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地?zé)豳Y源開發(fā)利用

天津地?zé)豳Y源現(xiàn)狀與可持續(xù)性開發(fā)利用問題

  1  地?zé)豳Y源概況
 
  在華北斷陷盆地, 地下蘊藏著豐富的地?zé)豳Y源。通過普查, 在寧河—寶坻斷裂以南, 天津地區(qū)地?zé)豳Y源分布面積達8 700 km2 , 據(jù)估算全區(qū)可采資源量85. 41 ×108 m3 , 按蓋層平均地溫梯度大于3. 5 ℃/100 m 劃分, 共圈定了10 個地?zé)?/a>異常區(qū), 中低溫地?zé)豳Y源十分可觀。
 
  天津地?zé)?/a>資源按其賦存特征劃分為孔隙型熱儲和基巖巖溶裂隙型熱儲, 二者頂板埋深多在1 000 ～ 2 000 m 和1 000 ～ 1 500 m 以下 。天津目前地?zé)?/a>探采深度已達4 041 m , 井口流體溫度最高達102 ℃。截至2005 年底, 已進行勘查評價并經(jīng)國家儲量認定的有七大地?zé)崽?/a>:王蘭莊、山嶺子、濱海地區(qū)、武清楊村、蘆臺潘莊、蘆臺含鈷和萬家碼頭地?zé)崽?/a>。按《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘查規(guī)范》規(guī)定, 25 ℃地下熱水為地?zé)豳Y源的低溫下限[ 3] , 則上述七個地?zé)崽?/a>地?zé)崃黧w總可采量為7 245 ×104 m3 /a , 其中新近系孔隙型熱儲地?zé)崴?/a>可采量5 231 ×104 m3 /a , 基巖巖溶裂隙型熱儲2 014 ×104 m3 /a 。
 
  2  開發(fā)利用現(xiàn)狀
 
  上個世紀七十年代, 天津開始了大規(guī)模開
 
  發(fā)利用地?zé)?/a>資源, 至今已形成了研究程度最深、開發(fā)利用規(guī)模最大的“地?zé)岢恰?。目前, 天津地?zé)衢_發(fā)利用主要集中在市區(qū)、塘沽、大港和武清城區(qū)。
 
  2. 1  地?zé)峋?/a>概況
  顯然:①天津市地?zé)衢_發(fā)目的層集中在明化鎮(zhèn)組、館陶組及霧迷山組三個熱儲層;②回灌井主要分布于奧陶系和霧迷山組, 且回灌井比例小;③回灌量偏小, 存在開采量與回灌量比例嚴重失調(diào)的現(xiàn)象。
 
  2. 2  地?zé)豳Y源利用現(xiàn)狀
 
  天津市地?zé)崴?/a>主要用于供暖、洗浴、生活用水、種植、養(yǎng)殖、礦泉水開發(fā)以及康樂旅游等領(lǐng)域。
 
  (1)供暖目前, 天津市有116 個單位利用地?zé)崴?/a>進行居民采暖, 供暖總面積1 000 萬m2 , 是我國利用地?zé)岵膳?/a>規(guī)模最大的城市。圖2 為各熱儲層供暖面積分布圖。
 
  (2)生活用水據(jù)2005 年統(tǒng)計, 全市有81. 92萬戶居民使用地?zé)崴? 月平均85 萬人次利用地?zé)崴丛?。由于明化?zhèn)組熱儲層地?zé)崴疁囟?/a>在42 ～ 72 ℃之間, 平均溫度52. 13 ℃, 加之水質(zhì)良好, 被居民洗浴利用較廣泛。
 
  ②3 個較大型利用地?zé)崴M行農(nóng)業(yè)種植的基地, 種植面積508. 9 畝。
 
  ③7 家單位利用地?zé)崴M行水產(chǎn)養(yǎng)殖, 養(yǎng)殖面積243. 16 畝。
 
  ④6 家單位利用地?zé)崴a(chǎn)礦泉水。
 
  ⑤16 家單位將地?zé)崴糜谙礈?、印染?a href="http://www.cityofbrews.com/t/空調(diào).html" >空調(diào)等工業(yè)生產(chǎn)上。
 
