咸阳市地热水资源分析及生态补偿研究

郭乃妮 陈卫卫 田海林 韩一诺

（1 咸阳师范学院化学与化工学院 陕西咸阳 712000 2 咸阳市地热资源开发中心 陕西咸阳 712000）

0 引言

地热水资源具有热水流密度大、储量丰富、热源稳定性高、地下热源分布广泛、采收方便、输送容易、使用简洁方便、综合利用系数高、环境污染较少、绿色环保等优点。地热资源作为1种新型清洁、绿色环保可再生能源，越来越受到人们的关注［1］。地热水资源在供暖和供热、医疗和保健理疗、饮用矿物质水、温泉洗浴、水产养殖、温室花卉养殖等行业有着广阔的发展前景［2］。相关研究报道指出，地热资源的平均能源有效利用率高达0.75，远远高于太阳能技术的能源利用系数0.2，也大于风能技术的能源利用系数0.3［3-4］，因此对地热水资源进行合理开发和研究，有效利用地热资源对改善环境具有重大意义［5］。

近年来，地热资源得到快速开发和利用，随之出现了地热水流量衰退、部分区域地面下沉、地热水温度下降、尾水处理不合理等问题，严重影响了可持续发展和环境治理协调发展［6］。探索研究地热水开发过程中的生态补偿问题有助于促进新型地热资源的合理开发和利用，促进生态环境保护和社会经济良性有序发展，为地热资源的更好发展提供理论依据［7-8］。

咸阳市地热资源是具有中国西北地区特色的地热水资源之一。本文选取咸阳市地热水资源为研究对象，对地热水资源的水质特点和开发状况进行分析，研究了地热水开发过程中的生态补偿问题，为新型能源地热水资源的综合利用和开发提供理论依据。

1 咸阳地热水资源的特点

地热水资源是新能源的主要组成部分。咸阳市具有丰富的地热水资源，已勘探和开发的地热水具有优良的高温品质、热稳定性高、水质优良、热储量高，发展前景广阔［9］。

1.1 地热水资源储量丰富

咸阳市地热水资源主要分布在渭城区、秦都区、兴平市、三原县、泾阳县、武功县等地方，面积约3 000 km2。该区域具有良好的地热富集和生成条件，以渭河北岸断裂形成主要的热控构造。经陕西省地矿局区域地质矿产研究院勘探，推算出咸阳市远景地热水资源储量约为3 450 亿m3，地热能储量可达到1.46×1023kJ，约等于标准煤50 亿t的能源储存总量。2016年《陕西省咸阳市区地热资源详查报告》提出咸阳市城区300 km2范围地热资源流体量高达495 亿m3，地热能量达到2.096×1022kJ，折合相当于标准煤7.1 亿t。咸阳市的地热水资源储量丰富，可分为中等强富水区的高—中断坡带层状水、较强富水区的带层状水和强富水区的带状水等三种显著优化热储类型，综合条件在中国320 多个地热区域中具有显著的特色和优势［10］。

通过勘探和研究得知，咸阳市地热水资源为大型中低温沉积盆地型地热田。与典型沉积盆地型地热田不同，咸阳地热田主要为第四系三门组的高陵群、蓝田-霸河组、张家坡组的砂岩层的含矿层位。咸阳地热区域有1 条深大的渭河北岸断裂通过。该断裂带在一定程度上为地热水的运移和补给提供了通道，将咸阳地热分为南部和北部2 个区域：南部区域是咸阳市地热资源富集和储存的有利地段，具有热储层发育齐全、埋深较大、盖层较厚、稳定性好的特点；北部区域相对地热条件稍差，但在北部区域地下有岩溶地热水资源存在，发展空间较大。此外，咸阳地区的“武功—兴平—三原”三地带含有隐伏的串珠状花岗岩体，是咸阳市地热资源的地下源泉［11-12］。

