青海西宁城北区莫家庄—孙家寨地热田开发利用与保护建议

陈迎辉

（河北省地矿局第三地质大队，河北张家口075000）

地热水的保护和合理开发利用是当前热点问题，青海省西宁市城北区莫家庄—孙家寨地热田地处西宁城区，开发利用地热经济、环境和社会效益巨大，本文以地热田范围的社会经济现状为基础，提出了地热资源开发利用方向、方式，论述了开发利用中对环境的影响和地热水开发利用过程中的注意事项，提出了开发和保护地热资源建议。

1 地热田概况

青海省西宁市城北区莫家庄—孙家寨地热田位于二十里铺一带北川河谷，是西宁盆地地热系统的一部分，根据勘查区块划分，莫家庄—孙家寨地热田整体呈近似方形，南起二十里铺乡，北至花园台附近，东西两侧均以河谷与丘陵区界线为界，面积10.31km2。热源以来源于地壳地热梯度的加热为主，断裂摩擦热、放射性物质蜕变热和化学反应热为次。热储为中生界白垩—侏罗系裂隙孔隙热储，热储埋深约750m，温度48.1℃～61.9℃。盖层为新近系棕红色泥岩和白垩系河口群棕红、灰绿色泥岩夹薄层石膏。热储基底为长城系板岩、千枚岩以及加里东期花岗岩。地热流体矿化度高，具有腐蚀性、结垢性和起泡性。

2 地热资源开发利用模式

莫家庄—孙家寨地热田的地热井成井深度为1500～1650m，井口水温典型值54℃，深度较适宜，成井工艺简单，场地的道路、供电等配套设施齐全，地热资源开发较经济。

莫家庄—孙家寨地热田热水属低温地热资源温热水级别，可主要用于理疗、温泉洗浴、采暖、农业温室等。根据水温、水质和当地实际情况，采取改变水质、降低水温等适当的措施，将地热流体开发，并进行梯级利用。

（1）温泉养生理疗。莫家庄—孙家寨地热田地热流体不能直接饮用，但其54℃的热水富含对人体有益的偏硅酸、偏硼酸和其他碱性离子，根据当前其他温泉理疗的研究成果，经常在中高矿化度的温水中泡水，可以有助于治疗皮肤病、缓解神经疼痛病、改善心血管循环系统等。地热田位于西宁市城北区，紧邻宁大公路，交通条件非常便利。同时，西宁市紫外线光照强烈，周边地区的健康状况与环境因素密不可分，需要进行温水理疗保健的人群更多，对此进行深入研究和深度开发具有非常广阔前景。

（2）温泉洗浴。莫家庄—孙家寨地热田地理位置优越，交通便利，靠近西宁市中心，客源充足。人体洗浴的水温最佳温度在38℃～41℃之间，地热水54℃温度非常接近这一温度，水温相对较为适宜，非常容易直接利用。限于当地自然地理条件，应发展室内温泉项目，使这一项目可常年提供温泉洗浴。洗浴项目可分室内温泉部分含药浴区、洗浴区及游泳区。经初步测算，宾馆建设规模20000m2，总投资规模1.2 亿元，可实现企业新的经济增长点，而且也是建设生态新区、环保型都市的重要举措。

（3）采暖。莫家庄—孙家寨地热田井口水温为54℃，通过适当加热和对水质进行必要的处理，可直接用于当地居民的冬季采暖。

西宁市冬季采暖期长达5.5月。近年来，大气污染已经成为国内各地难题。如果采用地热水供暖可以解决燃煤锅炉供暖方式所产生的二氧化硫、氮氧化合物、粉细烟尘颗粒等，从而改善大气环境质量。按50W/m2能耗计算，合理开发莫家庄—孙家庄地热田，可以满足供暖130000m2的建筑物的生活及生产供暖。

（4）农业温室。莫家庄—孙家寨地热田的地热水在进行采暖、理疗等初次利用后，一般水温降低至30℃左右，剩余热量能可采用地热梯级综合利用，本区的北川河河谷两侧有很多优质农田，田地平整，适宜棚室蔬菜种植和花卉栽培，利用低温供暖工艺，可以进行温室利用。

3 地热资源与环境的保护

在地热资源的开发利用同时，应采取一系列措施，保证地下热水的合理开采和绿色排放，减少或避免破坏浅层含水层和对水环境影响。

3.1 地热尾水排放对北川河水及环境的影响

根据莫家庄1号井地热井水质分析资料可知，地热水中各项指标均满足有害成分最高允许排放标准。各项有害成分排入北川河后，对河水产生污染很小。

根据北川河大通桥头水文站多年观测资料，北川河枯水期最小瞬时流量1.95m3/s，月平均最小流量3.24m3/s。枯水期或枯水时段状态下，如果按目前莫家庄3 眼地热井地下热水全部开放式排放，流量为0.0197m3/s，此量小于北川河最枯时段瞬时流量1.95m3/s，地热尾水仅占河水流量的1%左右。如果按莫家庄3眼地热井尾水全部排放流入北川河后，河水中Na+含量将增加约58mg/L，Mg2+含量将增加1.2mg/L，Ca2+含量将增加4mg/L ，Cl-含量将增加约20mg/L，SO42-含量将增加约106mg/L，HCO3-含量将增加约2.8mg/L，总硬度将增加约15mg/L，溶解性总固体增加约190mg/L。上述离子含量的增加，增加了河水的含盐量，对水质造成较大影响。同时，地热尾水排放温度高达18℃，与北川河地表水环境之间的温差超过5℃，对水体环境造成一定影响。

