西安市地下热水资源可持续开发利用的瓶颈问题研究

马致远,豆惠萍

(长安大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710054)

西安市地下热水资源可持续开发利用的瓶颈问题研究

马致远,豆惠萍

(长安大学环境科学与工程学院,陕西 西安 710054)

地热水既是一种宝贵的自然资源,又具有典型的稀有性和难以再生性。在大力提倡低碳经济,节能减排,积极应对全球气候变暖的今天,既要利用地热水资源,又要重视地热水资源的可持续性。西安市的地热资源得天独厚,具有分布广,储量大,温度高,水量丰,水压大,水质优等显著特点。是大自然馈赠西安人民的十分珍贵的清洁能源。用得好,可为西安人们造福,可让子孙后代受益,为西安经济率先发展服务。用不好,可使水源枯竭,水质污染,地面沉降,后患无穷。本调研在扎实研究的基础上,针对我市地下热水开发中的一些制约可持续开发的关键问题开展深入调研,并提出了我市地下热水可持续性开采的对策和建议。

地下热水;可持续利用;低碳经济;热水回灌

1 现状及问题

西安市地热资源具有分布广(图 1),储量大(西安市区及临潼区、长安区部分地区约 1 286 km,区域内埋深 1 000～3 000m的第三系热储层地热水可开采量达 9.23亿 m3,其中西安城区 466 km范围内第三系第二至第四热储层地热水可开采量为 2.45亿 m3),温度高(118℃),水量丰(地下热水单位面积可采量是天津的 2.3倍,是北京的 1437倍),水压大(井成井时大部分为自喷井,西北郊进丰村小区地热井最高关井压力为 1.72兆帕,自喷达 172 m),水质优,(热水中富含多种对人体有益的微量元素和化学成份。在已建成的热水井中,氟、锶、碘、氡、偏硅酸、偏硼酸、偏砷酸、硫酸等有益组分和微量元素 5～7项达到有医疗价值浓度,2-3项达到矿水命名,属优质医疗热矿水)等显著特点[1-2]。

上个世纪 90年代以来,西安地热资源的开发利用逐渐兴起,至 90年代末形成高潮。转入市场经济后,企事业单位及开发商们忽然发现投资地热是项很赚钱的事业。于是,地热旅游、保健休闲和以地热供暖的房地产开发热潮迭起,方兴未艾。至今西安地区(包括西安各郊县)热水开采井数达二百余眼[2-3]。

西安热井的分布密度很大。截止 2008年西安市包括长安、周至、蓝田、临潼、户县共成井 205眼。西安 市区内分布约 107眼,主要分布三环以内。市区平均 10 km2就有一口热水井,其中东大,蓝田地区井位最为密集,东大在 18 km2范围内分布着 25眼地热井;蓝田汤浴镇 500 m范围内开采热水井 7眼。严重超出合理布井 km数(1～1.5 km2一眼井)。

随着开采井数不断增加,热水井取水深度加大,开采量逐年攀升,地下热水降位漏斗迅速扩展,平均下降 20m/年,平均累计下降幅度已 500 m,最大累计下降幅度已达 700 m(东汤裕),热水开采量已衰减过半,水温下降 30%以上。西安城区及长安区已有多眼热水井在使用 5～7年后枯竭。据相关部门测算,西安地下热水,若合理开发利用可用 20年,若掠夺式无度开采,仅可使用 5～10年[4-5].

西安市地热资源开发中的主要问题有:

(1)热水的盲目开发,导致水位水压水温持续下降严重

西安市地下热水水头值较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之间,最大下降224.60m。由于城区内开采层段过于集中,形成以第四医大、测绘学院和西光厂为中心的水位降落漏斗,最大水位下降幅度达 246.5 m。这些漏斗区局部改变了地热水的流向(地热水由四周流向降落漏斗),降落漏斗形成区也是西安市地面沉降幅度和地裂缝活动显著的地区。

图1 西安市地热井分布略图

图2 西安凹陷地下热水水头降深等值线图

图3 西安电子正街唐园小区XR 046地热井水头历时曲线图

西安市的水温也呈逐年下降的趋势,年平均变幅主要集中在 -0.45到 -1.06℃/a,开采年限超过 10年的地热井,水温下降幅度均超过 5℃,个别地热井(西安省委 8号院XR 051)下降幅度甚至达到 16℃。

