馬致遠(yuǎn),豆惠萍

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

西安市地下熱水資源可持續(xù)開發(fā)利用的瓶頸問題研究

馬致遠(yuǎn),豆惠萍

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054)

地?zé)崴仁且环N寶貴的自然資源,又具有典型的稀有性和難以再生性。在大力提倡低碳經(jīng)濟(jì),節(jié)能減排,積極應(yīng)對全球氣候變暖的今天,既要利用地?zé)崴Y源,又要重視地?zé)崴Y源的可持續(xù)性。西安市的地?zé)豳Y源得天獨(dú)厚,具有分布廣,儲(chǔ)量大,溫度高,水量豐,水壓大,水質(zhì)優(yōu)等顯著特點(diǎn)。是大自然饋贈(zèng)西安人民的十分珍貴的清潔能源。用得好,可為西安人們造福,可讓子孫后代受益,為西安經(jīng)濟(jì)率先發(fā)展服務(wù)。用不好,可使水源枯竭,水質(zhì)污染,地面沉降,后患無窮。本調(diào)研在扎實(shí)研究的基礎(chǔ)上,針對我市地下熱水開發(fā)中的一些制約可持續(xù)開發(fā)的關(guān)鍵問題開展深入調(diào)研,并提出了我市地下熱水可持續(xù)性開采的對策和建議。

地下熱水;可持續(xù)利用;低碳經(jīng)濟(jì);熱水回灌

1 現(xiàn)狀及問題

西安市地?zé)豳Y源具有分布廣(圖 1),儲(chǔ)量大(西安市區(qū)及臨潼區(qū)、長安區(qū)部分地區(qū)約 1 286 km,區(qū)域內(nèi)埋深 1 000～3 000m的第三系熱儲(chǔ)層地?zé)崴砷_采量達(dá) 9.23億 m3,其中西安城區(qū) 466 km范圍內(nèi)第三系第二至第四熱儲(chǔ)層地?zé)崴砷_采量為 2.45億 m3),溫度高(118℃),水量豐(地下熱水單位面積可采量是天津的 2.3倍,是北京的 1437倍),水壓大(井成井時(shí)大部分為自噴井,西北郊進(jìn)豐村小區(qū)地?zé)峋罡哧P(guān)井壓力為 1.72兆帕,自噴達(dá) 172 m),水質(zhì)優(yōu),(熱水中富含多種對人體有益的微量元素和化學(xué)成份。在已建成的熱水井中,氟、鍶、碘、氡、偏硅酸、偏硼酸、偏砷酸、硫酸等有益組分和微量元素 5～7項(xiàng)達(dá)到有醫(yī)療價(jià)值濃度,2-3項(xiàng)達(dá)到礦水命名,屬優(yōu)質(zhì)醫(yī)療熱礦水)等顯著特點(diǎn)[1-2]。

上個(gè)世紀(jì) 90年代以來,西安地?zé)豳Y源的開發(fā)利用逐漸興起,至 90年代末形成高潮。轉(zhuǎn)入市場經(jīng)濟(jì)后,企事業(yè)單位及開發(fā)商們忽然發(fā)現(xiàn)投資地?zé)崾琼?xiàng)很賺錢的事業(yè)。于是,地?zé)崧糜?、保健休閑和以地?zé)峁┡姆康禺a(chǎn)開發(fā)熱潮迭起,方興未艾。至今西安地區(qū)(包括西安各郊縣)熱水開采井?dāng)?shù)達(dá)二百余眼[2-3]。

西安熱井的分布密度很大。截止 2008年西安市包括長安、周至、藍(lán)田、臨潼、戶縣共成井 205眼。西安 市區(qū)內(nèi)分布約 107眼,主要分布三環(huán)以內(nèi)。市區(qū)平均 10 km2就有一口熱水井,其中東大,藍(lán)田地區(qū)井位最為密集,東大在 18 km2范圍內(nèi)分布著 25眼地?zé)峋?藍(lán)田湯浴鎮(zhèn) 500 m范圍內(nèi)開采熱水井 7眼。嚴(yán)重超出合理布井 km數(shù)(1～1.5 km2一眼井)。

隨著開采井?dāng)?shù)不斷增加,熱水井取水深度加大,開采量逐年攀升,地下熱水降位漏斗迅速擴(kuò)展,平均下降 20m/年,平均累計(jì)下降幅度已 500 m,最大累計(jì)下降幅度已達(dá) 700 m(東湯裕),熱水開采量已衰減過半,水溫下降 30%以上。西安城區(qū)及長安區(qū)已有多眼熱水井在使用 5～7年后枯竭。據(jù)相關(guān)部門測算,西安地下熱水,若合理開發(fā)利用可用 20年,若掠奪式無度開采,僅可使用 5～10年[4-5].

