地下熱水分布特征及其對水資源的影響

地下熱水分布特征及其對水資源的影響

有很多關(guān)于地下水資源的分類計劃，其中經(jīng)?？梢苑譃橐韵滤姆N類型：1。天然資源和采礦資源；（2）補充資源和儲存資源；（3）儲存、儲存和生產(chǎn)能力；（3）補充容量、儲存容量和允許采收量。它們都關(guān)注一個地下水系統(tǒng)能夠獲得的補給量(包括天然條件下的補給量和開采條件下的補給增量)和儲存量,強調(diào)地下水的開采最一般不應超過補給量。這些分類方案或各類資源在地下熱水中的情形如何,在開采條件下各類資源量如何演變,是人們關(guān)注的問題。本文分析不同類型地下熱水的資源組成和最近幾十年來一些地區(qū)地下熱水資源開采利用出現(xiàn)的各種變化,重點探討在開采條件下地下熱水資源的演變特點。1出露型地下熱水資源量地下熱水在中國的分布尚屬廣泛,從熱水天然產(chǎn)出的角度可以分為埋藏型和出露型。前者又稱為沉積盆地型(簡稱盆地型),主要包括斷陷盆地型和坳陷盆地型。沉積盆地型地下熱水是指地表無地熱顯示(或僅在盆地邊沿局部地區(qū)偶爾有低溫溫泉出露)而隱伏于沉積盆地深處的地下熱水,多呈層狀的熱儲層產(chǎn)出,如中國黃淮海平原中、新生代斷陷盆地中的深層地下熱水資源。出露型是指地下熱水以溫泉的形式出露于地表(又稱為溫泉型),可以分為斷裂-深循環(huán)型、非斷裂型和火山-巖漿型。斷裂-深循環(huán)型地下熱水資源的分布嚴格受一定規(guī)模的斷裂控制,地下水沿斷裂帶經(jīng)深循環(huán)被加熱后上升至地表形成溫泉出露,在中國分布廣泛,在許多省份都可以見到,尤其是在東南部廣東、福建兩省,如福建福州地熱田和廣東從化溫泉。也有部分中低溫溫泉的出露沒有受斷裂明顯的控制或與斷裂無關(guān),地下熱水的分布范圍僅限于溫泉附近,與常見的斷裂-深循環(huán)型相對應,可以稱為非斷裂型?；鹕?巖漿型地熱田與隱伏高溫巖漿或現(xiàn)代火山有關(guān),常有高溫溫泉或噴泉出露,如西藏羊八井地熱田和臺灣大屯火山群附近的溫泉。各類地下熱水及其資源特點如表1所列。2商業(yè)水景觀資源開發(fā)利用的重要性眾所周知,地下熱水既是水資源又是能源,開發(fā)利用地下熱水資源具有重要的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。近幾十年來,中國地下熱水被廣泛應用于采暖、洗浴、娛樂健身、旅游、醫(yī)療、礦泉水、溫室種植和水產(chǎn)養(yǎng)殖等,為當?shù)氐慕?jīng)濟建設和環(huán)境改善發(fā)揮了重要作用。近幾年來隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展,特別是房地產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)的迅速發(fā)展,地下熱水資源的開發(fā)利用日益受到重視,在熱田區(qū)或者溫泉區(qū)開采井數(shù)不斷增加,地下熱水開采量逐年增大。由于在市場經(jīng)濟大潮中過分注重經(jīng)濟效益,在熱田區(qū)竟相勘探和商業(yè)開采地下熱水資源,而且勢頭越來越猛,不合理開采(開采井布局不合理和過量開采)地下熱水資源和忽視環(huán)境問題的現(xiàn)象在開采中低溫地下熱水的地熱田中極為常見,在天津市、北京市、西安市、昆明市等盆地型地熱田和福建福州、漳州,廣東從化,山東湯頭等溫泉型地熱田極為嚴重。2.1熱儲層次期期400m盆地型地下熱水多呈層狀產(chǎn)出,熱儲層的分布范圍和厚度較大,地下熱水的儲存資源較大,但由于熱儲層埋藏深、遠離補給區(qū),地下熱水的天然補給資源極為有限,有時甚至可以忽略不計。