岩溶型地热尾水排放对周边环境的影响①

陈刚

中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 济南 250013

目前清洁能源的开发利用较为热门，地热资源作为一种清洁能源，近几年的开发利用推广力度较大。林溦等2016年研究认为地热资源开发利用可产生巨大的经济、社会、环境效益[1]，但由于开发地热井多位于市政管网尚未覆盖的城市郊区，多数地热井存在尾水直接排放问题。开发利用方式的不合理也产生了较多的环境地质问题，如：地面沉降、地热资源衰竭、地热水有害成分污染、热污染等[2]。由于地热井开发将地下深处成分复杂的物质伴随地热水被带到地表[3]，张林1996年发现国内许多地热井水中氟含量偏高，一般在 0.5～17.0mg/L之间，地热尾水排放对环境造成氟污染问题[4]。

康凤新2020年研究认为岩溶热储分布广、单井涌水量大、温度高、易回灌等特点，逐渐成为我国北方地热开发的主要热储层之一[5]。济南作为“温泉之都”，地热资源开发利用程度较高，其中济北地热田为区内重要的地热开发热门地区[6]。该层地热水质量较好，汞、镉、铬、砷、铅等重金属污染物含量极微，不含挥发性酚与氰化物，COD、NO3-、NO2-、NH4+含量低，不含大肠菌群[6-7]。

为查明地热尾水排放对周边环境的影响，本次研究选择济北地热田开发利用程度较高的某地热井，从地热尾水排放对周边地表水、浅层地下水的主要离子、“三氮”、重金属、有机物及对表层土壤的影响进行分析，本研究对减少与避免地热清洁能源开发利用过程中产生的环境污染问题具有借鉴意义。

1 研究区概况

1.1 地质

研究区属黄河冲积平原。地势平坦，总体南高北低。地表水、地下水总体自南向北径流。区内广泛分布全新世黄河冲积物，为一套灰黄色粉砂土、粉质亚砂土、红棕色-红褐色亚粘土组合，黄河河床、河漫滩相，厚度10～30m。岩性类型决定了研究区表层土壤防污性能较差。

1.2 水文地质

研究区含水岩组主要为松散岩类孔隙含水岩组。垂向上分为三类亚组：浅层潜水含水亚组，中层承压含水亚组和深层承压含水亚组。本次研究对象为浅层潜水（30m以浅），下称“浅层地下水”。

该含水层，区内广泛分布，底界面埋藏较浅，淡水厚度较薄，小于20m。含水层岩性多为粉砂或粉细砂，其颗粒无明显的韵律变化，含水层埋藏不稳定，层次多，单层厚度 0～4.2m。水位埋深2～4m，水位年变幅小于2m，富水性较弱，单井涌水量小于 500m3/d。水质较差，地下水矿化度1～2g/L。主要补给来源为地表水和降水入渗，向下游径流和蒸发排泄[8]。

1.3 水化学类型

研究区浅层地下水化学类型复杂，从阴离子化学类型来看，主要以HCO3型为主，次为HCO3·SO4型。从平面分布来看，研究区浅层地下水阴离子以HCO3为主，沿地下水流向总体呈现 HCO3·SO4型→SO4·Cl型→HCO3·Cl型间隔分布的特征（图1）。

图1 研究区浅层地下水阴离子类型分布图Fig.1 Distribution of anion types in shallow groundwater in the study area

1.4 地热地质

区域上研究区属鲁西地热区，位于济南北部地热田北边缘，齐广断裂上盘。该热储层以奥陶纪灰岩含水岩层为最佳层状热储，奥陶系埋藏条件在区域北倾单斜构造的背景下，总体由南而北逐渐深埋[9]。

1.5 地热井开发利用现状

本次研究地热井，位于济阳区济阳街道恒建康养城院内，2012年左右开始开发利用，井深1473.55m，热储为奥陶纪灰岩，井口出口水温57℃，用于温泉洗浴，未见回灌井，日接待量为100～200人/d，开采量为 600m3/d，排放量为600m3/d，排放口出水温度42℃。该处远离市区，未见污水管网，院内未见污水处理措施，洗浴后的尾水直接排放至康养城西南角的沟里。张尔匡认为对地下热水资源的开发必须全面规划，配套管网设施应与地热开发相匹配，尽量减少尾水排放造成的环境污染问题[10]。