西安市地?zé)豳Y源開發(fā)中的主要問題有:

(1)熱水的盲目開發(fā),導(dǎo)致水位水壓水溫持續(xù)下降嚴(yán)重

西安市地下熱水水頭值較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之間,最大下降224.60m。由于城區(qū)內(nèi)開采層段過于集中,形成以第四醫(yī)大、測繪學(xué)院和西光廠為中心的水位降落漏斗,最大水位下降幅度達(dá) 246.5 m。這些漏斗區(qū)局部改變了地?zé)崴牧飨?地?zé)崴伤闹芰飨蚪德渎┒?,降落漏斗形成區(qū)也是西安市地面沉降幅度和地裂縫活動(dòng)顯著的地區(qū)。

圖1 西安市地?zé)峋植悸詧D

圖2 西安凹陷地下熱水水頭降深等值線圖

圖3 西安電子正街唐園小區(qū)XR 046地?zé)峋^歷時(shí)曲線圖

西安市的水溫也呈逐年下降的趨勢,年平均變幅主要集中在 -0.45到 -1.06℃/a,開采年限超過 10年的地?zé)峋?水溫下降幅度均超過 5℃,個(gè)別地?zé)峋?西安省委 8號院XR 051)下降幅度甚至達(dá)到 16℃。

(2)地?zé)豳Y源開發(fā)利用水平低,回灌滯后

西安市 95%以上的地?zé)峋怯糜谙丛?。相?dāng)一部分天然溫泉水沒有被充分利用,井采地?zé)崴厥章实?。有些尾水的排放溫度甚至達(dá)到 60℃～70℃,水質(zhì)達(dá)到熱礦水標(biāo)準(zhǔn)。大多熱水單一利用后就排放掉,大量高溫、高礦化度地?zé)崴Y源被浪費(fèi),還由此產(chǎn)生了周圍環(huán)境和地下水的熱污染和化學(xué)污染。在一些采取直供、直排供暖方式的單位,其熱能利用率僅為 20%～30%,嚴(yán)重浪費(fèi)了地?zé)豳Y源。

西安地區(qū)地下熱水的開采基本上是在消耗地下熱水系統(tǒng)的儲(chǔ)存資源。雖然每年在非采暖期由于停采或減少開采量使水位有所恢復(fù),但一般已恢復(fù)不到上一年的水平。地下熱水水位的大幅度持續(xù)下降,可造成地表采暖設(shè)施效率下降,并對地表出現(xiàn)地面沉降等環(huán)境負(fù)效應(yīng)及誘發(fā)地震等有重要影響。熱水回灌是減緩地?zé)崴幌陆邓俾?延長地?zé)崴氖褂脡勖淖罴淹緩?只有適度開發(fā),實(shí)施人工回灌,才能使地下熱水資源獲得部分恢復(fù),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)利用。

西安的地下熱水的回灌工作也處在實(shí)驗(yàn)階段,僅有二、三眼回灌井。地?zé)崃黧w回灌量與開采量之間存在巨大差距,熱水回灌工作滯后。其原因有二:一,由于西安市熱儲(chǔ)埋藏深度大,壓實(shí)性強(qiáng),回灌有一定難度。如僅有的西安工程技術(shù)學(xué)院地?zé)峋毓嗔恐挥?25～32 t/h。曲江春曉苑回灌井回灌量也只有 27 t/h,且時(shí)斷時(shí)續(xù)。其二,政府職能部門及熱水用戶對回灌認(rèn)識不足,資金不到位,研究實(shí)驗(yàn)工作滯后。三是因?yàn)闊崴毓喑杀敬?收益小,收益者不僅僅是熱水用戶本身,熱水用戶進(jìn)行回灌積極性不高。

表1 西安,天津,北京地下熱水回灌現(xiàn)狀對比表

(3)地?zé)豳Y源的不科學(xué)利用導(dǎo)致環(huán)境問題

地?zé)崴玫沫h(huán)境問題包括熱污染和化學(xué)物質(zhì)污染。由于回灌工作實(shí)施不到位,大多數(shù)熱水利用后被直接排入了下水道隨居民生活污水一起進(jìn)入城郊排水管網(wǎng)系統(tǒng),后大部分同工業(yè)用水一起排入渭河。因?yàn)檫@些熱水只經(jīng)過單一利用,溫度多在 40～50℃甚至更高直接排入下水道會(huì)造成各種微生物和細(xì)菌大量繁殖,從而造成地表水的污染。

