王現(xiàn)國

我國地熱資源開發(fā)展望

人類利用地熱資源的歷史悠久，早期主要是利用溫泉沐浴、醫(yī)療，利用地下熱水取暖、建造農作物溫室、水產養(yǎng)殖等。人類真正認識地熱資源并進行較大規(guī)模的開發(fā)利用始于20世紀中葉。

很長一段時間以來，中國利用地熱僅限于泡溫泉澡，沒把它作為能源來利用。20世紀70年代，在科學家李四光的號召下，中國利用地熱發(fā)電曾取得了成功，但是以后沒有持續(xù)下去，在過去二三十年里地熱開發(fā)幾乎陷入停滯狀態(tài)。

從廣義上說，地熱資源是指貯存在地球內部的可再生熱能，它是一種寶貴的綜合性礦產資源，可供發(fā)電、采暖等利用，還是一種可供提取溴、碘、硼砂、鉀鹽、銨鹽等工業(yè)原料的熱鹵水資源和天然肥水資源，同時還是醫(yī)療熱礦水和飲用礦泉水資源以及生活供水水源。

2013年年初，我國多個部門印發(fā)的《關于促進地熱能開發(fā)利用的指導意見》提出，積極開發(fā)利用地熱能，對緩解中國能源資源壓力、實現(xiàn)非化石能源目標、推進能源生產和消費革命、促進生態(tài)文明建設具有重要的現(xiàn)實意義和長遠戰(zhàn)略意義。2013年9月國務院專門頒布了大氣污染防治實施計劃，其中把地熱能開發(fā)利用放在了太陽能、風能等之前，反映了國家對可再生能源利用的重大戰(zhàn)略方向。

我國地熱資源儲量豐富、分布廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅我國12個主要沉積盆地地熱資源儲量折合標準煤就高達8532億噸，可采資源量折合標準煤2560億噸。我國大陸3000～10000米深處干熱巖資源儲量折合標準煤高達860萬億噸，相當于目前全國年度能源消耗總量的26萬倍。中國地熱資源儲量巨大，但開發(fā)利用不夠，目前在國家能源結構中所占份額很小。

據(jù)測算，到2020年，我國利用“淺層地溫能”的建筑物面積將達到24.8億平方米，相當于8680萬噸標準煤，占屆時全國能源消耗總量（45億噸標準煤）的1.9%，每年可減排二氧化碳2.27億噸。

黃河下游平原區(qū)地熱資源開發(fā)面臨的困境

黃河下游沖積扇平原（這里主要指河南省部分）地熱資源勘查和開發(fā)還處于起步階段，存在著一些觀念和管理上的問題。

黃河是我國西北、華北地區(qū)的主要水源。黃河水資源對緩解華北地區(qū)水資源短缺、促進區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。在長期的黃河治理、開發(fā)的實踐中，水文地質學科未得到應有的重視。因此，一方面水文地質工作者需要轉變思路，提出的勘察成果一定要有很強的實用性和可操作性。另一方面，也要看到黃河下游地下熱水資源開發(fā)所引起的水環(huán)境問題，如地面沉降、水質惡化、地下水位持續(xù)下降、水資源枯竭、土地沙化、濕地萎縮等。當前，水文地質工作者要探索減少或避免這些問題發(fā)生的辦法，從根本上改變人們對水文地質學科的偏見。

黃河是多泥沙河流，作為供水水源處理時，工藝復雜，費用較高。由于黃河上游地區(qū)工礦業(yè)、農業(yè)和生活污水的排入，黃河干支流水質已遭到污染，這更加劇了流域內水資源供求的緊張局面，勢必造成對沿黃地下水的開采。黃河下游不但賦存有淺層孔隙淡水，而且蘊藏有比較豐富的地熱資源。淺層地下水資源主要由黃河水滲透補給形成，并且補給非常迅速，屬激發(fā)補給。經過多年研究，已初步探明了這部分淺層地下水資源的分布規(guī)律。但是，目前對黃河下游沖積扇平原的地熱資源研究程度還較低。因此，加強對該地區(qū)地下熱水循環(huán)演化機理研究，對合理開發(fā)黃河地下熱水資源有著重要的現(xiàn)實意義和經濟意義。

