1. 引言
连城县蒋屋地热分布于文亨镇汤头村南部的汤头溪两岸的阶地上,以上升泉形式出露,1996年观测泉水流量8.0 L/S,水温70℃ [1] ,属低温地热资源的热水类型 [2] 。连城县天一旅游发展公司利用地热资源建设“温泉度假村”,科学、合理地开发利用地热资源,取得了良好的社会、经济和环境效益。
地热是宝贵的可再生清洁能源,目前国内在地热资源开发利用中往往存在“重开发、轻保护”的现象,本文运用循环经济理论,就连城蒋屋地热资源开采后对地质、环境和资源综合利用等方面进行综合评价,提出地热资源保护的具体措施。
2. 地热资源概况
2.1. 地下热水赋存条件
蒋屋热田处于永梅拗陷带东部次一级龙(岩)漳(平)复式向斜(即大田–龙岩)拗陷带南部。地热区西北部为白垩系崇安组(K2C)砂砾岩、东部为燕山早期侵入中粗粒黑云母花岗岩(γ52(3)C)。NNE向F1压扭性深大断裂为导热构造,NEE向F2张性断裂为导水构造。地热储(赋)水层为中粗粒黑云母花岗岩中的构造破碎带,呈NEE向条带状分布,盖层为风化–半风化的花岗岩,破碎带走向NEE 65˚~80˚,倾向NNW,倾角80˚,宽30~50 m,热异常区面积约4250 m2,规模较小(见图1)。据钻孔揭露:地热含水层埋深60~75 m,原水头高度+1.8 m左右,为带状构造裂隙承压水。二条断裂交汇处,岩石破碎,节理裂隙发育,为地下热水赋存、富集和运移提供了空间,地热含水层富水性强、水量丰富,钻孔单位涌水量3.85~6.22 L/s∙m。
Figure 1. Distribution map of Jiangwu geothermal field in Liancheng (Scale 1 to 10,000)
图1. 连城蒋屋地热地温场分布图(1/10,000)
地热区为低山丘陵地貌区,地下热水主要接受大气降水补给,汤头溪东部山区为补给区,大气降水沿F2断裂下渗补给,运移至F1断层交汇处时,接受深部热源加温、形成热水后沿断裂破碎带上升至地表低洼处,以上升泉形式出露地表,故汤头溪两侧为排泄区。地下热水受构造断裂带控制,具承压水性,补给区较远,补给源丰富,其水位、流量和水质动态较稳定,一般不受本地降雨影响。
2.2. 允许开采热水量
考虑带状裂隙含水层富水极不均一的特殊性,2016年资源量核实时,采用群孔抽水试验法(ZK01和ZK02孔同时抽水,孔距12 m,可视为一大井),确定本区允许开采热水量为3610 m3/d,平均水温
66.5 ℃
,主孔水位降深8.58 m,求得年开采地热流体可利用的热能量:Wt = 8134 KW,属小型地热区。
2.3. 地热流体质量评价
本区地下热水补给迳流远,交替、循环作用强烈,水文地球化学作用以溶滤形式为主,化学成分主要来源于循环途径中岩石的矿物成分。水质检监测成果表明:本区地下热水无色、透明、无嗅、略具硫磺味,水质类型为HCO3-Na型,PH值8.20~8.51,呈弱碱性;矿化度198.8 mg/L;氟离子10.86 mg/L;偏硅酸96.4 g/L;硫化氢1.15 mg/L,命名为“硅水、氟水”,是优质的理疗热矿水 [3] 。
热水中氟等含量超过饮用水卫生标准,不能饮用;流体腐蚀性系数Kk = −2.72;且Kk + 0.0503Ca2+ = −2.25,腐蚀性系数均<0,为非腐蚀性水;地热流体锅垢总量Ho = 132.5 mg/L,属锅垢少的地热流体,在水温下降的情况下,在管道中会产生一定沉淀结垢现象。
3. 地热资源开发利用现状
3.1. 建设规模及用水需求
天一旅游发展公司依托地热资源,在地热区西北部兴建了集休闲度假、温泉浴疗、旅游健身、会议会所等功能于一体的“天一温泉度假村”,总投资8.0亿元,年接待住宿4.38万人次、洗浴76.65万人次(2100人次/天)建成为国内一流的温泉主题旅游区。目前,地热区内“天一”公司冬季热水用量1500 m3/d,夏季900 m3/d,平均
1300 m
3
/d,年取水量为54.38万m³;驻军冬季热水用量300 m3/d,夏季500 m3/d,平均
400 m
3
/d,全区合计用水量平均
1700 m
3
/d,年取水总量为62.05万m³。
3.2. 取用水方式
