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熱巖開發最早于1984年在美國FentonHill試驗成功并進入商業運行發電，隨后世界許多國家相繼進行了大規模工業試驗與商業開發，但受技術能力和設備裝置等條件限制，我國從2007年才開始相關研究，目前處于探索試驗階段，尚未進入商業運行［5～8］。地熱資源與其他常規能源相比有經濟和環境方面的優勢，但在開發利用過程中仍會對環境造成影響，主要包括對地下水、地表水、生態、土壤、大氣以及聲環境等造成的影響。但不同地區由于地熱能類型的開發利用方式不同，則對環境的影響亦不同，因此需要將地熱資源開發利用過程視為一體，基于地熱工程整個生命周期的觀點來分析地熱資源開發利用全過程中的環境問題，才能全面地評價熱資源開發過程的環境影響，以為地熱資源開發利用過程中的環境保護提供科學依據。

1地熱資源的開發利用過程

淺層地溫能和深層地熱能的開發利用過程包括勘查與評價、開采利用和運營管理等階段，其環境影響伴隨整個過程［9］。勘查與評價階段主要通過采用航衛片圖像解譯、地質調查、地球物理、地球化學、地熱鉆井、產能測試和動態監測等技術方法進行綜合性勘查，查明地熱地質背景，確定地熱資源可開發利用的地區及合理的開發利用深度［10］；開采利用階段主要包括地下熱水的開采、傳輸、供熱和回灌等過程；運行管理階段主要包括動態監測、設備維護和人員管理。

1．1淺層地溫能的開發利用過程淺層地溫能開發利用主要有地下水源熱泵和土壤源熱泵兩種方式。熱泵機組主要由壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、調節閥控制系統和換熱器組成，在能量轉換時需要消耗一定的輔助能量（一般為電能），在壓縮機和機組內部制冷劑共同作用下，從環境（地下水、土壤）中吸取低品位熱能，然后轉換為高品位熱能釋放至循環介質中加以利用。地下水源熱泵系統的熱源為地下熱水，冬季熱泵機組從生產井提供的地熱水中吸收熱量，提高熱能品位后，對建筑物供暖，取熱后的地熱水回灌地下；夏季則生產井與回灌井交換，將室內余熱轉移到低位熱源中，實現降溫或制冷。土壤源熱泵系統的原理與地下水源熱泵系統大體相同，區別在于前者的熱源為土壤。由于土壤源熱泵系統和大部分地下水源熱泵系統都為能量循環利用模式，即只取熱不取水，所以淺層地溫能整個開發過程中對環境的影響相對較小，主要是熱泵機組運行過程中產生的噪聲，以及勘查、鉆井過程中占用場地造成的生態破壞和土壤擾動等環境問題。

1．2深層地熱能的開發利用過程深層地熱能開發利用可分為直接利用和間接利用兩種方式。間接利用主要指發電，用于發電的地熱流體一般要求在180℃甚至200℃以上才比較經濟［11］。直接利用對水溫要求相對較低，包括供暖、洗浴和養殖等。地熱供暖工程包括地上部分和地下部分，地上部分主要為地熱站，其中安裝除砂器、除鐵罐、換熱板、循環泵和補水箱等配套裝置，通過運輸管道將熱能輸送給用戶；地下部分包括水泵抽水和地熱尾水回灌，受地質條件限制，有些地區難以回灌，尾水直接或進行多級利用后排放到城市污水管道。地熱發電工程需要安裝發電機組、凝氣器和工質泵等。地熱水洗浴工程比較簡單，直接將地熱水通過運輸管道送往用戶，從經濟角度考慮往往與地熱供暖工程共用一套生產井和部分運輸管道，或者將地熱尾水用于洗浴。對深層地熱能若開發利用過程中能實現完全回灌，則對環境的影響較小，主要是產生噪聲和對大氣環境的影響；若不能實現回灌，則對環境的影響較大，尤其是對生態環境的影響較大（見圖2）。此外，在地熱工程結束時，還須對地熱廢井和廢棄裝置進行妥善處理。

