青海西寧城北區莫家莊—孫家寨地熱田開發利用與保護建議

陳迎輝

（河北省地礦局第三地質大隊，河北張家口075000）

地熱水的保護和合理開發利用是當前熱點問題，青海省西寧市城北區莫家莊—孫家寨地熱田地處西寧城區，開發利用地熱經濟、環境和社會效益巨大，本文以地熱田范圍的社會經濟現狀為基礎，提出了地熱資源開發利用方向、方式，論述了開發利用中對環境的影響和地熱水開發利用過程中的注意事項，提出了開發和保護地熱資源建議。

1 地熱田概況

青海省西寧市城北區莫家莊—孫家寨地熱田位于二十里鋪一帶北川河谷，是西寧盆地地熱系統的一部分，根據勘查區塊劃分，莫家莊—孫家寨地熱田整體呈近似方形，南起二十里鋪鄉，北至花園臺附近，東西兩側均以河谷與丘陵區界線為界，面積10.31km2。熱源以來源于地殼地熱梯度的加熱為主，斷裂摩擦熱、放射性物質蛻變熱和化學反應熱為次。熱儲為中生界白堊—侏羅系裂隙孔隙熱儲，熱儲埋深約750m，溫度48.1℃～61.9℃。蓋層為新近系棕紅色泥巖和白堊系河口群棕紅、灰綠色泥巖夾薄層石膏。熱儲基底為長城系板巖、千枚巖以及加里東期花崗巖。地熱流體礦化度高，具有腐蝕性、結垢性和起泡性。

2 地熱資源開發利用模式

莫家莊—孫家寨地熱田的地熱井成井深度為1500～1650m，井口水溫典型值54℃，深度較適宜，成井工藝簡單，場地的道路、供電等配套設施齊全，地熱資源開發較經濟。

莫家莊—孫家寨地熱田熱水屬低溫地熱資源溫熱水級別，可主要用于理療、溫泉洗浴、采暖、農業溫室等。根據水溫、水質和當地實際情況，采取改變水質、降低水溫等適當的措施，將地熱流體開發，并進行梯級利用。

（1）溫泉養生理療。莫家莊—孫家寨地熱田地熱流體不能直接飲用，但其54℃的熱水富含對人體有益的偏硅酸、偏硼酸和其他堿性離子，根據當前其他溫泉理療的研究成果，經常在中高礦化度的溫水中泡水，可以有助于治療皮膚病、緩解神經疼痛病、改善心血管循環系統等。地熱田位于西寧市城北區，緊鄰寧大公路，交通條件非常便利。同時，西寧市紫外線光照強烈，周邊地區的健康狀況與環境因素密不可分，需要進行溫水理療保健的人群更多，對此進行深入研究和深度開發具有非常廣闊前景。

（2）溫泉洗浴。莫家莊—孫家寨地熱田地理位置優越，交通便利，靠近西寧市中心，客源充足。人體洗浴的水溫最佳溫度在38℃～41℃之間，地熱水54℃溫度非常接近這一溫度，水溫相對較為適宜，非常容易直接利用。限于當地自然地理條件，應發展室內溫泉項目，使這一項目可常年提供溫泉洗浴。洗浴項目可分室內溫泉部分含藥浴區、洗浴區及游泳區。經初步測算，賓館建設規模20000m2，總投資規模1.2 億元，可實現企業新的經濟增長點，而且也是建設生態新區、環保型都市的重要舉措。

（3）采暖。莫家莊—孫家寨地熱田井口水溫為54℃，通過適當加熱和對水質進行必要的處理，可直接用于當地居民的冬季采暖。

西寧市冬季采暖期長達5.5月。近年來，大氣污染已經成為國內各地難題。如果采用地熱水供暖可以解決燃煤鍋爐供暖方式所產生的二氧化硫、氮氧化合物、粉細煙塵顆粒等，從而改善大氣環境質量。按50W/m2能耗計算，合理開發莫家莊—孫家莊地熱田，可以滿足供暖130000m2的建筑物的生活及生產供暖。