綜觀幾十年來黃河下游沖積扇平原區(qū)的水文地質勘察工作，雖然在地熱水文地質勘察方面取得了一定的成績，但是受黃河獨特性質的影響還存在很多難題。建議在今后的黃河水資源開發(fā)中，應把地熱水文地質勘察納入黃河綜合治理規(guī)劃，采用新技術、新理論、新方法，全面開展黃河下游地熱水文地質勘察，圈定具有供水意義的地熱田，進行供水水文地質勘探和開發(fā)利用研究，提高沿黃城市供水的安全性，改善人民生活條件，為沿黃城市提供新的潔凈能源。

黃河下游平原區(qū)的地熱地質條件

黃河下游平原區(qū)屬中朝準地臺的南部，二級分區(qū)則為華北臺坳的中南部，西為山西臺隆、華熊臺緣坳陷、嵩箕臺?。粬|南為魯西中臺隆。坳陷區(qū)地表廣為新生界覆蓋，僅大邊緣地帶有基巖零星出露。研究資料表明，燕山運動早期及其以前，華北坳陷與相鄰構造單元為統(tǒng)一整體，地質構造特征基本相似。燕山運動以后，西部隆升，該地區(qū)下沉，形成坳陷。坳陷內燕山運動晚期—喜馬拉雅運動早期，由于基底構造及斷裂活動影響，產生不均衡下沉，形成一系列次級斷（坳）陷盆地和斷塊隆起。以新鄉(xiāng)-商丘深斷裂為界，以北在太行山坳陷和隆起均為北北東向，且相間分布，包括湯陰斷陷、內黃隆起、東明斷陷、臨清坳陷、濟陽坳陷、埕寧隆起等。新商斷裂以南地區(qū)，由于近東西向基底構造線方向和斷裂影響，坳陷和隆起多呈東西向或北西向展布，包括濟源-開封坳陷、通許隆起、周口坳陷等。古近紀以后，該區(qū)域繼續(xù)大幅度下沉接受沉積，堆積了厚度為500～1 000米的新近系、第四系松散堆積物。

黃河下游平原區(qū)依據(jù)含水層的埋藏深度和開采條件可分為淺層地下水、中深層地下水、深層地熱水和超深層地熱水。

淺層地下水指埋藏于地表80米深度內的潛水，分布在黃淮海沖積平原區(qū)。中深層地下水指埋藏在80～350米深度的承壓含水層（組），是當?shù)毓I(yè)及生活用水的主要開采水源。深層地熱水指埋藏深度在300～800米之間的地下水，此層水中鍶和偏硅酸含量較高，多為鍶、偏硅酸復合型飲用天然礦泉水，是地熱水的主要開采層。超深層地熱水埋藏深度為800～1500米，水中偏硅酸和鍶的含量較高，為珍貴的地熱礦泉水資源。

黃河下游沉降盆地新近系、古近系熱儲層分布面積約為8.5萬平方公里。新近系孔隙熱儲層的熱水總量為205806億立方米、每天可采資源量約為106.4萬立方米。古近系裂隙孔隙熱儲層的熱水總量68314億立方米、每天可采資源量約為18.2萬立方米。

黃河下游平原區(qū)地熱資源成因類型

依據(jù)地熱田所處的大地構造環(huán)境和地溫場成因機制，一般地熱田成因可分為沉降盆地傳導型和隆起山地斷裂構造對流型兩種基本類型。另外，在隆起山地向沉降盆地的過渡地帶存在受沉積盆地和斷裂構造雙重作用控制的對流-傳導混合型。黃河下游地區(qū)地熱田屬于沉降盆地傳導型，熱儲介質主要為新近系、古近系松散砂巖和寒武-奧陶系碳酸鹽巖，具有多層及面狀分布的特點。

一般地下熱水溫度達到100攝氏度，埋深需超過2500 米。如開27孔井，在3603米時獲105攝氏度的熱水，豫深1號井在3500米時獲113.3攝氏度的熱水。熱儲層具有層狀和帶狀之分，垂向上按其結構組合，可分為單一熱儲結構、雙層熱儲結構和多層熱儲結構三種組合類型。黃河下游沉降盆地一般由多個熱儲層相互疊加而成。