  3  地?zé)豳Y源開發(fā)利用存在的問題
 
  3. 2  回灌率低回灌是將地?zé)崴械臒崂煤? 把原地?zé)崴刈⒌綗醿印?a href="http://www.cityofbrews.com/t/地?zé)峄毓?html" >地?zé)峄毓?/a>的主要優(yōu)點是將地?zé)豳Y源儲量由靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài), 真正成為再生能源, 同時有效地延長地?zé)崽?/a>生產(chǎn)壽命, 避免尾水排放造成熱污染及土壤污染[ 5] 。
  天津市2001 ～ 2004 年的地?zé)峄毓?/a>率分別為6. 58 %、7. 94 %、5. 33 %和6 %。回灌率嚴重偏低, 采灌失衡, 導(dǎo)致熱儲層流體壓力大幅度下降, 形成區(qū)域性的降落漏斗。據(jù)監(jiān)測[ 4] , 2002 年天津市新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組、奧陶系、薊縣系霧迷山組的地?zé)崴唤捣謩e為:2 ～ 2. 8m 、1. 6 ～ 10 m 、1. 6 ～ 3 m 、2. 6 ～ 13 m ;2003年降幅分別為:2 ～ 3 m 、2 ～ 10 m 、2 ～ 4 m 、3～ 13 m , 可見, 若不增加回灌井, 加大地?zé)嵛菜?/a>的回灌量, 各熱儲層將面臨水位下降速率更快。
 
  4. 1  分區(qū)管理
 
  針對每個熱儲層, 利用實際水位埋深等值線, 根據(jù)下列式子可計算分區(qū)界限指標(biāo):
 
  ΔH =H - H0
 
  L0 =ΔH /N
 
  L1 =1. 5L0
 
  式中:△H 為保護期末地?zé)崴试S降幅,
 
  m ;H 為保護期末地?zé)崴O(shè)計埋深, m ;H0 為保護期初地?zé)崴裆? m ;L0 為保護期內(nèi)地?zé)崴暝试S降幅, m /a ;N 為保護期, 30 年。
 
  考慮當(dāng)前地?zé)崴_采的技術(shù)及經(jīng)濟條件,并避免因地?zé)崴豢焖傧陆刀a(chǎn)生環(huán)境水文地質(zhì)問題, 同時也防止保護期結(jié)束后地?zé)峋?/a>的報廢, 保護期末新近系水位設(shè)計埋深為150 m 、基巖水位設(shè)計埋深為200 m 。求得L0 及L1 后, 根據(jù)實際水位下降速率等值線, 劃定開采區(qū)類型:
 
  Lf ≥ L1 為限制開采區(qū);L0 ≤ Lf ≤ L1 為控制開采區(qū);Lf <L0 為鼓勵開采區(qū);探采結(jié)合區(qū)為資源待勘區(qū)。其中的Lf 為實際水位下降速率,m /a 。
 
  按照該方法, 根據(jù)上一年度動態(tài)資料, 將每一熱儲層劃分成四個開采類型區(qū), 作為本年度地?zé)崴Ｗo依據(jù)。不同類型區(qū)應(yīng)采取不同的保護方案。
 
  4. 2  開采總量控制
 
  總量控制原則是指:同一熱儲層中, 待批的地?zé)峋_采量與現(xiàn)有地?zé)峋_采量之和不應(yīng)超過該熱儲層審批的年可采資源量。若年擬開采總量大于年可采資源量, 原則上不予批準(zhǔn)。戰(zhàn)略性項目、市重點項目需要經(jīng)開采布局調(diào)整, 待具有儲量可采空間后再行審批。資源待勘區(qū)范圍內(nèi)原則上允許新建項目, 以便于探(查)明新的地?zé)豳Y源儲量。
 
  表4 是經(jīng)國家礦產(chǎn)儲量委員會審批的分層年可采資源量, 是新項目審批的總量控制條件。各熱儲層的年開采總量, 不突破該層的年可采儲量;已經(jīng)突破的, 即使局部開采強度不高也要控制審批,在保護期內(nèi)達到總量控制不突破的要求。
 
