摘要: 东港市严峻的能源供应形势和严重的环境污染现实,促使地热资源的勘查和开发力度加大。通过分析东港市地下水资源和地热资源开发利用现状,依托资源优势,对地热资源的开发利用前景进行了科学的分析。为促进东港市地热资源合理开发利用,基于我国地热开发利用过程中已出现的环境污染、地热资源浪费、地热资源管理缺位等主要问题,从技术、管理和经济层面提出如下对策:技术上,加强基础地质研究、实施地热动态监测、积极推行地热回灌,推行地热梯级利用;管理上,建立行政管理机构,制定法律法规条例;经济上,建立政府专项资金,制定经济激励政策。

关键词:东港市;地热;开发利用;前景;对策

中图分类号:文献标识码:A文章编号:1672-1683(2010)03-0153-04

Study on the Prospect and Strategy of Geothermy Utilization in Donggang City

SUN Hong-min1,GUO Li-jun2,MA Jun-xia2,YU Jin-yong1,GENG Hua1

(1.Donggang Design and Research Institute for Hydraulic Project Survey,Dandong 118001,China;

2.Center for Water Science Research,Zhengzhou University,Zhengzhou,450001,China)

Abstract: The severe situation of energy supply and serious reality of environmental pollution in Donggang city strengthened the exploitation and development of geothermal resource.Based on the exploitation and utilization of groundwater and geothermal resources in Donggang,the prospect of geothermal resource utilization is analyzed in this paper.Environment pollution,geothermy resources waste and the vacancy of geothermy resources management are the main problems existed in the development process of geothermy resources.Some measures from the aspects of technology,management and economy are proposed to promote the reasonable development of geothermy resources in Donggang as:firstly,to strengthen basic geological research,implement dynamic monitoring,and take active measures about recharge and graded use of geothermy; secondly,to formulate administrative management authority and develop laws and regulations from the aspect of management;and then,from the view of economy,to establish special funds and set up economic incentive policies.

Key words: the city of Donggang;geothermy;utilization;prospect;strategy

0 引言

能源紧缺与环境污染问题,是当前困扰许多国家经济和社会可持续发展的两大难题,倍受国际社会的关注。地热能作为一种清洁的可再生资源,已先后在全球近60个国家得到直接利用[1],并取得显著的经济社会效益。进入21世纪,地热被誉为最有开发价值的首选绿色环保新能源之一[2]。在我国,随着经济快速增长,能源形势日趋严峻。在节能减排呼声日益高涨的今天,地热作为一种重要的新型能源,它的开发利用成为实现可持续发展的一个重要途径[3]。

地热能的利用分为两种方式:一类是地热发电;另一类是热能直接利用,包括地热水的直接利用(如地热取暖、洗浴、养殖等)和地源热泵供暖、制冷。从1904年首次地热发电成功到2005年,全世界已有24个国家利用地热发电,有72个国家直接利用地热。据统计,1975年-1995年的20年间,全球范围内地热发电每年大约以9%速率增长,地热直接利用的增长率约为6%。此后,地热发电的发展速度增长不大,但地热直接利用1995年-2000年每年累进增长9.6%,2000年-2005 年每年累进增长12.9%[4]。

我国开发利用地热已有2000多年的历史,历史上对地热的开发利用大多限于对温泉的直接利用上,且主要用于医疗和洗浴方面。较大规模的勘查、开发、利用地热资源则是近30年的事。据统计,到2005年,我国直接利用地热资源的热能为12 604.6 GWh,地热开发利用量以每年10%的速度增长[5-6]。目前,地热主要应用于高温地热发电和中低温地热直接利用。20世纪90年代我国开始推广和研究地源热泵系统浅层地热能的开发利用技术,2000年以来浅层地下热能开发利用的热泵技术在全国得到普遍推广[7]。

东港市地热资源丰富,并且深部有赋存更高温度热储。但由于地质、水文地质工作程度较低,现在基本上未开发利用。若采用热泵技术将土壤和地下水中蕴藏的地温热能进行采集利用,既可发挥地热供暖(冷)清洁环保、节能低耗的优势,符合当下的“低碳”理念,又可缓解供暖(冷)高峰时期的能源紧张,具有相当可观的社会效益和经济效益。本文针对东港市地下水和地热开发利用现状,科学分析地热开发利用前景,并以东港市才茂智能开发幼儿园开发利用地热为例,分析论证地热的开发利用问题。

1 东港市概况

1.1 东港市发展概况

东港市位于辽宁省东南部,北纬39°45′~40°15′,东经123°22′~124°22′,南濒临黄海,东南隔鸭绿江与朝鲜相望。东港市拥有港址资源、海洋水产资源、沿海旅游资源、矿产资源、海盐资源,形成了养殖、捕捞、加工、经销一体化新格局。发展海洋渔业生产、旅游是东港地区人民致富的重要途径,同时也将带动全市经济的发展。

