地热资源开发的环境问题研究

热岩开发最早于1984年在美国FentonHill试验成功并进入商业运行发电，随后世界许多国家相继进行了大规模工业试验与商业开发，但受技术能力和设备装置等条件限制，我国从2007年才开始相关研究，目前处于探索试验阶段，尚未进入商业运行［5～8］。地热资源与其他常规能源相比有经济和环境方面的优势，但在开发利用过程中仍会对环境造成影响，主要包括对地下水、地表水、生态、土壤、大气以及声环境等造成的影响。但不同地区由于地热能类型的开发利用方式不同，则对环境的影响亦不同，因此需要将地热资源开发利用过程视为一体，基于地热工程整个生命周期的观点来分析地热资源开发利用全过程中的环境问题，才能全面地评价热资源开发过程的环境影响，以为地热资源开发利用过程中的环境保护提供科学依据。

1地热资源的开发利用过程

浅层地温能和深层地热能的开发利用过程包括勘查与评价、开采利用和运营管理等阶段，其环境影响伴随整个过程［9］。勘查与评价阶段主要通过采用航卫片图像解译、地质调查、地球物理、地球化学、地热钻井、产能测试和动态监测等技术方法进行综合性勘查，查明地热地质背景，确定地热资源可开发利用的地区及合理的开发利用深度［10］；开采利用阶段主要包括地下热水的开采、传输、供热和回灌等过程；运行管理阶段主要包括动态监测、设备维护和人员管理。

1．1浅层地温能的开发利用过程浅层地温能开发利用主要有地下水源热泵和土壤源热泵两种方式。热泵机组主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、调节阀控制系统和换热器组成，在能量转换时需要消耗一定的辅助能量（一般为电能），在压缩机和机组内部制冷剂共同作用下，从环境（地下水、土壤）中吸取低品位热能，然后转换为高品位热能释放至循环介质中加以利用。地下水源热泵系统的热源为地下热水，冬季热泵机组从生产井提供的地热水中吸收热量，提高热能品位后，对建筑物供暖，取热后的地热水回灌地下；夏季则生产井与回灌井交换，将室内余热转移到低位热源中，实现降温或制冷。土壤源热泵系统的原理与地下水源热泵系统大体相同，区别在于前者的热源为土壤。由于土壤源热泵系统和大部分地下水源热泵系统都为能量循环利用模式，即只取热不取水，所以浅层地温能整个开发过程中对环境的影响相对较小，主要是热泵机组运行过程中产生的噪声，以及勘查、钻井过程中占用场地造成的生态破坏和土壤扰动等环境问题。

1．2深层地热能的开发利用过程深层地热能开发利用可分为直接利用和间接利用两种方式。间接利用主要指发电，用于发电的地热流体一般要求在180℃甚至200℃以上才比较经济［11］。直接利用对水温要求相对较低，包括供暖、洗浴和养殖等。地热供暖工程包括地上部分和地下部分，地上部分主要为地热站，其中安装除砂器、除铁罐、换热板、循环泵和补水箱等配套装置，通过运输管道将热能输送给用户；地下部分包括水泵抽水和地热尾水回灌，受地质条件限制，有些地区难以回灌，尾水直接或进行多级利用后排放到城市污水管道。地热发电工程需要安装发电机组、凝气器和工质泵等。地热水洗浴工程比较简单，直接将地热水通过运输管道送往用户，从经济角度考虑往往与地热供暖工程共用一套生产井和部分运输管道，或者将地热尾水用于洗浴。对深层地热能若开发利用过程中能实现完全回灌，则对环境的影响较小，主要是产生噪声和对大气环境的影响；若不能实现回灌，则对环境的影响较大，尤其是对生态环境的影响较大（见图2）。此外，在地热工程结束时，还须对地热废井和废弃装置进行妥善处理。

2地热资源开发利用过程中产生的环境问题

2．1地下水环境问题地热资源开发利用对地下水环境的影响主要体现在水质、水位（资源问题）和水温（热污染）三个方面。（1）水质问题。深层地热水水质因地而异，其成因决定了地热水矿化度较高，往往富含微量元素和重金属元素。如图1和图2所示，随尾水排放、异层回灌或钻井阶段井壁套管破裂，高矿化地热水会进入浅部地下水并与之混合，导致浅部地下水水质改变。已有水质监测数据表明，我国北方某些地热开发区浅部地下水中矿化度和含氟量较高［12］。（2）资源问题。深层地热能资源往往埋藏深，地下热水补给缓慢且补给量小，若长期无回灌的持续开采必将造成地下水位持续下降，不但会造成地热能源浪费，而且会导致地热资源枯竭，并产生地面沉降或塌陷等一系列次生地质灾害。（3）热污染问题。地热水经过一级或多级次利用后温度降低，但相对于地下水而言其尾水温度仍较高，如我国西藏羊八井热田尾水温度为70～80℃，华北地区的天津、河北雄县地热尾水达40℃以上［13］，当地热尾水渗入地下后，由于其温度较高会打破地下水原有的温度场平衡，导致局部地下水水温升高。