(2)地热资源开发利用水平低,回灌滞后

西安市 95%以上的地热井是用于洗浴。相当一部分天然温泉水没有被充分利用,井采地热水回收率低。有些尾水的排放温度甚至达到 60℃～70℃,水质达到热矿水标准。大多热水单一利用后就排放掉,大量高温、高矿化度地热水资源被浪费,还由此产生了周围环境和地下水的热污染和化学污染。在一些采取直供、直排供暖方式的单位,其热能利用率仅为 20%～30%,严重浪费了地热资源。

西安地区地下热水的开采基本上是在消耗地下热水系统的储存资源。虽然每年在非采暖期由于停采或减少开采量使水位有所恢复,但一般已恢复不到上一年的水平。地下热水水位的大幅度持续下降,可造成地表采暖设施效率下降,并对地表出现地面沉降等环境负效应及诱发地震等有重要影响。热水回灌是减缓地热水井水位下降速率,延长地热水井的使用寿命的最佳途径,只有适度开发,实施人工回灌,才能使地下热水资源获得部分恢复,实现可持续利用。

西安的地下热水的回灌工作也处在实验阶段,仅有二、三眼回灌井。地热流体回灌量与开采量之间存在巨大差距,热水回灌工作滞后。其原因有二:一,由于西安市热储埋藏深度大,压实性强,回灌有一定难度。如仅有的西安工程技术学院地热井回灌量只有 25～32 t/h。曲江春晓苑回灌井回灌量也只有 27 t/h,且时断时续。其二,政府职能部门及热水用户对回灌认识不足,资金不到位,研究实验工作滞后。三是因为热水回灌成本大,收益小,收益者不仅仅是热水用户本身,热水用户进行回灌积极性不高。

表1 西安,天津,北京地下热水回灌现状对比表

(3)地热资源的不科学利用导致环境问题

地热水利用的环境问题包括热污染和化学物质污染。由于回灌工作实施不到位,大多数热水利用后被直接排入了下水道随居民生活污水一起进入城郊排水管网系统,后大部分同工业用水一起排入渭河。因为这些热水只经过单一利用,温度多在 40～50℃甚至更高直接排入下水道会造成各种微生物和细菌大量繁殖,从而造成地表水的污染。

其次因为地热水的化学成分复杂,含有较高的矿物质和重金属成分。西安地区地热水中 F,偏硼酸(HBO2)、溶解性固体、矿化度、总硬度等含量较高,均超过饮用水、灌溉水水质标准,前两项超过矿水命名标准,且盐类含量普遍较高[27]。利用后其弃必然会给环境带来污染。

(4)地热资源管理体制不顺、职责不清,对地热资源可持续开发利用的监督管理力度不够。

地热资源应由国土资源地矿行政主管部门统一管理。但 2002年初至今我市地热水开发由水务部门管理。由于业务不对口,相关部门把地热资源混同于普通水资源进行管理,致使西安市地热水开采的管理比较混乱,而对地热资源的科学开采和合理利用方面的监管不力。缺少开发利用规划,尚未建立系统的开采动态监测工作。西安城区仅有小部分热水井开展了动态监测,长安,临潼等地区基本未进行热水井开采动态监测工作,为今后的地热资源管理和研究造成困难。由于相关部门疏于管理,西安市部分地热回灌试验井已被改为开采井使用,致使相邻开采同一热储的地热井水位急剧下降,导致地热井报废。

2 对策与建议

(1)重视热水资源的可持续利用,政府及其职能部门在科学发展观学习实践活动中应充分认识科学、可持续开发地热资源的重要性,重视地热水资源的可持续性利用中出现的问题,下大力气,投入有效资金,以热水回灌补给为平台切实解决地热水的可持续利用中的问题,为加速以西安为龙头的关中带地热旅游带的建设,拉动西安经济率先发展提供保证。

在此基础上,对热水的科学利用立法。我们国家在热水资源的开采和利用方面的法律还不完备,管理还有些混乱。特别是热水的回灌,因为回灌本身不产生经济效益,如果进行回灌立法,政府对实施回灌用户给予资金补助,则可在政策层面上保证回灌工作的制度化,常态化。

(2)建议政府进行西安地下热水补给及可更新问题的专项研究,提高西安市地热资源勘查和环境评价精度,进一步查明地下热水的来源及运移机制,为西安地下热水开发战略的制定提供依据。

