李沿英
(山西雙良再生能源產(chǎn)業(yè)集團有限公司 山西太原 030032)
在社會經(jīng)濟的快速發(fā)展下,環(huán)境污染問題和能源問題愈發(fā)嚴重。而作為新興的清潔能源,地熱能具有就地取用的優(yōu)勢,環(huán)保性強,可對當前能源緊缺問題進行有效改善,促進節(jié)能減排工作的落實。但使用地熱能源的過程中,也會造成一系列的地質(zhì)環(huán)境問題,因此需要加強對地質(zhì)環(huán)境問題的防范、治理,規(guī)避地質(zhì)環(huán)境的危害事件。
地熱資源指的是地底巖石熱能及其伴生的可用物質(zhì),地熱流體的熱能以及有關的伴生物可用物質(zhì)。按照不同的標準對地熱資源進行分類時,溫度指標下,可以將地熱資源劃分成低溫地熱能、中溫地熱能、高溫地熱能,其中低溫地熱能的溫度不超過90℃,中溫地熱能的溫度處于90 ~150℃之間,高溫地熱能的溫度超過150℃;按照儲存狀態(tài)的不同,可以將地熱資源分為干熱巖地熱能型資源、水熱型地熱能資源、地壓型地熱能資源;以地區(qū)熱和地熱田形成要素作為依據(jù)對地熱資源進行分類,可以將地熱資源分為沉降地形資源、巖漿盆地地熱資源、隆起斷裂性資源。因此,地熱資源類型各有不同,提供的能量大小之間具有差異性,獲取熱能的方式差別大,在地熱能源的利用中,針對地熱資源進行開發(fā)和使用,需要采取不同的方法,如利用熱泵技術開發(fā)地熱能源、地下水地源熱泵系統(tǒng)技術和中低溫地熱水直接利用技術等。
利用熱泵技術開發(fā)和使用地熱資源,其原理是借助高低位能將熱量從低位熱源傳遞到高位熱源中,實現(xiàn)熱力循環(huán),再從高溫介質(zhì),將熱能傳遞到低溫介質(zhì)中。按熱源形式對熱泵進行區(qū)分,可以將其劃分為水源熱泵、空氣源熱泵和地源熱泵,其中地源熱泵在國內(nèi)的應用率逐年增長。地源熱泵使用地源熱能,在家庭日常的取暖和制冷中適用性廣。地源熱能來源于土壤或地下水儲熱性能、低位熱能,對地源熱能進行大規(guī)模的合理開發(fā)和運用,可有效減少二氧化碳的排放量,改善其他類型能源消耗過程中形成的二氧化碳排放問題。
地下水地源熱泵系統(tǒng)中,熱源端由回灌水井和抽水水井2 部分共同構成,在抽水泵的作用下,利用抽水井中的水資源,結合實際的生產(chǎn)需求,調(diào)整熱泵裝置溫度,對運輸裝置進行調(diào)整之后,將水源輸送到用戶端,達到預期的制冷或供暖目標。而在地下水后期的處理中,需將作用后的地下水回灌至水井當中,保證地下水資源的總量穩(wěn)定性,同時對地下水環(huán)境加強保護,達到理想的制冷和供熱效果。但由于地下水地源熱泵系統(tǒng)在運行中采用地下水回轉的方式采集淺層地下水能源,因此受地下水成分較高的復雜度影響,容易出現(xiàn)管道受損、管道被腐蝕的情況。這就要求在利用地下水地源熱泵系統(tǒng)技術進行地熱資源的開發(fā)和利用時,需采取有效防腐蝕措施,保證管道性能安全,提高地熱資源的利用和開發(fā)效益。
中低溫地熱水利用技術在地熱的直接利用過程中,不需要進行熱電能量的轉換,可實現(xiàn)對地熱資源的直接利用。目前,我國中低溫地熱水利用技術發(fā)展快速,多行業(yè)生產(chǎn)從中獲益,如地熱供暖、醫(yī)療保健、養(yǎng)殖業(yè)、農(nóng)業(yè)、溫室種植業(yè)、灌溉業(yè)、礦泉水生產(chǎn)、工業(yè)生產(chǎn)、洗浴和旅游度假產(chǎn)業(yè)等。采用中低溫地熱水利用技術進行地暖供熱時,是先將地下熱水處理之后送入到轉換器,然后對供暖系統(tǒng)中的水流進行加熱,再通過暖氣管道或地板將熱水流入千家萬戶,實現(xiàn)供暖目標。特別是在北方地區(qū)利用熱泵技術開發(fā)和使用中,低溫地熱水資源取得了理想的技術應用效果。此外,地熱水中還含有豐富的礦物質(zhì)元素,醫(yī)療保健價值高,溫泉洗浴、醫(yī)療保健和地熱養(yǎng)殖對地熱資源的開發(fā)和使用效率較高,創(chuàng)造了一定的社會經(jīng)濟產(chǎn)值[1]。