（4）農業溫室。莫家莊—孫家寨地熱田的地熱水在進行采暖、理療等初次利用后，一般水溫降低至30℃左右，剩余熱量能可采用地熱梯級綜合利用，本區的北川河河谷兩側有很多優質農田，田地平整，適宜棚室蔬菜種植和花卉栽培，利用低溫供暖工藝，可以進行溫室利用。

3 地熱資源與環境的保護

在地熱資源的開發利用同時，應采取一系列措施，保證地下熱水的合理開采和綠色排放，減少或避免破壞淺層含水層和對水環境影響。

3.1 地熱尾水排放對北川河水及環境的影響

根據莫家莊1號井地熱井水質分析資料可知，地熱水中各項指標均滿足有害成分最高允許排放標準。各項有害成分排入北川河后，對河水產生污染很小。

根據北川河大通橋頭水文站多年觀測資料，北川河枯水期最小瞬時流量1.95m3/s，月平均最小流量3.24m3/s?？菟诨蚩菟畷r段狀態下，如果按目前莫家莊3 眼地熱井地下熱水全部開放式排放，流量為0.0197m3/s，此量小于北川河最枯時段瞬時流量1.95m3/s，地熱尾水僅占河水流量的1%左右。如果按莫家莊3眼地熱井尾水全部排放流入北川河后，河水中Na+含量將增加約58mg/L，Mg2+含量將增加1.2mg/L，Ca2+含量將增加4mg/L ，Cl-含量將增加約20mg/L，SO42-含量將增加約106mg/L，HCO3-含量將增加約2.8mg/L，總硬度將增加約15mg/L，溶解性總固體增加約190mg/L。上述離子含量的增加，增加了河水的含鹽量，對水質造成較大影響。同時，地熱尾水排放溫度高達18℃，與北川河地表水環境之間的溫差超過5℃，對水體環境造成一定影響。

3.2 地下熱水處理的目的

分析莫家莊—孫家寨地熱流體水化學組份，地熱流體在長期利用時，介質會發生沉淀和堵塞。地熱流體中含有鐵和錳，會發生氧化反應產生鐵銹；地熱流體含有多種腐蝕性組份，易對管道設備產生腐蝕破壞；同時地熱流體礦化度較高，溫度降低時會結晶析出產生結垢，造成輸水管道、設備的堵塞。為此，地熱流體在利用中應著重解決除垢和防腐蝕。

3.3 結垢問題

結垢問題是影響地熱利用系統正常運行的重要問題之一，當地熱流體從熱儲層向地面運移或在管道輸送過程中，由于溫度和壓力降低，使其中一些成份產生結晶析出，形成垢層。管道內的垢層將增大流體阻力，增加能量消耗。

除垢可以采用機械或化學方法，機械方法工作和操作相對簡單，成本較低，但不徹底，要定期進行?；瘜W方法費用和成本較大，需要大量除垢或降垢劑。建議利用時采用優化設計的方案，盡量降低除垢成本，簡化操作。

3.4 腐蝕問題

腐蝕可能導致輸熱管道和設備損壞，在地熱供熱系統中，水泵、散熱器等部位常有腐蝕痕跡，易發生滲漏。由于地熱流體中雜質較多，腐蝕機理比較復雜。當水中含有大量的酸根離子時，會產生腐蝕，當地熱流體中含有游離酸時，表面腐蝕更加嚴重。

