河北省深州市地熱水位下降對環境影響分析

張素娥 鄭喜珍 李志軍

1 概述

河北省深州市地熱資源豐富,自20世紀90年代開采以來,地熱資源開發利用成為深州市新的經濟增長點。為了追求地熱資源開發最大利益,地熱資源不斷超量開采,水位出現了較大幅度下降,冬季供暖開采期動水位可達150 m左右[1],水位下降幅度大大高于河北省區域水位降幅。水位大幅度下降不僅增加了地熱資源開采難度,同時可能誘發一系列地質災害,促使地面建筑設施遭到破壞[2],對城市健康發展極為不利。

2 地熱水水位下降現狀及成因分析

2.1 地熱水水位下降現狀

深州市地熱資源開采層位為新生界明化鎮組和館陶組,多年的超量開采致使水位呈不斷下降趨勢。

明化鎮組:2006年第一眼地熱井成井時靜水位25.70 m,至2008年靜水位降至35.67 m,年均下降速率 4.99 m/年;館陶組:2002年靜水位高出地面0.71 m[2],2008年靜水位埋深降至地面以下30.66 m,年均下降速率5.22 m/年[1],見圖1。

2.2 水位下降因素分析

1)斷裂阻水作用對水位下降的影響分析。館陶組底界斷裂較發育,斷裂大多呈北西西向和北東向展布,兩組斷裂將新生界館陶組以下地層切割成不規則四邊形塊狀,斷裂上下盤落差一般為20 m～40 m。斷裂存在一定的斷距,使上下盤砂層錯開,如果砂層對應率高,形成導水斷層,如果砂層對應率低,則形成阻水斷層。

區域地質資料顯示,深熱1、深熱4與深熱2之間分布有一條北東—南西向的斷裂。孔組抽水試驗顯示,當深熱2抽水時,深熱1、深熱4井水位未呈現下降現象,深熱3井水位出現明顯下降,證實了該斷層為阻水性質。阻水斷裂阻斷了深熱2井開采時來自其西側的側向徑流補給,削弱了深熱2井出水能力,其單位出水率(0.005 3 m3/h·m·m)明顯小于深熱3井單位出水率(0.010 2 m3/h·m·m)。

因此,阻水斷裂構造的存在,使位于阻水斷裂附近的熱儲層補給能力減弱,極易造成地熱水水位的下降。

2)熱儲層滲透性對水位下降的影響分析。深州市地熱田熱儲層受巖性結構影響,其滲透性能較差。物探測井資料顯示,深州市地熱田館陶組平均孔隙度為19.18%,滲透率44×10-3μ m2～492×10-3μ m2,遠低于臨近衡水地熱田館陶組孔隙度31.785%,滲透率67.2×10-3μ m2～ 991×10-3μ m2[3]。深州市地熱田館陶組滲透系數為0.39 m/d,僅為衡水地熱田館陶組滲透系數的1/2.72。

滲透性能較差使得地熱井開采時側向補給較緩慢,造成了開采水位降深過大(深熱2井,涌水量116 m3/h時,動水位降深達108.52 m),且出現了供暖期結束后水位難以恢復的狀況,導致水位呈較大降幅下降態勢。如深熱2井,2006年10月30日供暖前測得水位埋深為4.14 m,2007年10月30日水位埋深恢復至7.65 m,水位遠未恢復至上一年水準[1]。