其次因?yàn)榈責(zé)崴幕瘜W(xué)成分復(fù)雜,含有較高的礦物質(zhì)和重金屬成分。西安地區(qū)地?zé)崴?F,偏硼酸(HBO2)、溶解性固體、礦化度、總硬度等含量較高,均超過飲用水、灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),前兩項(xiàng)超過礦水命名標(biāo)準(zhǔn),且鹽類含量普遍較高[27]。利用后其棄必然會(huì)給環(huán)境帶來污染。

(4)地?zé)豳Y源管理體制不順、職責(zé)不清,對地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的監(jiān)督管理力度不夠。

地?zé)豳Y源應(yīng)由國土資源地礦行政主管部門統(tǒng)一管理。但 2002年初至今我市地?zé)崴_發(fā)由水務(wù)部門管理。由于業(yè)務(wù)不對口,相關(guān)部門把地?zé)豳Y源混同于普通水資源進(jìn)行管理,致使西安市地?zé)崴_采的管理比較混亂,而對地?zé)豳Y源的科學(xué)開采和合理利用方面的監(jiān)管不力。缺少開發(fā)利用規(guī)劃,尚未建立系統(tǒng)的開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作。西安城區(qū)僅有小部分熱水井開展了動(dòng)態(tài)監(jiān)測,長安,臨潼等地區(qū)基本未進(jìn)行熱水井開采動(dòng)態(tài)監(jiān)測工作,為今后的地?zé)豳Y源管理和研究造成困難。由于相關(guān)部門疏于管理,西安市部分地?zé)峄毓嘣囼?yàn)井已被改為開采井使用,致使相鄰開采同一熱儲(chǔ)的地?zé)峋患眲∠陆?導(dǎo)致地?zé)峋畧?bào)廢。

2 對策與建議

(1)重視熱水資源的可持續(xù)利用,政府及其職能部門在科學(xué)發(fā)展觀學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)中應(yīng)充分認(rèn)識科學(xué)、可持續(xù)開發(fā)地?zé)豳Y源的重要性,重視地?zé)崴Y源的可持續(xù)性利用中出現(xiàn)的問題,下大力氣,投入有效資金,以熱水回灌補(bǔ)給為平臺(tái)切實(shí)解決地?zé)崴目沙掷m(xù)利用中的問題,為加速以西安為龍頭的關(guān)中帶地?zé)崧糜螏У慕ㄔO(shè),拉動(dòng)西安經(jīng)濟(jì)率先發(fā)展提供保證。

在此基礎(chǔ)上,對熱水的科學(xué)利用立法。我們國家在熱水資源的開采和利用方面的法律還不完備,管理還有些混亂。特別是熱水的回灌,因?yàn)榛毓啾旧聿划a(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益,如果進(jìn)行回灌立法,政府對實(shí)施回灌用戶給予資金補(bǔ)助,則可在政策層面上保證回灌工作的制度化,常態(tài)化。

(2)建議政府進(jìn)行西安地下熱水補(bǔ)給及可更新問題的專項(xiàng)研究,提高西安市地?zé)豳Y源勘查和環(huán)境評價(jià)精度,進(jìn)一步查明地下熱水的來源及運(yùn)移機(jī)制,為西安地下熱水開發(fā)戰(zhàn)略的制定提供依據(jù)。

建立西安市地?zé)豳Y源的監(jiān)測和評價(jià)機(jī)制。檢測評價(jià)機(jī)制的設(shè)置有兩方面的意義。一是可以檢測井田的水溫水壓以及降深的變化趨勢,以便于及隨時(shí)采取必要的措施保持熱水的可持續(xù)利用。二是可以為熱水研究提供完整的資料。由于有些地?zé)釀?dòng)態(tài)監(jiān)測孔布局和檢測設(shè)施不完善等原因,造成動(dòng)態(tài)監(jiān)控檢測資料不全或不完善。現(xiàn)有的熱水資料有限,大都是一個(gè)階段的調(diào)查資料,缺少連續(xù)性和精確性。這使得對資源的的可更新性及其他屬性的變化的評價(jià)缺少依據(jù)。

