咸寧溫泉環境地質問題和資源保護

陳夢源, 羅莉威, 何 春

(湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

咸寧市地處華中腹地,位于幕阜山脈北緣丘陵地帶,與江漢平原南緣相接。咸寧市地熱資源的主要表現形式為溫泉、地熱井,溫泉開發利用歷史悠久,地熱產業發展迅猛,是“中國溫泉之城”、“全國第二批可再生能源建筑應用示范市”、“湖北省首批低碳經濟試點市”。

咸寧市溫泉地熱田位于咸寧市溫泉經濟技術開發區中心,重點區為月亮灣—潛山—高屋呂一帶(圖1),先后進行過不同精度、不同目的的勘查工作,對咸寧溫泉地熱地質研究較深的有:咸寧市溫泉地熱區初勘階段水文地質勘察(1980-1983年);湖北省咸寧市溫泉地熱田詳查(2004-2006年);咸寧市溫泉地熱田地熱資源深部普查(2006-2008年);咸寧市溫泉地熱田地熱資源深部普查(續作)(2010-2011年);咸寧市溫泉地熱田地熱資源儲量核實工作(2015年)。

根據以往的勘查工作及成果,咸寧市溫泉地熱田屬沉積巖地區斷裂深循環地熱增溫型[1],熱儲為巖溶熱儲,含水巖層主要為奧陶系地層,熱儲蓋層主要為志留系地層,主要控熱導熱構造為北東向斷裂,為斷裂對流型地熱系統;地熱流體溫度為40～54℃,屬低溫水熱型地熱資源;地熱流體整體上為含氟、偏硅酸的理療熱礦水,局部存在含鍶的熱礦水。

隨著咸寧市溫泉地熱資源的廣泛應用,地熱流體開采量的大幅增加,地熱田內產生了一系列環境地質問題:如井泉、井孔之間的互相干擾,地熱流體溫度降低,地熱流體水質變化及區域地下水位下降等。

1 井泉、井孔之間的互相干擾

咸寧市溫泉地熱田地熱井井位相對集中,主要集中分布在月亮灣一帶,開采強度較大,2004、2011-2014年咸寧溫泉地熱田開采井數、開采企業及開采量見表1。

表1 咸寧市溫泉地熱田開采井數、開采企業及開采量[2]Table 1 The number of mining wells,mining enterprises and mining amount in hot spring geothermal field in Xianning

2004、2011-2014年用水量高峰期為每年的1-4月和9-12月兩個時間段,開采量每年變化較大;用水低谷期為每年的5-8月,在取水低谷期大部分井處于停采狀態(圖2)。

綜合以前監測資料,1983年以來,咸寧市溫泉地熱流體水位普遍下降,不僅開采井水位下降,未開采井水位也出現下降,部分泉點干涸消失,泉流量大幅減少。表明地熱田內井與井之間、井泉之間聯通較好;一個井開采而造成周邊井、泉水位降低,井孔、井泉之間存在干擾。

溫泉地熱田使用的生產井,大多數集中分布在月亮灣一帶,該區內巖石破碎,巖石裂隙連通性好,井間間距過小,2014年開采井5口,密度達到13口/km2,高峰期日均開采量為3 044 m3,互相干擾嚴重。

如果區內大規模開采,對開采量不加以控制,其井孔之間的干擾將加劇。

圖1 咸寧市溫泉地熱田地熱資源分布范圍Fig.1 Distribution range of geothermal resources in hot spring geothermal fields in Xianning1.地熱田分布范圍控制界線;2.地熱田分布范圍推斷界線;3.t≥40 ℃地熱流體分布范圍;4.25 ℃≤t≤40 ℃地熱流體分布范圍。

圖2 咸寧市溫泉地熱田2011-2014年月開采量曲線圖Fig.2 Diagram of monthly mining volume of hot spring geothermal field in Xianning from 2011 to 2014

2 地熱流體溫度降低

咸寧溫泉地熱流體經過近40年的開采,地熱流體溫度有所下降,1983年以來,特別是2004年以來,地熱流體溫度普遍降低,平均降幅4.3℃,在開采井集中的月亮灣一帶,最大降幅達6.5℃,地熱流體溫度降低1～4.5℃,這與2004年以來地熱流體開采量的急劇增加密切相關(表2)。

