黄河下游平原区地热资源开发利用对策

宇 洁，朱卫民，王现国

(1.河南省栾川地质矿产局，河南洛阳471500;2.河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南郑州 450053)

1 地热地质条件概述

黄河下游冲积扇(河南部分)属中朝准地台的南部，二级分区则为华北台坳的中南部，西为山西台隆、华熊台缘坳陷、嵩箕台隆;东南为鲁西中台隆。坳陷区地表广为新生界覆盖，仅大边缘地带有基岩零星出露。研究资料表明，燕山运动早期及其以前，华北坳陷与相邻构造单元为统一整体，地质构造特征基本相似。燕山运动以后，西部隆升，本区下沉，形成坳陷。坳陷内燕山运动晚期-喜马拉雅运动早期，由于基底构造及断裂活动影响，作不均衡下沉，形成一系列次级断(坳)陷盆地和断块隆起。以新乡-商丘深断裂为界，以北在太行山坳陷和隆起均为北北东向，且相间分布，包括汤阴断陷、内黄隆起、东明断陷、临清坳陷、济阳坳陷、埕宁隆起等。新商断裂以南地区，由于近东西向基底构造线方向和断裂影响，坳陷和隆起多呈东西向或北西向展布，包括济源-开封坳陷、通许隆起、周口坳陷等;隆起区缺失侏罗纪，古近系厚度可达5 000 m以上。古近纪以后，本区继续大幅度下沉接受沉积，堆积了厚约500～1 000 m以上的新近系、第四系松散堆积物。

根据黄河下游冲积扇(河南部分)平原区第四系及其下伏的新近系有如下特征:新近系发育齐全，自下而上为:(1)馆陶组(Ng):底板埋深开封1 685 m，郑州1 000～1 200 m;(2)明化镇组(Nm):厚990 m左右。第四系可分为(1)下更新统(Qp1)，黄河下游地区均有分布，厚度较大，一般80～200m，坳陷中心厚度大于200 m，成因类型主要为冰水、冲积及冲湖积、湖积等;(2)中更新统(Qp2)，该层厚度较大，一般40～60 m，最厚可达100余 m。(3)上更新统(Qp3)，区内普遍分布着黄河堆积物，厚度较大，一般30-50 m，坳陷(断陷)中心可达60m以上;(4)全新统(Qh)，该套地层在区内较发育。其厚度在隆(凸)起区较薄，一般10～20 m，其它地区均在20～30 m之间，开封凹陷最厚可达40余米。堆积物主要为黄土物质经黄河搬运堆积而成。

根据区域地热地质资料，汤阴断陷地温梯度2.5～3.00 C/100m，构造部位达3.50 C/100m;内黄隆起地温梯度3.0-3.50 C/100m，由南向北地温梯度逐渐降低;东明断陷地温梯度 2.25 ～2.750 C/100 m;埕宁隆起地温梯度 3.0 ～3.50 C/100 m，局部小于3.00 C/100m;济源-开封坳陷地温梯度2.5 ～3.00 C/100m，开封以东大于 3.00 C/100m;通许隆起地温梯度2.5～3.00C/100m，中部高，东西两侧略低，构造部位达4.00 C/100m;周口坳陷地温梯度 2.5 ～3.00 C/100m，西部低，东部高。

2 地热资源勘查开发现状与存在问题

2.1 地热资源勘查与开发现状

自二十世纪五十年代以来，先后有地质、煤炭、地震、石油等部门开展了地热资源勘察工作，基本查明在郑州、开封、漯河、周口、濮阳、新乡、商丘、鹤壁等地广泛分布着低温地热资源，目前最深的地热井为3 000 m左右，位于鹤壁市新区，其温度达73℃左右，并含有大量的CO2和H2S气体，目前鹤壁市政府拟建造5眼2 800～3 200 m地热井进行集中供热和化工原料的生产，现已完成3眼井的施工，其次是20世纪90年代初在开封县由河南省地质工程公司负责实施的1 750 m地热井，其温度70℃左右。其余大多数地热井深在1 200 m左右，温度在42～58℃之间，如郑州市地热井180余眼，开发深度小于1 200 m。其水质多数达到了锶和偏硅酸天然饮用矿泉水标准。总体上说，黄河冲积扇平原区(河南部分)地热地质工作研究程度较低。初步查明热储层地热水储存量约 7.6 万亿 m3。

