中深层水热型地热资源环境承载力评价系统及建立方法

王卓卓

摘 要：为了保障地热资源的合理可持续利用，需要开展地热资源环境承载力评价，达到不超量开采，不超标排放。在综合分析的基础上，建立了地热资源环境承载力评价系统和地热资源环境承载力评价指标体系。提出在地热资源环境承载力评价中，地热资源条件是决定性因素，环境影响作用是制约因素，社会经济技术条件是调节作用。将地热资源环境承载力梳理为3大类指标，其中包括7小类，12种地质要素，26项指标。按照科学性、差异性、动态性和可行性的原则，制定分级标准。最终提出地热资源环境承载力评价的分级标准，承载力低，需控制性开发地热;承载力中等，可适度开发地热资源;承载力高，可鼓励开发地热资源。

关键词：地热资源;资源环境承载力;制约因素;评价系统

Evaluation system and establishment method of geothermal resources and environmental carrying capacity in medium-deep layers

WANG Zhuozhuo

（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048， China）

Abstract： In order to ensure the rational and sustainable utilization of geothermal resources， it is necessary to carry out evaluation of the environmental carrying capacity of geothermal resources， so as to avoid excessively over-standard exploitation and discharge. An evaluation system and an evaluation index system of geothermal resources environmental carrying capacity are established based on comprehensive analysis. In the evaluation， the condition of geothermal resources is the decisive factor， the influence of the environment is the restrictive factor， and the economic and technological conditions are the regulating factors. The environmental carrying capacity of geothermal resources is classified into three categories， 7 sub-classes， 12 geological elements and 26 indexes. Based on scientific， differential， dynamic and feasible principles， the classification standard is formulated and put forward. With low bearing capacity， geothermal development should be controlled; with medium bearing capacity， moderate development can be carried out and with high bearing capacity， the exploitation of geothermal resources should be encouraged.

Keywords： geothermal resources; resource environmental capacity; restrictive factor; evaluation system

地熱资源是指贮存在地球内部的可再生热能，被人们广泛利用。地热资源的合理有效可持续利用，离不开资源环境承载力的评价。

地热资源环境承载力是指，在一定空间区域内，一定的社会、经济、资源、生态、环境条件约束下，区域地热资源所能支撑的最大开发规模和强度（郑桂森等，2018a）。地热资源环境承载力评价最终达到的目标是，不超量开采，不超标排放。地热资源承载力研究需要的3方面内容为：评价原则、要素和权重。

关于资源环境承载力，前人在不同的领域进行过探索，并取得一定的成果。多位学者对地质资源评价体系进行过研究（郑桂森等，2018a，2018b;刘辉等，2017;郑桂森等，2013;卫万顺，2010;Ehrlich，1996;Harris et al.，1999），建立了城市区域地质条件适宜性评价定量指标体系和评价流程，以及浅层地温能、地热能、再生水热能评价体系（郑桂森等，2018a11），为地热资源承载力的评价奠定了基础。其中地热能评价指标仅采用勘探深度和单井每日开采热量，没有对地热能资源环境承载力进行系统评价。前人以成都、福州、关中等地区为研究目标，开展了水资源承载力的评价（马宇翔等，2015;刘雅玲等，2016;惠泱河等，2001;金菊良等，2018;王友贞等，2005;云龙等，2019;汪嘉杨等，2014;党丽娟等，2015;贾建辉等，2018;Rijsberman，et al.，2000）。同时前人开展了地热资源承载力的试验性探索，初步建立了地热资源的承载力指标评估体系与评价（刘洪战，2016;刘硕等，2018）。但前人对地热资源承载力评价采用的指标及分级界限选取仅适用于局部地区，不具备可对比性且评价系统较为简单，不能很好的反应地热资源环境承载力及进行区域对比。