  4. 3 開采強度控制
 
  強度控制就是根據(jù)各分區(qū)控制措施對該區(qū)域的水位下降速率進行調(diào)控。在滿足總量控制的前提下, 對照新項目所處的熱儲層分區(qū)類型,確定該項目的地?zé)崂檬欠穹纤趨^(qū)域開采強度的控制條件, 即“強度總量雙控”條件。
 
  4. 4 利用方式控制
 
  根據(jù)各熱儲層資源類型及特點, 確定相對適合的利用方式, 對新項目的利用方案經(jīng)可行性論證后, 確定批準(zhǔn)與否。
 
  ①明化鎮(zhèn)組及館陶組熱儲:適用于高級酒店、高檔商住區(qū)的生活用水, 溫泉療養(yǎng)、旅游度假, 礦泉水生產(chǎn)等。禁止大規(guī)模供熱, 小規(guī)模供熱(2 萬m2 以下)時必須利用熱泵技術(shù)和采取回灌開發(fā)模式。一般居民小區(qū)不宜用地?zé)峒泄?yīng)生活用水。②奧陶系熱儲:適用于建筑物的采暖, 采用間接供熱工藝, 必須建設(shè)回灌式開發(fā)系統(tǒng), 必要情況下利用熱泵技術(shù), 增大系統(tǒng)負荷能力;利用高礦水的特點, 開發(fā)醫(yī)學(xué)理療項目。禁止該類高礦水直接排放, 禁止采用金屬管道輸送該類地?zé)崴?。③寒武系熱?適用于建筑物采暖, 采用間接供熱工藝, 必須建設(shè)回灌式開發(fā)系統(tǒng), 采取回灌開發(fā)模式(回灌量不少于開采量的80 %), 必要情況下采用熱泵技術(shù), 增大系統(tǒng)負荷能力和熱利用率。供熱規(guī)模不宜過大, 以免資源量不足造成工程風(fēng)險。原則上不用于普通民宅供熱。一般居民小區(qū)不宜用該層地?zé)豳Y源集中供應(yīng)生活用水。④霧迷山組熱儲:適用于建筑物集中供熱, 必須建設(shè)回灌式開發(fā)系統(tǒng), 采取回灌開發(fā)模式(回灌量不少于開采量的80 %);采取梯級綜合利用方式, 尾水可供生活用水與生產(chǎn)飲用礦泉水等。一般居民小區(qū)不宜用地?zé)峒泄?yīng)生活用水。
 
  4. 5 優(yōu)化配置
 
  地?zé)豳Y源的優(yōu)化配置應(yīng)遵循如下原則, 通過科學(xué)配置地?zé)豳Y源, 堅持科技創(chuàng)新, 提高地?zé)豳Y源綜合利用水平。
 
  (1)戰(zhàn)略性項目優(yōu)先配置 戰(zhàn)略性項目是指影響天津市社會經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)、城市發(fā)展新的空間和重大基礎(chǔ)設(shè)施項目。為了配合社會整體經(jīng)濟發(fā)展要求, 地?zé)衢_發(fā)利用必須優(yōu)先滿足上述項目的需求。
 
  (2)重要項目保證配置 重要項目是指在天津市社會經(jīng)濟發(fā)展中具有龍頭作用的產(chǎn)業(yè)、影響城鎮(zhèn)發(fā)展定位的工程項目以及標(biāo)志性工程項目。為促進經(jīng)濟的快速發(fā)展, 地?zé)衢_發(fā)利用規(guī)劃必須保證重要項目的需求。
 
  (3)一般項目控制配置 為充分發(fā)揮地?zé)豳Y源在天津市社會經(jīng)濟發(fā)展中的效用, 從地?zé)豳Y源的稀缺性方面考慮, 應(yīng)控制地?zé)豳Y源在一般項目中的應(yīng)用, 一般項目應(yīng)優(yōu)先考慮利用常規(guī)能源。
 
