咸宁温泉环境地质问题和资源保护

陈梦源, 罗莉威, 何 春

(湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

咸宁市地处华中腹地,位于幕阜山脉北缘丘陵地带,与江汉平原南缘相接。咸宁市地热资源的主要表现形式为温泉、地热井,温泉开发利用历史悠久,地热产业发展迅猛,是“中国温泉之城”、“全国第二批可再生能源建筑应用示范市”、“湖北省首批低碳经济试点市”。

咸宁市温泉地热田位于咸宁市温泉经济技术开发区中心,重点区为月亮湾—潜山—高屋吕一带(图1),先后进行过不同精度、不同目的的勘查工作,对咸宁温泉地热地质研究较深的有:咸宁市温泉地热区初勘阶段水文地质勘察(1980-1983年);湖北省咸宁市温泉地热田详查(2004-2006年);咸宁市温泉地热田地热资源深部普查(2006-2008年);咸宁市温泉地热田地热资源深部普查(续作)(2010-2011年);咸宁市温泉地热田地热资源储量核实工作(2015年)。

根据以往的勘查工作及成果,咸宁市温泉地热田属沉积岩地区断裂深循环地热增温型[1],热储为岩溶热储,含水岩层主要为奥陶系地层,热储盖层主要为志留系地层,主要控热导热构造为北东向断裂,为断裂对流型地热系统;地热流体温度为40～54℃,属低温水热型地热资源;地热流体整体上为含氟、偏硅酸的理疗热矿水,局部存在含锶的热矿水。

随着咸宁市温泉地热资源的广泛应用,地热流体开采量的大幅增加,地热田内产生了一系列环境地质问题:如井泉、井孔之间的互相干扰,地热流体温度降低,地热流体水质变化及区域地下水位下降等。

1 井泉、井孔之间的互相干扰

咸宁市温泉地热田地热井井位相对集中,主要集中分布在月亮湾一带,开采强度较大,2004、2011-2014年咸宁温泉地热田开采井数、开采企业及开采量见表1。

表1 咸宁市温泉地热田开采井数、开采企业及开采量[2]Table 1 The number of mining wells,mining enterprises and mining amount in hot spring geothermal field in Xianning

2004、2011-2014年用水量高峰期为每年的1-4月和9-12月两个时间段,开采量每年变化较大;用水低谷期为每年的5-8月,在取水低谷期大部分井处于停采状态(图2)。

综合以前监测资料,1983年以来,咸宁市温泉地热流体水位普遍下降,不仅开采井水位下降,未开采井水位也出现下降,部分泉点干涸消失,泉流量大幅减少。表明地热田内井与井之间、井泉之间联通较好;一个井开采而造成周边井、泉水位降低,井孔、井泉之间存在干扰。

温泉地热田使用的生产井,大多数集中分布在月亮湾一带,该区内岩石破碎,岩石裂隙连通性好,井间间距过小,2014年开采井5口,密度达到13口/km2,高峰期日均开采量为3 044 m3,互相干扰严重。

如果区内大规模开采,对开采量不加以控制,其井孔之间的干扰将加剧。

图1 咸宁市温泉地热田地热资源分布范围Fig.1 Distribution range of geothermal resources in hot spring geothermal fields in Xianning1.地热田分布范围控制界线;2.地热田分布范围推断界线;3.t≥40 ℃地热流体分布范围;4.25 ℃≤t≤40 ℃地热流体分布范围。

图2 咸宁市温泉地热田2011-2014年月开采量曲线图Fig.2 Diagram of monthly mining volume of hot spring geothermal field in Xianning from 2011 to 2014

2 地热流体温度降低

咸宁温泉地热流体经过近40年的开采,地热流体温度有所下降,1983年以来,特别是2004年以来,地热流体温度普遍降低,平均降幅4.3℃,在开采井集中的月亮湾一带,最大降幅达6.5℃,地热流体温度降低1～4.5℃,这与2004年以来地热流体开采量的急剧增加密切相关(表2)。