黃河下游地熱資源勘查開發(fā)存在的問題

自20世紀50年代以來，在黃河下游平原區(qū)先后有地質、煤炭、地震、石油等部門開展了地熱資源勘查工作，基本查明在鄭州、開封、漯河、周口、濮陽、新鄉(xiāng)、商丘、鶴壁等地廣泛分布著低溫地熱資源。目前最深的地熱井為3000米左右，位于鶴壁市新區(qū)，其溫度達73攝氏度，水中含有大量的二氧化碳和硫化氫氣體。近期鶴壁市政府擬建造5眼2800～3200米地熱井進行集中供熱和化工原料的生產，現(xiàn)已完成3眼井的施工。20世紀90年代初，河南省地質工程公司在開封縣建設了1750米地熱井，水溫為70攝氏度左右。其余大多數(shù)地熱井深度在1200米左右，水溫在42～58攝氏度，如鄭州市地熱井有180余眼，開發(fā)深度小于1500米。初步查明，黃河沖積扇平原區(qū)熱儲層地熱水儲存量約7.6萬億立方米。另外，該區(qū)域的地熱水水質多數(shù)達到了鍶和偏硅酸天然飲用礦泉水標準?？傮w上說，黃河沖積扇平原區(qū)地熱地質工作研究程度還較低。

（1）地熱資源勘查研究程度低、開發(fā)深度淺。目前，地熱開發(fā)工程施工單位技術參差不齊，能夠真正承擔或具備地熱井施工的單位較少。由于管理上比較混亂，造成不管有沒有實力或設備，只要與鉆井業(yè)務有關的單位或個體幾乎都可以從事這方面的工程。這樣，造成一部分地熱井在使用兩三年即出現(xiàn)井管腐蝕破裂、出渾水、水量減小、水溫降低等問題。

現(xiàn)有的地熱井深度主要在1000～1500米，水溫也僅僅在40～58攝氏度之間。但是，據(jù)該區(qū)域的地熱資料，有些地區(qū)的地熱溫度可達80攝氏度。

（2）沒有明確的發(fā)展規(guī)劃與目標，開發(fā)利用單一。黃河沖積扇平原區(qū)地熱井的建設單位主要是政府、賓館、企事業(yè)單位和房地產商等，主要用于職工福利、溫泉洗浴、飲用和提高房地產的附屬賣點。目前，政府沒有實行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理，沒有一個明確的思路和目標，所以，出現(xiàn)了地熱資源開發(fā)與發(fā)展不均衡現(xiàn)象。主要表現(xiàn)在局部地區(qū)過于集中鉆井開采同一地層的地熱水，形成水位急劇下降；而大部分地區(qū)雖具備良好的地熱資源卻沒得到很好的開發(fā)和利用，沒有形成一定規(guī)模和有效的開發(fā)。

（3）地熱資源勘查與開發(fā)管理無序。黃河沖積扇平原區(qū)沒有進行過系統(tǒng)的地熱地質勘察研究，開采管理比較混亂，出現(xiàn)了亂開采、亂審批、亂收費等現(xiàn)象，從而導致個別地區(qū)地下水位急劇下降和污染問題。在目前地下水資源承載力十分脆弱、存在飲用水安全問題的情況下，政府應采取科學的措施來解決，對于沒經過科學調研和充分論證的地熱開采井必須強行封井，并不再審批建井許可。若不加強管理而無序開采地下資源將會導致一系列的地質環(huán)境問題。因此，在地熱資源開發(fā)利用方面，急需形成一個統(tǒng)一管理、統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一論證的模式和權威性的業(yè)務管理工作與決策機構。

黃河下游地熱資源的開發(fā)保護策略

黃河沖積扇區(qū)地熱資源勘查與開發(fā)研究程度低，正確處理地熱資源的開發(fā)與生態(tài)、環(huán)境與經濟之間的關系，不能靠單一的行政指令封?；驗E采，應促使地熱資源開發(fā)可持續(xù)發(fā)展。

（1）建立地熱資源開發(fā)統(tǒng)一管理體系。首先，應加強地下水資源或地熱資源行政主管部門的業(yè)務能力的學習和培訓，只有自身具有較強的專業(yè)技術知識或業(yè)務能力，才能行使好職能部門的權力或為政府提供科學的決策依據(jù)。其次，加強統(tǒng)一管理和規(guī)劃，在所有地下水或地熱資源開發(fā)利用前，做好前期論證和審批工作。最后，還要加強監(jiān)督管理和市場規(guī)范工作，完善地熱資源開發(fā)管理法規(guī)。