導致上述問題產生的主要原因是:自1983年以來,特別是2004年以來,地熱產業的發展,區內地熱生產井數量增加,開采量增加,開采井水位降低,導致了地表冷水混入,造成了溫度的降低。

表2 咸寧溫泉地熱田生產井水溫變化表[2]Table 2 Water temperature change table of the production well of hot spring geothermal field in Xianning

咸寧市溫泉地熱為斷裂深循環地熱增溫型,為單一相水熱系統。利用生產井作為該系統內地熱資源的上涌通道,即在熱對流處抽出地熱資源,必將造成該水熱系統內的壓力下降,壓力下降又將激發來自熱田側翼邊界一定深度內的徑流循環。開采地熱資源,改變了水熱系統中地熱資源原有的交替循環條件,地熱流體的交替循環速度、徑流速度增大,其熱交換時間縮短,導致流體與熱儲層的原有熱平衡改變,進而表現出地熱資源溫度有所下降。

另外,在月亮灣一帶的地表冷水的影響亦相當重要,這種影響對地熱流體出口溫度的影響尤為明顯。由于地熱資源開采量的增加,造成局部地下水位埋深的降低,冷水的混入,尤其地熱流體出露的地方巖石破碎,冷水容易混入,造成了地熱流體溫度降幅大于生產井地熱流體溫度降幅的局面。

隨著開采強度的增大,其淺層地下冷水補給地熱資源的趨勢增大,地熱資源的溫度將受到更大的影響,導致地熱流體的溫度進一步降低,特別是在月亮灣集中開采區一帶,更應該控制地熱流體的開采量和降深。

3 地熱資源水質變化

咸寧市溫泉地熱田地熱流體中含有多種對人體有益的化學組分,如氟、鍶、偏硅酸等。經過多年的開采,地熱田地熱流體化學組分發生了一定程度的變化,本文選取了其中3個生產井不同階段水質分析結果來說明地熱流體化學組分的變化情況(表3)。

與1983年初勘時相比,部分井孔地熱流體有益組分含量降低,有的生產井在詳查時命名氟水、鍶水、硅水,核實評價命名氟水、有醫療價值硅水,鍶水不達標,其他兩項雖達標,但含量均下降,表明生產井地熱流體中有用礦物組分有所降低。

在地熱田開采量強度逐漸增加的情況下,地熱流體徑流循環速度加快以及地表水和淺層冷水的混入,地熱流體中二氧化硅、硫酸根離子、鉀離子、鈉離子、鎂離子等特征離子的含量將下降,特別是對人體有益的微量元素的減少將大大降低地熱流體的可利用價值。

4 地熱流體水位的下降

根據咸寧市溫泉地熱田中13口生產井的監測資料顯示,1983年至今,地熱流體開采量顯著增大,致使地熱流體水位呈下降趨勢,降幅0.67～2.24 m,平均降幅1.17 m(表4)。

地熱流體水位的下降,造成泉水枯竭,部分泉點干涸,溫泉出露點明顯減少,由20世紀80年代的14處減少至目前的4處,并且流量也呈明顯地減少。

水位降低的主要原因是經過數十年的開采,開采量大于補給量,造成了地下水位埋深的降低。

隨著地熱資源應用領域擴大、地熱產業的不斷發展,地熱流體開采量進一步擴大,地熱流體水位還將繼續降低。

表3 咸寧市溫泉地熱田的3個生產井不同階段水質變化表[2]Table 3 Water quality change table at different stages of 3 production wells in hot spring geothermal field in Xianning

表4 咸寧市溫泉地熱田生產井水位變化表[2]Table 4 Change table of water level of production well in hot spring geothermal field in Xianning

為防止地熱流體水位的持續下降,保護溫泉景觀,應控制開采量并合理規劃開采布局,保證地熱資源的可持續開發利用。

另外,地熱流體主要用于理療洗浴,一般利用后直接排入城市管網,廢地熱流體的直接排放會造成熱污染,地熱流體中的有害組分對地表水、地下水水質可能造成污染,企業應保證廢地熱流體達標排放。