2．2大气环境问题地热水中往往含H2S、CO2等气体，排放到大气中会影响周围的大气环境。H2S气体对人体危害较大，浓度低时能麻痹人的嗅觉神经，浓度高时可致人窒息而死。CO2是地热气体中的主要成分，含量可高达80％～95％［13］，若任意排放，会加剧温室效应。此外，热泵机组中冷凝器和蒸发器所用的工作介质（如R22、二氟一氯甲烷）排放到大气中也会影响臭氧层。地热工程施工过程中的扬尘也会影响大气环境，扬尘主要来自平场土地、打桩、挖土填方、建造建筑物、材料运输和搅拌等过程，尤其在干燥无雨的有风天气，扬尘对大气污染较严重，主要表现为增加大气中的总悬浮颗粒物（TSP）的含量。

2．3地表水生态环境问题地热资源利用过程中对地表水的污染主要体现在水质和水温两个方面，而受水水体水质和水温的改变将会引发一系列生态环境问题（见图3）。一方面，地热水利用后仍含有大量余热，尾水温度甚至可达40℃以上［13］，地热尾水排入地表水体后，受水水体的温度升高，这会加速水中含氮有机物分解，导致地表水体富营养化；同时有机物分解会消耗水中大量的溶解氧，导致水体缺氧，影响水生生物正常生长；此外，地表水体水温升高还将使水分子热运动加剧，水汽在垂直方向上的对流运动加速，水体周围土体中水分蒸发加速而造成土体失水，导致陆生动植物因生活环境改变而大量死亡或迁移，破坏了原有的生态平衡。另一方面，地热水含有氟、重金属和其他有害元素，地热尾水与受水水体混合后会影响受水水体水质，但影响程度在我国南北方有所差异，如福州郊县永泰鳗鱼场地热水养鱼后尾水排入附近的小溪，经监测表明溪水中氟化物的含量仅为0．56mg／L，远小于地热水中氟化物的含量15～15．7mg／L，而北京小汤山地区的地热尾水直接排放入附近的葫芦河，河水中氟的含量由0．84mg／L增加到2．43mg／L［14］。这主要是因为我国南方雨水充沛且河水流量大，有限的地热水排入水体后由于降雨和流动水的稀释作用，氟和其他溶解性有害元素的含量明显降低，其影响不显著；在我国北方利用地热水供暖主要集中在冬季，该季节尾水排放量大且河水量较少，这会导致有些地方的地热水排放量与河水量几乎相当，此种情况下地表水体受污染的程度相对较大。而受水水体水质的改变则会影响到鱼类及微生物等的生存。另外，在地热资源开发勘查与评价阶段，以及钻井过程和地热站建设过程等都会占用场地，破坏周围的植被，从而影响所在地栖息动物的生活环境。

2．4土壤环境问题地热水中矿化度较高，随着尾水或农业灌溉用水而进入土壤，使土壤溶液浓度增高，其浓度达到一定程度后，会导致植物根系吸水困难，甚至会出现植物体内水分反渗现象。此外，土壤中盐分增加，会影响微生物活动，如硝化细菌、根瘤菌等，致使土壤中养分不能有效转化为植物可直接利用的成分，这均会造成农作物减产。从长远角度来看，高矿化度地热尾水长期排放，使盐分在土壤中日渐积累，尤其在蒸发强烈的干旱地区，会造成土壤盐渍化。地热资源开发利用也会引起地温变化从而导致一系列环境问题（见图4）。浅层地表范围内地温受地下水影响较大，当地下热水在近地表运动时，由于其热导率和热容量均很大，很容易影响和控制岩土层温度，使地温保持在较低的温度水平上，并处于平衡状态。当地下热水超采引起水位大幅度下降时，浅层土体因失去了水的动态控制与调节作用而使得原有的地温动态平衡被打破，地温升高［15］。而地温升高将会导致土壤热污染，进一步导致农作物减产、土壤农药污染加剧等环境问题。另外，浅层地温能开采阶段地埋管的铺设和深层地热能开采阶段的钻井过程均会造成土壤扰动，在地埋管附近，土壤与外界长期的热量交换过程会引起局部土壤温度发生改变，而土壤温度的改变会进一步影响到微生物及动植物的生存。