2地熱資源開發利用過程中產生的環境問題

2．1地下水環境問題地熱資源開發利用對地下水環境的影響主要體現在水質、水位（資源問題）和水溫（熱污染）三個方面。（1）水質問題。深層地熱水水質因地而異，其成因決定了地熱水礦化度較高，往往富含微量元素和重金屬元素。如圖1和圖2所示，隨尾水排放、異層回灌或鉆井階段井壁套管破裂，高礦化地熱水會進入淺部地下水并與之混合，導致淺部地下水水質改變。已有水質監測數據表明，我國北方某些地熱開發區淺部地下水中礦化度和含氟量較高［12］。（2）資源問題。深層地熱能資源往往埋藏深，地下熱水補給緩慢且補給量小，若長期無回灌的持續開采必將造成地下水位持續下降，不但會造成地熱能源浪費，而且會導致地熱資源枯竭，并產生地面沉降或塌陷等一系列次生地質災害。（3）熱污染問題。地熱水經過一級或多級次利用后溫度降低，但相對于地下水而言其尾水溫度仍較高，如我國西藏羊八井熱田尾水溫度為70～80℃，華北地區的天津、河北雄縣地熱尾水達40℃以上［13］，當地熱尾水滲入地下后，由于其溫度較高會打破地下水原有的溫度場平衡，導致局部地下水水溫升高。

2．2大氣環境問題地熱水中往往含H2S、CO2等氣體，排放到大氣中會影響周圍的大氣環境。H2S氣體對人體危害較大，濃度低時能麻痹人的嗅覺神經，濃度高時可致人窒息而死。CO2是地熱氣體中的主要成分，含量可高達80％～95％［13］，若任意排放，會加劇溫室效應。此外，熱泵機組中冷凝器和蒸發器所用的工作介質（如R22、二氟一氯甲烷）排放到大氣中也會影響臭氧層。地熱工程施工過程中的揚塵也會影響大氣環境，揚塵主要來自平場土地、打樁、挖土填方、建造建筑物、材料運輸和攪拌等過程，尤其在干燥無雨的有風天氣，揚塵對大氣污染較嚴重，主要表現為增加大氣中的總懸浮顆粒物（TSP）的含量。

2．3地表水生態環境問題地熱資源利用過程中對地表水的污染主要體現在水質和水溫兩個方面，而受水水體水質和水溫的改變將會引發一系列生態環境問題（見圖3）。一方面，地熱水利用后仍含有大量余熱，尾水溫度甚至可達40℃以上［13］，地熱尾水排入地表水體后，受水水體的溫度升高，這會加速水中含氮有機物分解，導致地表水體富營養化；同時有機物分解會消耗水中大量的溶解氧，導致水體缺氧，影響水生生物正常生長；此外，地表水體水溫升高還將使水分子熱運動加劇，水汽在垂直方向上的對流運動加速，水體周圍土體中水分蒸發加速而造成土體失水，導致陸生動植物因生活環境改變而大量死亡或遷移，破壞了原有的生態平衡。另一方面，地熱水含有氟、重金屬和其他有害元素，地熱尾水與受水水體混合后會影響受水水體水質，但影響程度在我國南北方有所差異，如福州郊縣永泰鰻魚場地熱水養魚后尾水排入附近的小溪，經監測表明溪水中氟化物的含量僅為0．56mg／L，遠小于地熱水中氟化物的含量15～15．7mg／L，而北京小湯山地區的地熱尾水直接排放入附近的葫蘆河，河水中氟的含量由0．84mg／L增加到2．43mg／L［14］。這主要是因為我國南方雨水充沛且河水流量大，有限的地熱水排入水體后由于降雨和流動水的稀釋作用，氟和其他溶解性有害元素的含量明顯降低，其影響不顯著；在我國北方利用地熱水供暖主要集中在冬季，該季節尾水排放量大且河水量較少，這會導致有些地方的地熱水排放量與河水量幾乎相當，此種情況下地表水體受污染的程度相對較大。而受水水體水質的改變則會影響到魚類及微生物等的生存。另外，在地熱資源開發勘查與評價階段，以及鉆井過程和地熱站建設過程等都會占用場地，破壞周圍的植被，從而影響所在地棲息動物的生活環境。

