甘肅省地熱水資源開發利用及發展建議

王魯軍，薛 媛，牛最榮

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

我國地熱水資源的開發利用速度加快，成效顯著[1]。地熱水資源是指具有較高溫度的地下水資源，也可以理解為“把熱由地下帶到地表的作為介質的溫熱水汽”。 因此，地熱水資源主要包括了人工與天然的2個源頭：一種是利用人工方式向地底投入涼水，再通過地熱加溫，最后由地下上溢；另一種則是通過人工構筑物從地下采出蘊藏在地下含水空間的帶有較高溫度的自然地熱水資源[2]。地熱水資源的利用方式多樣，主要有醫療、溫泉、采暖、種植、養殖等[3]。

甘肅省位于我國西北地區，地處黃土高原、青藏高原、內蒙古高原的交匯地帶，地形復雜。經多年降雨下滲和大地熱流環境作用而形成豐富的地熱水資源，這是其開發利用的物質基礎。隨著地熱水資源開發利用不斷加快，出現了一些問題，本文針對這些問題提出相應的發展建議，以此作為甘肅省地熱水資源科學、合理開發利用的參考。

1 地熱水資源開發現狀

根據現有地熱水資料，甘肅省溫泉和地熱異常孔共有78處，其中溫泉有24處、地熱井有54眼、地熱水資源有28處以上，主要分布在敦煌、酒泉、張掖、武威、蘭州、白銀、定西、平涼、慶陽、天水、臨夏等市州。現已開發利用的城市有蘭州、天水、武威等，具有地熱異常數據顯示的主要重點城市有敦煌、嘉峪關、酒泉、張掖等，而白銀、平涼、慶陽、定西等市也存在地熱儲存的構造，并且具有一定的地熱勘探利用前景[4]。其中，蘭州市地熱顯示比較突出，經區域調查資料證實，蘭州市地下1000m處地溫達40℃，地下2000m處的地溫達60～70℃，其水溫范圍一般在40～70℃，礦化度3～5g/L，水化學類型為Cl-Na型，熱儲層主要為白堊系砂巖、砂礫巖地層；天水市熱儲層分上、下2層，第一層平均溫度30.65℃，第二層平均溫度65℃，礦化度在0.2～1.64范圍內，水化學類型為SO4-HCO3-Na、SO4-Cl-Na-Ca型，熱儲層主要為花崗巖斷裂帶、下元古界牛頭河群碎裂狀硅化大理巖；武威市地熱水資源豐富，武威藥王溫泉坐落于武威市西南公里處西營鄉五溝村，其水溫范圍大致在30～55℃，礦化度0.5g/L，水化學類型為Cl-SO4-Na型，熱儲層主要為武威盆地北緣下更新統砂礫巖；其他城市的地熱水資源的水溫、礦化度、水化學類型、熱儲層地質條件，見表1[4- 8]。

目前，開發的地熱水資源水溫大部分都在25～62℃，屬于低溫地熱水資源。其水化學類型多屬于HCO3-Na、HCO3-Ca、SO4-Na、SO4-Ca型，礦化度一般0.2～3g/L[8]，有些特殊地區的礦化度會高達5g/L，甚至23g/L。地熱水中含有大量的鐵、錳、鈉、碘、釩、鈦、鉀、硫、硼等礦物元素，可以促進人體全身的正常代謝，加速血液循環，舒經活血，提高體質，增加抵抗力和防治疾病[9]，因此，地熱水主要用于溫泉、洗浴、療養等方面。

表1 甘肅省其他城市地熱水資源情況表

2 地熱水資源開發利用存在的問題

2.1 開發利用對環境的影響

不合理利用地熱水資源會造成環境污染。隨意排放地熱尾水會引起熱污染、地表水污染，隨著地表水下滲也會造成地下水不可逆的污染。這些被污染的地表水和地下水對農作物進行種植或者對魚苗進行養殖，最后通過食物鏈的作用可能會危及到人類健康。