建立西安市地热资源的监测和评价机制。检测评价机制的设置有两方面的意义。一是可以检测井田的水温水压以及降深的变化趋势,以便于及随时采取必要的措施保持热水的可持续利用。二是可以为热水研究提供完整的资料。由于有些地热动态监测孔布局和检测设施不完善等原因,造成动态监控检测资料不全或不完善。现有的热水资料有限,大都是一个阶段的调查资料,缺少连续性和精确性。这使得对资源的的可更新性及其他属性的变化的评价缺少依据。

(3)重视热水资源的可持续利用加强新技术新方法的研究。西安市对地热回灌可行性及新型技术方法的理论研究十分薄弱,地热回灌地质条件及新型技术方法的理论研究尚未引起我市相关部门高度重视,需设立专项资金,加强研究力度。从现有资料表明,西安地下热水的热储层属于地压型半封闭地质构造,热储层地压大,回灌难度大,回灌率不高。在地压地层进行回灌新技术方法成为回灌成败的关键。加大地热回灌地质条件及新型技术方法的理论研究的资金投入,设立地热回灌技术方法研究专项资金势在必行。建议政府相关部门保证回灌资金投入,组织技术力量赴天津等地兄弟城市取经,同时积极开展与美国、冰岛、新西兰等国家的技术交流,加速实现对口井开采。

(4)加强政府管理。建议由政府统一管理地热资源,从井位选择、开采层段设计、开采用途、动态监测,均设置完善的制度;其次对地热资源利用率高的单位实行政策优惠,将开发利用率高的单位作为示范推广。对早期开发的地热井,要加快相关设备的升级改造,减少资源浪费损失,提高对地热的热能利用水平,降低尾水温度,开展尾水利用,达到梯级利用综合开发的目的,对新开发单位,在申请开发时要研究制定综合开发方案报管理部门审查。

建议扶植提高热水梯级利用,综合利用水平高的相关项目,建立地下热水综合利用示范项目,改变地热资源的单一利用状况。学习国内外综合利用地热资源经验,把供暖、洗浴后的水用于回灌、养殖、提高地下热水综合利用水平.

[1]中国地质调查局,我国地热资源及其开发利用报告 2006.01

[2]陕西省地矿厅《西安地热普查报告》1996.08

[3]陕西省关中盆地地热资源调查评价项目工作进展报告,2006.10

[4]马致远,王心刚等,陕西关中盆地中部地下热水 H、O同位素交换及其影响因素。地质通报。2008.6 Vol.27,No.6:888-89

[5]苏艳,马致远西安、咸阳地下热水氘过量参数研究 《煤田地质与勘探》2007(3)39-42

[6]马致远,余娟等,关中盆地地下热水环境同位素分布特征及其水文地质意义地球科学环境学报 2008.6 56-62

[7]马致远,钱会,苏艳,范基娇.关中盆地南部含水层之间相互关系的环境同位素水文地球化学证据,《地球科学与环境学报》,2006(3);69-75

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

[9]马致远,范基娇,苏艳,牛光亮.关中南部地下热水氢氧同位素组成的水文地质意义.地球科学与环境学报.第 28卷第 1期,2006.1:41-47.

[10]陶书华.1995.西安附近地下热水的形成.水文地质工程地质,(5):6-11

[11]秦大军,庞忠和,Jeffrey V.TURNER,翁修荣,赵耀东,徐小丽,刘涛.西安地区地热水和渭北岩溶水同位素特征及相互关系[J].岩石学报,2005(5).34-39

[12]马致远范基娇 牛光亮。关中地区地下热水的分类,《煤田地质与勘探》,2005(5):54-57

[13]马致远环境同位素方法在西北岩溶地下水研究中的应用,《地质论评》,2004.(3)78-83

[14]马致远,钱会.《环境同位素地下水文学》[M].陕西科技出版社,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

[17]Zhiyuan Ma,.Estmating Hydrogeological Parameters In Covered Carbonate Rocks Using a Discrete-State Compartment Model and Environmental,《Journal Of China University Of Minging and Technology》,Jun 2002

[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,张益谦.西安地下热水开采现状与合理开发利用探讨[J].地球科学与环境学报,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

马致远(1956-),女,天津市人,教授,主要从事水文地质教学及研究工作。