东港市具有沿江、沿海、沿边的区位优势。该区位于东北亚经济圈的中心和环渤海经济带的东端,是中国东北地区的主要门户,是与日本、朝鲜、韩国及欧亚国家通商的重镇之一。随着世界一体化、朝鲜半岛和平统一进程的加快以及大东港区的扩建,使东港市的区位优势更加突出,为东港市扩大开放带来发展契机。东港市给水工程是保证东港市人民正常生活、企事业正常生产与经济发展的重点工程。

1.2 东港市地下水开发利用概况

东港市市区地貌为滨海冲积平原,地形较平坦。市区内上覆较厚的第四系地层,下伏前震旦系花岗岩和辽河群变粒岩。第四系地层垂向分布特征为:黏性土或淤泥质土、粉细砂、卵(砾)石。由于粉细砂和卵(砾)石的厚度相对较大,地下水资源较丰富,地下水咸度较大,多为Cl-Na型。

对东港地区2 444.6 km²范围进行水资源量统计,整个统计区内水资源总量为6.983亿m3,其中地下水资源总量为2.897 5亿m3。东港市地下水的开发利用主要在农牧林业、工业及农村居民生活方面,地下水总用量为0.129 5亿m3(资料来源于《2008年丹东市水资源公报》,丹东市水利局)。

由上述数据分析,东港地区地下水利用率仅为5%,而且其中大部分开采的为淡水,如果只考虑沿海周边的咸水区,则地下水利用率更低。因此东港地区的地下水资源开发潜力很大,咸水区的开发利用潜力更大。

2 东港市地热开发利用前景分析

浅层地热能是指地下200 m以内土壤和地下水中所蕴藏的地温热能[8],和其他能源相比,浅层地热能具有分布广泛、可循环再生、储量巨大、可就近利用等优点。热泵技术的不断完善与广泛应用,为浅层地热能的开发利用提供了条件,用于浅层地热能开发利用的热泵系统,统称为“地源热泵系统”[9-10]。地热系统不但可以满足供暖(冷)的需求,为居民生活提供舒适、便利,同时还可以实现供暖(冷)区域的零污染排放,改善大气质量。地热开发利用对于节省国家资源和方便百姓生活有着极为重大的作用。目前,地热开发利用已成为一种产业,是政府、企事业单位和企业家在考虑经济上是否可持续发展的战略选择。

根据东港市地下水资源的分布情况和地热资源的特点,结合开发利用模式以及市场需求,对地热开发利用前景进行如下分析。

2.1 地热开发资源优势明显

①东港市地下热水资源较丰富,地热资源属于水热型的低温地热资源。其成因主要为大气降水补给,经深部循环加热而成,具有明显的再生资源的特征,可持续开发性强。

②地热水水质好,大多数地热井有2～5项指标达到医疗热矿水命名浓度要求,适宜作为理疗用水;同时地热水温度高,可以进行间接供暖,交换后的地热水又可作为温泉疗养、休闲和宾馆客房的热供水水源。

据辽宁省第七地质大队对东港市椅圈、北井子、汤池子一带的勘查表明,北井子地热田可开采地热资源量为2.79×1010Kcal/a,有效利用地热资源量为1.25×1010Kcal/a,地下热水资源开采量是2 036 t/d。地热田热水温度在45 ℃~50 ℃之间,属低温地热资源级别。地热水中氟(F-)、偏硅酸(H2SiO3)含量达到医疗热矿水的命名浓度;椅圈地热田可开采地热资源总量为6.15×1010 Kcal/a,有效利用资源总量为2.77×1010Kcal/a,地下热水可开采量3 051 t/d。地热田热储温度为66 ℃～70 ℃,为低温地热资源。地下热水中氟(F-)、锶(Sr)、偏硅酸(H2SiO3)、氡(Rn),达到医疗热矿水命名浓度要求[11]。从资源优势分析可以看出,东港市地热资源较为丰富,开发保证程度好。

