学文网【摘要】超采、不合理利用地热资源引起的主要环境问题有：地震、地面沉降、地热资源枯竭、地热水有害成份污染、地温变化。同时提出了一些防治建议。
【关键词】地下热水；开发利用；环境问题；防治措施
Super mining， analysis of the environmental problems caused by irrational use of geothermal resources
Jiang Guo-fan
（Bureau of geology for nuclear industry of Jiangxi province 268 battalionYushanJiangxi334700）
【Abstract】This paper describes overdraft， irrational use of geothermal resources caused by main environmental problems： earthquake， ground subsidence， geothermal resources， geothermal water pollution harmful ingredients， temperature changes. And puts forward some suggestions.
【Key words】Geothermal；Exploitation；Environmental issues；Preventing and controlling measure
1. 引言
（1）中国是一个地热资源丰富的国家，我国地热资源占全球的7.3%，总能量为11×106EJ/每年，高温地热资源（热储温度≥150°c）主要分布在、滇北、川西、以及我国台湾省。中低温地热资源几乎遍布全国各省、市、自治区。地下热水作为水资源，它广泛应用于工业、农业、与人民生活，在工业生产上主要用于发电、纺织、印染、造纸、和皮革加工处理等，农业上也有广泛的用处，在温热带地区用热水育苗、育稻、灌溉农田、可以提早成熟，甚至可以实现改单季稻成双季稻，扩大复种面积，增加粮食产量，此外还可以利用地下热水温室种菜，可以把地下热水应用于孵化、养鱼、种植蔬菜、花卉、鱼苗越冬以及农产品的蒸馏、干燥等方面。
（2）在人民生活方面，地下热水含有丰富的有用元素和组分，如：硒、溴、硼、锂、镁、钽、氨、芒硝、钾盐、重水等，有时含量很高，有极重要的提取价值。因此，可以把地下热水看成上各种成分的矿产，有的地下热水含有不同数量的微量元素和气体成分，有很高医疗价值，饮用或淋浴，可以***多种疾病，如关节炎，一些皮肤病等。另外，还可以进行地热采暖、地热洗浴、游泳等。因此，地下热水的综合利用是大有作为的。但事物都是二方面的，有利也有弊，虽然地下热水资源的利用十分广泛，但由此而引发的一系列环境问题也不容忽视。
2. 地热能的利用
2.1地热能发电。
地热能发电是我国地热能利用的最重要方式，高温地热流体会首先考虑应用于发电。发电就是把地下热量转化成电能，它既不用锅炉和燃料，又不污染空气，也不象原子能那样具有放射性，同时成本低廉。我国地热发电始于20世纪70年代初，如：我国已经于1970年在广东省某地建起了第一座试验电站，利用100°C左右的地下热水，采用减压扩容法进行发电成功，同时天津还试验成功了中间介质发电，利用60°C左右的地下热水，河北怀来于1971年建立了我国第一座中间介质（氯乙烷）地热电站。目前我国地热发电装机容量在世界22个国家中排名第14名。
2.2地热直接利用。
进入20世纪90年代，随着环保意识的增强，我国地热兴起了直接利用新高潮，尤其在北方地区加大了以地热供热（采暖的生活用水）为主要开发力度，从而减少了有害气体的排放，并取得了明显的综合效益。地热直接利用要求地热水温度较低，中低温度的地热资源都可以直接加以利用。近年来，北方地区的地热供暖，特别是城市供暖发展迅速，天津、北京、西安等地有在热的城市申请开发地热的企业越来越多。总之，我国中低温地热水利用已经有采暖、育种育苗、花卉栽培、水产养殖、洗浴、医疗、孵化、养鱼、游泳、皮革加工、食品加工等20余项，名目繁多。但是，在充分利用地热资源的同时，也给环境带来了负面影响。
3. 超采、不合理利用地热资源对环境的影响
3.1地震。