目前,我國在開發(fā)和利用地熱的過程中尚存不足之處。如,在地熱水的利用過程中存在著單一化的問題,沒有建立起多次利用梯級利用的良好局面,而且尾水的溫度較高,對生態(tài)平衡會產(chǎn)生影響,誘發(fā)熱污染問題。特別是利用地暖方式進行供暖,如果排放的尾水沒有進行地熱回灌等處理措施,就直接排放到生態(tài)環(huán)境中,將破壞生態(tài)平衡。這是因為地暖供暖尾水的溫度在40℃左右,排放后的尾水會導致局部水體溫度升高,還會引起水體缺氧,造成富營養(yǎng)化的現(xiàn)象,破壞水生生物的正常生長環(huán)境,影響水生生物的生長發(fā)育,造成生態(tài)失衡。另外,熱污染還會導致水溫不斷升高,加快水分子的熱運動速度,改變水體環(huán)境,使水面溫度過高,誘發(fā)發(fā)熱膨脹風險。除此之外,地暖供暖尾水還會使得垂直面上水汽的對流運動進一步加劇,加快液體蒸發(fā)的速度,導致陸地出現(xiàn)失水現(xiàn)象,誘發(fā)嚴重的缺水問題,增加熱污染隱患[2]。
地熱水中含有大量的硫化物和氯化物等物質(zhì),且地熱水的溫度較高,如果不經(jīng)處理就被抽出流入到河流中,會嚴重破壞河流的水環(huán)境,誘發(fā)水污染,威脅人們的生活用水安全。我國地域遼闊,南北方地區(qū)不僅存在著明顯的氣候差異,還存在著一定差異性的水環(huán)境污染問題。我國南方的氣候較為濕潤,降雨量大且河流多,因此在該區(qū)域內(nèi),如果水量較小的地熱水沒有經(jīng)過處理就直接排放到生態(tài)環(huán)境中,可能會被稀釋,區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境也不會受到破壞。但我國北方地區(qū),空氣干燥、降雨量少,地熱水如果沒有經(jīng)過處理就排放到生態(tài)環(huán)境中,會對河流、農(nóng)田、地下水環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害。此外,對地熱水進行過度開采,還會導致水位大幅度下降,使沿海地區(qū)出現(xiàn)海水倒灌問題,污染沿海地區(qū)水環(huán)境,給我國生態(tài)環(huán)境建設和社會發(fā)展造成不利影響[3]。
在地熱資源的開發(fā)和利用過程中,對土地的威脅也不容忽視。土地污染是地熱資源開發(fā)利用中最常見的危害問題,在對土地資源進行開發(fā)時,人們對地熱資源進行開采,會選擇地熱采集地點建設采集站,并在采集站的生產(chǎn)和運行活動中構建地熱水采集井,從而排放大量廢水,而廢水中含有大量的污染物會對土地造成污染,如廢水中含有大量的化學元素,流入到土地后導致土地養(yǎng)分流失。另外,在開發(fā)和使用地熱資源的過程中,構建地熱水采集井時,還會破壞土地內(nèi)部結構,增加土地結構不穩(wěn)定的風險。
在地熱資源的開發(fā)和利用過程中,還存在著土地鹽堿化、土壤板結等地質(zhì)環(huán)境問題。其中,土地鹽堿化指的是土地中鹽堿含量升高,鹽堿排放過量導致的生態(tài)環(huán)境被破壞問題;土壤板結是指土壤表層出現(xiàn)了氧分和有機物質(zhì)缺乏的現(xiàn)象,結構不良,受到降雨、農(nóng)田澆灌等外部因素的影響,結構被破壞,出現(xiàn)了土料分散,干燥之后,在土壤內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)聚力作用,增加土面硬度,無法再繼續(xù)進行農(nóng)作物種植。土地鹽堿化、土壤板結等地質(zhì)問題是由于地熱水排放時沒有達到合理的排放標準,導致排放的廢水中含有濃度過高的金屬鹽離子和重金屬離子,無法在土壤中降解而造成的[4]。因此,如果不能及時補充腐殖質(zhì),就難以及時降解土地當中的金屬鹽離子和重金屬離子等有害物質(zhì),隨著時間的推移,土地鹽堿化和土壤板結現(xiàn)象將會更加嚴重。
在地熱資源的開發(fā)和利用過程中,針對地熱資源開發(fā)利用存在的污染問題、地質(zhì)環(huán)境被破壞的現(xiàn)象,有必要加強勘察,了解熱源情況,提高管理水平。國家應制定有關的法律法規(guī),對地熱資源開發(fā)利用進行科學地規(guī)劃,提高地熱資源的可持續(xù)利用水平,避免地熱資源開發(fā)利用對周圍環(huán)境的影響。有關部門應運用動態(tài)監(jiān)測的方式,對地下熱水地面沉降問題進行監(jiān)測,建立起完善的監(jiān)測網(wǎng)絡,定期對地熱井水位流量、水質(zhì)、水溫等情況進行監(jiān)測分析,對比監(jiān)測數(shù)據(jù),加強對該區(qū)域內(nèi)地熱資源情況的全面了解。同時,在管理工作中,結合常見的地質(zhì)環(huán)境問題進行防治,加強對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,結合地熱資源的利用情況、排放情況,制定可行的管理方案,提高對地熱資源開發(fā)利用的合理規(guī)劃水平[5]。