3.2 地下热水处理的目的

分析莫家庄—孙家寨地热流体水化学组份，地热流体在长期利用时，介质会发生沉淀和堵塞。地热流体中含有铁和锰，会发生氧化反应产生铁锈；地热流体含有多种腐蚀性组份，易对管道设备产生腐蚀破坏；同时地热流体矿化度较高，温度降低时会结晶析出产生结垢，造成输水管道、设备的堵塞。为此，地热流体在利用中应着重解决除垢和防腐蚀。

3.3 结垢问题

结垢问题是影响地热利用系统正常运行的重要问题之一，当地热流体从热储层向地面运移或在管道输送过程中，由于温度和压力降低，使其中一些成份产生结晶析出，形成垢层。管道内的垢层将增大流体阻力，增加能量消耗。

除垢可以采用机械或化学方法，机械方法工作和操作相对简单，成本较低，但不彻底，要定期进行。化学方法费用和成本较大，需要大量除垢或降垢剂。建议利用时采用优化设计的方案，尽量降低除垢成本，简化操作。

3.4 腐蚀问题

腐蚀可能导致输热管道和设备损坏，在地热供热系统中，水泵、散热器等部位常有腐蚀痕迹，易发生渗漏。由于地热流体中杂质较多，腐蚀机理比较复杂。当水中含有大量的酸根离子时，会产生腐蚀，当地热流体中含有游离酸时，表面腐蚀更加严重。

地热供热系统防腐要针对不同的情况采取不同的措施：

（1）全系统使用耐腐蚀材料。可采用镀锌管管网道，抗腐蚀能力强的铸铁散热器，给泵轴、水箱、管道和散热器等设备涂防腐涂料保护。

（2）在直连地热供热系统中添加防腐剂。操作简便，需要增加加药设备，在运行中要持续加药，运行成本较高，维护要求高。

（3）采用间接连接系统。地热流体通过换热器将热量传给供暖循环水，地热流体不直接进入供暖系统，从而减轻管道和设备的腐蚀，防腐效果显著。

（4）井口及附近设备是腐蚀比较严重的地方，在接近地表处加装多层套管，并在套管环状空间用水泥固住。

（5）阀门填料处的漏泄能导致阀杆腐蚀和卡涩，必须经常注意填紧并填料。

（6）冷钢件、测量设备及其它控制设备都必须选用不锈钢等耐腐蚀的材料制作，或用镀层、涂漆等办法保护，并将供暖后尾水排至离设备较远的地方。

4 环境保护措施建议

地热是一种新型清洁能源，同时热水中的某些有害元素也会造成不同程度的环境污染。因此，在开发过程中应执行“在开发中保护，保护中开发”的原则，做好开发过程中的环境保护。

4.1 加快地下水污染防治措施制定

地下水是由地表水入渗补给，经过污染的生活污水、工业废水等一旦渗入到地下，对地下水造成污染则很严重，因此对地下水的保护必须重视。我国颁布法律对水污染防治做出了明确的规定，节水措施也十分明确。根据依法办事、以防为主、防治结合的防治原则，提出以下具体保护措施。

（1）加强综合利用，减少地热尾水外排。防止地热尾水外排对当地水环境产生影响，地热开采过程中应加强地热尾水的综合利用，以免对地下水环境产生影响。

（2）严格管理，对设备及管道加强维护。加强生产管理，防止生产过程中热水外溢。对地热尾水处理应加强监管及相应的维护措施，严防事故性地热尾水外排。

（3）开发单位应对管网、蓄水池及污水处理设施进行必要的防渗处理，定期对地热井周围地下水进行监控。

（4）加强水资源的管理，限制地下热水的不合理开发利用，减少用水量，节约水资源。

4.2 加强地热资源保护，逐步实施地热回灌

地热回灌是十分科学和必要的，应在回灌前提下进行地热资源开发，确保莫家庄—孙家寨地热田地热资源得到有效保护和实现可持续开发利用。

回灌是地热开发的良性循环模式，主要有以下主要优点：避免尾水排放造成的热污染和资源浪费；补充热储可开采资源，变静态储量为动态储量；回灌水在地下经地层加热后，重新开采利用，可更多地利用地热能；缓解由于大量开采地下热水可能诱发的地质灾害。

从资源的可控性入手，以客观资源为本，为解决地热资源的可持续发展，使宝贵的地热资源能长期享用，参照目前国内外解决地热井水位下降、延长地热田使用寿命的可行办法，实施地热尾水回灌是随地下热水开采应同步考虑的问题。

4.3 提高地下热水综合利用率

目前，多数地区地热开采大部分是一次性利用，地下热水开采利用处于独立分散、无统筹的低层次开发状况，有25%～30%的地下热水任意流走，就地排放，产生地热废水化学污染问题。