本文在前人工作的基础上，研究中深层水热型地热资源环境承载力评价系统及建立方法，建立了系统的评价指标体系。该体系为权重与评分相结合、定量与定性相结合的评价方法，评价指标及分级界限具有推广性和区域可对比性。通过建立资源环境承载力评价系统，提出相关标准，确定了指标权重和评分体系，最终进行地热资源环境承载力评价。评价结果可用于指导地热资源开发，为政府制定地热能开发利用规划，为企业开发利用地热资源提供理论依据。

1 评价内容与指标

地热资源环境承载力评价目的主要是保障地热资源的合理可持续利用，保护环境不受侵害，促进经济健康发展。

通过对地热资源和地质环境的评价内容及指标进行梳理，建立了地热资源环境承载力评价体系。地热资源环境承载力参数体系包括：地热资源环境承载力评价要素、地热资源环境承载力各要素的分级标准和权重。

地热资源环境承载力指标体系包括地热资源条件、环境影响作用和社会经济技术条件。其中，地热资源条件是决定性因素，资源条件决定了是否能开发利用地热资源;环境影响作用是制约因素，环境影响和环境承载力对地热资源的利用起到制约作用;社会经济技术条件是调节作用，决定了对地热资源的需求和开发利用程度。

1.1 評价内容

（1）地热资源条件

地热资源是地热开发利用的基础，是地热资源承载力的决定性因素。地热资源的评价主要分为地热资源量和储层条件的评价，地热资源量的评价包括地热资源量的评价和地热资源品质的评价。

（2）环境影响作用

环境影响作用是地热资源承载力的制约因素，包括环境负作用评价、生态环境敏感性和对储层影响。

（3）社会经济技术条件

社会经济技术条件是地热资源环境承载力的调节因素，包括技术水平和社会经济水平。

1.2 评价指标

依据地热资源条件、环境影响作用和社会经济技术条件的评价内容及指标进行梳理，建立了地热资源环境承载力评价指标体系，梳理出地热资源条件、环境影响作用和社会经济技术条件3类，包括7小类，12种地质要素，26项指标（定量指标13项，定性指标13项）。今后随着研究的深入，将不断完善该指标体系的定量化水平，使得地热资源环境承载力评价向着定量化和精准化方向发展。

2 评价依据和原则

2.1 评价依据

（1）突出地热资源的特点

突出区域地热资源量及地热资源品质的评价及环境容量，指出地热资源禀赋，明确区域是否可以开发利用地热资源及资源方面可合理开采的地热资源量。同时要指出环境容量对地热资源开发利用的制约作用，最终确定区域地热资源环境承载力，明确区域地热开发利用指导原则，确保地热资源可持续利用。

（2）体现实用和适用原则

地热资源环境承载力评价指标体系中，任何一项指标设置，既能满足对某地质要素的性质、特点、发展趋势描述的要求，又能满足各种功能应用需求（郑桂森等，2018a17）。

（3）指标可定量化、可操作性原则

在当前经济技术条件下能够实现定量化的指标，尽可能设置为定量化指标，尽管此项工作具有很大难度，但将促进地质工作向定量化转变（郑桂森等，2018a10）。同时选择指标和指标分级界限具有可操作性，便于评价和对比。

2.2 评价原则

地热资源环境承载力评价的原则是关键因素、合理赋值、尺度合宜、操作性强。

关键因素是指取全、取准关键因素进行地热资源环境承载力评价;合理赋值是指根据关键因素的重要和影响程度，赋予合理的数值和权重，能够准确、合理评价不同区域的地热资源环境承载力;尺度合宜是指赋值和权重能够反映地热资源条件、环境影响作用、社会经济技术条件及政策的控制作用;操作性强是指数据易于获取和进行对比，地热资源环境承载力评价方法方便相关人员应用。

2.3 评价流程

首先在评价区域达到预可行性勘查阶段后，进一步搜集工作区社会经济技术等资料，进一步搜集工作区相关地质资料，若需要则开展现场地质、物探、钻孔、水化学等相关工作，深入开展地热地质条件和社会经济条件分析，以明确地热资源环境承载力评价参数。