1.2 地热水资源开发历史悠久

早在明清年间，沿咸阳渭河北部断裂带分布有一系列地热水温泉——马跑泉、魏家泉、大泉、小泉等。“马跑泉矶”和“陆泉涌珠”就已列入《咸阳八景》和《渭阳十胜》，曾被当地群众广泛用于生活和农业生产。1992 年，原陕西省地矿厅在兴平成功开凿了陕西省第一口人工地热资源热水井，咸阳市地热水资源得到了有效实施和开发利用。近年来，随着咸阳市地热资源开发中心的成立，咸阳市地热水资源得到了合理、有效地开发和利用。目前咸阳已形成以咸阳市市区地热开发为核心，泾阳、三原、兴平和武功为东西两翼的地热开发格局。咸阳市已经培育出了中石化绿源（陕西）地热能源开发有限公司、咸阳海泉湾温泉度假酒店、北京华清后外新能源有限公司等在地热资源开发领域的龙头企业和全国先进单位，建立了地热资源开发和利用领先示范项目。现阶段咸阳市地热水资源开发与利用主要以供暖供热、温泉洗浴和休闲养生旅游、温泉种植、水产养殖等为主。截至2019 年底，咸阳市投入使用的地热井52 眼，回灌井14 眼，开采深度1 600 m～4 505 m，成井温度60 ℃～128 ℃，地热供暖面积约730 万m2。与传统燃煤锅炉相比，每年可节约燃煤22.76 万t，减少二氧化碳排放54.30 万t、二氧化硫3 869 t、氮氧化物1 365.6 t、煤灰渣2.276 万t、粉尘1 822 t，为地方区域经济发展和环境治理提供了有利发展［13-14］。此外，研究表明咸阳市地热水富含稀有元素氦［15］，截至2020年咸阳市地热水氦气提取试验已取得突破性进展，水溶氦气浓度已从2%～3%提纯到60%左右，为水溶氦气达到工业利用浓度的99.9%奠定了良好的基础，同时为解决国家氦气资源贫乏与战略保障问题提供了新的方向。

咸阳市于2006 年被中国矿业联合会命名为全国第1 个“中国地热城”；2006 年国家发展与改革委员会命名咸阳市为“国家地热资源综合开发利用示范区”；2011 年咸阳市被国土资源部授予全国首批“中国温泉之城”称号；2017 年，国家发展与改革委员会、国家能源局、国土资源部三部门联合发布的《地热能开发利用十三五规划》将咸阳市单列为“水热型地热供暖重大项目布局区域”。咸阳市地热水开发工作中开展的砂岩尾水回灌试验系统性研究在全国水资源生态补偿方面取得了突破性进展。咸阳市武功县已建设成为陕西省唯一的地热供暖“无烟县城”。

1.3 地热水资源水质优良

2010 年《陕西省咸阳市区地热资源详查报告》提出咸阳市地热水资源水质状况优良：单位面积热储量为8.627×1013kJ，单位面积静储量为2.1267×108m3，2 500 m 左右深度的温度为90 ℃～100 ℃，单位面积可采量为231.63×104m3。对比北京、天津及西安3 个地区的单位面积热储量、单位面积静储量和地热水温度，咸阳市都显著高于北京、天津和西安等地，例如，地热水资源单位面积可采量是西安的2 倍，是天津市的4.6 倍，是北京的2895 倍［16］。

此外，对咸阳市已开发的秦都、渭城、三原、泾阳、武功等不同区域地热井中地热水进行测试和分析得出：咸阳市地热水资源自流水量最高达303.48 m3/h，静水压力达0.40 MPa～0.57 MPa，自流水温度90 ℃～98 ℃，矿化度为4.98 g/L～7.66 g/L、水质化学类型为Na-Cl 型，达标元素主要有F、I、S、B、Li、Sr、Si、Br、Fe，证明咸阳市地热水资源富含矿物质，水质性能优良，可利用开发前景广阔。

1.4 地热水资源热源充足，为多热储层分布

咸阳市地热水资源主要集中在渭河北侧断裂带和断裂带南部与北部两侧的低、中缓斜坡断阶（坡）带上，在地下深度2 100 m～3 500 m 范围的主要4 套热储层内，4 套热储层的顶板埋深、空隙率、储层厚度、砂厚比、平均温度、单位涌水量等呈现垂直多热储层分布。在3 500 m 以下存在温度高于200 ℃的高温地热水资源，热储层可以连片形成2 500 km2～3 000 km2的面积。地热水资源热储层纵向分布广、面积大，地热水资源热储层分布大大高于中国其它区域。