綜上所述,熱儲層較差的滲透性能以及阻水斷裂的分布限制了該區地熱資源的可開采能力,極易造成過量開采,是促使河北省深州市地熱水水位大幅度下降的主要原因。

3 水位下降對地質環境影響分析預測

根據地質條件以及目前該區地熱資源開采現狀,該區存在潛在誘發地震、地面沉降及地熱水資源枯竭等地質災害發生的可能,危及城市建設的安全。1)地震。深州市構造斷裂發育。分布于館陶組底部的斷裂大多呈北西西向和北東向展布,兩組斷裂將新生界館陶組以下地層切割成不規則四邊形塊狀,斷裂的發育給地震發生提供了有利地質條件。據地震監測顯示,僅1990年6月27日起至年底半年時間,深州市共發生13次小震,地震震級M L2.2～M L3.0,震源深度18 km～23 km,證明深縣斷裂受華北板塊大的構造體系影響而不平靜,處于活動狀態。地熱水是地球殼體的重要組成部分,具有緩沖地基巖石板塊應力的作用,并承受和分散地表壓力[2]。地熱水補給極其微弱,地熱水開采不可避免地產生巖層內及巖層下的水體空缺,深州市地熱開采層位為新生界地層,其固結程度遠不及基巖,地熱水的不斷開采導致地層穩定性受到影響,使斷裂活動動力不斷加劇,從而誘發和加劇地震的發生。2)地面沉降。該區明化鎮組和館陶組地熱開采層位屬于正常固結地層,地熱水未開采時地層內應力處于天然平衡狀態,當地熱水開采引起水位下降時,地層內孔隙水壓力降低,有效應力增加,地層內應力平衡受到破壞,將出現壓縮變形,引起地面沉降[4]。根據天津市地熱水開采量和地面沉降的監測資料,初步計算分析,開采館陶組熱儲層熱水在目前開采量為350萬m3/年～450萬m3/年時,引起的地面沉降量約5 mm/年～6 mm/年[5]。以此推測,目前深州市區集中開采區年開采量為191.34×104m3,每年由于地熱水開采引起的地面沉降約為2 mm。隨著地熱資源開發的不斷增加,由此產生的地面沉降將逐漸加重,勢必會對城市建設造成一定的影響。3)地熱資源枯竭。地熱資源不屬于可大量再生的資源。地熱水同位素測試及C14測年均表明地熱水來源于古代水,熱儲層間補給能力極其微弱,加之該區熱儲層較差的滲透性能與阻水斷裂的分布,使其補給更加微乎其微,增大了水位降幅與開采量之比。尤其在市區集中開采區,地熱井井距較小(一般700 m～1 000 m,最小為50 m),開采時出現相互干擾,進一步加劇了水位下降幅度。以目前水位降速預測,50年后地熱水水位埋深將超過200 m,存在地熱資源枯竭的可能。

4 預防對策

為了避免因地熱資源過量開采誘發地質災害的發生,地熱開采應做到以下幾點工作:1)建立健全地熱資源監督管理,實行統一規劃,綜合管理。2)進行不同層位地熱水開發利用優化配置,實現地熱資源均衡開采。3)進行地熱資源梯級利用。在目前以供暖為主的開發模式下,供暖尾水可再次進入供暖系統進行二次利用,此舉既可解決供暖水量不足的狀況,又可有效減少地熱資源開采量。4)加強地熱尾水回灌工程建設[6],實現地熱尾水同層回灌。

5 結語

斷裂構造的分布及熱儲層滲透性較差是深州市地熱水水位大幅下降的原因,地熱水水位下降潛在著誘發地震、地面沉降、地熱資源枯竭等地質災害隱患,采取合理利用地熱水,減少地熱水開采及地熱資源人工補給等措施可減緩地熱水水位下降速度,預防地熱開采引發的地質災害發生,實現城市健康發展。

[1]張素娥,康清普.深州市區地熱資源詳查[R].衡水:河北省地礦局第三水文工程地質大隊,2009:10-38.

[2]李蓮花,張建斌.地熱水資源開發引起的環境問題分析[J].地下水,2004(3):194-195.

[3]李 郡,馮來全.衡水地熱田地熱資源勘查評價[R].衡水:河北省地礦局第三水文工程地質大隊,2008:52-53.

[4]吳富春,方 煒.西安市地熱水開采與地面沉降、地裂縫關系的分析[J].地震地質,2002(2):77-79.

[5]林 黎,趙蘇民.深層地熱水開采與地面沉降的關系研究[J].水文地質工程地質,2006,29(5):34-37.

[6]林建旺,劉小滿.天津地熱回灌試驗分析及存在問題[J].地熱能,2006(6):11-13.