2.2 地热利用前景广阔

东港市地热资源的开发利用正处于起步阶段,开发利用力度不够,综合利用程度较低。从资源特征和目前开发利用情况来看,今后地热资源可用于以下几方面。

①地热供暖。地热采暖的运行成本仅相当于燃煤锅炉的1/4,不仅可节省煤炭的运输、占地,还可减少大量有害物质的排放。

②地热温室。地热温室种植的反季节蔬菜和名贵花卉,除内销外,还可大量出口,对改善城乡人民生活、丰富菜篮子、活跃农村经济、扩大就业极为有利。

③水产养殖。地热水产养殖可提高喜暖性的名贵、高产鱼类在北方的生长期繁殖量,不但能保证特种水产品的安全越冬、全年生长,而且成本低、效益高。

④地热洗浴、浴疗。地热水本身有较高的温度,含有多种特殊的化学成分及有益于人体的微量元素,具有很高的医疗保健价值。

⑤温泉旅游。把地热资源开发与旅游业紧密结合起来,以地热、地貌景观和特殊的地热现象为依托,利用当地秀丽的自然山水,开展观赏型的地热旅游。

⑥房地产开发。地热入户房价升温。地热采暖和地热生活用水入户为房地产业的发展注入极大的活力,已成为一些房地产开发商寻求的新卖点。

⑦工业利用。用地热水烤胶、造纸、制革可在生产中节省软化水的处理费,在大大降低产品成本的同时节约了宝贵的水资源。

东港市位于东北地区,区位寒冷,人们对热的需求量大,采暖期长达6个月。随着城市规模的逐步扩大,工业化程度的提高和人口的增长,东港市城市供暖每年消耗煤13万t左右,直接费用3 200万元,市内每年烟尘排放量达1 300 t,二氧化硫排放量2 000余t,严重污染了城市环境。随着人们物质文化生活水平的不断提高,对生活质量的要求也越来越高,开发利用地热供暖成为人们关注的热点。

依托区位优势,东港市是连接俄罗斯、朝鲜、韩国、日本、中国5国的主要交通枢纽。民航机场、大东港码头、沈丹高速公路等便利的交通,为国际国内游客到达东港提供了便捷条件。东港市椅圈、北井子一带的地热资源利用价值很高,经专家认定,该泉所含有多种微量元素,具有较高的医疗应用价值,对皮肤病、骨关节、心血管系统、消化系统等疾病具有显著的疗效。充分利用这两处世界稀有的氯化钠型水质温泉,开发建设成集休闲、疗养、健身、娱乐于一体的旅游度假区,并与国家3A级景区獐岛、大鹿岛、大孤山国家级森林公园及鸭绿江口湿地国家级自然保护区融为一体,构成东港市滨海公路旅游景观带,将极大地推动东港市旅游业和相关产业的快速发展。

此外,在水产养殖方面,东港市拥有20多万 hm²近海渔场和24万hm²海滩;在蔬菜、水果种植方面,蔬菜种植面积达1.5万hm²,水果生产面积1.9万hm²,蔬菜、水果100余种。东港市丰富的水产资源和土地资源,伴随着工业以及房地产业的蓬勃发展,地热市场将更加活跃,商业需求量将大增,地热开发利用前景广阔,可以预计东港市地热资源开发利用即将进入一个高潮。

3 地热开发利用中存在的主要问题

随着地热资源利用领域的拓宽和社会需求的增加,以及地源热泵技术的推广应用,地热资源所产生的经济社会效益是相当可观的,应当给予充分肯定。但是,在地热资源开发利用过程中,也存在诸多问题,需要加以重视。

3.1 地热开发技术水平不高,相关技术研发滞后

地热的开发利用对于技术和装备的要求较高。目前,适合我国特点并满足不同要求的地源热泵系列产品尚未形成,地源热泵系统设计不匹配和偏保守的问题非常突出,急需在地下水回灌、地源热泵设计方面推广应用新技术。另外,一些配套的技术措施和检测设备还跟不上,从而导致工程运行效率低,广泛应用受到限制。

3.2 地热资源开发利用水平低,存在浪费资源问题

目前,人们对地热资源的综合利用价值和产业化开发利用的意义认识尚且不足,将地热混同于一般的矿产资源或水资源。地热资源开发利用规模化、产业化水平不高,企业生产布局、产品结构和利用方式不合理,重开发轻管理现象普遍存在,部分地热企业生产工艺流程落后,技术力量薄弱,经营粗放,不按规定开采地热资源,不采取综合利用措施,资源利用率低,不仅造成地热资源浪费严重,还造成地热资源得不到合理开发和有效保护。

3.3 地热资源勘察开发缺乏统一规划

目前,我国尚未在地热资源开发利用方面制定过一份系统的、长远的总体规划,部分已有规划最终也未能落实,造成了勘察无序和开发利用盲目与滞后,地热资源综合利用程度和综合经济效益低下。另外,由于缺乏统一的勘察评价体系,对地热资源的开发仅限于对已发现资源的开发,没有形成系统的勘察评价机构。

3.4 地热资源开发利用的技术标准滞后、地热管理缺位

由于我国地热大规模开发起步较晚,相关技术和基础研究相对滞后,至今尚未制定和出台相关技术规范,致使工程审批过程中没有充分的依据可循,过多地凭借主观经验,导致监管力度不足。此外,我国尚未建立起完善的法律体系,行政部门职能交叉重复,造成政出多门。虽然《可再生能源法》中涉及相关地热开发,但篇幅很少,概括简略,严重影响了地热资源勘察与开发利用的正常发展。