2.2 利用不充分，資源浪費嚴重

目前，由于對地熱水的能源性質缺乏系統的認識，導致地熱水資源的利用方式粗放、利用率偏低，資源浪費比較嚴重。據調查，大部分地熱水資源在完成供暖工作之后便會對尾水進行排放，但是這部分地熱尾水還具有一定的溫度(40℃左右)，這些高溫尾水不僅沒有得到任何利用而白白流失，而且排放的高溫尾水對當地的自然生態環境產生了一定的熱污染[10]。

2.3 結垢和腐蝕

在地熱水資源綜合利用過程中，因為其富含氧化鐵、硫酸鈣、碳酸鈣和硅酸鹽等化學成分，致使地熱水在使用過程中會形成管道結垢。當結垢形成后，一方面會加大輸水系統的流動阻力，增大流體輸送的能耗；另一方面因為結垢的傳熱性能較差，會降低熱效率，使得換熱器的傳熱性能變差。嚴重時，甚至會使系統堵塞，不能維持正常運行。

地熱水中富含礦物元素，除了結垢問題，地熱水直接利用過程中存在的另一個關鍵問題便是腐蝕問題。地熱水對使用設備及管道的腐蝕主要是由于地熱水中的氧和氯這2個元素造成的。地熱水對金屬材料的腐蝕機理主要為電化學腐蝕，其根本原因是金屬材料表面以及內部產生了宏觀電池、濃差電池和微觀電池[11]。為有效提高室內供暖系統裝置的使用安全性，盡可能地采用多種相應的防護措施降低系統腐蝕。為延長管道和設備的使用壽命，采用全封閉的地熱水開采模式，防止空氣進入系統中[12]。

2.4 回灌技術不充分

地熱水資源作為一種清潔能源可以發展當地經濟、優化當地能源結構。但是在地熱水資源開發利用過程中，只關注開采，而不考慮尾水的回灌，這會造成地熱水資源的浪費，引發地面沉降、環境污染、地下結構的穩定性改變等一系列的環境問題。目前而言，甘肅省的地熱水資源開采偏粗放型，很少在開采利用后設置地熱水回灌井，這就造成了地熱水資源的浪費。所以，現在開采利用地熱水資源，應積極地設置地熱水回灌井，采用采灌結合的模式。

地熱水的回灌是將地熱尾水回灌到地層深部的過程。回灌到熱儲層的低溫地熱水可以吸收巖層中蘊藏的巨大熱量，使地熱水得以補給，實現地熱水可再生、可循環，維持熱儲層地熱水的壓力[13]，實現地熱水資源的可持續發展。在地質和經濟條件允許的情況下，為更好地利用地熱水資源，實現水資源的可持續發展，需設置地熱水回灌井[14]。但是往往在使用地熱水回灌井的時候會遇到以下問題：地熱水回灌堵塞、回灌水量不足或回灌水質不達標。對于地熱水回灌堵塞的情況，主要原因是回灌水中有懸浮顆粒、氣體、微生物及黏土物質等，因此地熱尾水回灌時要過濾回灌水。對于地熱水回灌水量的情況，可能會引起地下的水動力場、應力場發生變化，從而影響底下的地層結構，因此地熱尾水在回灌時要考察分析回灌地區的地質情況。對于地熱水回灌水質的情況，須對回灌水和地熱水混合后的地熱流體進行化學分析，使地熱尾水回灌后不會或者盡可能少地對下一次開采產生影響。這樣能使地熱水回灌井達到預期的回灌效果。