1.6 生态环境背景

研究区及周边主要是生态疗养区，建有老年康养城，无明显的污染源，地下水、土壤基本处于背景值，故本次研究选择生态背景基本空白的地方，便于对比分析地热水开采对周边环境的影响。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

采样考虑地热井西北方向有大寺河，浅层地下水局部流向基本垂直于大寺河。本次于枯水期采集大寺河地表水1件（B3），地热原水1件（Q55原水），排放尾水1件（Q55尾水），沿地下水流向500m采集地下水1件（洼里王村Q56）；沿地下水流向2500m采集地下水1件（官家坊村Q54），浅层地下水样品选择深度20～30m机、民井，抽水30分钟井筒内全部为新水后，采样，封瓶，冷藏，3日内送检，进行全分析、有机污染分析。地热尾水排放点（T54）、500m点（洼里王村T55）、2500m点（官家坊村T53）采集地表土壤样片各1件，采样深度 0～40cm，进行重金属分析。采样点位置见图2。

图2 采样点分布图Fig 2 Distribution map of sampling points

2.2 样品测试

水样采集按照《水质采样、样品的保存和管理技术规定》执行[11]。

样品测试委托中国冶金地质总局山东局测试中心，该中心具备国土资源部地质勘查岩矿鉴定与岩矿测试甲级资质。

主要检测设备包括：PHS-3E酸度计(YQ005)、ICE3500原子吸收分光光度计(YQ003)、GCMS QP2020气质联用仪(YQ147)、Trace 1300-ISQ气相色谱质谱仪(YQ131)、UV752N紫外可见分光光度计（YQ137）、TU-1810紫外可见分光光度计（YQ059）、722G 分光光度计（YQ134）、X Series2电感耦合等离子体质谱仪(YQ006)、AFS-2202a型双道原子荧光光度计（YQ002）。

检测主要依据。水样：《地下水质检验方法》[12]、《饮用天然矿泉水检验方法》[13]、《水质 挥发性有机物的测定 吹扫捕集/气相色谱-质谱法》[14]。土样：NY/T 1121.2-2006《土壤检测 第2部分 土壤pH的测定》、GB/T 22105-2008《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定》[15]、HJ 803-2016《土壤和沉积物 12种金属元素的测定》[16]。

3 结果与讨论

3.1 主要离子含量比较

枯水期地热原水、尾水及周边地表水、浅层地下水样品测试结果见表1。

表1 地热尾水及周边监测点样品主要离子测试结果一览表Table 1 List of main ion test results of geothermal tail water and peripheral monitoring point samples

3.1.1 地热原水与尾水比较

由表1可见，地热原水与尾水主要离子含量基本一致，仅Na+、Cl-稍有变化，由温泉洗浴引起，但变化不大（图3）。

图3 地热原水、尾水主要离子含量对比折线图Fig.3 Comparison graph of main ion content of geothermal raw water and tail water

3.1.2 地热尾水与周边浅层地下水、地表水比较

与周边浅层地下水、地表水相比，地热尾水中Na+、SO42-、TDS明显偏高，其余主要离子相差不大。如直接排放，会对周边浅层地下水、地表水水质产生一定影响（图4）。

图4 地热尾水与周边地表水、浅层地下水主要离子含量对比折线图Fig.4 Graph comparing main ion content of surface water and shallow groundwater in geothermal tail water

3.2 三氮含量比较

地热原水、尾水及周边地表水、浅层地下水枯水期NO3-、NO2-、NH4+含量测试结果见表2。

表2 地热尾水及周边监测点三氮含量一览表Table 2 List of tri-nitrogen contents in geothermal tail water and peripheral monitoring points