  5  保護措施
 
  針對四種開采類型區(qū), 分別實施如下保護措施。
 
  5. 1  限制開采區(qū)
 
  (1)總量控制措施 ①現(xiàn)有地?zé)峋蘖块_采, 嚴格控制開采指標(biāo), 執(zhí)行超采加價收費制度, 推廣應(yīng)用節(jié)能新技術(shù);②禁止新增地?zé)衢_采井, 鼓勵增補地?zé)峄毓?/a>井。
  (2)利用方式控制措施 ①不具備回灌條件的(原有地?zé)峋?, 采用梯級、綜合利用新技術(shù)、熱泵技術(shù), 進行系統(tǒng)改造, 提高利用率, 減少開采量;②無法建成回灌系統(tǒng)的單井系統(tǒng), 地?zé)嵛菜浞掷? 提高尾水的重復(fù)利用率, 將排放量減到最低, 2010 年尾水直接排放量低于當(dāng)年開采量的50 %, 2015 年尾水直接排放量低于當(dāng)年開采量的30 %;③推進建筑節(jié)能措施的實施, 降低系統(tǒng)能耗, 節(jié)約資源, 減少開采量。
 
  (3)保護方式控制措施 ①具備回灌井施工條件的必須補建回灌井, 加大回灌量;②有城市熱網(wǎng)條件的, 將供熱負荷并入城市熱網(wǎng), 地?zé)豳Y源轉(zhuǎn)為其他用途, 以發(fā)揮其更大的價值。通過節(jié)能降耗和補建回灌井加大回灌量兩種途徑, 使水位下降速率過快情況得以緩解, 2010 年基本實現(xiàn)低于規(guī)劃年下降速率的目標(biāo)。
 
  5. 2  控制開采區(qū)
 
  (1)總量及強度控制措施 ①嚴格控制新井審批, 原則上掌握在采灌平衡條件下審批, 即新增項目資源消耗量小于該區(qū)域內(nèi)增加的回灌量;②優(yōu)先考慮戰(zhàn)略性項目和市重點項目需求,控制一般項目審批;③新增項目的審批要滿足“強度總量雙控”條件。
 
  (2)利用方式控制措施 ①采用梯級、綜合、高效利用新技術(shù), 提高資源利用率, 地?zé)峁?/a>項目采用回灌開發(fā)模式;②原有地?zé)峋痪邆浠毓鄺l件的, 進行系統(tǒng)改造, 地?zé)嵛菜貜?fù)利用率達到80 %以上, 排放溫度達到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn);③生活用水限于公共建筑及高檔商品住宅小區(qū),一般住宅小區(qū)禁止使用;④系統(tǒng)工藝技術(shù)要達到國內(nèi)先進水平。
 
  (3)保護方式控制措施 ①新批地?zé)峁?/a>項目必須采用回灌開發(fā)模式;②原有地?zé)釂尉到y(tǒng)具備回灌井施工條件的必須補建回灌井,加大本區(qū)回灌總量;③結(jié)合新項目需求, 采取組合方式, 建成采灌系統(tǒng), 有條件情況下盡可能將新項目需求與原有單井系統(tǒng)組合成采灌系統(tǒng),既滿足新需求又解決老問題。
 
  5. 3  鼓勵開采區(qū)
 
  (1)開采強度控制措施 ①考慮到熱儲層對開采強度反應(yīng)的滯后現(xiàn)象, 遵循穩(wěn)步推開的原則, 使地?zé)峋季挚茖W(xué)合理。在建設(shè)規(guī)劃程度較高地區(qū), 完成區(qū)域開發(fā)利用規(guī)劃, 不宜采取單一分散式開發(fā)模式。按照地?zé)峋侠黹g距及強度控制原則, 審批項目布局的合理性;②優(yōu)先考慮建設(shè)規(guī)劃程度高、集約化技術(shù)水平高、綜合效益高的項目。
 
 
  (3)保護方式控制措施 ①有尾水直接排放的利用項目, 必須采取回灌開發(fā)模式;②避免出現(xiàn)地?zé)峋季植缓侠憩F(xiàn)象。
 
  5. 4  探采結(jié)合區(qū)
 
