地热资源开发过程中潜在地下水环境问题

地热资源开发过程中潜在地下水环境问题

陈立根

广东省有色地质勘查院  510000

摘要：地热资源属于近年来大力开采的新型能源之一，属于清洁可再生能源，在发、供暖系统中发挥着关键性作用，有效推进了能源结构体系改革。地热资源兼具矿产和水资源双重属性，在持续开采过程中需要不断向地下钻探，容易给现有地质环境造成影响，地下水循环也会因此出现变化，给地下水环境带来了诸多的环境隐患。地下水资源和人类生产生活有着密切关系，一旦地下水系统遭受破坏会影响水质和水资源总量。基于此，本文对地热资源开发过程中潜在地下水环境问题进行了分析，提出了问题解决方法，以期可以为地热资源开发利用提供参考。

关键词：地热资源开发；地下水；环境问题

能源短缺和枯竭问题推进了新能源产业的发展，国家开始大力开采可再生能源，其中地热能为主要应用的清洁能源之一，具有独特的经济效益和社会生态效益。地热能符合绿色低碳要求，可以进行循环利用，

一、地热资源开发现状和影响隐患

我国地热能直接利用规模不断扩大，截至2022年底，地热供暖（制冷）能装机容量相当于1.73亿千瓦时。国内地热资源总量庞大，在全球占比高达1/6，其中浅层、水热型、干热型地热资源可采量约为7亿吨、18亿吨、856万亿吨标准煤炭资源。地热能不会受到自然环境因素的影响，可以持续供应能源，地热连续运行时间超过8000小时。目前地热能开发利用量持续增加，浅层以及中深层地热能直接利用率每年平均增长速度高达28%、10%，始终居于世界第1位[1]。

但是地热能的开采也会给地下水环境带来影响：（1）在开采地热时会利用钻探井以及注入水技术，给地下水位带来明显影响，导致地下水位下降。由于地下水资源损失量较多，无法及时补足会引发地下水资源枯竭的问题，影响地下水未来可持续利用。（2）地热开采活动中地下水以及地热水之间会出现物质交换的现象，矿物质也会迁移。地热水中包含硫酸盐以及重金属这一类较高浓度的溶解性物质，进入到地下水体后会给地下水造成污染。

二、地热资源开发中地下水环境问题

（一）浅层地热资源开发

浅层地热资源位于地球浅表200米以内，属于低温热能，一般情况下温度在25℃以下，储存在岩石以及水体内部，利用太阳辐射获得热量，全球浅层地热资源每年可采量约等同于95亿吨标准煤。土壤源热泵系统是常用的浅层地热开采方法，在实际开采过程中会利用地埋管构成地下循环系统，使流体在密闭的环境下进行流动，在循环时和土壤层之间会完成热交换活动，从而达到改变温度的目的。但是该种技术难以有效提高热能吸收率，吸收效率约为25%，为了确保能够充分发挥地热能的应用需求，在实际开采中会尽可能增加地埋管数量，扩大覆盖面积。大规模铺设地埋管会使地表下方的含水层平衡状态被打破，冷热不均，给现有生态环境造成影响。如北京 市 地 下 水 平 均 温 度 在 13~ 16 ℃间，夏季在使用地热能进行制冷的过程中回灌水温度上升为23℃。热泵在运行时会使开采井附近出现如氧 化亚 铁 硫 杆 菌 、氧 化 硫 硫 杆 菌 等，从而导致介质内的黄铁矿出现氧化反应，增加硫酸盐数量，降低原有酸碱值，提升地下水硬度水平，给水资源造成了破坏和影响。同时也会导致如 亚 硝 化 单 胞 菌 属 、亚 硝 化 球 菌 属不断的繁殖，会导致地下水出现氮污染问题。在冬季进行供暖时，平均水温普遍在7℃左右，此时由于温度下降细菌缺少合适的繁殖环境，硫酸盐沉淀量降低，细菌代谢活动受到影响，因此氮污染影响范围和程度也会随之下降，然而反硝化细菌会给有机 污染物去除率带来不利影响。沈阳地区地下水源热泵 中存在着地下水铁锰含量上升的问题，由于氧化反应会出现沉淀，在沉淀物以及凝聚胶体容易被含水层内的多孔介质所吸附，含水 层孔隙度会因此出现减小的现象，渗透性能降低。在浅层地热能开发时极其容易诱发水体温度改变以及污染问题，需要重视对污染问题进行有效处理，改变传统的能源采集方式。并且由于沉淀堵塞无法提升回灌效率，容易出现水资源大量浪费的现象，水资源总量下降，地下水位降低，不利于水资源的合理利用[2]。