地熱供熱系統防腐要針對不同的情況采取不同的措施：

（1）全系統使用耐腐蝕材料?？刹捎缅冧\管管網道，抗腐蝕能力強的鑄鐵散熱器，給泵軸、水箱、管道和散熱器等設備涂防腐涂料保護。

（2）在直連地熱供熱系統中添加防腐劑。操作簡便，需要增加加藥設備，在運行中要持續加藥，運行成本較高，維護要求高。

（3）采用間接連接系統。地熱流體通過換熱器將熱量傳給供暖循環水，地熱流體不直接進入供暖系統，從而減輕管道和設備的腐蝕，防腐效果顯著。

（4）井口及附近設備是腐蝕比較嚴重的地方，在接近地表處加裝多層套管，并在套管環狀空間用水泥固住。

（5）閥門填料處的漏泄能導致閥桿腐蝕和卡澀，必須經常注意填緊并填料。

（6）冷鋼件、測量設備及其它控制設備都必須選用不銹鋼等耐腐蝕的材料制作，或用鍍層、涂漆等辦法保護，并將供暖后尾水排至離設備較遠的地方。

4 環境保護措施建議

地熱是一種新型清潔能源，同時熱水中的某些有害元素也會造成不同程度的環境污染。因此，在開發過程中應執行“在開發中保護，保護中開發”的原則，做好開發過程中的環境保護。

4.1 加快地下水污染防治措施制定

地下水是由地表水入滲補給，經過污染的生活污水、工業廢水等一旦滲入到地下，對地下水造成污染則很嚴重，因此對地下水的保護必須重視。我國頒布法律對水污染防治做出了明確的規定，節水措施也十分明確。根據依法辦事、以防為主、防治結合的防治原則，提出以下具體保護措施。

（1）加強綜合利用，減少地熱尾水外排。防止地熱尾水外排對當地水環境產生影響，地熱開采過程中應加強地熱尾水的綜合利用，以免對地下水環境產生影響。

（2）嚴格管理，對設備及管道加強維護。加強生產管理，防止生產過程中熱水外溢。對地熱尾水處理應加強監管及相應的維護措施，嚴防事故性地熱尾水外排。

（3）開發單位應對管網、蓄水池及污水處理設施進行必要的防滲處理，定期對地熱井周圍地下水進行監控。

（4）加強水資源的管理，限制地下熱水的不合理開發利用，減少用水量，節約水資源。

4.2 加強地熱資源保護，逐步實施地熱回灌

地熱回灌是十分科學和必要的，應在回灌前提下進行地熱資源開發，確保莫家莊—孫家寨地熱田地熱資源得到有效保護和實現可持續開發利用。

回灌是地熱開發的良性循環模式，主要有以下主要優點：避免尾水排放造成的熱污染和資源浪費；補充熱儲可開采資源，變靜態儲量為動態儲量；回灌水在地下經地層加熱后，重新開采利用，可更多地利用地熱能；緩解由于大量開采地下熱水可能誘發的地質災害。

從資源的可控性入手，以客觀資源為本，為解決地熱資源的可持續發展，使寶貴的地熱資源能長期享用，參照目前國內外解決地熱井水位下降、延長地熱田使用壽命的可行辦法，實施地熱尾水回灌是隨地下熱水開采應同步考慮的問題。

4.3 提高地下熱水綜合利用率

目前，多數地區地熱開采大部分是一次性利用，地下熱水開采利用處于獨立分散、無統籌的低層次開發狀況，有25%～30%的地下熱水任意流走，就地排放，產生地熱廢水化學污染問題。

因此，建議應用新技術、新方法和各種新型環境治理技術及處理措施，提高地熱資源的利用率，將地下熱水開發利用中可能產生的環境危害降低到最小程度。并倡導開源節流、綜合利用、集中供熱、資源有償共享服務以獲取最大的綜合效益為目的的管理、經營模式。

在地熱資源梯級開發和循環利用方面，已有諸多成功實例可供參考，北京市南宮村地熱開發實現了四級循環利用，眾多專家一致認為，這種循環利用模式目前在世界上處于領先地位。

莫家莊—孫家寨地熱田地下熱水中溶解性總固體含量為19.92g/L，屬咸水，含鹽量非常高，直接排入地表水系統，會產生較大影響。因此，進行過梯級利用的最終廢水應進行處理后排放，還可以通過回灌的方式排放，回灌層位應當和采水層層位一致。

地下熱水取自深750m以下的熱儲層中，開采的深度大，上部巖層為砂巖和泥巖互層，熱儲層為砂礫巖，各巖性壓縮系數小，地熱田的四周邊界均為透水邊界，設計計算的開采極限深度確定為750～1650m，含水層巖性為侏羅—白堊系地層，主要為碎屑巖類裂隙孔隙水，地下熱水的開采不會對該區域產生較大影響，也不會引起地面沉降等地質環境問題。

