來判斷，區內地熱水中可溶性SiO2含量介于13.4～106.0 mg/L之間，經計算，區內地熱井水可溶性SiO2相對飽和度R.S均小于1，所以無硅酸鹽水垢生成。

北京地區的地熱水中導致腐蝕的因素是比較弱的，結垢趨勢也相對較弱。但在地熱開發利用過程中由于溫度、壓力等條件的變化引起的腐蝕及結垢是普遍的，整體上北京地區地熱水中導致腐蝕結垢的因素與其他地區相比不能算是嚴重的。

6 結論

（1）北京市地熱水絕大部分地熱水中含有氟且達到命名濃度，多數含有偏硅酸且達到醫療價值，有的達到命名濃度；部分井的偏硼酸含量達到醫療價值，個別達到命名濃度；多數地熱井含有硫化氫，少數達到命名濃度；個別井中鐳、氡、碘、鋰、鐵、鋇、鍶達到命名濃度；絕大部分地熱水的溶解性總固體小于1.0g/L，少部分高于1.0g/L，其中最高達7.5g/L。北京地區的地熱水一般屬于微硬或軟水。

（2）北京市只有1/4左右的地熱井可進行漁業直接用水，絕大多數地熱水氟含量均超標，一般不能直接作為漁業用水。

（3）由于北京市地熱水溫度多大于35℃，故地熱水不能直接用于農業灌溉，需經梯級利用后使尾水溫度低于35℃方可用于農業澆灌。

（4）北京市地熱流體腐蝕性適用拉申指數評價的具有腐蝕性的地熱水除個別外，以具有輕微腐蝕性水為主。北京市地熱流體絕大多數具有碳酸鈣結垢趨勢，均無硫酸鈣垢結垢趨勢，均無硅酸鹽垢結垢趨勢。

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Geothermal Fluid Quality Evaluation in Beijing

LU M ing

(Beijing Institute of Geological Environment Monitoring, Beijing 100195)

The quality of the geothermal fluid determ ines its utilization direction. In the past, the quality of geothermal fuid was mainly evaluated by single well evaluation or local evaluation. In this research, it is f rst to use the water chemistry data of 140 samples to carry out the quality evaluation of geothermal fuid, and it mainly includes the quality evaluation of medical hot m ineral water, fishery water, agricultural irrigation water, and corrosion geothermal water. The results show that the majority of geothermal water in Beijing contains fuoride and its content reaches the level to determine the names. Most water contains metasilicate and some has the medicinal value. Only about 1/4 of geothermal water in Beijing can be used directly for f sheries. According to evaluate the sodium adsorption ration, 88.6% geothermal water is not suitable for agricultural irrigation. The corrosion factors of geothermal water in Beijing area are relatively weak, and the scaling trend is relatively weak.

Geothermal resources; Quality evaluation of f uid; Erosion evaluation; Scaling tendency evaluation

A

1007-1903（2017）02-0053-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.011

路明（1958- ），男，工程師，主要從事水工環地質方面研究，E-mail：lm@bjswd.com