其次进行地热资源环境承载力评价，包括地热资源条件评价、环境影响作用评价和经济技术条件评价，最终综合评价地热资源环境承载力。

3 评价方法

地热资源环境承载力的评价方法主要采用权重与评分结合、定量与定性相结合的方法。通过对比权衡相关参数，采用变异系数法和熵值法分别计算权重，取平均值为最终权重（刘硕等，2018）。在地热资源环境承载力评价中，地热资源条件是决定性因素，权重0.6;环境影响作用是制约因素，权重0.2;社会经济技术条件是调节作用，权重0.2。具体评价指标及赋值见表1、表2和表3。

3.1 地热资源条件

对地热资源的定量分级见表1。本次评价方法部分参考了GB/T 11615-2010《地热资源地质勘查规范》。

地热资源环境承载力评价中，地热资源是基础，通过对比权衡相关参数，采用变异系数法和熵值法分别计算权重，地热资源条件占评价体系权重0.6。地热资源条件选取地热资源评价和储层条件两种因素。资源品质和资源量是地热资源开发的先决条件，权重为0.45。储层条件是开发利用及开采程度的基础，储层孔隙度和渗透率越高，平均流体单位产量越高，储层埋藏越浅，越适宜开发，储层条件权重为0.15。

（1）地热资源评价

地热资源评价包括资源数量和资源品质。

资源数量：资源数量包括地热资源量、地热资源可采热量，权重均为0.1。具体分值和标准见表1。

资源品质：资源品质包括地热流体热量模数和地热流体可采热量模数，权重分别为0.1和0.15。具体分值和标准见表1。地热资源温度分级按照GB/T 11615-2010《地热资源地质勘查规范》划分。

（2）储层条件

储层条件主要选取平均流体单位产量和地热资源回灌能力作为评价参数，考虑到地热供暖以灌定采，将地热资源回灌能力权重倾斜为0.1，平均流体单位产量权重0.05。地热资源回灌能力越强，地热资源环境承载力越好，反之越差;地热井平均流体单位产量越高，地热资源环境承载力越好，反之越差。

3.2 环境影响作用

地热资源环境承载力评价中，环境影响因素是制约作用。当地热资源开采量过大，超过环境的承受能力，将会对环境造成不可逆的影响。通过对比权衡相关参数，采用变异系数法和熵值法分别计算权重，环境影响作用占评价体系权重0.2。

环境影响作用包括环境负作用评价、生态环境敏感性和对储层影响，权重分别为0.12、0.04、0.04。环境影响作用有定量指标和定性指标。具体分值和标准见表2。

（1）环境负作用各个因素分析

环境负作用评价包括地热流体化学指标、环境恶化和引发地质灾害。流体化学指标和环境恶化，是地热资源开采过程中造成的环境负作用，起主要作用，因此分别给予0.05的权重;由于地热开发过程中引发地质灾害相对较少，因此给予0.02的权重。

1）地热流体化学指标各个因素分析

地热流体化学指标包括硬度、矿化度、热水腐蚀性评价和热水结垢性评价（锅垢总量H0），权重分别为0.02、0.02、0.005和0.005。

硬度、矿化度、热水腐蚀性和热水结构性越高，对环境的危害相对较大，资源环境承载力越差。相反，资源环境承载力越好。

2）环境恶化各个因素分析

环境恶化的权重为0.06，包括热污染、水污染、土壤污染和大气污染，权重均为0.015。

热污染：热污染是指地下水利用后排放造成的环境升温。热污染小是指地热水使用后排放，对地表温度没有影响或影响小，能够很快恢复;热污染中等是指地热水使用后排放，对地表温度有一定影响，经过一段时间可以恢复;热污染较大是指地热水使用后排放，对地表温度有较大影响，经过很长时间可以恢复。

