河北省深州市地热水位下降对环境影响分析

张素娥 郑喜珍 李志军

1 概述

河北省深州市地热资源丰富,自20世纪90年代开采以来,地热资源开发利用成为深州市新的经济增长点。为了追求地热资源开发最大利益,地热资源不断超量开采,水位出现了较大幅度下降,冬季供暖开采期动水位可达150 m左右[1],水位下降幅度大大高于河北省区域水位降幅。水位大幅度下降不仅增加了地热资源开采难度,同时可能诱发一系列地质灾害,促使地面建筑设施遭到破坏[2],对城市健康发展极为不利。

2 地热水水位下降现状及成因分析

2.1 地热水水位下降现状

深州市地热资源开采层位为新生界明化镇组和馆陶组,多年的超量开采致使水位呈不断下降趋势。

明化镇组:2006年第一眼地热井成井时静水位25.70 m,至2008年静水位降至35.67 m,年均下降速率 4.99 m/年;馆陶组:2002年静水位高出地面0.71 m[2],2008年静水位埋深降至地面以下30.66 m,年均下降速率5.22 m/年[1],见图1。

2.2 水位下降因素分析

1)断裂阻水作用对水位下降的影响分析。馆陶组底界断裂较发育,断裂大多呈北西西向和北东向展布,两组断裂将新生界馆陶组以下地层切割成不规则四边形块状,断裂上下盘落差一般为20 m～40 m。断裂存在一定的断距,使上下盘砂层错开,如果砂层对应率高,形成导水断层,如果砂层对应率低,则形成阻水断层。

区域地质资料显示,深热1、深热4与深热2之间分布有一条北东—南西向的断裂。孔组抽水试验显示,当深热2抽水时,深热1、深热4井水位未呈现下降现象,深热3井水位出现明显下降,证实了该断层为阻水性质。阻水断裂阻断了深热2井开采时来自其西侧的侧向径流补给,削弱了深热2井出水能力,其单位出水率(0.005 3 m3/h·m·m)明显小于深热3井单位出水率(0.010 2 m3/h·m·m)。

因此,阻水断裂构造的存在,使位于阻水断裂附近的热储层补给能力减弱,极易造成地热水水位的下降。

2)热储层渗透性对水位下降的影响分析。深州市地热田热储层受岩性结构影响,其渗透性能较差。物探测井资料显示,深州市地热田馆陶组平均孔隙度为19.18%,渗透率44×10-3μ m2～492×10-3μ m2,远低于临近衡水地热田馆陶组孔隙度31.785%,渗透率67.2×10-3μ m2～ 991×10-3μ m2[3]。深州市地热田馆陶组渗透系数为0.39 m/d,仅为衡水地热田馆陶组渗透系数的1/2.72。

渗透性能较差使得地热井开采时侧向补给较缓慢,造成了开采水位降深过大(深热2井,涌水量116 m3/h时,动水位降深达108.52 m),且出现了供暖期结束后水位难以恢复的状况,导致水位呈较大降幅下降态势。如深热2井,2006年10月30日供暖前测得水位埋深为4.14 m,2007年10月30日水位埋深恢复至7.65 m,水位远未恢复至上一年水准[1]。

综上所述,热储层较差的渗透性能以及阻水断裂的分布限制了该区地热资源的可开采能力,极易造成过量开采,是促使河北省深州市地热水水位大幅度下降的主要原因。

3 水位下降对地质环境影响分析预测

根据地质条件以及目前该区地热资源开采现状,该区存在潜在诱发地震、地面沉降及地热水资源枯竭等地质灾害发生的可能,危及城市建设的安全。1)地震。深州市构造断裂发育。分布于馆陶组底部的断裂大多呈北西西向和北东向展布,两组断裂将新生界馆陶组以下地层切割成不规则四边形块状,断裂的发育给地震发生提供了有利地质条件。据地震监测显示,仅1990年6月27日起至年底半年时间,深州市共发生13次小震,地震震级M L2.2～M L3.0,震源深度18 km～23 km,证明深县断裂受华北板块大的构造体系影响而不平静,处于活动状态。地热水是地球壳体的重要组成部分,具有缓冲地基岩石板块应力的作用,并承受和分散地表压力[2]。地热水补给极其微弱,地热水开采不可避免地产生岩层内及岩层下的水体空缺,深州市地热开采层位为新生界地层,其固结程度远不及基岩,地热水的不断开采导致地层稳定性受到影响,使断裂活动动力不断加剧,从而诱发和加剧地震的发生。2)地面沉降。该区明化镇组和馆陶组地热开采层位属于正常固结地层,地热水未开采时地层内应力处于天然平衡状态,当地热水开采引起水位下降时,地层内孔隙水压力降低,有效应力增加,地层内应力平衡受到破坏,将出现压缩变形,引起地面沉降[4]。根据天津市地热水开采量和地面沉降的监测资料,初步计算分析,开采馆陶组热储层热水在目前开采量为350万m3/年～450万m3/年时,引起的地面沉降量约5 mm/年～6 mm/年[5]。以此推测,目前深州市区集中开采区年开采量为191.34×104m3,每年由于地热水开采引起的地面沉降约为2 mm。随着地热资源开发的不断增加,由此产生的地面沉降将逐渐加重,势必会对城市建设造成一定的影响。3)地热资源枯竭。地热资源不属于可大量再生的资源。地热水同位素测试及C14测年均表明地热水来源于古代水,热储层间补给能力极其微弱,加之该区热储层较差的渗透性能与阻水断裂的分布,使其补给更加微乎其微,增大了水位降幅与开采量之比。尤其在市区集中开采区,地热井井距较小(一般700 m～1 000 m,最小为50 m),开采时出现相互干扰,进一步加剧了水位下降幅度。以目前水位降速预测,50年后地热水水位埋深将超过200 m,存在地热资源枯竭的可能。

4 预防对策

为了避免因地热资源过量开采诱发地质灾害的发生,地热开采应做到以下几点工作:1)建立健全地热资源监督管理,实行统一规划,综合管理。2)进行不同层位地热水开发利用优化配置,实现地热资源均衡开采。3)进行地热资源梯级利用。在目前以供暖为主的开发模式下,供暖尾水可再次进入供暖系统进行二次利用,此举既可解决供暖水量不足的状况,又可有效减少地热资源开采量。4)加强地热尾水回灌工程建设[6],实现地热尾水同层回灌。

5 结语

断裂构造的分布及热储层渗透性较差是深州市地热水水位大幅下降的原因,地热水水位下降潜在着诱发地震、地面沉降、地热资源枯竭等地质灾害隐患,采取合理利用地热水,减少地热水开采及地热资源人工补给等措施可减缓地热水水位下降速度,预防地热开采引发的地质灾害发生,实现城市健康发展。

[1]张素娥,康清普.深州市区地热资源详查[R].衡水:河北省地矿局第三水文工程地质大队,2009:10-38.

[2]李莲花,张建斌.地热水资源开发引起的环境问题分析[J].地下水,2004(3):194-195.

[3]李 郡,冯来全.衡水地热田地热资源勘查评价[R].衡水:河北省地矿局第三水文工程地质大队,2008:52-53.

[4]吴富春,方 炜.西安市地热水开采与地面沉降、地裂缝关系的分析[J].地震地质,2002(2):77-79.

[5]林 黎,赵苏民.深层地热水开采与地面沉降的关系研究[J].水文地质工程地质,2006,29(5):34-37.

[6]林建旺,刘小满.天津地热回灌试验分析及存在问题[J].地热能,2006(6):11-13.