2．4土壤環境問題地熱水中礦化度較高，隨著尾水或農業灌溉用水而進入土壤，使土壤溶液濃度增高，其濃度達到一定程度后，會導致植物根系吸水困難，甚至會出現植物體內水分反滲現象。此外，土壤中鹽分增加，會影響微生物活動，如硝化細菌、根瘤菌等，致使土壤中養分不能有效轉化為植物可直接利用的成分，這均會造成農作物減產。從長遠角度來看，高礦化度地熱尾水長期排放，使鹽分在土壤中日漸積累，尤其在蒸發強烈的干旱地區，會造成土壤鹽漬化。地熱資源開發利用也會引起地溫變化從而導致一系列環境問題（見圖4）。淺層地表范圍內地溫受地下水影響較大，當地下熱水在近地表運動時，由于其熱導率和熱容量均很大，很容易影響和控制巖土層溫度，使地溫保持在較低的溫度水平上，并處于平衡狀態。當地下熱水超采引起水位大幅度下降時，淺層土體因失去了水的動態控制與調節作用而使得原有的地溫動態平衡被打破，地溫升高［15］。而地溫升高將會導致土壤熱污染，進一步導致農作物減產、土壤農藥污染加劇等環境問題。另外，淺層地溫能開采階段地埋管的鋪設和深層地熱能開采階段的鉆井過程均會造成土壤擾動，在地埋管附近，土壤與外界長期的熱量交換過程會引起局部土壤溫度發生改變，而土壤溫度的改變會進一步影響到微生物及動植物的生存。

2．5地質災害問題長時間大量抽取地下熱水而無回灌，必將導致地下水位持續下降，孔隙水壓力減小，有效應力增加，致使土層壓密或蓋層破裂，引起地面沉降，在巖溶地區還可能會導致地面塌陷。如新西蘭懷拉基地熱田，在1964—1974年內地面沉降量為4．5m，影響范圍達65km2，并且還發生了水平位移［10］。地熱資源往往位于現代火山和近代巖漿活動區域或近代地殼構造運動活躍地區，地熱資源開發利用大部分是在區域地震活動性強的地帶進行的，大量開采地下熱水改變了地下應力場，可能誘發地震。世界上許多地熱田附近已經觀測到低于里氏4級的輕微地震，而我國地熱田多年觀測結果顯示開發利用地熱資源對地震影響微乎其微，因為開采地熱資源而引發的明顯地震非常少，即使有也十分輕微，不會對地面造成很大影響［11，16］，但考慮到開發時間尺度問題，在未來更長時間內是否會引發較大震級的地震活動尚不確定。另外，在高溫水熱區，對淺層熱儲進行地熱鉆探過程中由于壓力的突然降低將會誘發水熱爆炸，如1997年12月西藏羊八井地熱田ZK316井發生強烈水熱爆炸［17］。

2．6其他環境問題地熱開發利用過程中的噪聲污染主要來自各種施工機械和車輛運輸產生的噪聲。施工過程中不同階段會使用不同的機械設備，使施工現場具有強度較高、無規則、不連續等特點的噪聲。噪聲強度與施工機械的功率、工作狀態等因素有關，而采取一定的防治措施，如基礎減振、隔聲窗等，可將噪聲污染降低甚至避免。我國地熱水中氟含量普遍較高，此外還含有砷、鉻、鉛等元素，這些元素會在魚體和農作物中富集，并通過食物鏈進入人體進而影響人類健康。另外，地熱尾水排放后在下水道處常年保持較高溫度，使蚊子、蒼蠅和臭蟲終年不斷，不僅影響附近居民生活，還可能增加傳染病傳播的機會，增加發病率［18］。地熱田內分布有大面積的熱水沼澤、噴氣口和溫泉等地熱地質景觀，大量開采地熱水會對其產生影響，甚至會使這些地熱地質景觀消失。