5 資源保護措施與建議

為使咸寧市溫泉地熱田地熱資源更好地可持續開發,梯級綜合利用,避免浪費,引起環境地質問題,應在組織、政策和技術方面采取必要的保護措施。

5.1 組織措施

建議對地熱資源開發利用進行嚴格的管理,實行科學規劃,統一集中開采,統一供熱,并進行取配資源全時空調控管理。

政府相關部門應加強監控與管理,嚴格地熱工程的審批制度,強調地熱資源開發過程中的監測網絡和回灌系統建設以及綜合開發利用,使地熱資源能夠合理有序地開發利用,減少盲目開采對地熱資源造成的浪費以及過量開采所導致的潛在地質災害影響的積累。

5.2 政策性措施

地熱資源作為一種清潔能源,并不是取之不盡、用之不竭的,在地熱資源開采方面制定相應的政策性限制和規定,依法辦事,已是刻不容緩。

(1) 嚴格遵守國家礦產資源法。

(2) 制定與頒布地熱資源相關管理辦法。

(3) 嚴格地熱資源開采審批制度。

(4) 遵循地熱資源勘探和開采程序,嚴格控制地熱資源的局部開采量和開采強度。

(5) 定期編制與更新開發利用與保護規劃。

5.3 技術性措施

針對溫泉地熱田地熱開采現狀,提出以下環境保護措施:

(1) 加強地熱資源勘查、開發和保護中的關鍵技術研究,如加強地熱尾水回灌技術和地熱尾水處理研究;強化熱能利用效率和傳熱管道保溫措施,降低地熱消耗和尾水溫度;改進地熱鉆井、綜合開發利用和地熱防腐等方面的技術,提高地熱資源的綜合利用效率和經濟環境效益。

(2) 針對不同的環境問題,以“預防為主,防治結合”為原則,逐個擊破,將問題最小化,并針對具體環境問題采取適宜的解決方案。

① 針對熱污染,采用梯級多次利用,如利用地熱尾水養殖、洗浴或溫室種植和尾水回灌,但是值得注意的是,尾水回灌對地層條件有一定要求,同時由于地熱尾水溫度的改變使某些礦物質發生沉淀,會對熱儲層或回灌井造成破壞;

② 針對生態環境問題,鉆井完成后要及時恢復當地植被及加強尾水回灌,不能回灌的地區則采取必要的地熱尾水處理措施,如可在廣大農村地熱區利用水生植物系統(如三棱草、蘆葦和香蒲等)凈化地熱尾水,而凈化后達到農田灌溉標準的尾水再用于農業灌溉;

③ 針對大氣環境問題,地熱蒸汽中對環境影響較大的為H2S、CO2氣體,可采用物理或化學的方法將其去除,如用蒸汽轉化法、燃燒法、生產商業性硫等方法去除H2S,通過地熱井蒸汽分離生產商業性的CO2用于溫室蔬菜栽培。

(3) 建立完善的地下熱水開采量、水溫、水位及水質動態監測系統,利用系統信息結合鉆井成果和前期工作成果進行綜合分析,使得對熱儲層的認識盡可能地接近儲層分布的客觀實際。資源評價就是在開采動態監測下不斷完善、不斷修正的過程,對地熱流體運動規律的認識過程。這部分資料將對地熱田的科學利用和環境保護提供基礎信息,對優化開采布局提供依據。

(4) 每5年對地熱流體可開采量及開采后對環境的影響進行重新評價。

6 結語

咸寧市溫泉地熱資源開發利用過程中,產生了井泉、井孔之間的互相干擾,地熱流體溫度降低,地熱流體水質變化及區域地下水位下降等環境地質問題。通過采取必要的組織、政策和技術性措施,樹立生態觀念,完善生態制度,維護生態安全,優化生態環境,形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構、生產方式、生活方式,促進咸寧市溫泉地熱田地熱資源更好地可持續開發和梯級綜合利用。

[1] 徐世光,郭遠生.地熱學基礎[M].北京:科學出版社,2009.

[2] 何春,羅莉威,陳剛,等.湖北省咸寧市溫泉地熱田地熱資源儲量核實報告[R].武漢:湖北省地質環境總站,2015.