3.5 地热开发不当造成破坏与环境污染

地热资源的开发利用过程中可能产生水污染、热污染、空气污染、土壤污染、地面沉降等多方面的环境问题。地热开发利用过程中,必然向大气和水体排放大量的热量,造成周围的空气或水体温度上升,影响了周围环境和生物的存活生长,破坏了水体的生态平衡;地热开发利用过程中,热流体中所含的各种有害气体和悬浮物将排入大气中,造成空气污染;含盐量较高的地热水排入农田将侵蚀土地、破坏植被,会造成严重的土壤板结和盐碱化,同时在地热水中可能会不同程度的含有某些放射性元素,对人体健康有不同程度的危害;长期地热流体开采而不回灌,将导致地面的沉降和水平位移。此外,地热开发不当,还将诱发地震,导致地温变化,破坏土壤生态平衡。

4 地热开发利用对策

鉴于我国在地热开发利用过程中存在的各种问题,结合东港市开发利用地热资源的实际,为促进东港市地热资源的合理开发利用,建议采取如下对策。

4.1 技术措施

4.1.1 加强基础地质研究

地热水不同于固体矿产,它在特定平衡稳定的地质环境下流动,这种平衡一旦破坏,其径流方向将随之改变而枯竭。因此,必须深入开展基础地质研究,了解深部地质情况,摸清地热资源的分布及形成规律,实现地热资源开发利用的统一规划和合理布局。地热开发利用,必须实行先探后采,并要在专家指导下定点、定深、定量开采。

4.1.2 实施地热动态监测

地下水温度场的急剧变化,不仅直接影响采能系统的工效和使用寿命,还可能造成地下水化学组分浓度发生变化,对含水层水质及周围生态环境造成一定的不利影响。在地热田开发利用过程中,加强对地热井的管理,建立起一套系统完整的动态监测系统,来获取水位、水温、流量、水质等基础数据,了解地热资源的动态变化。

4.1.3 积极推行地热回灌

水热型地热资源是以水为热能的载体,在地热利用的同时,造成水的大量消耗,水的大量消耗会导致深层的热能无法利用。此外,地下水位的大幅下降,还造成地面沉降等地质问题。地热废水回灌是各个国家普遍认为经济有效的处理方法。地热回灌工作应统筹考虑,超前规划,分类、分阶段推行实施。

4.1.4 推行地热梯级利用

地热梯级利用是指根据地热流体不同温度进行的地热逐级利用,以提高地热资源利用率,降低地热水的排放温度,避免热污染和环境污染。对温度较高的地热水,可以先行供暖,并严格控制排放水温度,尾水可用于地板采暖、理疗、浴疗,排放后又可按健身项目进行开发,再次排放后还可用于种植或养殖等,或是通过回灌井回灌到地下,从而有效节约和保护地热资源。

4.2 管理措施

4.2.1 建立行政管理机构

建立完善有行政管理职能的、技术完善的行政管理机构,对地热资源进行系统、科学、统一的全方位管理,包括地热井布设的技术指标的制定和行政管理措施的完善,以保证科学、合理地利用地热资源。

4.2.2 制定法律法规条例

根据地热资源的特性和实际状况,制定一套完善的法规,包括必要的技术规范和行政管理条例,做到依法管理,科学开发。尤其是,对新的地热开发项目要求提交环境影响评价报告,评估地热开发利用引起的自然景观变化、地形改变,建立监测系统以观测地热开发利用过程中所有可能的环境效应。

4.3 经济措施

4.3.1 建立政府专项资金

加大政府资金投入,建立政府专项资金,资助地热供暖工程中热水回灌井的施工、统一规划开发的大型地热供暖工程以及地热供暖相关技术的研发;资助地热资源信息数据库和管理系统的开发,对地热资源的勘察、储备与开发等方面的基础性数据实施动态监测;资助大型热泵的核心技术研究等。

4.3.2 制定经济激励政策

采取财政和金融刺激政策措施也是促进地热市场健康良性发展的关键性措施之一,对专门从事地热资源开发利用企业实施税收减免,对合理使用地热水资源和浅层地热能的用户实施价格补贴,建立与地热资源开发利用有关的投资补贴、低息贷款和信贷担保、风险投资基金制度等,推动地热能开发走向产业化、商业化。

5 结语

本文在分析东港市地下水资源和地热资源开发利用现状的基础上,基于东港市区位优势、资源优势,结合未来经济发展方向,分析了地热资源在东港市城市供暖、温泉旅游等方面的开发利用前景,在东港市内建设包括地源热泵技术在内的节能工程刻不容缓。根据我国在地热开发利用过程中出现的主要问题,结合东港市地热开发利用实际,从技术、管理和经济层面提出相关措施,以促进地热资源的合理开发利用。

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