导致上述问题产生的主要原因是:自1983年以来,特别是2004年以来,地热产业的发展,区内地热生产井数量增加,开采量增加,开采井水位降低,导致了地表冷水混入,造成了温度的降低。

表2 咸宁温泉地热田生产井水温变化表[2]Table 2 Water temperature change table of the production well of hot spring geothermal field in Xianning

咸宁市温泉地热为断裂深循环地热增温型,为单一相水热系统。利用生产井作为该系统内地热资源的上涌通道,即在热对流处抽出地热资源,必将造成该水热系统内的压力下降,压力下降又将激发来自热田侧翼边界一定深度内的径流循环。开采地热资源,改变了水热系统中地热资源原有的交替循环条件,地热流体的交替循环速度、径流速度增大,其热交换时间缩短,导致流体与热储层的原有热平衡改变,进而表现出地热资源温度有所下降。

另外,在月亮湾一带的地表冷水的影响亦相当重要,这种影响对地热流体出口温度的影响尤为明显。由于地热资源开采量的增加,造成局部地下水位埋深的降低,冷水的混入,尤其地热流体出露的地方岩石破碎,冷水容易混入,造成了地热流体温度降幅大于生产井地热流体温度降幅的局面。

随着开采强度的增大,其浅层地下冷水补给地热资源的趋势增大,地热资源的温度将受到更大的影响,导致地热流体的温度进一步降低,特别是在月亮湾集中开采区一带,更应该控制地热流体的开采量和降深。

3 地热资源水质变化

咸宁市温泉地热田地热流体中含有多种对人体有益的化学组分,如氟、锶、偏硅酸等。经过多年的开采,地热田地热流体化学组分发生了一定程度的变化,本文选取了其中3个生产井不同阶段水质分析结果来说明地热流体化学组分的变化情况(表3)。

与1983年初勘时相比,部分井孔地热流体有益组分含量降低,有的生产井在详查时命名氟水、锶水、硅水,核实评价命名氟水、有医疗价值硅水,锶水不达标,其他两项虽达标,但含量均下降,表明生产井地热流体中有用矿物组分有所降低。

在地热田开采量强度逐渐增加的情况下,地热流体径流循环速度加快以及地表水和浅层冷水的混入,地热流体中二氧化硅、硫酸根离子、钾离子、钠离子、镁离子等特征离子的含量将下降,特别是对人体有益的微量元素的减少将大大降低地热流体的可利用价值。

4 地热流体水位的下降

根据咸宁市温泉地热田中13口生产井的监测资料显示,1983年至今,地热流体开采量显著增大,致使地热流体水位呈下降趋势,降幅0.67～2.24 m,平均降幅1.17 m(表4)。

地热流体水位的下降,造成泉水枯竭,部分泉点干涸,温泉出露点明显减少,由20世纪80年代的14处减少至目前的4处,并且流量也呈明显地减少。

水位降低的主要原因是经过数十年的开采,开采量大于补给量,造成了地下水位埋深的降低。

随着地热资源应用领域扩大、地热产业的不断发展,地热流体开采量进一步扩大,地热流体水位还将继续降低。

表3 咸宁市温泉地热田的3个生产井不同阶段水质变化表[2]Table 3 Water quality change table at different stages of 3 production wells in hot spring geothermal field in Xianning

表4 咸宁市温泉地热田生产井水位变化表[2]Table 4 Change table of water level of production well in hot spring geothermal field in Xianning

为防止地热流体水位的持续下降,保护温泉景观,应控制开采量并合理规划开采布局,保证地热资源的可持续开发利用。

另外,地热流体主要用于理疗洗浴,一般利用后直接排入城市管网,废地热流体的直接排放会造成热污染,地热流体中的有害组分对地表水、地下水水质可能造成污染,企业应保证废地热流体达标排放。