地热异常区多数是现代火山、近代岩浆活动地区或近代地壳运动活跃地区。地热资源开发一般发生在自然断裂通道和活断层上，即地热资源开发大部分在区域地震活动性强的地区内进行。地热水是地球整体的重要组成部分，具有缓冲地基岩石板块应力的作用，并承受和分散地表压力。在山脉地区和城市高层建筑密集区域，地表压力尤其巨大，因此，该区域的地下热水受到的破坏程度，将直接威胁到此类地带的地理稳定性。对地下热水体的大规模开采和利用会造成浅表地下水体水位下降，而大气降水的补充不一定能够填补这方面的缺失。当地热水体被过度开采后，导致大地的稳定性受到破坏，这将诱发地震。王卫东等科学家研究了西安及其附近地区自1976年以来该区域的地震活动，得出西安地区的地下热水过度开采引起了西安附近地区地震活动性明显增强。
3.2地面沉降。
3.2.1引发地面沉降的原因有很多，从地质因素看，自然界发生的地面沉降大致有下列3种原因（1）地表松散地层或半松散地层等在重力作用下，在松散地层或半松散地层变成坚硬或半坚硬岩层时，地面会因地表层厚度的变小而发生沉降，（2）因地质构造作用导致地表凹陷而发生沉降，（3）地震活动导致地面沉降。从人为因素看，主要包括开采地下水、油气、地表荷载增加等。造成我国地面沉降的原因主要是地下水的长期超量开采。在一些蕴藏大量地下热水资源的沿海地区，多沉积巨厚的松散层，其颗粒较细，结构复杂，由于大量开采地下热水，引起了孔隙水压力降低，和有效应力的增大，致使含水层被压缩，颗粒接触面积增大，孔隙度缩小并释水，与此同时，含水层的水则因减压而有少量膨胀，孔隙度减小释水，产生弹性变形，当含水层中的水压恢复后，骨架能复原，只形成暂时性的地面沉降。粘土性空隙度大，孔隙微小，主要含结合水，当含水层与粘性土之间的水头差足以克服水和颗粒之间的结合力时，水便从粘土层中排出，释水时空隙被压缩，使粘土矿物颗粒接触面积变大，颗粒间发生相对位移，孔隙结构被破坏而发生塑性变形。当含水层水压恢复后，只能使粘土层压缩的孔隙中水压升高，从而其孔隙度、给水度、渗透系数等水文地质参数不能恢复到原始状态，形成永久地面沉降。地下热水开采量逐年增加，抽取地下热水引起的水位下降，地层孔隙水压力减小，有效应力增加，降低了地下水的向上的浮托力，含水层厚度因上覆荷载的压力而变小，逐惭压缩压实，从而使原来的一个稳定的受力平衡得到破坏，为了得到新的平衡，地面就产生了相应的能量输出，必然引起地面沉降。比如：大量抽取地下热水，会导致局部范围的地面下沉，带来道路毁坏，地下管道破裂、水利设施和地面建筑物破坏的后果。
3.2.2新西兰陶波湖北部的怀拉基地势发电部，因耗费了大量的地下热水而发生地面下沉，下沉范围直径约1000米，自1958年以来已下沉6米，平均每年下沉约15厘米。我国天津市有三个地热区，也出现了地面沉降，有的下沉超过1米。福州市在60年代地面沉降量小于20mm/a，70年代地面沉降量在25～33mm/a之间，到了二十世纪八十年代地下热水抽取量不断增加，到了90年代初已经大大超过规定最大开采量9800m3 /d，地下热水抽取量的增加又得不到及时补偿，形成抽取量与补偿量之间的差额，因此水位下降漏斗迅速形成，地面沉降量也增至50mm/a。
3.3地热资源衰竭。
地热资源和别的资源一样，不是取之不尽用之不竭的，过度不合理的取用热储层的地下热水静储量资源，支出大于收入造成热储层的地下热水严重亏损，地下热水水位下降是它的外部表现，热储层的地下热水资源衰竭才是它的本质。而地下热水的衰竭是一个难以弥补的损失。如：美国得克萨斯州和新墨西哥州高原的奥格拉拉地下热储层的地下热水，可采地下热水量300亿立方米，截止1981年已经抽取了60亿立方米，每年抽取6～12亿立方米，抽取量超过了天然补给量50倍以上，据估计，即使停止抽水，依靠天然补给也要几千年才能恢复。
3.4地热水有害成份污染。
地热水的形成一般为大气降水经过地下深部循环，与围岩进行化学物质交换，围岩中的各种化学组分进入水体，使地热水中含有对环境有害的常量成分、微量成分及放射性成分，包括H2S、CO2、铅、砷等。在开发利用地热水时，不仅破坏了天然的水量均衡，有时也破坏了天然的水质均衡（盐均衡），使之朝差的开采的方向发展。如果盐均衡朝着水质淡化的方向发展，水质一般不会发生变化，如果盐均衡朝着水质咸化某些有害成分不断积累的方向发展，而且这种发展超过允许的限度时，就会导致严重的水质恶化。
地下热水水质恶化的原因：
（1） 由于过量开采地热水，使水动力条件发生变化，导致不同含水层发生水力联系，好水和坏水发生混合，引起水质恶化。