開發(fā)利用這種類型的地下熱水資源的地熱田,毫無例外地都出現(xiàn)熱水水位逐年持續(xù)下降的現(xiàn)象。天津市區(qū)熱儲層有中新元古界、寒武系、奧陶系碳酸鹽巖及新近系砂巖。其中中新元古界熱儲層埋深1030～4000m,水溫72～95℃;寒武系熱儲層埋深1000～4000m,水溫68～96℃;奧陶系熱儲層埋深1000～2000m,水溫60～76℃;新近系熱儲層埋深300～600m,水溫40～65℃?。天津市自1936年開鑿了第一眼熱水井以來,到目前已有開采井240眼以上(其中基巖熱水井近60眼),年開采量超過1300×104m3,熱水水位持續(xù)下降,奧陶系熱儲層年平均降幅1.6～2m;霧迷山組熱儲層年平均降幅7～10m。熱水水位埋深由原來的自流狀態(tài)或埋深幾米下降到埋深幾十米不等(圖1),最大水位下降近70m,但水溫多年來沒有下降趨勢。北京市區(qū)已探明的地熱田主要有2個:一個在城區(qū),面積117km2,熱儲層為中新元古界薊縣系鐵嶺組和霧迷山組碳酸鹽巖,埋深650～2600m,水溫40～89℃;另一個是小湯山地熱田,面積20km2,熱儲層主要為薊縣系鐵嶺組、霧迷山組和寒武系碳酸鹽巖,埋深350～1240m,水溫30～64℃。北京市地下熱水的開采始于20世紀70年代初期,到目前已達200眼以上,地下熱水開采量1000×104m3/a,累計開采量已超過1.3×108m3,導致熱儲層水位大幅度持續(xù)下降,地下熱水系統(tǒng)水位每年平均下降2.5m以上,城區(qū)的開采井動水位埋深由原來的幾米下降到60～70m,并對地表出現(xiàn)地面沉降等環(huán)境負效應有重要影響。西安地區(qū)熱儲層為新近系砂巖和第四系下部砂層,埋深約311～2400m,水溫40～104℃。自20世紀80年代開采地下熱水,初期熱水鉆井能自流,90年代以來熱水開采利用迅速發(fā)展,現(xiàn)有熱水井130余眼,年開采量超過300×104m3,熱水水位呈持續(xù)下降趨勢,且下降迅速,年均下降約16～27m,最大水位下降約68～120m。昆明地熱田熱儲層主要有震旦系燈影組硅質(zhì)白云巖和寒武系滄浪鋪組石英砂巖、龍王廟組泥質(zhì)白云巖,埋深約470～2000m,水溫38～74℃。20世紀70年代開始開采地下熱水,初期部分熱水井可以自流,90年代以來熱水開采利用進展迅速,現(xiàn)有熱水井近100眼,年開采量超過700×10×104m3,年均水位下降約1.3～4.6m,最大水位下降約30m,水溫也有逐漸下降趨勢?？梢?開采埋藏型地下熱水,由于消耗的是熱水系統(tǒng)的儲存資源,其共同特點是熱水系統(tǒng)水位持續(xù)下降,但水溫沒有顯著下降。就資源的屬性而言,這類地下熱水已具有礦產(chǎn)資源的屬性,即不具備可再生性。雖然每年在非采暖期停采或減少開采量使水位有所恢復,但一般已恢復不到上一年的水平。水位的大幅度持續(xù)下降可造成地表采暖設施效率下降,并對地表出現(xiàn)地面沉降等環(huán)境負效應及誘發(fā)地震等有重要影響。只有人工回灌才能使地下熱水資源獲得部分恢復。2.2旅游景區(qū)的地理位置和環(huán)境特征溫泉型地下熱水一般只分布在溫泉附近的有限范圍內(nèi),可以獲得補給,但補給資源和儲存資源有限。其天然補給量通常等于溫泉流量。在已開發(fā)利用的大多數(shù)溫泉中,由于熱水實際開采量總是大于溫泉流量,幾乎都出現(xiàn)溫泉流量減小直至干涸的現(xiàn)象。福建福州地熱田地下熱水賦存在中生代花崗巖斷裂帶和上覆第四系卵礫石層中,水溫多為50～85℃。由于長期開采地下熱水,原有的天然溫泉群(流量大于20L/s)在20世紀60年代前期已干涸。