(3)重視熱水資源的可持續(xù)利用加強(qiáng)新技術(shù)新方法的研究。西安市對地?zé)峄毓嗫尚行约靶滦图夹g(shù)方法的理論研究十分薄弱,地?zé)峄毓嗟刭|(zhì)條件及新型技術(shù)方法的理論研究尚未引起我市相關(guān)部門高度重視,需設(shè)立專項(xiàng)資金,加強(qiáng)研究力度。從現(xiàn)有資料表明,西安地下熱水的熱儲(chǔ)層屬于地壓型半封閉地質(zhì)構(gòu)造,熱儲(chǔ)層地壓大,回灌難度大,回灌率不高。在地壓地層進(jìn)行回灌新技術(shù)方法成為回灌成敗的關(guān)鍵。加大地?zé)峄毓嗟刭|(zhì)條件及新型技術(shù)方法的理論研究的資金投入,設(shè)立地?zé)峄毓嗉夹g(shù)方法研究專項(xiàng)資金勢在必行。建議政府相關(guān)部門保證回灌資金投入,組織技術(shù)力量赴天津等地兄弟城市取經(jīng),同時(shí)積極開展與美國、冰島、新西蘭等國家的技術(shù)交流,加速實(shí)現(xiàn)對口井開采。

(4)加強(qiáng)政府管理。建議由政府統(tǒng)一管理地?zé)豳Y源,從井位選擇、開采層段設(shè)計(jì)、開采用途、動(dòng)態(tài)監(jiān)測,均設(shè)置完善的制度;其次對地?zé)豳Y源利用率高的單位實(shí)行政策優(yōu)惠,將開發(fā)利用率高的單位作為示范推廣。對早期開發(fā)的地?zé)峋?要加快相關(guān)設(shè)備的升級改造,減少資源浪費(fèi)損失,提高對地?zé)岬臒崮芾盟?降低尾水溫度,開展尾水利用,達(dá)到梯級利用綜合開發(fā)的目的,對新開發(fā)單位,在申請開發(fā)時(shí)要研究制定綜合開發(fā)方案報(bào)管理部門審查。

建議扶植提高熱水梯級利用,綜合利用水平高的相關(guān)項(xiàng)目,建立地下熱水綜合利用示范項(xiàng)目,改變地?zé)豳Y源的單一利用狀況。學(xué)習(xí)國內(nèi)外綜合利用地?zé)豳Y源經(jīng)驗(yàn),把供暖、洗浴后的水用于回灌、養(yǎng)殖、提高地下熱水綜合利用水平.

[1]中國地質(zhì)調(diào)查局,我國地?zé)豳Y源及其開發(fā)利用報(bào)告 2006.01

[2]陜西省地礦廳《西安地?zé)崞詹閳?bào)告》1996.08

[3]陜西省關(guān)中盆地地?zé)豳Y源調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目工作進(jìn)展報(bào)告,2006.10

[4]馬致遠(yuǎn),王心剛等,陜西關(guān)中盆地中部地下熱水 H、O同位素交換及其影響因素。地質(zhì)通報(bào)。2008.6 Vol.27,No.6:888-89

[5]蘇艷,馬致遠(yuǎn)西安、咸陽地下熱水氘過量參數(shù)研究 《煤田地質(zhì)與勘探》2007(3)39-42

[6]馬致遠(yuǎn),余娟等,關(guān)中盆地地下熱水環(huán)境同位素分布特征及其水文地質(zhì)意義地球科學(xué)環(huán)境學(xué)報(bào) 2008.6 56-62

[7]馬致遠(yuǎn),錢會(huì),蘇艷,范基嬌.關(guān)中盆地南部含水層之間相互關(guān)系的環(huán)境同位素水文地球化學(xué)證據(jù),《地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)》,2006(3);69-75

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

[9]馬致遠(yuǎn),范基嬌,蘇艷,牛光亮.關(guān)中南部地下熱水氫氧同位素組成的水文地質(zhì)意義.地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào).第 28卷第 1期,2006.1:41-47.

[10]陶書華.1995.西安附近地下熱水的形成.水文地質(zhì)工程地質(zhì),(5):6-11

[11]秦大軍,龐忠和,Jeffrey V.TURNER,翁修榮,趙耀東,徐小麗,劉濤.西安地區(qū)地?zé)崴臀急睅r溶水同位素特征及相互關(guān)系[J].巖石學(xué)報(bào),2005(5).34-39

[12]馬致遠(yuǎn)范基嬌 牛光亮。關(guān)中地區(qū)地下熱水的分類,《煤田地質(zhì)與勘探》,2005(5):54-57

[13]馬致遠(yuǎn)環(huán)境同位素方法在西北巖溶地下水研究中的應(yīng)用,《地質(zhì)論評》,2004.(3)78-83

[14]馬致遠(yuǎn),錢會(huì).《環(huán)境同位素地下水文學(xué)》[M].陜西科技出版社,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,張益謙.西安地下熱水開采現(xiàn)狀與合理開發(fā)利用探討[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),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

馬致遠(yuǎn)(1956-),女,天津市人,教授,主要從事水文地質(zhì)教學(xué)及研究工作。