由表2可见地热原水、尾水及周边浅层地下水三氮中，NO3-、NO2-含量基本变化不大，但NH4+含量变化较大，地热原水中NH4+含量小于检出限，而尾水中NH4+含量3.00mg/L，大于《地下水质量标准》[17]Ⅴ类水标准限值1.50mg/L（图5）。大寺河地表水因沿途人类活动产生的污染累加，NO3-、NO2-含量远高于地热原水、尾水及周边浅层地下水，但NH4+含量与地热尾水相近，不能排除有地热尾水直接排放至大寺河的可能。

图5 地热原水、尾水三氮含量对比折线图Fig.5 Graph comparing contents of geothermal raw water,tail water and three nitrides

对比表 2数据发现，地热原水到尾水 NH4+含量明显升高，但距离排放点500m远的洼里王村观测点NH4+含量在检出限以下，说明该处地热尾水 NH4+较高对周边浅层地下水的影响范围一般小于500m。该处渗透介质岩性的具体影响有待进一步研究。

3.3 重金属及氟含量比较

地热原水、尾水及周边地表水、浅层地下水重金属含量测试结果见表3。

由表3可见，尾水和原水中重金属含量均较少，仅尾水中砷含量 0.003mg/L，Ⅲ类＞尾水＞I类，原水和尾水中的其他重金属离子含量均低于I类水标准限值。

表3 地热尾水及周边监测点重金属及氟含量一览表Table 3 List of heavy metals and fluorine content of geothermal tail water and peripheral monitoring point samples

对比地热尾水与周边观测点重金属含量来看，地热尾水对周边浅层地下水重金属含量未见明显影响。周边浅层地下水中氟含量甚至高于地热尾水，与张林1996年许多地热井水中氟含量偏高并不一致[4]，分析原因为研究区蒸发量大于降水量，浅层地下水处于蒸发浓缩状态，故浅层地下水中氟含量高于地热尾水。

3.4 有机物含量比较

本次研究对上述监测点进行了有机指标测试，测试项目为《地下水污染地质调查评价规范》[18]规定的必测项目：卤代烃、氯代苯、单环芳烃、有机氯农药、多环芳烃5类16项，所有有机检测项目均低于检出限（表4），说明该地热井地热尾水排放对周边环境有机污染一般无影响。

表4 地热尾水及周边监测点有机物含量一览表Table 4 List of organic content of geothermal tail water and peripheral monitoring point samples

续表4

3.5 对表层土壤的影响

地热尾水排放点、500m外的洼里王村、2500m外的官家坊村3处表层土壤样测试结果见表5。

表5 地热尾水排放点及周边表土重金属含量一览表Table 5 List of heavy metal content of geothermal tail water and peripheral topsoil

由表5可见，地热尾水排放点及周边表层土中重金属含量较为相近，未见该处地热尾水排放对表层土壤中重金属含量产生明显影响。对比3个土壤监测点重金属含量及所占比重基本一致（图6）。

图6 地热尾水排放点及周边表土重金属含量随距离变化直方图Fig.6 Bar graph of heavy metal content of geothermal tail water discharge point and peripheral topsoil with distancec

3.6 对周边气温的影响

根据研究区气象资料，研究区历年平均气温14.2℃，7月份最高平均气温27.4℃，1月份最低平均气温-1.4℃。该地热井用途为温泉洗浴，井口出口水温57℃，排放口出水温度42℃，高于当地年平均气温14.2℃，可能对周边气温产生轻微的热污染。

4 结论

（1）研究区岩溶型地热水水质较好，尾水中的SO42-、TDS、NH4+高于周边浅层地下水含量，直接排放会对周边地表水、浅层地下水水质产生一定影响。

（2）地热尾水 NH4+对周边浅层地下水的影响范围一般小于500m。

（3）地热尾水直接排放对周边浅层地下水重金属含量一般无影响；对周边表层土壤重金属含量一般无影响。

（4）地热尾水排放温度高于当地年平均气温，对周边大气可能形成轻微的热污染。

（5）尾水排放对周边的浅层地下水的影响机理以及在各类渗透介质中的弥散系数有待进一步的研究。