隨著開采量的增加,熱水水位持續(xù)下降,形成馬鞍狀的南、北2個水位降落漏斗。1983—1990年為開采量高峰期(超過360×104m3/a),隨后熱水開采得到了有效控制,但在每年冬季開采量還超過9800m3/d。年均水位下降約1.0～1.5m,最大水位下降近40m。導致周邊冷水侵入,第四系熱儲層水溫以1.14～1.38℃/a的速率下降,并導致水位漏斗區(qū)出現(xiàn)地面沉降,在90年代沉降速率達到40mm/a以上。廣東從化溫泉在地質(zhì)構(gòu)造上位于粵中坳陷帶的北東向廣(州)-從(化)深大斷裂的東北段、東西向佛岡復式花崗巖體東南緣,泉區(qū)巖石為燕山期第三期中粒一細粒斑狀黑云母花崗巖和燕山期第四期細粒黑云母花崗巖,發(fā)育有北東向、東西向和北西向斷裂。溫泉出露在斷裂交會處,泉水流量約16.72L/s,水溫40～63℃,最高達72℃,為優(yōu)質(zhì)熱礦泉水,泉區(qū)已成為著名的醫(yī)療旅游度假勝地。20世紀80年代初期以前,泉水尚能自涌,此后由于開采井增多、開采量增大,泉水自涌景觀逐漸消失,原先自涌高于地面1～9m的鉆井水位在90年代中后期下降到地面以下20～30m,水溫下降2～10℃。最近幾年由于其他新的溫泉旅游度假地點的開發(fā)利用,分流了從化溫泉的客源,熱水開采量減少,使熱水系統(tǒng)的水位得到了顯著的恢復。北京小湯山溫泉位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)療養(yǎng)院內(nèi),溫泉主要由西泉和東泉組成。泉水直接從第四系蓋層中涌出,1959年時溫泉最高水溫50℃,涌水量4.4L/s,為HCO,-Na-Ca型水,含F(xiàn)、Rn、Ra等放射性元素,療養(yǎng)價值較高。隨著小湯山地熱田的勘查與開發(fā)利用,泉水在80年代中期已斷流,現(xiàn)在小湯山療養(yǎng)院及附近單位所需的熱水全部靠打井抽吸。由于開采量過大,熱水水位持續(xù)下降,年均降速約為2m,泉眼附近熱水水位埋深約40m。最近測得泉池附近熱水井的出水溫度為52℃。山東省湯頭溫泉位于臨沂市東北25km湯頭鎮(zhèn)湯河東岸,地處沂沭斷裂的沂河地塹蘇村凹陷中部,流量4.49L/s,水溫66～70℃。20世紀70年代以前流量和水溫穩(wěn)定,主要利用其天然流量,后來隨著人工開采量增加,泉流量逐漸減小直至枯竭,并且導致河水和第四系孔隙水下滲,水溫明顯下降,先后鑿井20余眼,目前僅2眼井水溫保持在50°C左右,但熱水醫(yī)療效果較之以往明顯降低。河北省遵化縣的湯泉溫泉原流量約3L/s,水溫56℃,由于附近有鉆井斷續(xù)開采地下熱水,溫泉流量減少,泉眼還有熱水涌出但已流不出泉池,溫泉接近干涸。河北省赤城溫泉由湯泉、胃泉、平泉和眼泉組成,水溫32.5～68℃,流量約8.6～24.08L/s,因其中的湯泉流量較大而且出露位置高,依靠天然流量就可以滿足用水需求,且泉水順坡而下極易利用而不必人工抽吸,因而赤城溫泉能維持其天然狀態(tài)至今。從以上例子可以看出,在已開發(fā)利用地下熱水的溫泉區(qū),大多數(shù)呈現(xiàn)過量開采,即總開采量遠大于熱水系統(tǒng)的天然補給,導致溫泉干涸和地下熱水系統(tǒng)水位大幅度持續(xù)下降,有些達數(shù)十米之多,有些水位降落漏斗擴展到冷水區(qū),致使熱田區(qū)水溫下降。只有那些流量較大或位置有利、無須打井抽水的溫泉還基本上保持其天然狀態(tài)。3泉眼水系和熱水有部分溫泉在特定條件下,例如溫泉出露處與其補給區(qū)高差較大,地下存在導水性較好的破碎帶,在溫泉附近打成的鉆井能自流時,其自流量(加上溫泉的流量)常大于溫泉的原流量,使地下水資源量有所增加。