因此，建议应用新技术、新方法和各种新型环境治理技术及处理措施，提高地热资源的利用率，将地下热水开发利用中可能产生的环境危害降低到最小程度。并倡导开源节流、综合利用、集中供热、资源有偿共享服务以获取最大的综合效益为目的的管理、经营模式。

在地热资源梯级开发和循环利用方面，已有诸多成功实例可供参考，北京市南宫村地热开发实现了四级循环利用，众多专家一致认为，这种循环利用模式目前在世界上处于领先地位。

莫家庄—孙家寨地热田地下热水中溶解性总固体含量为19.92g/L，属咸水，含盐量非常高，直接排入地表水系统，会产生较大影响。因此，进行过梯级利用的最终废水应进行处理后排放，还可以通过回灌的方式排放，回灌层位应当和采水层层位一致。

地下热水取自深750m以下的热储层中，开采的深度大，上部岩层为砂岩和泥岩互层，热储层为砂砾岩，各岩性压缩系数小，地热田的四周边界均为透水边界，设计计算的开采极限深度确定为750～1650m，含水层岩性为侏罗—白垩系地层，主要为碎屑岩类裂隙孔隙水，地下热水的开采不会对该区域产生较大影响，也不会引起地面沉降等地质环境问题。

西宁市的主要城市供水水源地位于大通县域内的黑泉水库，北川地区最主要的水源地是大通县城北部的塔尔水源地，均位于莫家庄—孙家寨地热田上游。企业及居民的自备水源井为数不少，地热田的最终补给区在盆地西坡的基岩渗漏区，对城市供水水源地的补给没有影响，地热田地处高原盆地区域，不会因开采产生其他不利的水环境影响。但如前面所述，由于矿化度较高，不采取回灌措施的情况下，地热资源梯级利用后应经处理后达标排放，避免对地表水环境以及浅层地表水环境产生负面影响。

5 环境效益及社会效益评价

（1）环境效益评价。地热资源是一种新型清洁能源，地热开发利用前景十分广阔。目前，西宁市市区正面临着治理大气污染和改善环境质量问题的局面，地热资源的合理开发利用将对减少粉尘污染、净化大气环境起到不容忽视的作用。

地热回灌是确保地热资源实现可持续利用的行之有效措施之一，从资源再生和可控性，以资源储量为本，为解决地热资源的可持续发展，使地热资源能长期使用，实施地热尾水回灌不仅可使地热资源得以永续利用，还可达到地热尾水的零排放。

（2）社会效益评价。旅游业是“西部大开发”重点的支柱产业，地热旅游资源将为西宁市北川地区旅游产业增添一个新的生长点和新品种。

根据“一热多用”，实施梯级开发方针和莫家庄—孙家寨地热田的温度、流量和品位，发展以集地热供热—旅游疗养—理疗康乐—休闲度假—种植养殖为一体的综合型模式完全可行，它的实施将会带来无限商机和经济、环境、社会效益。

将康复疗养型地热资源用于温泉疗养是当今世界一大趋势，同时地热旅游市场广阔，科学旅游和温泉、疗养保健这一市场在日趋扩大，必将吸引更多的国际、国内旅游者。这将对增加财政收入，拉动相关产业的发展发挥出重要的作用。

西宁市北川地区将建成现代化城区，莫家庄—孙家寨地热田地处北川地区核心片区，附近人口稠密，加之往返北部的大通老爷山观光旅游和海北门源县旅游景点人流过客较多，利于直接就地开发利用。

莫家庄—孙家寨地热田附近已建成生物制药、商业贸易等产业，采用地热供暖可替代燃煤，减排了污染物，缓解了对大气的污染，完全符合“生态型新城区”的定位；发展康复疗养型地热资源用于温泉疗养可延长该区的产业链。因此，地热资源的开发将对旅游业及相关产业的发展具有强大的促进力。

6 结论

（1）莫家庄—孙家寨地热田的地热井成井深度为1500～1650m，井口水温54℃，属低温地热资源温热水，主要用于理疗、温泉洗浴、采暖、农业温室等。可以满足供暖130000m2的建筑物的生活及生产供暖。

（2）热水中各项指标均满足有害成分最高允许排放标准。各项有害成分排入北川河后，对河水产生污染很小。

（3）地下热水含有多种腐蚀性化学组份，对管道设备易造成腐蚀破坏；矿化度较高，利用时温度降低，会产生化学组份超饱和结晶析出，产生结垢，造成输水管道及设备的堵塞。为此，地下热水井在开发利用中应重点集中于管道除垢和防腐蚀两个方面。

（4）在开发过程中应执行“在开发中保护，保护中开发”的原则，做好开发过程中的环境保护。

（5）实施地热尾水回灌不仅可使地热资源得以永续利用，还可达到地热尾水的零排放。

（6）根据“一热多用”，实施梯级开发方针和莫家庄—孙家寨地热田的温度、流量和品位，发展以集地热供热—旅游疗养—理疗康乐—休闲度假—种植养殖为一体的综合型模式完全可行。它的实施将会带来无限商机和经济、环境、社会效益。