（二）中深层地热资源开发

中深层地热资源属于水热型，同时具有较强的渗透性以及富水性特点，地热资源的形成主要依靠于对地球内部热量进行收集，提升地下水温度包括中低温以及高温型两种，以150℃作为划分标准。在进行资源开采时主要会选择直接开采模式，在开采过程中会地热尾水的排放会直接给水质环境造成严重的污染。地热尾水在进行换热处理后，温度相比于地表环境而言仍然处于较高的状态，会诱发热污染。例如,北京市某学校在排放地热尾水时温度经测量高达45℃，给污水处理厂的污泥活性造成了影响，在流入河流系统中会引发水质污染问题。地热水是在水循环过程中通过收集地球内部热量所产生的，受到高温因素的影响，会导致外部环境以及围岩间出现剧烈的化学反应，提升了地热流体矿化度水平，出现了重金属以及微量元素超标的问题，不符合地下水使用标准。

采灌结合也是常用的中深层资源开采手段，当前为了避免给水资源造成污染，各个地区均开始重视对采灌结合技术进行优化，但是由于回灌无法达到100%的目标，仍然存在热尾水直接排放的现象，给地球浅表水资源造成了污染和影响。由于回灌流体以及地热水溶解性总固体含量水平较高，回灌流体以及储存间的温度有较大差异，增加了化学反应的发生率，容易出现结垢的问题，给地下水化学环境造成了污染和危害[3]。

（三）深部干热岩型地热资源开发

深部干热岩型地热资源主要蕴含在岩体结构内部，具有高温、无水以及低渗透性的特点，分布范围广泛，在我国通常分布在东南沿海、青藏高原等区域，地热能埋深在3千米到10千米内，温度约为150℃到250℃之间，相当于860×1012t标准煤。在进行开发时主要会使用水力压裂这一方法，能够针对干热岩储层进行改造，从保守的角度出发进行分析规模化储层在改造过程中需要压裂液体积通常超过2万 m3 。在进行压裂液的调配过程中需要以水资源为溶剂，在其中加入有机溶剂和泥沙。如果大量抽取地下水会影响含水层水位的平衡性，在短期内导致水位下降。压裂液再进入到干热岩储层后,因为天然裂缝空间分布较为复杂,，很有可能会出现泄漏的现象，压裂液如果和地下水环境进行接触便会导致污染。除此之外，压裂后的返排液 中含有较多的有机质、重金属，甚至是放射性核素等成分，一旦泄露会直接给地下水环境造成严重污染。在进行储存改造过程中会使用化学刺激手段，虽然改造效果较好，但是在实际应用过程中容易因其具有强酸性或者强碱性的问题而破坏地下水环境。在储存内储层注入化学刺激剂会导致流体与储层矿物间进行相互作用,促使矿物溶解与次生矿物的析出,但同时也会使返排液内有毒有害离子组分浓度升高,给地下水环境带来了严重的污染隐患，影响了地下水质量，不符合未来持续发展要求[4]。

三、基于地下水保护地热资源绿色开发策略

（一）强化回灌能力

地下水量的变化会通过水位体现，地热资源开发中需要重视对水位进行评估，保持热储层和含水层地下水位不会出现过多变化。采灌结合是常用的开采方式，通过回灌对水资源进行补充，达到只采集地热资源的目的，避免地热尾水外排给周围环境带来影响。由于热储渗透能力的限制，在自然状态下无法达到完全回灌，应当选择以灌定采的开采方式。在开采前需要对热储存自然回灌能力进行分析，选择合适的开采强度，避免超过回灌能力范围。重点强化回灌能力，利用加压回灌的方式提升回灌量，或者利用射孔、压裂等方式对储层进行改造和优化。但需要注意不能一味追求100%回灌目标，需要从经济、环境、社会三种效益角度出发进行综合分析，避免过度提升回灌能力导致工程造价提升、经济效益下降。