如北京延慶縣的松山(佛峪口)溫泉,位于北京市延慶縣松山森林公園內(nèi)。據(jù)北魏酈道元《水經(jīng)注》記載,“上有廟則次仲廟也,右出溫湯,治療百病”。泉口處海拔約749m,泉眼位于半山腰,附近為花崗巖山區(qū),最高海拔達2000m左右。溫泉現(xiàn)流量約0.11L/s,水溫38℃,pH值為9.33,電導率為798μs/cm,氧化還原電位為209mV,溶解氧濃度為1.60mg/L。熱水主要供應賓館和浴池洗浴之用,對治療風濕病、皮膚病有療效。泉水出露于燕山期花崗巖中,巖體裂隙較發(fā)育。有地震部門常年在此觀測泉水中Rn、Hg等元素的含量。為滿足當?shù)責崴褂眯枨?1995年在泉眼東南側(cè)打有1眼鉆井,熱水可以自流,自流量約6.98L/s,水溫45℃,至今依然自流。松山溫泉1956年測得流量0.304L/s,最近幾年為0.11L/s,基本趨于穩(wěn)定,水溫也沒有變化,10年前在泉附近打成的自流熱水井的流量由當時的6.98L/s降到最近的2L/s左右,水溫一直保持45℃。自流井雖然一直自流,但對于溫泉流量影響不大。在該溫泉附近打成自流井,揭露地下破碎帶,可以加速地下熱水的循環(huán),使熱水資源量總體上有所增加。4泉眼分布情況天然條件下溫泉的自封閉作用也會使地下熱水資源減少。例如塘子廟溫泉位于河北省赤城縣東萬口鄉(xiāng),地處小湯山下黑河東岸。泉區(qū)巖石為太古宙混合巖,發(fā)育有裂隙,未見有明顯的斷裂。該溫泉泉眼分散,據(jù)說有72處之多,有記錄的水溫最高的泉眼為68℃,1974年調(diào)查有泉眼30處?,單個泉眼流量0.01-0.155L/s,現(xiàn)有出水泉眼不足20處,水溫29.5～60.3℃。由于泉眼分散,無法測得總流量。塘子廟溫泉各泉眼的出露位置都比較高,高于黑河河谷及療養(yǎng)院,無需打井抽水。因為地理位置偏僻,療養(yǎng)和旅游業(yè)都欠發(fā)達,只有部分泉眼用于洗浴和療養(yǎng),對皮膚病、風濕病、關(guān)節(jié)炎有療效。該溫泉受人為影響很小,基本上處于天然狀態(tài)。但泉眼個數(shù)和總流量都有明顯減小,其原因除了區(qū)域性降雨量的減少外,還由于溫泉泉眼出露于混合花崗巖或者變質(zhì)巖地層中,裂隙是地下熱水的運移通道,在排泄區(qū)壓力和溫度降低導致沉積物析出形成鈣華或硅華等,阻塞裂隙通道,可以降低水循環(huán)速度,使泉流量減小。又如美國黃石公園中的Mammoth溫泉,出露于前寒武系的片麻巖和片巖山坡上,泉眼眾多,水溫70～72℃,以順坡而下沉積大量的泉華(以鈣華和硅華為主)聞名于世,個別泉華錐高出地面10余米。由于泉華的沉積,有些泉眼(甚至位置較低的泉眼)已不再涌出熱水。5盆地型或出露型或民宿型(1)地下熱水資源是特殊的地下水資源,也具有礦產(chǎn)資源的屬性,即不具備可再生性(如埋藏型地下熱水),或者可再生性較差(如溫泉型熱水)。這是許多地熱田或溫泉區(qū)出現(xiàn)熱水水位持續(xù)下降的主要原因。開發(fā)利用地下熱水必須重視其資源特點。在地下熱水分布區(qū),只注重經(jīng)濟效益、過度開發(fā)利用地下熱水資源是不可取的。(2)地下熱水的分布可以分為埋藏型(或盆地型)和出露型(或溫泉型)。前者包括斷陷盆地型和坳陷盆地型,分布于沉積盆地深處,熱儲層規(guī)模大;后者包括斷裂-深循環(huán)型、非斷裂型和火山-巖漿型,多見于山區(qū),地下熱水以溫泉的方式出露地表,熱水的分布范圍有限。(3)盆地型地下熱水幾乎沒有補給資源,有較大的儲存資源,開采地下熱水會導致水位大幅度持續(xù)下降,水溫則變化不大。對于這種類型的地下熱水的開發(fā)利用,開采井宜分散布置,嚴格限制開采量,且應加強人工回灌補給。(4