水污染：水污染是指地下水利用后排放造成的地表水水質的污染。水污染小是指地热水使用后排放，对地表水水质没有影响或影响小，能够很快恢复;水污染中等是指地热水使用后排放，对地表水水质有一定影响，经过一段时间可以恢复;水污染较大是指地热水使用后排放，对地表水水质有较大影响，经过很长时间可以恢复。

土壤污染：土壤污染是指地下水利用后排放对土壤造成的污染，主要是指造成土壤物理性质、化学成分的改变。土壤污染小是指地热水使用排放后，对土壤物理性质、化学成分的改变没有或很小，且容易恢复;土壤污染中等是指地热水使用排放后，对土壤物理性质、化学成分有一定的改变，经过一定时间可以恢复;土壤污染较大是指地热水使用排放后，对土壤物理性质、化学成分有较大的改变，经过较长时间才可以恢复。

大气污染：大气污染是指地热水中的硫化氢、二氧化硫、甲烷等气体，可能对大气造成的污染。大气污染小是指地热水开采、利用中释放出的有毒有害气体量少，不造成对大气的污染或污染小;大气污染中等是指地热水开采、利用中释放出的有毒有害气体量较少，且很容易扩散;大气污染较大是指地热水开采、利用中释放出的有毒有害气体量较多，经一段时间后才可扩散。

地热资源开发利用可能造成的环境恶化，主要包括热污染、水污染、土壤污染和大气污染。这些污染一般在短期内很难看出，可以采用专家打分法、类比评价法等方法进行打分，对有条件的区域可以采用数值模拟法，根据模拟结果进行打分。

3）可能引发地质灾害分析

地热开发利用可能直接引发的地质灾害主要是地面沉降，权重为0.01。影响地面沉降的因素很多，需要进行分析，明确主控因素，确定是否为地热资源开发利用引起。地热资源开发利用关系密切的是储层及是否采灌平衡、热水与浅层水的水力联系，权重分别为0.005。

储层及是否采灌平衡对地面沉降具有一定的控制作用。储层为基岩储层，采灌平衡，不会出现地面沉降或地面沉降可能性极小（马蜂等，2021;董佩等，2017）;储层为近地表松散储层，采灌相对平衡，出现地面沉降的可能性较小;储层为近地表松散储层，采灌不均衡，有出现地面沉降的可能。

热水与浅层水的水力联系对地面沉降也有一定的控制作用。热水与浅层水无水力联系，不容易发生地面沉降;热水与浅层水有水力联系，有发生地面沉降的可能;热水与浅层水水力联系密切，可能会引发地面沉降。

地热资源开发利用与地面沉降的关系，需要在进行大量监测的基础上，开展深入研究，明确是否存在相关关系及影响程度大小。

（2）生态环境敏感性各要素分析

生态环境敏感性主要包括水源保护区分区和海水入侵可能性，权重分别为0.03和0.01。

1）水资源保护分区分析

依照《中华人民共和国环境保护法》，对水资源保护区的分类，划分为一般敏感区、中高度敏感区和极度敏感区，详情查询《中华人民共和国环境保护法》。根据水资源保护分区情况，决定能否开发地热资源。

2）海水入侵可能性分析

沿海区域开发利用地热资源可能会造成海水入侵。地热资源开发利用，如不造成海水入侵，则对地下水不会造成污染;若可能造成海水入侵，则可能会对地下水造成污染;若开采地热资源造成海水倒灌进入储层，有较严重海水入侵，则会对地热水及储层造成严重污染。

（3）对储层影响各要素分析

地热流体开发利用对储层造成的影响，主要集中在对储层中的流体造成的影响上，主要表现为引起静水位、水温和水质的变化。静水位变化是地热开发利用最主要的环境影响负作用，是目前地热资源开发利用集中区面对的主要问题，权重为0.02，地热水水温变化和水质变化权重分别为0.01。