2.5 制度、法規不健全

目前，甘肅省對于地熱水資源相關的地方法規尚不夠完善，導致管控不能完全到位，造成地熱水資源不必要的浪費。長期浪費，對于水資源和甘肅省的經濟建設會造成很大的影響，這會影響地熱水資源未來的發展。由于法律法規的不完善，有的企業利用地熱水資源，只向政府交納補償費，并非單獨從市場有償購買。而其采暖收費卻又執行同煤、燃油的統一標準[15]。這種現象一旦出現而沒有相應完善的法律法規加以制止勢必會漫延。企業為追求利益，大規模的開采地熱水資源，長此以往，造成掠奪式開采，這對于地熱水資源的可持續健康發展極其不利。

3 地熱水開發利用的發展建議

3.1 建立水環境監測體系

地熱水資源開發利用會造成一定的環境影響。因此地熱水資源開發利用過程中，應加強管理，建立水環境監測體系來監測地熱水資源開采、使用、排放和回灌各個環節的水質指標，進而確定地熱水資源的采、用、排的最優方案。

3.2 發展相關研究，實現可持續開發利用

地熱水資源是一種可再生的水資源，與此同時，地熱水資源的補給過程是比較緩慢的，因此，地熱水資源是有限的水資源。在開發利用地熱水資源時，因地熱水是集熱、礦、水為一體的一種資源，所以從3個方面綜合考慮，防止利用方式的單一化趨勢。大力推廣地熱水資源的梯級開發綜合利用，使各個溫度層范圍內的地熱水資源得到梯級利用，發揮資源優勢，減少浪費，提高地熱水資源的可用率。同時在考慮經濟效益和利用率時，也要考慮生態環境的保護，走可持續發展的道路，采取限制打井數量和開采量、推進地熱水回灌井的使用、加強管理等措施來合理開采地熱水資源。

3.3 管道系統的耐腐蝕防護

地熱水資源中富含礦物元素，使用設備及管道時應考慮結構問題和腐蝕問題。定期對管道系統進行補水和排污，并做好記錄。管道系統中適當地加入緩蝕阻垢劑和Na2SO3等緩蝕劑延長其使用壽命。系統采用特殊材質的塑料管道等耐腐蝕材料。加強地面上地熱水井裝置和閥門及管道接口處的密封，防止大量的氧進入。在利用地熱采暖的場合考慮間接地熱采暖，地熱水不直接進入供熱循壞系統，通過使用換熱器將熱量傳遞給循環水，降低管道系統被腐蝕的可能，降低維護成本。

3.4 實行采灌結合

實行采、灌結合，提高回灌率。由于開采手段不完善，一般未能制定科學合理的開發方案，致使過量開采，熱儲水位迅速下降，地熱水資源嚴重浪費。為保護地熱水資源，應實行采、灌結合，盡可能做到少消耗儲層中的地熱水量，通過回灌技術采取儲層中的熱量，維持熱儲層地熱水的壓力，實現資源的可持續利用[16]。

3.5 完善相關法律，加強宏觀調控

地熱水資源開發利用過程中，過度開發會引發一系列問題。地熱水資源是國家所有，對地熱水資源的開發利用要納入政府管理，應適時設立專門機構去行使地熱水資源的勘探、規劃、評估、開采利用和政策制定等職能。政府調整保護和合理開發地熱水資源的相關政策，加大監管力度，公開相關信息，規范開發行為，并在開采總量上進行嚴格控制，科學合理地開發地熱水資源。

綜上，地熱水現狀及發展建議[17]可見表2。

表2 地熱水現狀及發展建議

4 結語

本文通過蘭州、天水等城市的地熱水資源情況，分析了甘肅省地熱水資源現狀，探討了地熱水資源利用不充分、回灌技術不充分、管道系統結垢及腐蝕等開發利用中存在的問題。針對這些問題，提出了建立水環境監測體系、發展相關研究、增強管道系統的耐腐蝕防護、實行采灌結合，以及完善相關法律法規的建議。隨著經濟社會的快速發展，低碳生活、節約能源是高質量發展的要求，地熱水資源作為一種清潔能源，其科學合理的開發利用勢必會成為未來水資源可持續發展的重要組成部分。