北京地区地热流体质量评价

路 明

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

北京地区地热流体质量评价

路 明

（北京市水文地质工程地质大队，北京 100195）

地热流体的质量决定了其使用方向，以往地热流体质量评价主要为单井评价或局部区域评价。本文首次利用140件地热水化学资料开展全区地热流体质量评价，主要包括医疗热矿水质量评价、渔业用水水质评价、农业浇灌用水水质评价及地热流体腐蚀（侵蚀）性及结垢趋势评价。评价结果显示，北京市地热水绝大部分地热水中含有氟且达到命名浓度，多数含有偏硅酸且达到医疗价值，有的达到命名浓度。北京市只有1/4左右到的地热井可进行渔业直接用水；根据钠吸附比进行评价，88.6%地热水不适于农业浇灌直接用水；北京地区的地热水中导致腐蚀的因素是比较弱的，结垢趋势也相对较弱。

地热；质量评价；腐蚀性评价；结垢性评价

0 前言

地热资源是清洁能源，是独特的不可代替的可再生资源。目前已广泛应用于地热采暖、保健、康复医疗、洗浴、娱乐等方面，取得了良好的社会和经济效益，具有很好的发展潜力和前景（申建梅等，2000；关凤峻等，2010；李安宁等，2001；宾德志等，2002；周训等，2006）。

北京地区地热资源主要分布于平原地区（含延庆盆地），属盆地传导型中低温地热资源，主要分布在相对独立又有一定联系的10个地热田中，地热资源温度范围为25℃～118.5℃。平原区地热水的分布明显受断裂构造的控制（Zhou Xun et al，2008；柯柏林，2009；吕金波等，2001；林黎等，2007；国家技术监督局，1993）。北京地区主要热储为蓟县系雾迷山组硅质白云岩，寒武系和奥陶系灰岩在盖层条件具备的情况下也是较好的热储，个别地区高于庄组白云岩和裂隙发育的侏罗系安山岩热水也较为丰富（刘凯等，2014；刘凯等，2015；Edwards et al，1987）。

地热水孕育和贮存在热储中，这与常温地下水贮存在普通含水层中具有决然不同地球化学环境，特定的地球化学环境造就了特定的地下热水流体特征。以往北京地区地热流体质量评价主要以地热资源开发利用中单井评价为主，本文首次针对全市开展地热流体质量评价。

地热流体质量评价主要针对全市地热资源开展医疗热矿水质量评价、渔业用水水质评价、农业浇灌用水水质评价及地热流体腐蚀（侵蚀）性及结垢趋势评价。本文利用收集以往70件地热水化学资料及《北京市地热资源现状调查评价与区划》项目所取70件水化学资料进行综合评价。该140件样品均匀分布在全市十个地热田中，所取样品取样深度和取样层位均具有显著的代表性，取样距离时间比较近，化学测试均由北京市水文地质工程地质大队化验室完成。

表1 医疗热矿水评价结果示例表Tab.1 Quality evaluation table of geothermal water

1 医疗热矿水质量评价

地下热水的医疗保健功能在于天然形成的25℃以上的温泉，并含有一定的矿物和气体成分。医疗矿水评价以《地热资源地质勘查规范》中“医疗热矿水水质标准”为依据，以区内地热水中各元素实际含量与之对比进行医疗热矿水评价。其中评价指标依据GB/T13727-92天然矿泉水地质勘探规范（附录B 医疗矿泉水水质标准），略作修改，主要包括二氧化碳、总硫化氢、氟、溴、碘、锶、铁、锂、钡、偏硼酸、偏硅酸、氡、温度、矿化度等指标，指标取消了锰、偏砷酸、偏磷酸、镭等4个意义不明或对人体有害的矿水类型。

根据全市十个地热田的140件水样评价结果，北京地区地热水绝大部分地热水中含有氟且达到命名浓度，多数含有偏硅酸且达到医疗价值，有的达到命名浓度；部分井的偏硼酸含量达到医疗价值，个别达到命名浓度；多数地热井含有硫化氢，少数达到命名浓度；个别井中镭、氡、碘、锂、铁、钡、锶达到命名浓度；绝大部分地热水的溶解性总固体小于1.0g/L，少部分高于1.0g/L，其中最高达7.5g/L。北京地区的地热水一般属于微硬或软水，在十个地热田每个地热田选取2件示例样品评价结果见表1。

2 渔业用水水质评价

地热水养鱼是目前地热资源利用中十分普遍的。地热水养鱼要求的水温不高，如养殖热带罗非鱼正常生长温度为22℃～35℃，而30℃左右生长最快。养殖热带石斑鱼要求水温25℃～28℃，一般家鱼要求的水温更低。所以地热水养鱼又是地热梯级综合利用中尾水余热利用的有效途径。

