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地热水源开垦的环保缺陷探析

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作者:刘波彭凤单位:湖北省地质环境总站孝感站

20世纪湖北省水文地质大队、湖北省地质环境总站对湖北省许多地方的地热水水质进行了调查和监测,积累了大量的科学数据。如鄂东北地区罗田三里畈、汤河、许家冲等地热水资源,水温38~75℃,属于中、低温型。其化学类型大多属于SO2-4-Na+-Ca2+型。SO2-4含量为210.42~913.05mg/L,Na+含量143.35~264.00mg/L,Ca2+含量为69.84~212.30mg/L,pH呈弱碱性。该地区地热水的水质特征(表1),一是矿化度较高,一般在772.37~1115mg/L,为一般地下水的3~13倍;二是氟含量较高,约为1.6~8.0mg/L,一般高于或部分高于中国农田灌溉及渔业水质标准。另外,地热水中还常常含有重金属和某些有害元素(如Cd、Hg等)以及各种无机盐类。这些盐类所形成的离子溶液具有较高的电导率,如三里畈地热水电导率可达0.95×104μS/cm,是强电解质。

地热水资源开发利用现状

地热作为绿色能源,在湖北省已得到不同程度的开发利用,取得了较好的经济和社会效益。省内赤壁、咸宁、英山、罗田、应城、保康、京山等县(市)地热资源勘查、开发利用程度较高,利用地热开发水产养殖、采暖、温泉洗浴、医疗保健、体育娱乐等项目。如英山县依托地热资源已形成了一定产业规模,不仅将地热资源广泛应用于工业、农业、医疗保健、体育、居民生活,而且组建了英山县地热公司,建立了4个地热泵站,将地热水加压用管道引进家庭,使3000多户居民,约10000人受益,成为英山县经济中独具特色的新型产业。应城汤池温泉2004年成立了汤池温泉旅游有限责任公司,打造国家4A级景区,一期投入1.5亿元,二期投入6亿元,2006年应城市人民政府组织申报汤池温泉为全国温泉开发利用示范区。咸宁市所辖四县一市一区地热资源丰富,勘探、开发利用地热资源招商引资将成为该市新的经济增长点,咸宁市已成功申报国家级“温泉之乡”。

地热水资源开发可能引起的环境地质问题分析

1地震

湖北省地热资源的分布一般均与断裂构造有关,如鄂东北区变质岩断裂带脉状裂隙地热水带,鄂东南下古生界碳酸盐岩断裂带岩溶裂隙地下热水带,鄂西北房县、保康一带区域性活动性断裂带中地热水带,地热水直接赋存于断裂带内。地热水是地球壳体的重要组成部分,具有缓冲地基岩石板块应力的作用,并承受和分散地表压力。在山脉地区和城市高层建筑密集区域,地表压力尤为巨大,因此该区域的地下热水资源受破坏程度,将直接威胁到该类地带的地理稳定性。地下热水在被人类强行钻透深部岩层采集抽吸后,因自然降水难以进入地下热水库存,不能被循环补充。当地热水体被过量开采后,不可避免地产生岩层内及岩层下的水体空缺,导致大地的稳定性受到破坏,这将可能诱发地震。

2地面沉降

引发地面沉降的原因有自然和人为因素2种,自然因素包括构造和软弱土层自然沉降,人为因素包括开采地下水等。而过量开采地下水是引起地面沉降的主要原因,地面沉降伴随地下水开采而发生,随地下水开采量的增加而发展扩大,随开采量的减少而减缓,地面沉降范围与地下水位下降漏斗基本一致。在正常固结地层中,地层内应力处于平衡状态,不会产生地面沉降,但如果抽水引起水位下降,则破坏了地层内的应力平衡,地层内孔隙水压力降低,有效应力增加,将出现压缩变形,引起地面沉降。由于地面沉降往往是一个漫长的过程,一般不易觉察,在湖北开采地热水引起地面沉降问题由于没有地面沉降检测,目前尚不能掌握由于开采地热水所引起的地面沉降数据。据李晓华、马弛等2009年对天津市地热水开采量和地面沉降的监测资料的计算分析,开采馆陶组热储层热水在目前开采量350万~450万m3/年时,引起的地面沉降量约5~6mm/年。该省虽尚未有对开采地热水引起地面沉降的相关分析数据,但是地面塌陷是地面沉降的极端表现,由过量开采地热水引起的地面塌陷的实例该省已有先例,如应城汤池地热田地下热水的开采,1971年—2004年间由于多年的无序开采,总开采量超过8000m3/d,小型的地面塌陷和路面沉降时有发生,2004年后规范开采,日开采量控制在6000m3/d,经过5年的开采验证,地面塌陷未再有发生。