通过对已开发的咸阳市地热水资源地质构造、综合物和化探剖面的勘探可知，地下存在超过8 000 km2的燕山期花岗岩体所含232Th、235U 和238U 等同位素所产生的热能是咸阳市地热水资源的源泉。经过初步测算，所含铀的重量约为1.286 79×109t，形成总热量为9.427×1022 kJ，由此可证明咸阳市地热水资源的热源具有充足、稳定的来源和供给，开发利用前景广阔。

此外已经探测表明：咸阳市地下3 500 m 深处区域有大型的能源地热异常体存在，温度高于200 ℃，这一优质高能资源为咸阳市地热资源在发电及地热资源综合利用方面提供了新的研究价值和发展领域。

2 咸阳地热水资源生态补偿状况

随着地热水资源的开发利用，出现了地热水位下降、部分区域地面沉降、地热资源水量衰减、地热水水体污染、地热水尾水处理不当的热污染、土壤污染等亟待解决的问题［17］。因而在地热资源开发利用过程中，需要制定相关生态补偿机制，注重合理开发利用的同时通过采取有效保护措施，实现地热水资源的可持续发展。

目前，咸阳市在地热资源开发、环境治理和保护方面主要采取了地热水源地保护、建立地热资源保护监测和管理机构、限制开采量和对开采的地热井进行人工回灌等措施，实现了地热水资源的有效生态补偿［18-20］。

首先，通过对地热水资源开发产生的尾水进行水质处理后再人工回灌。开凿对应的地热回灌井，有效提升地热水资源的补给来源，有序利用地热尾水，实现地热水的补给和回灌。同时确保稳定的热储流体压力，稳定地热井的地热水流量，避免地热尾水随意排放和未经处理的地热污水影响周围环境，做到地热水资源的持续开发和循环利用。

其次，为了更好地控制地热资源温度过高和尾水造成的热污染问题，通过多层次、阶梯式利用热水资源，增进地热水资源的循环有效使用；对地热尾水排放的温度进行控制；地热尾水排放前进行有害物质检测和有效去除，实现地热尾水安全无害处理；在审批地热资源开采时，必须有相配套的回灌设施和举措，开采与回灌相结合。

最后，采用地热尾水回灌方式进行有效生态补偿处理时必须要对尾水进行规范处理，保证水质达标和规范操作，确保地热水流量的同时，防止造成二次污染。通常要求在使用地热尾水回灌之前进行合理的絮凝、除杂、沉积、净化处理，应当确保地热尾水处理工艺规范和经济有效，保证废水处理符合相关标准要求，防止生态补偿处理出现地热资源水体污染。

3 结论与展望

地热水资源是集优质热水、矿产和能源于一体的新型洁净绿色能源［21-22］。对咸阳市优质的地热水资源进行合理开发利用带动了新兴产业的发展，有效解决了北方城市面临的能源短缺、环境污染和就业岗位少等主要问题，对于保障社会经济的可持续发展起到了积极作用。但目前咸阳市乃至全中国地热资源丰富的区域对这一新兴优质能源的分析研究和开发利用尚处初级阶段，各地都以地热水资源直接采用为主，综合性的开发研究和利用明显不足。结合地热资源作为新型洁净绿色能源和社会发展的需求，地热水资源后期开发和研究应从以下3 个方面开展工作。

（1）进一步扩大地热资源在供热采暖、医疗理疗保健、温室生态农业示范、优质饮用水、生态水产养殖等领域的直接开发和利用，此类地热水资源地有效开发有助于减少北方雾霾污染，提高人居生活水平和环境质量，实现地热资源对生态环境的良好促进作用。

（2）注重理论基础研究，加强对地热资源更深层次、综合性前沿研究探索。依托科研院所重点研究温度≥200 ℃的干热岩高温地热资源的特点及形成机制，以理论研究指导高温地热资源地开发利用，重点探索其在发电、高温制造业及工业发展方面的潜能，加快实现地热发电，加强地热资源更高层次的综合开发利用。

（3）优化地热水资源的循环组合，实现新型利用模式的打造和示范应用。地热资源由单一利用向多层次、多领域、循环综合利用的模式转变，打造地热水资源利用示范区和示范项目，打造城市区域地热资源高质量发展标杆，引导和规范陕西省地热水资源的高效开发利用。