甘肃省地热水资源开发利用及发展建议

王鲁军，薛 媛，牛最荣

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

我国地热水资源的开发利用速度加快，成效显著[1]。地热水资源是指具有较高温度的地下水资源，也可以理解为“把热由地下带到地表的作为介质的温热水汽”。 因此，地热水资源主要包括了人工与天然的2个源头：一种是利用人工方式向地底投入凉水，再通过地热加温，最后由地下上溢；另一种则是通过人工构筑物从地下采出蕴藏在地下含水空间的带有较高温度的自然地热水资源[2]。地热水资源的利用方式多样，主要有医疗、温泉、采暖、种植、养殖等[3]。

甘肃省位于我国西北地区，地处黄土高原、青藏高原、内蒙古高原的交汇地带，地形复杂。经多年降雨下渗和大地热流环境作用而形成丰富的地热水资源，这是其开发利用的物质基础。随着地热水资源开发利用不断加快，出现了一些问题，本文针对这些问题提出相应的发展建议，以此作为甘肃省地热水资源科学、合理开发利用的参考。

1 地热水资源开发现状

根据现有地热水资料，甘肃省温泉和地热异常孔共有78处，其中温泉有24处、地热井有54眼、地热水资源有28处以上，主要分布在敦煌、酒泉、张掖、武威、兰州、白银、定西、平凉、庆阳、天水、临夏等市州。现已开发利用的城市有兰州、天水、武威等，具有地热异常数据显示的主要重点城市有敦煌、嘉峪关、酒泉、张掖等，而白银、平凉、庆阳、定西等市也存在地热储存的构造，并且具有一定的地热勘探利用前景[4]。其中，兰州市地热显示比较突出，经区域调查资料证实，兰州市地下1000m处地温达40℃，地下2000m处的地温达60～70℃，其水温范围一般在40～70℃，矿化度3～5g/L，水化学类型为Cl-Na型，热储层主要为白垩系砂岩、砂砾岩地层；天水市热储层分上、下2层，第一层平均温度30.65℃，第二层平均温度65℃，矿化度在0.2～1.64范围内，水化学类型为SO4-HCO3-Na、SO4-Cl-Na-Ca型，热储层主要为花岗岩断裂带、下元古界牛头河群碎裂状硅化大理岩；武威市地热水资源丰富，武威药王温泉坐落于武威市西南公里处西营乡五沟村，其水温范围大致在30～55℃，矿化度0.5g/L，水化学类型为Cl-SO4-Na型，热储层主要为武威盆地北缘下更新统砂砾岩；其他城市的地热水资源的水温、矿化度、水化学类型、热储层地质条件，见表1[4- 8]。

目前，开发的地热水资源水温大部分都在25～62℃，属于低温地热水资源。其水化学类型多属于HCO3-Na、HCO3-Ca、SO4-Na、SO4-Ca型，矿化度一般0.2～3g/L[8]，有些特殊地区的矿化度会高达5g/L，甚至23g/L。地热水中含有大量的铁、锰、钠、碘、钒、钛、钾、硫、硼等矿物元素，可以促进人体全身的正常代谢，加速血液循环，舒经活血，提高体质，增加抵抗力和防治疾病[9]，因此，地热水主要用于温泉、洗浴、疗养等方面。

表1 甘肃省其他城市地热水资源情况表

2 地热水资源开发利用存在的问题

2.1 开发利用对环境的影响

不合理利用地热水资源会造成环境污染。随意排放地热尾水会引起热污染、地表水污染，随着地表水下渗也会造成地下水不可逆的污染。这些被污染的地表水和地下水对农作物进行种植或者对鱼苗进行养殖，最后通过食物链的作用可能会危及到人类健康。

2.2 利用不充分，资源浪费严重

目前，由于对地热水的能源性质缺乏系统的认识，导致地热水资源的利用方式粗放、利用率偏低，资源浪费比较严重。据调查，大部分地热水资源在完成供暖工作之后便会对尾水进行排放，但是这部分地热尾水还具有一定的温度(40℃左右)，这些高温尾水不仅没有得到任何利用而白白流失，而且排放的高温尾水对当地的自然生态环境产生了一定的热污染[10]。

2.3 结垢和腐蚀

在地热水资源综合利用过程中，因为其富含氧化铁、硫酸钙、碳酸钙和硅酸盐等化学成分，致使地热水在使用过程中会形成管道结垢。当结垢形成后，一方面会加大输水系统的流动阻力，增大流体输送的能耗；另一方面因为结垢的传热性能较差，会降低热效率，使得换热器的传热性能变差。严重时，甚至会使系统堵塞，不能维持正常运行。

地热水中富含矿物元素，除了结垢问题，地热水直接利用过程中存在的另一个关键问题便是腐蚀问题。地热水对使用设备及管道的腐蚀主要是由于地热水中的氧和氯这2个元素造成的。地热水对金属材料的腐蚀机理主要为电化学腐蚀，其根本原因是金属材料表面以及内部产生了宏观电池、浓差电池和微观电池[11]。为有效提高室内供暖系统装置的使用安全性，尽可能地采用多种相应的防护措施降低系统腐蚀。为延长管道和设备的使用寿命，采用全封闭的地热水开采模式，防止空气进入系统中[12]。