（2） 由于开采地下热水出现了新的补给源，如果新的补给源的水质不好，渗入补给开采层后，可使流向开采井的地下热水水质恶化。
（3） 滨海地区或内陆濒临咸水区大量开采淡水，由于咸水入侵导致水质恶化。尤其是在咸水区内开采淡水透镜体的地下热水时，若开采水位下降过深，则将严重破坏地热水和咸水之间的平衡状态，导致地热水咸化。
（4） 开采井的工艺不合理，没有对水质不良的含水层采取止水封闭措施或封闭不严密，导致地热水和坏水混合，使水质变坏。
（5） 取水工程材料的腐蚀作用也可以使地热水水质变坏。如：水中的氢离子与井管或过滤管的铁发生置换反应，产生锈蚀现象，使水中的铁质增加，地热水水质变坏。
3.5地温变化。
3.5.1通常地温随着深度的增加有明显的规律性变化，随着深度的增加，温度也越来越高。在较浅的地层内，地热增温级增幅比较明显，在中深部地层内地热增温级增幅相对较小，并且随着深度的增加，温度增加的速率在逐渐变慢，地热增温级逐渐变大。在浅表的地层中，地下水的运动对浅表地层的地温变化起着决定性作用。当降雨渗入地下并形成地下迳流时，地下水对浅表地层起降温冷却作用，形成近地表地层低温区或低温带。当水在近地表运动时，由于其导热率或热容量都很大，极容易影响和控制岩土层的地下温度，对地温变化起决定性作用，使地温保持在一个比较低的温度水平上，并且处于动态平衡。当地下水超采后，由于地下水水位的大幅下降，会使上覆的松散岩土层因失去水这个冷却剂而形成采空区，并且打破原来的水温和地温的动平衡，使地温升高。据调查，由于地下水位的大幅下降，无水地层的温度一般升高3°～5°，最高可达10°。
3.5.2地温变化可能引起很多问题：（1）在一些地区由于平均地温春、夏、冬普遍升高，在冬季一些越冬害虫的繁殖能力成倍增加，虫害明显增加。如南方的烟草根结线虫，本来在冬季越冬基数很小，活动也受到一定的限制，在地温增加的情况下，可以大量繁殖，（2）近地表地温的上升，也会进一步加速扩散土层的干燥过程，在地下水被疏干的地层中，土的含水量急剧下降。在干旱季节蒸发能力增强，这对北方干旱平原区来说本来就干旱的土层更加不利，使土层中的一些作物生长所需的微生物失去活力，同时降低了土壤和土层中的有机肥料的含量，影响农作物的生长。
4. 建议和防治措施
合理开发利用和保护地热水资源，保障地热水资源的可持续利用，可以采取相应的措施：
（1）成立领导和管理地热水资源的统一组织机构，加强管理，建立健全合理的开采制度，对开采地下热水企业必须要拟定出地下热水资源定时、定量开采和限制开发深度，免于枯竭和污染的措施，否则禁止设计、施工和投产。在集中开采区加强对地热水开采动态的监测及对地热水情况的预报工作。
（2）扩展新的开采层：在水文地质和经济技术条件许可的情况下，可在水源地范围内增加新的开采层或新建水源地，减少原有取水工程的开采量，以控制地热水水位下降。
（3）对好的地热水和坏水相间的含水层要采取分层开采，成井时要做好严格有止水工作。
（4）合理控制地热水的开采量和水位降深，避免夺取水质不良的地表水或相邻地下水。对开采区和降落漏斗范围内工业废水和生活污水的排放渠应采取防渗措施。
（5）在濒临咸水区的地热水区打井时，应注意选择合理的井距、开采量和水位降深，防止咸水倒灌。
（6）根据地热水水质采用不同的耐蚀材料。
（7）本着综合利用，兴利除害的原则，加强对工业"三废"的治理是防止地热水污染的根本办法。
（8）城市建设必须充分考虑地热水区水文地质条件，全面规划，合理布局。新建或扩建供水热水源地应该尽可能选在地热水上游的补给区，对于易引起污染的工厂、企业应尽可能布置在远离地热水源的下游区。
（9）建立地下水监测站网，进行地热水动态（尤其是水质动态）长期观测，开展对地下热水污染的调查研究，以便及时发现问题和采取措施。
（10）加强对地热水资源的保护和管理。
（11）对于热污染，尽量采用梯级多次利用热资源，提高热水的利用率，降低排放热水的温度，也可以通过回灌的办法，但需对尾水进行处理，使之符合回灌水的水质要求，不造成二次污染。
（12）综合开发利用，提高地热水资源利用技术和利用水平，合理规划井点，优化开采模式。
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[作者简介] 江国帆（1963.10-），男，职称：工程师，工作单位：江西省核工业二六八地质大队从事水、工、环工。
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