防范地熱資源開發(fā)利用造成的地質(zhì)問題,可利用人工回灌技術對地熱尾水進行處理?;毓嗵幚淼姆椒ǎ商嵘責崴难a給水平,增加地熱水補給量,切實保障熱儲流體壓力,加強地熱井地熱水流量的穩(wěn)定管理。而且地熱水資源還可以在人工回灌技術的應用下,針對地熱尾水在周圍環(huán)境中形成的影響,進行有效地整改,同時可加強對熱污染問題的防控,降低熱污染風險,實現(xiàn)地熱資源可持續(xù)的開發(fā)和利用。另外,還可用梯級多次利用熱資源的形式,對地熱水資源進行開發(fā),提高利用率,加強對地熱尾水排放溫度的控制,用回灌方式處理地熱水尾水資源,按照排放標準要求,防范再次污染的風險,消除安全隱患[6]。
在對地熱資源進行開發(fā)時,防范地質(zhì)問題、環(huán)境問題,還需從統(tǒng)籌規(guī)劃的角度進行科學、合理地設計和開發(fā)活動。對地熱井進行科學地布設,結合當?shù)責醿宇愋秃途唧w的熱能分布情況,在平面上同層熱儲井位的布設中,保持分布的均勻性;對地熱井的實際生產(chǎn)量加強嚴格控制,按照規(guī)范的批準要求,對開采量進行調(diào)控,從宏觀控制的角度,對地熱水取水量的平面分配加強合理控制,對不同地段地熱水開采量長期存在差距過大的問題進行防治。在條件允許的情況下,應鼓勵地熱開發(fā)企業(yè)在國家的優(yōu)惠政策支持下進行地熱回灌,對地面沉降問題進行防治,減緩地熱開發(fā)造成的地質(zhì)問題和土地污染。鋪設密封專用管道,并利用原有的小型溝渠,在已有基礎之上進行開挖和進一步的修繕,利用通海小型溝渠的功能,專門用于廢棄熱水的排放,防范地熱風險,加強地熱回灌技術應用[7]。
結合各區(qū)域內(nèi)地熱資源的特征潛力以及社會需求,對地熱資源進行合理開發(fā)利用。建立示范區(qū),對地熱資源進行集中化使用,促使地熱開發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展;建立綜合利用的開發(fā)示范基地,將大公司集中連片開發(fā)的模式引入其中,建設地熱資源梯級開發(fā)示范基地,對地熱水資源進行循環(huán)利用;建立示范基地示范區(qū),結合本地實際情況,構建起適應性較強的地熱資源開發(fā)模式利用模式,向市場化運作的方向探究,集中地熱種植、養(yǎng)殖、休閑度假、溫泉保健、城市供暖、地熱發(fā)電、恒溫倉儲等產(chǎn)業(yè),提高地熱資源的開發(fā)利用率。建立起健全完善的監(jiān)測系統(tǒng),切實降低地熱資源開發(fā)利用中對地質(zhì)環(huán)境造成的影響,防范環(huán)境問題,掌握地熱流體的規(guī)律,評價地熱資源的開發(fā)和應用情況,加強環(huán)境監(jiān)測,從統(tǒng)籌布局的角度進行規(guī)劃。站在前瞻視角,對地熱資源勘察的方向、利用的方向進行探究,革新技術手段,預測技術成果,長期實施地下水水位檢測、水質(zhì)檢測、地面標高監(jiān)測,掌握水溫條件的變化情況,防范環(huán)境負效應問題。一旦出現(xiàn)了地面沉降、地下水污染的風險,工作人員立即采取有效措施,制定可行的防治方案進行處理。而相關部門也應加強對回灌情況、排放情況的監(jiān)測,對環(huán)境負效加強有效防范,制定回灌方案,嚴格按照技術規(guī)范標準和水質(zhì)凈化的標準要求,對地熱資源加強合理的開發(fā)使用[8]。
綜上所述,在對地熱能進行使用的過程中,不可避免地會在一定程度上破壞地質(zhì)環(huán)境,因此在地熱資源應用的過程中,技術人員應針對地熱資源開發(fā)和利用的方式,加強對問題的總結,預防地質(zhì)環(huán)境問題的進一步發(fā)展、蔓延,并在保證環(huán)境條件不被破壞的形勢下,對地熱資源進行利用,提高地熱資源的開發(fā)利用率,防治環(huán)境問題,提高地質(zhì)環(huán)境的保障水平。