（2）合理開發(fā)地熱資源，正確處理地熱資源開發(fā)引起的環(huán)境問題。熱水資源無序地“亂批、亂采、亂用”，會導致許多嚴重問題，如資源的浪費、地下水位下降、地面不均勻沉降、地裂縫、建筑物開裂或傾斜、地下水污染等。在地熱資源勘查與開發(fā)工作中，應樹立起“地下水資源的可持續(xù)發(fā)展觀”，科學合理處理“生態(tài)、環(huán)境、經濟發(fā)展”關系，必須制定地熱資源開發(fā)利用的統(tǒng)籌規(guī)劃。

地熱資源作為一種地下新型的能源，無論是在環(huán)保方面、成本方面還是水質與水資源安全方面，其他的能源都無可比擬。地熱水不僅可用作環(huán)保型的熱能源供暖、溫泉洗浴、種植與養(yǎng)殖，而且其水質（飲用礦泉水）與地表水相比，具有巨大的優(yōu)越性。采用地熱資源供熱供水，使得無鍋爐供熱的洗浴、房產等行業(yè)相繼出現(xiàn)。合理利用地熱資源可保護生態(tài)環(huán)境、減少碳排放，如采用鍋爐供熱，每萬平方米面積取暖產生二氧化硫氣體4.26噸，煙塵7.11噸，垃圾413.8噸。如果采用地熱供暖，不僅避免環(huán)境污染，而且還省去燃煤費用、機械費用、人工投入，可大大降低供暖成本。北京市一套燃氣鍋爐的運行成本是每年40元/平方米，而地熱供暖的成本是每年20元/平方米。

對于靠黃河為主要飲用水水源的鄭州、開封等城市，在黃河水出現(xiàn)污染或供水量不足的情況下，開發(fā)好地下深層熱水作為飲用水水源或供暖尤為重要。

（3）加強地熱資源勘查與開發(fā)利用技術研究。在地熱資源或地下水資源開發(fā)的同時進行勘查與開發(fā)利用新技術研究，進行“開采與回灌”聯(lián)合調度運行模式，即開采地下熱水資源的同時，同步實施地下水回灌，可有效防止地面沉降等環(huán)境問題發(fā)生?；毓嗨筛鶕?jù)不同情況，利用自來水公司的地表水或污水處理廠經過處理并符合排放標準的水。另外，在開采地熱資源時，要根據(jù)不同用途和現(xiàn)有井的數(shù)量，分不同層次和深度開采，避免在同一深度大量開采。

加大地熱鉆探設備投入和技術創(chuàng)新工作，目前地熱井專業(yè)施工設備主要是利用2000米以下的鉆井設備，并且都是正循環(huán)泥漿鉆進。無論在設備性能方面還是成井工藝方面都存在著一些問題，如鉆井深度能力差、效率低、成本高、地層污染嚴重。由于成井材料和工藝問題，導致地熱井正常的使用壽命低，主要表現(xiàn)在短期內出現(xiàn)水量減小、涌沙或出混水，且產生管道腐蝕破裂等。因此，今后應該繼續(xù)加大地熱鉆探設備的投入和技術創(chuàng)新工作。

（4）建立地熱田的評價和管理數(shù)學模型，并制定地熱資源開發(fā)利用總體規(guī)劃。根據(jù)黃河沖積扇區(qū)地熱地質條件，對地溫場、熱儲、地熱流體、回灌試驗等進行研究，確定地熱田的溫度、熱儲條件、儲量、流體性質和水化學類型，并建立相關的數(shù)學模型。

由于地熱流體中通常含有二氧化碳、硫化氫等氣體，特別是在高溫地熱流體中這些氣體的濃度更大，因此廢地熱流體的直接排放會造成熱污染和流體中有害組分的超標排放。若這些氣體處理不當，則會對大氣和環(huán)境造成污染。在新生界松散沉積層及半成巖熱儲層中開采地熱流體還可能產生地面沉降等。這些問題的出現(xiàn)都會對環(huán)境造成一定的影響或破壞，因此在地熱資源開發(fā)利用時，必須進行環(huán)境影響評價。

另外，還應建立動態(tài)觀測網，嚴格進行地熱系統(tǒng)水質和水位的動態(tài)觀測工作，做好水量和水質變化的預測工作，防止地下水水質惡化和水量超采。在開采地熱資源的同時，應就水量和水質變化規(guī)律、水井布局和井深的合理性等課題繼續(xù)進行研究。還應進一步加強黃河下游地熱水文地球化學作用和地熱水循環(huán)演化形成條件的研究，以及地熱水合理開發(fā)利用技術的研究。