3防治措施

為了避免地熱資源開發利用過程中的環境問題，需要以地熱系統理論為指導，將資源—環境—經濟作為一個整體系統，采取以防為主，進行統一部署、統一規劃和綜合管理。具體防治措施如下：（1）政府相關部門應加強監控與管理，嚴格地熱工程的審批制度，強調地熱資源開發過程中的監測網絡和回灌系統建設以及綜合開發利用，使地熱資源能夠合理有序地開發利用，減少盲目開采對地熱資源造成的浪費以及過量開采所導致的潛在地質災害影響的積累。（2）加強地熱資源勘查、開發和保護中的關鍵技術研究，如加強地熱尾水回灌技術和地熱尾水處理研究；強化熱能利用效率和傳熱管道保溫措施，降低地熱消耗和尾水溫度；改進地熱鉆井、綜合開發利用和地熱防腐等方面的技術，提高地熱資源的綜合利用效率和經濟環境效益。（3）針對不同的環境問題，以“預防為主，防治結合”為原則，逐個擊破，將問題最小化，并針對具體環境問題采取適宜的解決方案：①針對熱污染，采用梯級多次利用，如利用地熱尾水養殖、洗浴或溫室種植和尾水回灌，但是值得注意的是，回灌對地層條件有一定要求，同時由于地熱尾水溫度的改變使某些礦物質發生沉淀，會對熱儲層或回灌井造成破壞；②針對生態環境問題，鉆井完成后要及時恢復當地植被及加強尾水回灌，不能回灌的地區則采取必要的地熱尾水處理措施，如可在廣大農村地熱區利用水生植物系統（如三棱草、蘆葦和香蒲等）凈化地熱尾水，而凈化后達到農田灌溉標準的尾水用于農業灌溉；③針對大氣環境問題，地熱蒸汽中對環境影響較大的為H2S、CO2氣體，可采用物理或化學的方法將其去除，如用蒸汽轉化法、燃燒法、生產商業性硫等方法去除H2S，通過地熱井蒸汽分離生產商業性的CO2用于溫室蔬菜栽培［13］，此外為了減少施工過程中大氣中的揚塵應及時清理堆放在場地上的棄土、棄渣，不能及時清運的要適時采取灑水等措施進行滅塵；④針對噪聲環境問題，井場選址應盡量避開學校教學樓區和居民區，施工單位應優先選用低噪聲機械設備或自帶隔聲和消聲設備。

4結論

地熱資源是一種潔凈可再生能源，與傳統的化石能源相比具有清潔環保、可循環再生等特點，但在其開發利用過程中仍會對環境造成一定影響。如地熱尾水排放造成地下水及地表水污染，鉆機及其他設備在運行過程中產生噪聲污染，地埋管鋪設造成土壤擾動，地熱水循環過程中導致局部地溫升高等，這些問題隨著時間的積累進而會引發生態破壞和地質災害，如地面沉降、地裂縫等。對此，可采取地熱尾水回灌、先進的消聲設備以及合理規劃等措施，將地熱資源開發利用過程對環境產生的負面影響最小化，從而保證地熱資源的可持續利用，實現經濟效益和環境效益的雙贏。但是尾水回灌對地質條件有較高的要求，有些地區易于回灌，回灌率可達80％～90％，如河北雄縣；有些地區則難以回灌，在難以回灌地區對地熱尾水的處理將成為亟需解決的一大難題。深層地熱能的熱儲空間埋深多在800m以下，并且具有良好的密封性，含水層上部覆有隔水層或弱透水層，與CO2地質封存所需條件基本一致［19，20］，因此在尾水難以回灌的地區注入CO2，一方面可緩解我國CO2減排壓力，另一方面CO2的注入可減少因長期大量抽取地下熱水而導致地層壓力減小的環境風險，從而可有效地抑制地面沉降、地裂縫等地質災害的發生。不過CO2地質封存是一個十分復雜的過程，這一方法還需做進一步的探討和研究。

作者：尤偉靜劉延鋒郭明晶單位：中國地質大學環境學院中國地質大學經濟管理學院