1）地热流体静水位年变幅

地热资源的开发利用，必定会引起地热流体静水位的变化。直接抽取利用地热流体，会造成地热流体静水位降低;地热水资源利用取热不取水，回灌的地热水取温后的低温水回灌后也会造成地热流体静水位的降低。若地热流体静水位年下降小于1 m，则评价指标为Ⅰ级，赋值9;若地热流体静水位年下降在1～2 m之间，则评价指标为Ⅱ级，赋值5;若地热流体静水位年下降在1～2 m之间，则评价指标为Ⅲ级，赋值1。

2）地热流体水温变化情况分析

地热资源的开发利用，可能会引起地热流体水温的变化。地热资源开发利用会引起水温的变化越小，地热资源承载力水平越高，反之越低。如果年水温变化低于1℃，则评价指标为Ⅰ级，赋值为9;如果年温度变化为1～2℃，则评价指标为Ⅱ级，赋值为5;如果年温度变化大于2℃，则评价指标为Ⅲ级，赋值为1。

3）地热流体水质变化情况分析

地热资源的开发利用，可能会引起地热水水质发生变化。地热资源开发利用或回灌后，水质变化或趋势不明显，则可以加强开发利用，则评价指标为Ⅰ级，赋值9;地热资源开发利用或回灌后，水质有一定程度变化，则需要加强监测，确定下步开发利用强度及模式，则评价指标为Ⅱ级，赋值5;地热资源开发利用或回灌后，水质变化趋势明显，则需要控制地热资源开发利用，则评价指标为Ⅲ级，赋值1。

3.3社会经济技术条件

社会经济技术条件是调节因素，决定了对地热资源的需求和开发利用程度。通过对比权衡相关参数，采用变异系数法和熵值法分别计算权重，社会经济技术条件占评价体系权重0.2。社会经济技术条件包括技术水平和社会经济水平，权重分别为0.15和0.05。经济技术条件为定性指标，具体分值和标准见表3。

（1）技术水平各要素分析

技术水平包括开发利用模式、污染物处理方式、地热动态监测程度，权重分别为0.06、0.06和0.03。

1）开发利用模式分析

开发利用模式包括供暖、发电、洗浴、泳池补水、热带鱼养殖等。供暖、发电等可回灌的地热开发利用模式，可以在很大程度上保证资源的可持续利用，同时不产生或极少产生化学污染;洗浴、泳池补水、热带魚养殖等，由于地热水利用后不能回灌，使用后要经过处理后再排放，会产生化学污染。

2）污染物处理方式

地热水开发利用涉及的污染物主要是指地热尾水中的有害物质。尾水处理程度越高，则地热流体中所含超标物质的处理可能越彻底。若地热资源开发利用后的地热尾水，经过处理达标后排入污水治理管网，再进入城镇污水处理厂，经处理后排入地表水体，则对地表水体的影响最小;若地热资源开发利用后的地热尾水，未经处理直接进入污水管网，再进入城镇污水处理厂进行处理后排入地表水体，则地热流体中特殊的元素可能会对地表水体造成一定程度的影响;若地热资源开发利用后的地热尾水直接排放，则地热尾水中的有害组分可能直接进入地表水体，造成污染。

3）地热动态监测程度分析

不同地区由于地热资源开发程度不同，对地热动态监测的重视程度不够，因此地热动态监测程度会有所差异。地热监测程度越高，地热过采现象就越少，资源环境承载力就更能准确定位。

（2）社会经济水平各要素分析

社会经济水平包括经济发展程度和地热井开发经济性，权重分别为0.03和0.02。

1）经济发展程度分析

经济发展程度不同，对地热的需求也就有所差别。经济发达的地区对地热的需求量大，勘探开发技术及尾水治理水平高，承载力相对较强;经济较发达的地区，勘探开发技术及尾水治理水平相对较高，承载力中等;经济不发达地区，地热需求量相对较小，勘探开发技术及尾水治理水平较低，承载力较差。

2）地热井开发经济性分析

地热井开发经济性受地热储层埋深、水位降深、地区经济技术条件等因素制约。相同的条件下，热储埋深越浅、水位降深越小、区域经济越发达，地热井开发经济性就越好，反之经济性就越差。同时地热井开发经济性还受地热开发利用用途的制约，如果用于供暖，则地热水温度越高就相对越好;如果用于洗浴或者温室大棚，则对适宜的温度会更经济。