（二）保持水量平衡

回灌的目的在于保证地下水位不会下降幅度过大，控制地下水位下降速度，但是在实际地热开采中受到多种因素的影响，回灌水进入到开采井内的总量是有限的，水位恢复程度也受到了限制。例如，法国 Soultz地热场地在回灌作业中设置了回灌井，从回灌井进入的水量难以到达开采井内，流入量仅为1%，其余的流体会向下游方向流动。因此在进行地热开采时，应当合理利用群井小流量回灌的方式进行处理，可以保持地下水量的平衡性。在开采前确定背景地下水流场的情况，以地下水角度出发对采灌井的位置进行调整，有利于为之后地热资源大规模开发提供基础[5]。

（三）合理处理地热开采污染问题

在地热开采中会给水质造成污染和影响，例如会出现尾水回灌、泄漏以及排放等问题，容易引起井储堵塞，破坏现有地下水土环境。传统的污染处理方式主要是回扬清堵以及污染修复等技术，处理效率较低，只能表面上缓解污染问题，无法从根本上解决污染诱发因素，为此需要选择合适的策略创新污染治理方法。首先，优化材料选择，使用合适的管道材料，要求其具有耐高温和耐腐蚀的特性。在地热能开采时井壁建设材料主要为水泥、铁管，在高温作用影响下容易出现形态变化，耐腐蚀性能较差，且铁管会导致井储界面出现沉淀或者堵塞的问题。合金管道有利于避免腐蚀问题的出现，防止铁管上出现大量锈垢。其次，优化水处理技术手段，选择节能化、环保性处理手段，预防堵塞、污染问题的产生。地下水土环境本身便具有一定的自净能力，在处理地热尾水问题时应当先发挥自净优势。在回灌时回灌流体内敏感离子水平应当达到合适的标准，为此可以选择将河水和地热尾水进行充分混合，能够改变流体内部矿化度水平，应用效果好于使用絮凝沉淀等技术。如果地热开采区域处于乡村，可以在附近区域栽植水生植物系统，如大量培育芦苇、香蒲，这一类植物能够起到对尾水进行净化的效果，相比于使用滤网的物理手段能够及时去除尾水内存在的悬浮颗粒[6]。

（四）保证换热效率和地下热量平衡

地热资源开采时哪一种技术都会影响储存结构，导致地层热量平衡受到影响，应当注意对回填材料进行改善，确保换热效率能够得到提升。然而在实际作业中由于传热系数的影响，换热效率提高会导致开采区域和地层结构出现冷热堆积的问题。在解决温度变化问题时应对时间因素、周期因素进行评价，选择交替式开采技术，让储层周围可以拥有充足的热量恢复时间。同时对采集区域的各类参数进行明确，和分析，包括热储水力学、热力学、天然温度场等，利用模拟仿真技术评估热恢复能力，以可持续理念为基础选择合适的方式获取热量。

结束语：

地热能开发和国家经济建设发展有着密切关系，地热能可以有效缓解能源紧张问题，落实绿色发展目标，减少能源使用中的碳排放量。不同层次和深度的地热能资源开发会引发不同的问题，对于水质以及水资源总量都会起到一定影响，在进行地热资源开发时需要选择绿色无污染的开发方式，强化回灌能力，保证水资源总量平衡，选择新型材料进行水资源处理，保持较高的换热效率，减轻地热开发利用带来的影响。

参考文献：

[1]翟振飞, 张乐, 李智民, 等. 荆门市十里牌地热田地热开发环境影响与经济评价[J]. 能源与环境, 2023, (04): 64-67.

[2]陆建国, 张同良, 齐志龙, 等. 新疆塔什库尔干县曲曼地热田地热资源成因分析及开发利用与保护分析[J]. 黑龙江环境通报, 2023, 36 (03): 16-18.

[3]薛宇泽, 陶鹏飞, 韩元红. 渭河盆地中深层地热资源开发存在问题及改进措施[J]. 资源环境与工程, 2020, 34 (03): 428-431.

[4]吕灿. 研究地热开发利用过程中的环境效应及环境保护[J]. 环境与发展, 2020, 32 (08): 241-242.

[5]郭玉平. 地热资源开发利用环境问题及保护措施[J]. 冶金管理, 2019, (23): 136-137.

[6]王浩, 赵季初. 鲁西北平原区地热资源开发对地下水环境的影响[J]. 山东国土资源, 2015, 31 (07): 36-39.