鱼类对水质的要求比较宽松，一般淡水鱼能在溶解固体浓度为10000mg/L的水中正常生长，美国环保局对于淡水鱼提出的标准是溶解固体含量不宜超过15000mg/L。区内地热水中《渔业水质标准》（GB11607-89）规定的各类污染物含量一般低于检出浓度，其中对渔业用水水质影响较大的元素主要是氟化物、酚、砷及汞。汞的毒性很大，鱼类对汞的富集能力极强，富集系数高达105，藻类对汞的富集也达103，由于鱼类既直接从水中又间接从饵料中富集汞（山东省地质调查研究院，2013），因此，即使养殖水体中汞的含量对鱼类生长无直接影响，它可能通过食物链对人类造成危害。砷对水生物的毒性大，鱼类及其他水生物也能对砷富集浓缩，但程度要比对汞的富集小。无机氟化物是一种持久性生物积累物，与钙有特殊的亲和力，对骨骼影响很大，过量的氟会使鱼畸形甚至死亡，也会通过在鱼体内的富集而间接影响到人类。参照《地热资源开发利用实用全书》中的有关内容，渔业用水的水质评价标准如表2所示。

根据140件取样评价结果，北京市地热水质资料分析表明绝大多数地热水中含有氟，其中氟含量只有37个水样小于5 mg/L，较适合渔业养殖，而且这些地热井多出在地热田外围，其中小于1 mg/L的优质地热水仅有7件，1～2 mg/L的仅有2件，2～5的有28件。绝大多数氟含量在5～9 mg/L之间（80个），氟含量大于9mg/l的约有20组样品，故大多数地热井不适合渔业养殖直接用水。在所有样品中挥发酚类含量均小于0.001 mg/L，比较适宜渔业养殖。在所有样品中只有2个样品浓度大于0.0001 mg/ L，其他均小于0.00005 mg/L，比较适宜渔业养殖。其他元素如铜、镉、铅、镍除极个别样品浓度大于规定值外，均小于检出值，比较适宜渔业养殖。

表2 渔业用水水质评价标准一览表（单位：mg/L）Tab.2 Evaluation standard table of water quality for f shery water

综上所述，北京市只有1/4左右的地热井可进行渔业直接用水，绝大多数地热水氟含量均超标，一般不能直接作为渔业用水。具体北京地区部分渔业用水水质示例评价结果见表3。

北京市利用地热水发展水产养殖，对引进优良鱼种、鱼越冬、缩短鱼苗培育期、鱼的工厂化养殖等有特殊作用，在我国已引起了普遍的关注。北京利用地热水发展水产养殖始于20世纪80年代初期，现有养殖水面200多亩，分布于昌平小汤山、顺义李遂、丰台水产中心及南宫等多处，主要用于特种鱼生产及供观赏、垂钓鱼的养殖，如北京市朝政检测场利用地热水进行优良育种养殖。

3 农业浇灌用水水质评价

我国对农田灌溉用水的水质控制标准为《农田灌溉水质标准》（GB5084-92），该标准规定的汞、镉、砷、铬、铅、铜、锌、硒等微量元素在区内地热水中均小于检出浓度。根据农作物对水质的要求，灌溉水质主要由下述化学特征来确定：①可溶盐的总浓度或盐渍度：盐分主要通过它的渗透性影响作物的生长，渗透压取决于离子总量，因此可以用溶解性总固体含量来表征。②钠相对于其他阳离子的浓度或碱化度：如果灌溉水中钠离子含量过高，钠会成为土壤中占优势的阳离子，导致盐分浓度增大，使部分交换性钙和镁被钠所取代，吸附钠将引起土壤分散和膨胀，降低土壤的渗透性。③硼或其他对植物生长有毒害的元素的浓度：硼是植物正常发育必不可少的微量元素，在缺硼土壤中合理施用硼肥可提高农作物产量和质量，但是环境中过量的硼又会使土壤变坏及农作物受害。与硼类似，作物中一般含有一定数量的氟而不影响其生长发育，但是氟对作物是敏感的微量元素，过量的氟也会引起农作物减产甚至死亡。因此，参照《地热资源开发利用全书》农业灌溉用水的控制项目为溶解性总固体TDS、氯化物、碳酸盐、钠吸附比SAR、硼、砷及氟化物，灌溉用水水质分级如表4所示。