3地热水资源衰竭

地热水补给源远,循环周期长,如通过D和18O同位素检测,鄂东北地区的罗田县三里畈地热田、汤河地热田、英山汤堰畈地热田等从大气降水补给到排泄的径流时间在40~60年以上,鄂东南的咸宁温泉地热田地下热水从补给至排泄需经历50年或更长的时间,因此地热水资源不是一种可大量再生的资源。对其大量开采,必将引起地热水资源的衰减。如湖北省汤池地热田2004年以前,由于多年的无序开采,地下水开采量不断增加,而地下水的补给源相对减少,冷水大量混入,第一阶段1971年以前,有热水井3口,年总开采量1000m3/d,全区泉流量2067m3/d,检测孔水位高出地表1.99m左右,水温64℃左右;第二阶段1971—1981年,热水生产井增加到10口,总开采量8000~9000m3/d,高峰期达11000m3/d,地热田的检测中心水位降至24m左右,水温下降至61.5℃;第三阶段1981年—2004年,在0.5km2范围内就有热水井18口,13口生产井中,每天取水量13100m3/d,高峰时漏斗中心水位迅速下降至40~45m,平均水温降至59℃。从乱开乱采的1971—2004年35年间,地下水检测中心从当水头由原来的地面以上1.99m,下降到2004年的地面以下40~45m,水温从64℃下降至59℃,水位平均下降速率约1.20~1.34m/年,水温平均下降速率0.14℃/年。

4有害成分污染

地热水形成于高温、深循环的深部岩层中,往往具有特殊的化学成分和高矿化度,未经处理长期排放,必将带来地下水和土壤的化学污染。世界各地及中国一些地方的地热水开发利用中,已经发生了地下水和土壤污染。在湖北省鄂东北地区地热水多数具有较高的矿化度、Cl-、SO2-4、F-,部分地热水中存在含量较高的Cu、Fe以及其他成分,不适合直接用于饮用、农田灌溉和渔业养殖,如直接排放,必将对环境造成污染,进而影响到人们的身体健康。有分析认为地表水受地热水污染的影响和程度在中国南、北方地区的情况不完全一样。南方地区雨水多,河水流量大,有限的地热水排入后,经过河水稀释,影响不显著,水质仍可以达到农田灌溉的水质标准。而在北方地区,地表水季节变化大,特别是冬季地热水开采量和排放量相应增加,而地表径流减小,必然会造成局地地表水质恶化。有研究者在对地热开采井附近进行监测发现,地热开采井附近地下水的氟含量和矿化度都有上升的趋势。通过对湖北应城汤池地热田地热水排放对浅层地下水水质影响的研究,地热开发利用地区地下水的矿化度和氟含量有不同程度的升高,一般为对照点的5倍以上。由表2可知,地下水中总固体(或以含盐量表示)和氟化物等的含量超出饮用水标准,预计随着开采时间的延续和开采量的增加,地热水排放对浅层地下水水质的影响必然会更加严重。

5热污染

目前湖北省许多地区地下热水的热能利用率很低,特别是利用地热水开发为疗养、沐浴的地方,排放的尾水温度较高,如果未经利用和处理而长期排放,其余热将给周边环境造成热污染。如罗田三里畈地热田、汤河地热田等地尾水温度高达40℃,尾水中热量的释放使局部地区的空气和水体温度升高,改变了生态环境,易影响作物的生长。特别在夏季,余热将给居民生活带来不利,如排放热水的下水道中蚊、蝇、虫长年聚居,影响附近居民的生活,甚至以这些害虫为媒体传染各种疾病。较高的地热水排放到农田,也将对农作物造成影响,根据国家农田灌溉水标准,超过35℃的水即不宜进行灌溉。

地热水开发利用地质环境保护对策

地热水资源的大量开发可能导致的地震、地面沉降、地热水资源衰减、有害成分污染、热污染等地质环境问题,应引起社会各界的高度重视,应合理开发利用和保护地热水资源,保障地热水资源的健康可持续利用。为了保护地热资源和环境,必须统一部署,统一规划,综合管理,建立地热田开采动态的监测系统和尾水回灌系统。具体措施如下:一是湖北省需制定完善地热水资源管理办法,为省地质矿产行政主管部门对地热水资源的统一管理提供依据;二是对该省地热水资源的勘察、开发,应坚持统一规划;三是对地热水资源采取综合开发利用,提高地热水资源利用技术和利用水平,减少环境污染;四是建立全省地热水资源监测系统;五是地热水资源开发利用需要建立科学、合理的尾水回灌系统;六是为确保地热资源的综合利用,尽可能降低尾水的排放温度;七是要提高地热水资源开发利用的环保意识,地热水资源开发利用前应进行环境影响评价工作,并制定地热水废水达标排放标准及措施。

地热水源开垦的环保缺陷探析责任编辑:陈老师    阅读:人次