2．5地质灾害问题长时间大量抽取地下热水而无回灌，必将导致地下水位持续下降，孔隙水压力减小，有效应力增加，致使土层压密或盖层破裂，引起地面沉降，在岩溶地区还可能会导致地面塌陷。如新西兰怀拉基地热田，在1964—1974年内地面沉降量为4．5m，影响范围达65km2，并且还发生了水平位移［10］。地热资源往往位于现代火山和近代岩浆活动区域或近代地壳构造运动活跃地区，地热资源开发利用大部分是在区域地震活动性强的地带进行的，大量开采地下热水改变了地下应力场，可能诱发地震。世界上许多地热田附近已经观测到低于里氏4级的轻微地震，而我国地热田多年观测结果显示开发利用地热资源对地震影响微乎其微，因为开采地热资源而引发的明显地震非常少，即使有也十分轻微，不会对地面造成很大影响［11，16］，但考虑到开发时间尺度问题，在未来更长时间内是否会引发较大震级的地震活动尚不确定。另外，在高温水热区，对浅层热储进行地热钻探过程中由于压力的突然降低将会诱发水热爆炸，如1997年12月西藏羊八井地热田ZK316井发生强烈水热爆炸［17］。

2．6其他环境问题地热开发利用过程中的噪声污染主要来自各种施工机械和车辆运输产生的噪声。施工过程中不同阶段会使用不同的机械设备，使施工现场具有强度较高、无规则、不连续等特点的噪声。噪声强度与施工机械的功率、工作状态等因素有关，而采取一定的防治措施，如基础减振、隔声窗等，可将噪声污染降低甚至避免。我国地热水中氟含量普遍较高，此外还含有砷、铬、铅等元素，这些元素会在鱼体和农作物中富集，并通过食物链进入人体进而影响人类健康。另外，地热尾水排放后在下水道处常年保持较高温度，使蚊子、苍蝇和臭虫终年不断，不仅影响附近居民生活，还可能增加传染病传播的机会，增加发病率［18］。地热田内分布有大面积的热水沼泽、喷气口和温泉等地热地质景观，大量开采地热水会对其产生影响，甚至会使这些地热地质景观消失。

3防治措施

为了避免地热资源开发利用过程中的环境问题，需要以地热系统理论为指导，将资源—环境—经济作为一个整体系统，采取以防为主，进行统一部署、统一规划和综合管理。具体防治措施如下：（1）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。（2）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。（3）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，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［13］，此外为了减少施工过程中大气中的扬尘应及时清理堆放在场地上的弃土、弃渣，不能及时清运的要适时采取洒水等措施进行灭尘；④针对噪声环境问题，井场选址应尽量避开学校教学楼区和居民区，施工单位应优先选用低噪声机械设备或自带隔声和消声设备。

4结论

地热资源是一种洁净可再生能源，与传统的化石能源相比具有清洁环保、可循环再生等特点，但在其开发利用过程中仍会对环境造成一定影响。如地热尾水排放造成地下水及地表水污染，钻机及其他设备在运行过程中产生噪声污染，地埋管铺设造成土壤扰动，地热水循环过程中导致局部地温升高等，这些问题随着时间的积累进而会引发生态破坏和地质灾害，如地面沉降、地裂缝等。对此，可采取地热尾水回灌、先进的消声设备以及合理规划等措施，将地热资源开发利用过程对环境产生的负面影响最小化，从而保证地热资源的可持续利用，实现经济效益和环境效益的双赢。但是尾水回灌对地质条件有较高的要求，有些地区易于回灌，回灌率可达80％～90％，如河北雄县；有些地区则难以回灌，在难以回灌地区对地热尾水的处理将成为亟需解决的一大难题。深层地热能的热储空间埋深多在800m以下，并且具有良好的密封性，含水层上部覆有隔水层或弱透水层，与CO2地质封存所需条件基本一致［19，20］，因此在尾水难以回灌的地区注入CO2，一方面可缓解我国CO2减排压力，另一方面CO2的注入可减少因长期大量抽取地下热水而导致地层压力减小的环境风险，从而可有效地抑制地面沉降、地裂缝等地质灾害的发生。不过CO2地质封存是一个十分复杂的过程，这一方法还需做进一步的探讨和研究。

作者：尤伟静刘延锋郭明晶单位：中国地质大学环境学院中国地质大学经济管理学院