区内共有供水孔三口:ZK01为驻军用、ZK02和ZK03孔为天一公司用,各自采用集中供水的开采模式,即:地热管井→深井水泵→输水管道→保温池→供水管网→用水终端的(见图2),最大井距12 m,ZK01孔开采300~500 m3/d、ZK02孔开采900~1500 m3/d,ZK03作观测孔。项目区分别建有高位保温池,容量200~500 m³,池底和池壁进行了防渗和保温处理,池顶加保温盖。泵房至保温池埋设聚氨酯保温管道,总长3.5 km,采用预制直埋式,埋入地下30~50 cm,热水从保温池自流分送至客房、游乐园区等用水终端。
3.3. 开采后水资源动态变化
目前年水位埋深2.31~5.11 m,变幅2.80 m;年水温66.94℃~65.96℃,变幅
0.98 ℃
,水位、水温年变幅均不大,季节性变化明显;但受区域水文地质条件影响,开采使用二十多年来,水位、水温均有所下降:平均水位下降了4.6 m、水温下降了
3.5 ℃
。
3.4. 退水方案
场址内排水体系采用雨、污分流制,退水主要有生活污水和沐浴污水。热水以直接利用为主(如洗浴、理疗、休闲保健等),热水水质多项污染物指标远低于生活饮用水标准,废水中除原有的成分外,增加了少量的洗涤剂,主要污染物为浮油、毛发、洗涤剂、悬浮物、氟、铁等,水温小于
35 ℃
,不存在有害气体。
Figure 2. Balance diagram of geothermal supply and drainage system in Jiangwu, Liancheng city
图2. 连城蒋屋地热供给和排水系统平衡图
天一温泉度假村年平均产生热废水962 m3/d,排放方式为随机分散、无组织间断排放,通过地下暗管网接入园区北部的污水处理站,污水采用聚合氯化铝进行处理,处理过程包括冷凝、过滤、臭氧氧化、活性炭吸附和灭菌等各单元,处理能力3500 m3/d,达到排放标准后约300 m3/d作景观用水、外排662 m3/d;驻军产生热废水295 m3/d,100 m3/d作景观用水、外排195 m3/d。全区热废水产生量1257 m3/d,回用400 m3/d,其余
857 m
3
/d外排,全部排入白坑溪。
4. 地热资源用水合规性分析
4.1. 产业政策与规划相符性
地热是天公赏赐、地母惠泽的天然资源,连城县已被原国土资源部评为福建首个“中国温泉之城”,制定了“因地制宜、综合利用、规模适度、布局合理”的地热资源开发原则,提出了低碳发展、打造温泉主题城市、培育温泉文化、发展温泉产业的总体规划 [4] 。因此,蒋屋地热资源的开发利用符合各级政府的对产业发展的政策要求;选取的地下热水为深部的裂隙隙承压水,水位、水质动态稳定,资源储量有保障;周边3.0 km范围内无其他热水取水户,不存在争夺水源的问题;洗浴污水经处理达标后排放,不会对地表水造成污染,因此,地热资源开发利用符合水资源配置规划。
4.2. 工艺技术的合理性
多年运行实践证明:采用集中供水模式开采地热资源,布局合理、工艺简单;采用聚氨酯泡沫保温管其导热系数和吸水率均低,减少了供热管道的整体热损耗。实测用水终端水温较孔口降低约
3.0 ℃
,热网热损失率小于5%,小于国际10%的标准要求,总体保温效果好、故障率低,经济效益和环境效益显著。
4.3. 节水与回用
鉴于目前国内暂无温泉沐浴业行业用水标准,参照(DB35/T772-2013)《福建省行业用水定额标准》用水指标:旅游饭店(五星)标准为1900~2000 L/人∙d,用水标准大大偏高,按400 L/人∙d计;温泉泡池国内也无用水标准,按实际使用量300 L/人∙d计较为合理,因此,本项目热水使用总量为1300 m3/d,计算是合理的。
废水经处理达到排放标准后小部分作景观用水、大部分排入白坑溪。
5. 取水水资源论证
5.1. 地热地质环境
本区地热分布白汤头坑溪两岸,主抽水孔位于地热核心区内,孔口标高441.4 m,平时水位439.4 m,白坑溪两岸建有高度约2.0 m防洪堤,当地最高洪水位441.0 m,孔口高于地下热水及最高洪水位标高,抽水孔建有水泵房加以保护,开采多年从未淹井;地下热水与浅层地下水、地表水无互补关系,不存在热能扩散问题。