  探采結(jié)合區(qū)是指資源勘查程度低, 有待于進一步探明與評價的區(qū)域。
 
  (1)開采方式控制措施 ①結(jié)合市場需求,鼓勵開發(fā)項目利用地?zé)豳Y源;以“ 探采結(jié)合” 的方式, 促進該區(qū)域資源評價與開發(fā)利用的同步發(fā)展, 允許該區(qū)域內(nèi)先布1 ～ 3 眼勘探單井, 分步實施回灌, 同時開展資源勘查和評價工作, 提交儲量批準(zhǔn)后, 根據(jù)儲量情況將該區(qū)升級為其他類型區(qū)。②地?zé)峥碧?/a>井施工前, 必須依法辦理打井審批手續(xù), 勘探工作要按照有關(guān)國家規(guī)范實施。
 
  (2)利用方式控制措施 在勘探井成井后,根據(jù)資源實際情況確定, 利用方案與工藝符合綜合、高效、節(jié)能要求。
 
  (3)保護方式控制措施 單井系統(tǒng)在建成規(guī)范系統(tǒng)投入使用后, 限期補建回灌設(shè)施, 提高資源利用率和資源保護程度。
 
  6  保護目標(biāo)
 
  (1)提高熱利用率 提高地?zé)崂寐? 必須控制尾水排放溫度:至2010 年, 60 %地?zé)嵴九欧艤囟炔桓哂?5 ℃;至2015 年, 75 %地?zé)嵴緦崿F(xiàn)排放溫度不高于25 ℃;有條件的地?zé)嵴? 排放溫度不高于15 ℃。該目標(biāo)首先在限制開采區(qū)強制實行, 逐步向其他區(qū)域推廣。
 
  (2)提高回灌率 在全市整個區(qū)域通過積極推行地?zé)峄毓?/a>開采模式來提高回灌率。
 
  至2010 年, 在所有對井回灌開采系統(tǒng)中,回灌率達到70 %;在地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/供熱系統(tǒng).html" >供熱系統(tǒng)中, 回灌開采系統(tǒng)占供熱系統(tǒng)總數(shù)的15 %, 新增地?zé)峁?/a>項目采灌系統(tǒng)為100 %;在地?zé)豳Y源開發(fā)總量方面, 回灌率達到25 %;至2015 年, 在對井回灌開采系統(tǒng)中, 回灌率達到80 %;在地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/供熱系統(tǒng).html" >供熱系統(tǒng)中, 回灌開采系統(tǒng)占供熱系統(tǒng)總數(shù)的20 %, 新增地?zé)峁?/a>項目采灌系統(tǒng)為100 %;在地?zé)豳Y源開發(fā)總量方面, 回灌率達到30 %。
 
  (3)改造地?zé)崂孟到y(tǒng) 一些傳統(tǒng)地?zé)嵴?某種程度上存在不合理、不規(guī)范的問題, 必須有計劃地進行改造, 特別是要對資源浪費嚴重、效益低下的地?zé)崂孟到y(tǒng)進行必要的強制性改造, 并予以政策和技術(shù)支持。首先對限制開采區(qū)中的地?zé)崂孟到y(tǒng)進行改造, 至2010 年100 %完成系統(tǒng)改造;控制開采區(qū)的改造工作要積極引導(dǎo), 至2010 年50 %的地?zé)崂孟到y(tǒng)完成改造, 2015 年全部完成改造。鼓勵開采區(qū)中多數(shù)地?zé)犴椖?/a>為新建系統(tǒng), 要本著高起點、高標(biāo)準(zhǔn)建站, 同時至2010 年完成對個別老系統(tǒng)改造工作。探采結(jié)合區(qū)在審批時, 要求按最新規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。
 
  (4)改建動態(tài)監(jiān)測網(wǎng) 目前, 天津市地?zé)峋畡討B(tài)監(jiān)測網(wǎng)在均衡、全面、穩(wěn)定等方面存在問題。數(shù)據(jù)采集手段原始、效率低、受外界因素影響大、不能滿足資源評價和規(guī)劃編制的要求, 故動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)布局調(diào)整和建設(shè)要納入保護之中。
 