5 资源保护措施与建议

为使咸宁市温泉地热田地热资源更好地可持续开发,梯级综合利用,避免浪费,引起环境地质问题,应在组织、政策和技术方面采取必要的保护措施。

5.1 组织措施

建议对地热资源开发利用进行严格的管理,实行科学规划,统一集中开采,统一供热,并进行取配资源全时空调控管理。

政府相关部门应加强监控与管理,严格地热工程的审批制度,强调地热资源开发过程中的监测网络和回灌系统建设以及综合开发利用,使地热资源能够合理有序地开发利用,减少盲目开采对地热资源造成的浪费以及过量开采所导致的潜在地质灾害影响的积累。

5.2 政策性措施

地热资源作为一种清洁能源,并不是取之不尽、用之不竭的,在地热资源开采方面制定相应的政策性限制和规定,依法办事,已是刻不容缓。

(1) 严格遵守国家矿产资源法。

(2) 制定与颁布地热资源相关管理办法。

(3) 严格地热资源开采审批制度。

(4) 遵循地热资源勘探和开采程序,严格控制地热资源的局部开采量和开采强度。

(5) 定期编制与更新开发利用与保护规划。

5.3 技术性措施

针对温泉地热田地热开采现状,提出以下环境保护措施:

(1) 加强地热资源勘查、开发和保护中的关键技术研究,如加强地热尾水回灌技术和地热尾水处理研究;强化热能利用效率和传热管道保温措施,降低地热消耗和尾水温度;改进地热钻井、综合开发利用和地热防腐等方面的技术,提高地热资源的综合利用效率和经济环境效益。

(2) 针对不同的环境问题,以“预防为主,防治结合”为原则,逐个击破,将问题最小化,并针对具体环境问题采取适宜的解决方案。

① 针对热污染,采用梯级多次利用,如利用地热尾水养殖、洗浴或温室种植和尾水回灌,但是值得注意的是,尾水回灌对地层条件有一定要求,同时由于地热尾水温度的改变使某些矿物质发生沉淀,会对热储层或回灌井造成破坏;

② 针对生态环境问题,钻井完成后要及时恢复当地植被及加强尾水回灌,不能回灌的地区则采取必要的地热尾水处理措施,如可在广大农村地热区利用水生植物系统(如三棱草、芦苇和香蒲等)净化地热尾水,而净化后达到农田灌溉标准的尾水再用于农业灌溉;

③ 针对大气环境问题,地热蒸汽中对环境影响较大的为H2S、CO2气体,可采用物理或化学的方法将其去除,如用蒸汽转化法、燃烧法、生产商业性硫等方法去除H2S,通过地热井蒸汽分离生产商业性的CO2用于温室蔬菜栽培。

(3) 建立完善的地下热水开采量、水温、水位及水质动态监测系统,利用系统信息结合钻井成果和前期工作成果进行综合分析,使得对热储层的认识尽可能地接近储层分布的客观实际。资源评价就是在开采动态监测下不断完善、不断修正的过程,对地热流体运动规律的认识过程。这部分资料将对地热田的科学利用和环境保护提供基础信息,对优化开采布局提供依据。

(4) 每5年对地热流体可开采量及开采后对环境的影响进行重新评价。

6 结语

咸宁市温泉地热资源开发利用过程中,产生了井泉、井孔之间的互相干扰,地热流体温度降低,地热流体水质变化及区域地下水位下降等环境地质问题。通过采取必要的组织、政策和技术性措施,树立生态观念,完善生态制度,维护生态安全,优化生态环境,形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式,促进咸宁市温泉地热田地热资源更好地可持续开发和梯级综合利用。

[1] 徐世光,郭远生.地热学基础[M].北京:科学出版社,2009.

[2] 何春,罗莉威,陈刚,等.湖北省咸宁市温泉地热田地热资源储量核实报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2015.