2.4 回灌技术不充分

地热水资源作为一种清洁能源可以发展当地经济、优化当地能源结构。但是在地热水资源开发利用过程中，只关注开采，而不考虑尾水的回灌，这会造成地热水资源的浪费，引发地面沉降、环境污染、地下结构的稳定性改变等一系列的环境问题。目前而言，甘肃省的地热水资源开采偏粗放型，很少在开采利用后设置地热水回灌井，这就造成了地热水资源的浪费。所以，现在开采利用地热水资源，应积极地设置地热水回灌井，采用采灌结合的模式。

地热水的回灌是将地热尾水回灌到地层深部的过程。回灌到热储层的低温地热水可以吸收岩层中蕴藏的巨大热量，使地热水得以补给，实现地热水可再生、可循环，维持热储层地热水的压力[13]，实现地热水资源的可持续发展。在地质和经济条件允许的情况下，为更好地利用地热水资源，实现水资源的可持续发展，需设置地热水回灌井[14]。但是往往在使用地热水回灌井的时候会遇到以下问题：地热水回灌堵塞、回灌水量不足或回灌水质不达标。对于地热水回灌堵塞的情况，主要原因是回灌水中有悬浮颗粒、气体、微生物及黏土物质等，因此地热尾水回灌时要过滤回灌水。对于地热水回灌水量的情况，可能会引起地下的水动力场、应力场发生变化，从而影响底下的地层结构，因此地热尾水在回灌时要考察分析回灌地区的地质情况。对于地热水回灌水质的情况，须对回灌水和地热水混合后的地热流体进行化学分析，使地热尾水回灌后不会或者尽可能少地对下一次开采产生影响。这样能使地热水回灌井达到预期的回灌效果。

2.5 制度、法规不健全

目前，甘肃省对于地热水资源相关的地方法规尚不够完善，导致管控不能完全到位，造成地热水资源不必要的浪费。长期浪费，对于水资源和甘肃省的经济建设会造成很大的影响，这会影响地热水资源未来的发展。由于法律法规的不完善，有的企业利用地热水资源，只向政府交纳补偿费，并非单独从市场有偿购买。而其采暖收费却又执行同煤、燃油的统一标准[15]。这种现象一旦出现而没有相应完善的法律法规加以制止势必会漫延。企业为追求利益，大规模的开采地热水资源，长此以往，造成掠夺式开采，这对于地热水资源的可持续健康发展极其不利。

3 地热水开发利用的发展建议

3.1 建立水环境监测体系

地热水资源开发利用会造成一定的环境影响。因此地热水资源开发利用过程中，应加强管理，建立水环境监测体系来监测地热水资源开采、使用、排放和回灌各个环节的水质指标，进而确定地热水资源的采、用、排的最优方案。

3.2 发展相关研究，实现可持续开发利用

地热水资源是一种可再生的水资源，与此同时，地热水资源的补给过程是比较缓慢的，因此，地热水资源是有限的水资源。在开发利用地热水资源时，因地热水是集热、矿、水为一体的一种资源，所以从3个方面综合考虑，防止利用方式的单一化趋势。大力推广地热水资源的梯级开发综合利用，使各个温度层范围内的地热水资源得到梯级利用，发挥资源优势，减少浪费，提高地热水资源的可用率。同时在考虑经济效益和利用率时，也要考虑生态环境的保护，走可持续发展的道路，采取限制打井数量和开采量、推进地热水回灌井的使用、加强管理等措施来合理开采地热水资源。

3.3 管道系统的耐腐蚀防护

地热水资源中富含矿物元素，使用设备及管道时应考虑结构问题和腐蚀问题。定期对管道系统进行补水和排污，并做好记录。管道系统中适当地加入缓蚀阻垢剂和Na2SO3等缓蚀剂延长其使用寿命。系统采用特殊材质的塑料管道等耐腐蚀材料。加强地面上地热水井装置和阀门及管道接口处的密封，防止大量的氧进入。在利用地热采暖的场合考虑间接地热采暖，地热水不直接进入供热循坏系统，通过使用换热器将热量传递给循环水，降低管道系统被腐蚀的可能，降低维护成本。

3.4 实行采灌结合

实行采、灌结合，提高回灌率。由于开采手段不完善，一般未能制定科学合理的开发方案，致使过量开采，热储水位迅速下降，地热水资源严重浪费。为保护地热水资源，应实行采、灌结合，尽可能做到少消耗储层中的地热水量，通过回灌技术采取储层中的热量，维持热储层地热水的压力，实现资源的可持续利用[16]。

3.5 完善相关法律，加强宏观调控

地热水资源开发利用过程中，过度开发会引发一系列问题。地热水资源是国家所有，对地热水资源的开发利用要纳入政府管理，应适时设立专门机构去行使地热水资源的勘探、规划、评估、开采利用和政策制定等职能。政府调整保护和合理开发地热水资源的相关政策，加大监管力度，公开相关信息，规范开发行为，并在开采总量上进行严格控制，科学合理地开发地热水资源。

综上，地热水现状及发展建议[17]可见表2。

表2 地热水现状及发展建议

4 结语

本文通过兰州、天水等城市的地热水资源情况，分析了甘肃省地热水资源现状，探讨了地热水资源利用不充分、回灌技术不充分、管道系统结垢及腐蚀等开发利用中存在的问题。针对这些问题，提出了建立水环境监测体系、发展相关研究、增强管道系统的耐腐蚀防护、实行采灌结合，以及完善相关法律法规的建议。随着经济社会的快速发展，低碳生活、节约能源是高质量发展的要求，地热水资源作为一种清洁能源，其科学合理的开发利用势必会成为未来水资源可持续发展的重要组成部分。