西寧市的主要城市供水水源地位于大通縣域內的黑泉水庫，北川地區最主要的水源地是大通縣城北部的塔爾水源地，均位于莫家莊—孫家寨地熱田上游。企業及居民的自備水源井為數不少，地熱田的最終補給區在盆地西坡的基巖滲漏區，對城市供水水源地的補給沒有影響，地熱田地處高原盆地區域，不會因開采產生其他不利的水環境影響。但如前面所述，由于礦化度較高，不采取回灌措施的情況下，地熱資源梯級利用后應經處理后達標排放，避免對地表水環境以及淺層地表水環境產生負面影響。

5 環境效益及社會效益評價

（1）環境效益評價。地熱資源是一種新型清潔能源，地熱開發利用前景十分廣闊。目前，西寧市市區正面臨著治理大氣污染和改善環境質量問題的局面，地熱資源的合理開發利用將對減少粉塵污染、凈化大氣環境起到不容忽視的作用。

地熱回灌是確保地熱資源實現可持續利用的行之有效措施之一，從資源再生和可控性，以資源儲量為本，為解決地熱資源的可持續發展，使地熱資源能長期使用，實施地熱尾水回灌不僅可使地熱資源得以永續利用，還可達到地熱尾水的零排放。

（2）社會效益評價。旅游業是“西部大開發”重點的支柱產業，地熱旅游資源將為西寧市北川地區旅游產業增添一個新的生長點和新品種。

根據“一熱多用”，實施梯級開發方針和莫家莊—孫家寨地熱田的溫度、流量和品位，發展以集地熱供熱—旅游療養—理療康樂—休閑度假—種植養殖為一體的綜合型模式完全可行，它的實施將會帶來無限商機和經濟、環境、社會效益。

將康復療養型地熱資源用于溫泉療養是當今世界一大趨勢，同時地熱旅游市場廣闊，科學旅游和溫泉、療養保健這一市場在日趨擴大，必將吸引更多的國際、國內旅游者。這將對增加財政收入，拉動相關產業的發展發揮出重要的作用。

西寧市北川地區將建成現代化城區，莫家莊—孫家寨地熱田地處北川地區核心片區，附近人口稠密，加之往返北部的大通老爺山觀光旅游和海北門源縣旅游景點人流過客較多，利于直接就地開發利用。

莫家莊—孫家寨地熱田附近已建成生物制藥、商業貿易等產業，采用地熱供暖可替代燃煤，減排了污染物，緩解了對大氣的污染，完全符合“生態型新城區”的定位；發展康復療養型地熱資源用于溫泉療養可延長該區的產業鏈。因此，地熱資源的開發將對旅游業及相關產業的發展具有強大的促進力。

6 結論

（1）莫家莊—孫家寨地熱田的地熱井成井深度為1500～1650m，井口水溫54℃，屬低溫地熱資源溫熱水，主要用于理療、溫泉洗浴、采暖、農業溫室等?？梢詽M足供暖130000m2的建筑物的生活及生產供暖。

（2）熱水中各項指標均滿足有害成分最高允許排放標準。各項有害成分排入北川河后，對河水產生污染很小。

（3）地下熱水含有多種腐蝕性化學組份，對管道設備易造成腐蝕破壞；礦化度較高，利用時溫度降低，會產生化學組份超飽和結晶析出，產生結垢，造成輸水管道及設備的堵塞。為此，地下熱水井在開發利用中應重點集中于管道除垢和防腐蝕兩個方面。

（4）在開發過程中應執行“在開發中保護，保護中開發”的原則，做好開發過程中的環境保護。

（5）實施地熱尾水回灌不僅可使地熱資源得以永續利用，還可達到地熱尾水的零排放。

（6）根據“一熱多用”，實施梯級開發方針和莫家莊—孫家寨地熱田的溫度、流量和品位，發展以集地熱供熱—旅游療養—理療康樂—休閑度假—種植養殖為一體的綜合型模式完全可行。它的實施將會帶來無限商機和經濟、環境、社會效益。