根据评价内容主要分为3个方面评价：①农业浇灌用水的控制项目指标：北京市地热水水质资料分析表明绝大多数地热水中含有氟，其中适用于农业浇灌用水的小于1 mg/L的优质地热水仅有7件；用于农业浇灌的良好地热井氟含量在1～3 mg/L的仅有7件；适用于一般农业浇灌的氟含量在3～10 mg/L的地热井有111件。氟含量大于1 mg/L的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ不适用于农业浇灌的仅有16件，故按照氟含量大多数（90%）地热井适合农业浇灌直接用水。北京市地热井溶解性总固体在0.33～7.5 mg/L之间，其中没有优于浇灌用水的Ⅰ类地热水；良好的Ⅱ类地热水有44件；一般适用于农业浇灌的Ⅲ类地热水87件；不适用于农业浇灌用水的为10件，故按照溶解性总固体评价北京市地热水绝大多数（92.9%）适用于农业浇灌直接用水。从氯化物方面评价优于灌溉用水水样126件，良好的3件，一般的3件，此外较差、差和极差的共8件，按照氯化物评价北京市地热水绝大多数（94.3%）适用于农业浇灌直接用水。从硫酸盐进行评价，北京市地热水优于灌溉用水的115件，良好12件，一般的7件，此外较差、差和极差的共6件，按照硫酸盐评价北京市地热水绝大多数（95.7%）适用于农业浇灌直接用水。②钠吸附比：用钠吸附比进行评价，北京市地热水优于浇灌用水的仅4件，良好7件，一般5件，较差6件，差47件，极差71件，按照钠吸附比进行评价北京市地热水绝大多数（88.6%）不适用于农业浇灌直接用水。③地热水温度的要求：根据实际统计资料分析，北京市绝大多数地热井温度大于35℃，只有极个别几个温度低于35℃（北工大22℃，洼里20℃），故地热水不能直接用于农业灌溉，需经梯级利用后使尾水温度低于35℃方可用于农业浇灌（表5）。

表3 渔业用水水质评价结果一览表（单位：mg/L）Tab.3 Evaluation results of water quality for f shery

表4 灌溉用水水质评价分级表（单位：mg/L）Tab.4 Evaluation table of the quality for agricultural irrigation water

综上所述，依据农业灌溉用水的控制项目溶解性总固体TDS、氯化物、碳酸盐、硼、砷及氟化物等评价，绝大部分地热水可以作为农业浇灌的直接用水。根据钠吸附比SAR进行评价，88.6%地热水不适于农业浇灌直接用水。此外，由于北京市地热水温度多大于35℃，故地热水不能直接用于农业灌溉，需经梯级利用后使尾水温度低于35℃方可用于农业浇灌。

表5 北京市灌溉用水评价结果表Tab.5 Evaluation results of irrigation water consumption in Beijing

4 地热流体腐蚀（侵蚀）性评价

根据《地热资源地质勘查规范》，地热水腐蚀性是地热水通过其化学组分、温度、流速及压力等诸多因素与所用材料相互作用的复杂结果，其中地热水的化学组分对金属材料的腐蚀性起关键作用。当地热水中氯离子含量超过25%毫克当量百分数时，采用拉申（Larson）腐蚀指数评价较为合理。当地热流体中Cl-的毫克当量百分含量均低于25%，一般不能采用拉申指数进行评价。依据《地热资源地质勘查规范》（GB/T11615-2010），可参照工业上用腐蚀系数Kk来衡量地热水用于锅炉的腐蚀性。地热水对混凝土建筑的侵蚀主要是通过分解侵蚀、结晶侵蚀及分解结晶复合侵蚀作用进行的。

根据地热水的水质测试结果，当地热水中氯离子含量超过25%毫克当量百分数时，采用拉申（Larson）腐蚀指数评价，北京市热储地热水的拉申指数为0.68～70.03（共20件样品），其中适用拉申指数评价的具有腐蚀性的地热水除个别在东南城区地热田（3件）、西北城区地热田（2件）、后沙峪地热田（2件）外，剩余全部集中在天竺地热田。其中具有轻微腐蚀性水（0.5＜LI＜3.0）样品共12件，中等腐蚀性水5件（3.0＜LI＜10），强腐蚀性水（LI＞10）3件。

采用腐蚀系数Kk来衡量地热水用于锅炉的腐蚀性的样品共计120件，其中具有腐蚀性水1件，半腐蚀性水35件，非腐蚀性水84件。故北京市地热水60%为非腐蚀性水，25%的地热水为半腐蚀性水，只有15%为腐蚀性水，腐蚀性水中又以轻微腐蚀性水为主。

根据水质资料分析评价，140件北京市地热水只有JR-91同时对硅酸盐水泥(A) 和火山灰质矿渣硅酸盐水泥(B)具有分解侵蚀性，只有温热-5和JR-131对火山灰质矿渣硅酸盐水泥(B)具有分解侵蚀性，其余137件样品对硅酸盐水泥(A) 和火山灰质矿渣硅酸盐水泥(B)均无分解侵蚀性。