2.2 地热资源勘查与开发中存在的主要问题

2.2.1 勘查研究程度低与开发深度浅

地热开发工程施工单位技术参差不齐。实际能够真正承担或具备地热井施工的单位为数不多。由于管理上比较混乱，造成不管有没有实力或设备，只要与钻井业务有关的单位或个体几乎都可以从事这方面的工程，所以，地热井相当一部分在使用不到两三年即出现井管腐蚀破裂、出浑水或砂、水量减小、水温降低等问题。

现有的地热井主要在1 000～1 200 m左右，水温也仅仅在40℃ ～58℃之间，开发深度浅。据区域地热资料显示，有些地区的地热温度可达70℃ ～80℃。

2.2.2 没有明确的发展规划与目标，开发利用单一

黄河冲积扇平原区地热井的建设单位主要是政府、宾馆、企事业单位和房地产商等，主要用于职工福利、温泉洗浴、饮用和提高房地产的卖点。目前，政府没有实行统一的规划和管理，理没有一个明确的思路和目标。所以出现了地热资源开发与发展不均衡现象。主要表现在局部地区过于集中钻井开采同一地层的地热水，形成水位急剧下降;而大部分地区虽具备良好的地热资源却没得到很好的开发和利用，到目前为止还没有形成一定规模和有效的开发。

2.2.3 地热资源勘查与开发管理无序

黄河冲积扇平原区没有进行过系统的地热地质勘察研究，开采管理比较混乱，出现了乱开采、乱审批、乱收费等现象，从而导致个别地区地下水位急剧下降和污染问题，在目前地下水资源承载力十分脆弱的情况下，普遍存在饮用水安全问题的情况下，政府采取科学的措施来解决，在没有科学调研和充分论证基础上强行封井和不再审批所有建井许可(同时包括地热井)。若不加强论证和管理而无序开采地下资源将会导致一系列的地质环境问题，因此在地热资源开发利用方面，急需形成一个统一管理、统一规划、统一论证的模式和权威性的业务管理工作与决策机构。

3 地热资源的勘查与开发保护

黄河冲击扇区地热资源勘察与开发研究程度低，正确处理地热资源的开发与生态、环境与经济之间的关系，不能靠单一的行政指令封停或滥采，使之协调发展。

3.1 建立地热资源开发统一管理法规措施

首先加强地下水资源或地热资源行政主管部门的业务能力的学习和培训，只有自身具有较强的专业技术知识或业务能力，才能行使好职能部门的权力或为政府提供科学的决策依据;其次是加强统一管理和规划，在所有地下水或地热资源开发利用前，做好前期论证和审批工作;加强监督管理和市场规范工作，建立地热资源开发统一管理法规措施，因为地热开发是一个地下工程，其工程质量的好坏直接与使用寿命和最大效益的发挥有关，杜绝无施工能力或技术实力较差的单位进行地热工程的施工。

3.2 合理开发地热资源，正确处理地热资源开发引起的环境问题

热水资源无序的“乱批、乱采、乱用”，则会导致许多的问题和后果，如“资源的浪费、地下水位下降、地面不均匀沉降、地裂缝、建筑物开裂或倾斜、地下水污染等。在地热资源勘察与开发工作中，树立起“地下水资源的可持续发展观”，科学合理处理“生态、环境、经济发展”关系，地热资源的开发利用统筹规划。

地热资源作为一种地下新型的能源，无论是从环保方面、成本方面还是在水质与水资源安全，其他的都无可比拟。地热水不但可作为一种环保型的热能源供暖、温泉洗浴、种植与养殖，而且其水质(饮用矿泉水)与严重污染的地表水相比，显示出巨大的优越性。采用地热资源供热供水，而无锅炉供热的洗浴、房产等行业相继出现，使生态环境得到了较好的保护，如采用锅炉供热，每万平方米面积取暖，在取暖期内产生 SO2气体 4.26 t，烟尘 7.11 t，垃圾 413.8 t;如果采用地热供暖，不仅避免环境污染，而且还省去煤、机械费用、大量的人工投入，并且还可大大降低供暖成本，如北京市一套燃气锅炉的运行成本是40元/(m2.a)，而地热供暖的成本是20元/(m2.a)。对于靠黄河为主要饮水的郑州、开封，在黄河水经常出现严重污染和断流的情况下，水资源安全受到严重威胁条件下，以地下深层热水作为饮用水源或供暖，显得尤重要和迫在眉睫。

3.3 加强地热资源勘察与开发利用技术研究

在地热资源或地下水资源开发的同时进行勘察与开发利用新技术研究，进行“开采与回灌”联合调度运行模式，即开采地下热水资源的同时，同步实施地下水回灌，可有效防止地面沉降等环境问题发生。回灌水可根据不同情况，利用自来水公司的地表水或污水处理厂经过处理并符合排放标准的水。另外，在开采地热资源时，要根据不同用途和现有井的数量，分不同层次和深度地开采，避免在同一深度开采。