3.4 分级原则及分级标准

（1）分级原则

地热资源环境承载力分级标准需要遵循科学性、差异性、动态性和可行性原则。

科学性：从实际出发，以地热资源条件为基础，环境影响作用为制约，经济技术条件为调节，科学合理地开展地热资源承载力评价。在地热资源承载力评价过程中，首先应重点关注地热流体的品质，以地热资源量、地热流体热量模数、地热流体可采热量模数为基础，考虑地热储层的平均流体单位产量和地热资源回灌能力;其次需重视环境影响作用，对环境负作用评价、生态环境敏感性、对储层影响等进行分析，以防地热资源大规模开采利用对环境造成不可逆转的破坏。社会经济技术是调整因素，技术水平越高对地热利用可能造成污染的防治水平越高，同时社会经济水平越高对地热的需求越高，都会对地热资源环境承载力起到一定的调节作用。

差异性：地热资源环境承载力评价在确定指标体系和评价方法时，需要选取能反映地热资源的共性指标，同时还选取了技术水平、社会经济水平、生态环境敏感性等指标，充分考虑区域的特殊性，区域的经济和性质、功能定位与发展目标。

动态性：地热资源环境承载力受经济社会发展、科学技术进步等因素制约并随其发生变化，具有动态特征。开展评价时，选择一些具有动态特征的量化指标，并指出地热资源动态监测系统可以反映地热资源承载力，对地热资源的变化情况给出实时的数据。地热资源承载力和地热资源开发利用现状会随着开发利用产生变化，需定期开展评价，实现滚动评价。

可行性：地热资源环境承载力评价需选用准确适当的评价指标与评价方法。评价指标选取需充分考虑分析数据的可获取性，数据统计的适当性、代表性和真实性;评价方法需依据区域开发利用情况、数据情况和研究基础，选取适用、准确、可靠的方法。

（2）分级标准

对地热资源环境承载力进行赋值后，采用綜合指数法，对各评价指标进行加权求和，得出地热资源环境承载力评价分值，根据最终分值的分布情况确定资源环境承载力的高低，用于指导地热资源开发。分值1～3为承载力低，需控制性开发地热;3（含）～6为承载力中等，可适度开发地热资源;7（含）～9为承载力高，可鼓励开发地热资源。

4 结论

（1）地热资源是清洁可再生能源，随着地热资源的开发利用，存在过度开发现象，无法保障地热资源的合理可持续利用，需要开展地热资源环境承载力分析。地热资源环境承载力就是要分析地热资源与环境的合理承载量，既不过度开发，也不造成有资源、有需求而闲置的情况。

（2）地热资源环境承载力评价需要着重研究评价原则、要素和权重。依据地热资源条件、环境影响因素和社会经济技术条件的评价内容及指标进行梳理，建立了适用于区域性、规模性地热集中开采区的评价指标体系，梳理出地热资源、环境影响因素和经济技术条件3类，包括7小类，12种地质要素，26项指标。

（3）该体系在科学性、差异性、动态性和可行性的原则下，对地热资源环境承载力进行评价，分级标准为低、中等和高3类，并依据评价结果指导地热资源开发利用。

（4）随着研究的深入，将不断完善该指标体系指标并提高定量化水平，使得地热资源环境承载力评价向着定量化和精准化方向发展，并能得到合理有效的利用。

（5）地热资源是清洁可再生能源，地热资源的大量开发利用对实现碳达峰和碳中和具有重要意义。地热资源的合理有效可持续利用，需要不超量开采，不超标排放，离不开资源环境承载力的评价。建议在全国范围内进行不同层级的地热资源环境承载力评价，为政府制定地热资源开发利用规划及制定相关政策提供坚实有效的依据;为企业开发利用地热资源提供技术支持。

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