北京市地热水pH值均大于凝土的分解性侵蚀计算参数取值及结晶性侵蚀评判标准一览表中酸性侵蚀pH标准，即实测pH值均大于6.2和6.4，不具有酸性侵蚀。

根据水质化验结果，北京市地热水中游离二氧化碳值均小于计算评价出的碳酸侵蚀指标[CO2]s，故北京市所有地热水均不具有碳酸侵蚀性。

结晶侵蚀主要是硫酸侵蚀，水与水泥反应形成石膏或硫酸盐晶体，充填在混凝土孔洞中，由于结晶膨胀作用导致混凝土力学强度降低乃至破坏，含量是结晶性侵蚀评价的主要指标。根据北京市地热水质化验结果，北京市140个水样中只有12件样品对普通硅酸盐水泥(A) 和普通火山灰质矿渣硅酸盐水泥(B)具有结晶侵蚀性，其余128件样品对普通硅酸盐水泥(A) 和普通火山灰质矿渣硅酸盐水泥(B)均无结晶侵蚀性。

所有样品对抗硫酸硅酸盐水泥(A) 和抗硫酸火山灰质矿渣硅酸盐水泥(B)均无结晶侵蚀性。

5 结垢趋势评价

结垢趋势评价主要包括碳酸钙垢、硫酸钙垢、硅酸盐垢结垢趋势评价。

影响碳酸钙结垢的主要因素有pH值、压力、温度及共存盐的浓度，依据北京市地热水质化验结果，北京市雷兹诺指数计算评价中有严重碳酸钙结垢趋势的9件，中等结垢趋势的89件，轻微结垢趋势的33件，不结垢的仅9件。

硫酸钙垢主要以二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)的形态沉淀，在中、低温状况下（小于100℃），热流体中硫酸钙离子溶积超过二水硫酸钙的溶解度，二水硫酸钙就沉淀，影响硫酸钙沉积的主要因素为温度和水中总固形物的含量。根据评价方法及北京市水质化验结果，北京市140个样品的计算评价结果均为R·S≤0，即无CaSO4·2H2O垢生成。

硅酸盐水垢的结构比较复杂，其结垢趋势一般采用无定形SiO2的相对饱和度(relative saturation)的大小来判断，区内地热水中可溶性SiO2含量介于13.4～106.0 mg/L之间，经计算，区内地热井水可溶性SiO2相对饱和度R.S均小于1，所以无硅酸盐水垢生成。

北京地区的地热水中导致腐蚀的因素是比较弱的，结垢趋势也相对较弱。但在地热开发利用过程中由于温度、压力等条件的变化引起的腐蚀及结垢是普遍的，整体上北京地区地热水中导致腐蚀结垢的因素与其他地区相比不能算是严重的。

6 结论

（1）北京市地热水绝大部分地热水中含有氟且达到命名浓度，多数含有偏硅酸且达到医疗价值，有的达到命名浓度；部分井的偏硼酸含量达到医疗价值，个别达到命名浓度；多数地热井含有硫化氢，少数达到命名浓度；个别井中镭、氡、碘、锂、铁、钡、锶达到命名浓度；绝大部分地热水的溶解性总固体小于1.0g/L，少部分高于1.0g/L，其中最高达7.5g/L。北京地区的地热水一般属于微硬或软水。

（2）北京市只有1/4左右的地热井可进行渔业直接用水，绝大多数地热水氟含量均超标，一般不能直接作为渔业用水。

（3）由于北京市地热水温度多大于35℃，故地热水不能直接用于农业灌溉，需经梯级利用后使尾水温度低于35℃方可用于农业浇灌。

（4）北京市地热流体腐蚀性适用拉申指数评价的具有腐蚀性的地热水除个别外，以具有轻微腐蚀性水为主。北京市地热流体绝大多数具有碳酸钙结垢趋势，均无硫酸钙垢结垢趋势，均无硅酸盐垢结垢趋势。

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Geothermal Fluid Quality Evaluation in Beijing

LU M ing

(Beijing Institute of Geological Environment Monitoring, Beijing 100195)

The quality of the geothermal fluid determ ines its utilization direction. In the past, the quality of geothermal fuid was mainly evaluated by single well evaluation or local evaluation. In this research, it is f rst to use the water chemistry data of 140 samples to carry out the quality evaluation of geothermal fuid, and it mainly includes the quality evaluation of medical hot m ineral water, fishery water, agricultural irrigation water, and corrosion geothermal water. The results show that the majority of geothermal water in Beijing contains fuoride and its content reaches the level to determine the names. Most water contains metasilicate and some has the medicinal value. Only about 1/4 of geothermal water in Beijing can be used directly for f sheries. According to evaluate the sodium adsorption ration, 88.6% geothermal water is not suitable for agricultural irrigation. The corrosion factors of geothermal water in Beijing area are relatively weak, and the scaling trend is relatively weak.

Geothermal resources; Quality evaluation of f uid; Erosion evaluation; Scaling tendency evaluation

A

1007-1903（2017）02-0053-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.011

路明（1958- ），男，工程师，主要从事水工环地质方面研究，E-mail：lm@bjswd.com