寻求新的地热水资源，根据地热地质条件推断和预测，在郑州、开封、周口、漯河等地，在1 500～4 000 m之间具备较好的热储条件和丰富的地下水资源，其温度预计可达70～100℃。

加大地热钻探设备投入和技术创新工作，目前在地热井专业施工设备方面主要是2 000 m以下的钻井设备(石油系统除外)，并且都是正循环泥浆钻进。无论是设备性能方面还是成井工艺方面都存在着一定问题，如:钻井深度能力差、效率低、成本高、地层污染严重。由于成井材料和工艺问题，导致地热井正常的使用寿命低，主要表现在:短期内出现水量减小、涌砂或出混水、并管腐蚀破裂。所以，今后应该继续加大地热钻探设备的投入和技术创新工作。

3.4 建立地热田的评价和管理数学模型和制定地热资源开发利用总体规划

根据黄河冲击扇区地热地质条件，对地温场、热储、地热流体、回灌试验等进行研究，确定地热田的温度、热储条件、储量、流体性质和水化学类型，并建立相关的数学模型。为地下资源保护与合理开采布局提供科学的依据。

由于地热流体中通常含有CO2、H2S等凝气体，特别是在高温地热流体中其浓度更大，另外，废地热流体的直接排放会造成热污染和流体中有害组分的超标排放。如果处理不当，则会对大气和环境造成污染;在新生界松散沉积层及半成岩热储层中开采地热流体可能产生地面沉降等。这些问题的出现都会对环境造成一定的影响或破坏，地热资源开发利用时，必须进行环境影响评价。

4 结论

黄河水资源是我国西北、华北地区的主要水资源，是北方地区最大的供水水源。不仅对缓解华北水资源短缺、促进地区社会可持续发展起着重要的作用，而且在全国经济发展中占有重要地位。在长期的治理、开发黄河的实践中，作者深感水文地质学科得不到应有的重视，原因是多方面的。一方面水文地质工作者需要转变思路，提出的勘察成果一定要有很强的实用性和可操作性。另一方面，也要看到黄河下游地下热水资源开发所引起的水环境问题，如地面沉降、水质恶化、地下水位持续下降、水资源枯竭、土地沙化、湿地萎缩等，水文地质工作者当前所面临的就是尽量减少或避免这些问题的发生，从根本上改变人们对水文地质学科的偏见。可预见，水文地质学科的发展必将会越来越受到人们的重视。

黄河是著名的多泥沙河流，作为供水水源，处理工艺复杂，且费用也高。尤其是七十年代以来，黄河下游出现断流，进入九十年代后，几乎年年断流，切断流时间、河段持续增长。直接威胁沿黄城市和引黄灌区的供水安全。同时，由于黄河上游工矿业、农业和生活污水的大量排入，使黄河干支流水质污染越来越重，这更加剧了水资源紧张局面，势必造成对沿黄地下水的开采。黄河下游不但赋存有浅层孔隙淡水，而且蕴藏有比较丰富的地热资源。浅层地下水资源主要是黄河水渗透补给形成的，并且补给非常迅速，属激发补给。经过多年研究，初步探明了这部分浅层地下水资源的分布规律;黄河下游冲积扇平原(河南部分)的地下地热资源，研究程度较低，因此，加强地下热水循环演化机理研究，对合理开发黄河地下热水资源有着重要的现实意义和经济意义。

综观几十年的水文地质勘察工作，黄河下游河南部分的地热水文地质勘察取得了一定的成绩，但由于黄河的独特性质，勘察工作中还存在很多的难题需要解决，在今后的黄河水资源开发及黄河治理中，把地热水文地质勘察纳入其中，采用新技术、新理论、新方法，全面开展黄河下游地热水文地质勘察，圈定具有供水意义的地热田，进行供水水文地质勘探和开发利用研究，提高沿黄城市供水的安全性，改善人民生活条件，为当地提供新的洁净能源。建议建立动态观测网，严格进行地热系统水质和水位的动态观测工作，作好水量和水质变化的预测工作，防止地下水质恶化和水量超采。在开采的同时，就水量和水质变化规律、水井布局和井深的合理性等课题继续进行研究同时，也需要进一步加强:黄河下游地热水文地球化学作用及地热水循环演化形成条件的研究和地热水合理开发利用技术研究。

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