地下热水赋存于基岩裂隙中,由深部水热交换形成,含水层呈脉状或条带状,其顶、底板为致密坚硬的花岗岩,地下热水开采不会导致大面积地面沉降等环境地质问题。
5.2. 地热资源储量
本区允许开采热水量为3610 m3/d,平均水温
66.5 ℃
,主孔水位降深8.58 m,系于冬季采用群孔抽水试验法求得,试验时长达240 h,期间水位、水温变幅稳定,证明本区地下热水与第四系孔隙水及地表水尚未发生互补关系,尚未形成降落漏斗,含水层补给充足而稳定,连通性较好,试验方法科学、可靠,代表性强。
“天一公司”取水量
1300 m
3
/d,驻军取水量
400 m
3
/d,全区合计取水量
1700 m
3
/d,年取水总量为62.05万m³,日最大采水量
2100 m
3
/d,仅为允许开采热水量的58.2%,资源储量有保障,开采规模恰当、资源保护有效时,本区地热资源可实现持续开发利用。
5.3. 对其他用水户的影响
地热区内共有“天一公司”(ZK02、ZK03孔)和当地驻军(ZK01孔)二个热水用户,三个供水孔最大间距12 m,由于资源储量大,双方同时开采,最大降深仍在含水层顶板之上,不会引起当地区域地下水位的持续下降而影响双方正常开采。
区内浅层地下水和地表水主要作为农业灌溉用,无其它用水大户,本区地下热水属基岩裂隙承压水,顶板为致密坚硬、透水性极差的花岗岩,可视为隔水层,开采多年证明,钻孔上部止水效果良好,不会对其它开采用户产生影响。
5.4. 退水影响
年平均废水排放量1257 m3/d (45.88万m³/a),达到排放标准后约400 m3/d作景观用水(回用)、其它约857 m3/d排入白坑溪。项目区内已建成污水处理站,处理能力能满足要求;排污出水口水质检测结果表明:PH值为6.8~7.0、悬浮物(SS) 16 mg/m3、COD:26 mg/m3、BOD5:4.1 mg/m3、氨氮:7.11 mg/m3、氟化物0.408 mg/m3、动植物油:0.194 mg/m3、粪大肠菌群:790个/L、阴离子表面活性剂:0.17 mg/m3,符合《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中一级标准限值,同时满足《地表水环境质量标准》(GB3828-2002) III类水标准。
白坑溪汤头段平均流量为12,900 m3/d,纳污能力强,划定为农业灌溉和一般鱼业水环境功能区 [5] ,符合该河段水质目标管理要求;排污口下游3 km范围内无饮用水源、生态湿地等生态脆弱保护区,周边无其它环境敏感目标,尾水对居民生活、地表植被和浅层地下水的基本无污染问题,因此,退水对区域下游水体功能的影响很小。
6. 结论及建议
6.1. 主要结论
1) 本区地热含水层埋深一般60~70 m,成井深度100 m左右即可,参照地热资源开采经济性评价标准,属最经济类型。
2) 本地热区开采水温65.5℃~68℃,属低温地热区的温热水类型;地热井单位产量大于200 m3/d∙m,属适宜开采区;允许开采量3610 m3/d,允许开采热量Wt = 8134 KW,属小型地热区;地热流体化学组分中氟、偏硅酸达到了理疗用热矿水的命名浓度,是优质的理疗热矿水,可作理疗洗浴用。
3) 设定开采规模为1700 m3/d,日最大采水量2100 m3,仅为允许开采热水量的58.2%,资源储量有保障;盖层厚度大、致密坚硬、透水性弱、稳固性好,合理开采地热资源,不会产生地表水和浅层地下水的越流补给、不会诱发地面塌陷等环境地质问题。
4) 废水排放量为1257 m3/d,经处理后水质符合目标管理要求,400 m3/d作景观用水,857 m3/d排入白坑溪,退水对区域下游水体功能的影响很小。
6.2. 建议
1) 地热资源开发利用中,必须对水温、水位、水量、水质及地面沉降变化等因子进行长期的动态监测,严格控制地下热水取水量,严禁超采。开展允许开采量生产验证,发现问题应及时调整开采方案,避免对地热资源及其周边环境产生不良影响。
2) 建立地热资源保护规划,划定保护范围,防止人为因素破坏地热资源,实现生态环境良性循环,确保稀缺资源的可持续开发利用。
3) 尽快修订或完善温泉沐浴业国家或地方行业用水标准,便于合理确定热水用户的用水规模,科学制定节水措施,实现地热资源的宏观调控。