  ①采取動態(tài)監(jiān)測“雙軌制” , 即傳統(tǒng)的人工方法和自動化監(jiān)測同時使用, 避免由于自動監(jiān)測技術(shù)方面的不穩(wěn)定而丟失原始數(shù)據(jù);②在自動化監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性達到標(biāo)準(zhǔn)后, 全面建立網(wǎng)絡(luò)化、自動化監(jiān)測系統(tǒng), 人工方法的重點是檢查、補測、維護;③2006 年對動態(tài)監(jiān)測布局進行調(diào)整,滿足平面均勻分布, 縱向兼顧各熱儲的實際需要;④二年內(nèi)完成動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)的布局調(diào)整和建設(shè)工作。
 
  (5)建設(shè)示范工程 地?zé)豳Y源的開發(fā)利用涉及眾多領(lǐng)域, 尤其是有些新技術(shù)、新工藝尚處于探索階段, 在發(fā)展中非常需要示范工程的帶動。選擇不同的熱儲類型擴大利用領(lǐng)域, 建立起集約化利用方式的旅游、農(nóng)業(yè)及醫(yī)療礦泉等地?zé)?a href="http://www.cityofbrews.com/t/示范工程.html" >示范工程2 ～ 3 個, 并在管理過程中以示范工程為樣板, 推廣應(yīng)用示范工程技術(shù), 起到以點帶面, 全面提高的作用。
 
  (6)加大地?zé)豳Y源勘查力度 依據(jù)《天津市礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃》的要求, 加大地?zé)豳Y源的勘查力度。在探采結(jié)合區(qū)要進一步進行勘查工作, 力爭在探明2 ～ 3 處大型地?zé)崽铩? ～ 3 處中型地?zé)崽锏幕A(chǔ)上, 2010 年實現(xiàn)地?zé)豳Y源實際開采量3 300 萬m3 。在限制開采區(qū)、控制開采區(qū)和鼓勵開采區(qū)進一步加大科學(xué)研究工作。
 
  (7)落實生態(tài)環(huán)境保護 開發(fā)利用地?zé)崴赡軙l(fā)土壤鹽堿化、熱污染和地面沉降等環(huán)境問題。
 
  ①土壤鹽堿化 天津除部分區(qū)域奧陶系地下熱水礦化度較高(4 ～ 5 g /L)外, 其它地區(qū)地?zé)崴牡V化度均在2 g /L 左右。因此, 除部分區(qū)域奧陶系地?zé)崴? 天津市地?zé)豳Y源開發(fā)利用一般不會引發(fā)土壤鹽堿化問題。對于礦化度較高的奧陶系地下熱水, 可采取回灌措施, 避免對周圍土壤環(huán)境的影響。
 
  ②熱污染 國家對熱污染的界定標(biāo)準(zhǔn)是35℃, 目前天津市地?zé)嵛菜欧艤囟染哂?5℃, 存在熱污染。解決辦法有兩種:一是采用地板輻射供熱、熱泵供熱等新技術(shù)和新工藝, 提高地?zé)豳Y源利用技術(shù)水平, 降低地?zé)嵛菜欧艤囟?二是采取回灌措施, 不向環(huán)境排放。
 
  ③地面沉降 已有研究成果表明, 埋深小于600 m 的地下水開采會引起地面沉降, 600 m以下新近系熱儲及基巖熱儲的開采一般不會造成地面沉降。一般可通過回灌維持熱儲壓力,以減緩地面沉降。
 
  7  結(jié)論
 
  天津地?zé)豳Y源開發(fā)利用存在缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、地?zé)崂寐实秃突毓嗔可俚葐栴}, 只有依據(jù)分區(qū)管理、總量控制、強度控制、利用方式控制和優(yōu)化配置的保護原則, 針對不同的開采類型區(qū)制訂相應(yīng)的保護措施及保護目標(biāo), 并且地?zé)豳Y源必須走回灌開發(fā)道路, 增加回灌井, 提高回灌率才能實現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用。