全康環(huán)保:文章主要探討海南貧水地區地熱能淡化海水技術(shù)的可行性和經(jīng)濟性，以及面臨的挑戰關(guān)鍵所在，為地熱利用新技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。

為了解海南地區利用地熱能進(jìn)行海水淡化的可行性, 闡述了海南缺水情況以及地熱資源分布, 并對使用地熱能進(jìn)行海水淡化作了技術(shù)和經(jīng)濟探討, 結果表明海南缺水地區可以從當地可用的地熱資源中獲益。同時(shí), 指出基于地熱能的海水淡化仍面臨一些問(wèn)題, 需要提高重視程度和科研投入, 并試行推廣積極的產(chǎn)業(yè)扶持政策, 從而促進(jìn)海南地熱能海水淡化的研究和利用。

0 引言

海南省位于我國南端，是僅次于臺灣島的第二大島嶼，全島處于熱帶和亞熱帶地區，年平均氣溫22~27℃；四面環(huán)海，水資源豐富，年降水量在1000~2600mm^[1]。2016年，海南全省人口917萬(wàn)人，人均擁有水資源量5342m³，人均綜合用水量490m³，位于國內前列^[2]。但是，表面上擁有豐厚水量的海南，卻面臨著(zhù)比較突出的缺水問(wèn)題。從長(cháng)遠考慮，隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展，以及面臨的缺水少水和干旱問(wèn)題，海南省需構建水資源可持續利用的多方式供水體系。作為水資源開(kāi)源增量的有效途徑，海水淡化可有效緩解水資源短缺問(wèn)題，對改善海南用水情況發(fā)揮至關(guān)重要的作用。隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，當前海洋工程領(lǐng)域將使用可再生能源進(jìn)行海水淡化作為研究的前沿方向。地熱能作為一種海水淡化的新能源方式，近年來(lái)已經(jīng)引起國內關(guān)注，海南可以考慮通過(guò)開(kāi)發(fā)其地熱資源來(lái)支持海水淡化過(guò)程并為省內工業(yè)和農業(yè)部門(mén)供應淡水，以減輕水資源緊張的局面。本文基于海南水資源和地熱資源分布情況，對地熱能海水淡化作經(jīng)濟和技術(shù)可行性探討，指出其中存在的問(wèn)題，并提出推進(jìn)地熱能海水淡化的相關(guān)建議。

1 中深層地熱能梯級利用系統優(yōu)化分析

海南降雨量空間分布不均（圖1），島中部及東北部雨量多，西南部雨量少，降水量年際變化大，豐水年和枯水年相差可達數倍。此外，海南島地形中高周低，河短坡少，水系呈均勻放射狀，源短流急，暴漲暴落，開(kāi)發(fā)利用難度大，時(shí)空分布極不均勻，導致了冬春干旱時(shí)常發(fā)生（圖2），嚴重影響了居民的生產(chǎn)和生活^[3]。再加上需水高峰與枯水期疊加、水資源浪費及臺風(fēng)等因素的影響，使得海南用水問(wèn)題更為突出。2016年，海南全省總供水量44.96億m³，其中地表水源供水量41.88億m3，占總供水量的93.1%^[4]。在海南各河流流域和地區中，南渡江流域、昌化江流域、萬(wàn)泉河流域、海南島東北部、海南島西北部以及海南島南部河流開(kāi)發(fā)利用率分別為15.8%、12.8%、5.5%、14.7%、28.3%、14.9%。而國際上一般認為，一條河流的合理開(kāi)發(fā)限度為40%，越接近40%，表明該地區越缺乏水資源；而當利用率超過(guò)40%時(shí)，表明嚴重缺水，可能導致環(huán)境、經(jīng)濟和社會(huì )安全問(wèn)題^[5]。上述數據表明：海南中部山區擁有較充沛的降水量，但水資源開(kāi)發(fā)利用率較低；而降水量較少的東北部、西北部和南部，卻有著(zhù)較高的水資源開(kāi)發(fā)利用率，且面臨一定的缺水情況。以北部的?？跒槔?，2018年?？谠谟盟叻寮竟澝刻煨枇慷倘?萬(wàn)~8萬(wàn)t。

圖 1 2016年海南省年降水量（改自2016年海南風(fēng)洪旱災 害公報，圖2同）

圖 2 2016年海南省各市縣氣象干旱最重時(shí)所達級別分布

2 海南地熱能資源分布

地熱能是一種綠色環(huán)保、持續穩定、利用率高的可再生能源，是取之不盡，用之不竭的，具有極大的開(kāi)發(fā)潛力。海南地熱資源以水熱型為主，全島水熱資源受地質(zhì)構造、巖石地層及地貌的控制，總體可分為兩類(lèi)，分別為基巖構造裂隙帶狀熱水型和孔隙層狀熱水型^[6]。已發(fā)現的構造裂隙帶狀型熱礦泉（溫泉）32處，總體呈環(huán)島分布格局，估算儲量約為10萬(wàn)m³/d?？紫秾訝顭崴?，主要分布在瓊北及西南部自流盆地中，其中瓊北斷陷盆地內埋藏較深，西南部自流盆地內埋藏相對較淺，水溫相對低，呈現不連續的薄層狀。此外，海南省北部深層地熱地質(zhì)條件良好，瓊州裂谷南側的瓊北擁有優(yōu)質(zhì)的干熱巖地熱能資源。2018年3月23日，中國第一口具有獨立知識產(chǎn)權的干熱巖開(kāi)發(fā)實(shí)驗井在海南北部完鉆，該井在4387m深度處獲得超過(guò)185℃的干熱巖（非穩態(tài)測溫），成為我國第一口進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段的干熱巖鉆井^[7]，表明海南北部存在可用于商業(yè)化的優(yōu)質(zhì)干熱巖。依據海南地熱資源分布及勘查與開(kāi)發(fā)規劃^[8]，可將海南島劃分為限制開(kāi)采區、允許開(kāi)采區以及鼓勵開(kāi)采區3類(lèi)，在大多數情況下，海南地熱開(kāi)發(fā)區與缺水少水地區以及用水量巨大、主要集中于西北和北部的工業(yè)地區相匹配。這表明，這些地區存在從當地地熱資源中獲益的可能。

3 東海陸架盆地麗水凹陷熱演化模擬及現今地溫場(chǎng)特征

3.1 地熱能海水淡化方法

海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質(zhì)鹽分、有機物、細菌和病毒等分離出來(lái)從而獲得淡水的過(guò)程。目前國際上使用的傳統海水淡化的主要方法包括膜法、結晶法和蒸餾法等，而我國海水淡化工程多采用低溫多效蒸餾（LT-MED）和反滲透（RO）技術(shù)。由于低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)具有操作溫度低、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn)，使得其成為我國第二代海水淡化廠(chǎng)的主流技術(shù)之一^[9]。采用低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí)，海水的最高溫度只需70℃，而海南地下熱水溫度一般在32~97℃。當采用與地熱能相結合的低溫多效蒸餾海水淡化方法時(shí)，地熱水可通過(guò)換熱器將海水加熱到淡化時(shí)所需要的溫度。因此，通過(guò)地熱能解決低溫多效蒸餾法進(jìn)行海水淡化時(shí)所需的熱源問(wèn)題，在技術(shù)上具有可行性。反滲透海水淡化方法，是以壓差推動(dòng)的海水淡化過(guò)程。截至2015年底，我國已建成海水淡化工廠(chǎng)121座，其中應用反滲透技術(shù)的為107座，占88.43%，處于主流位置^[10]。采用反滲透技術(shù)時(shí)，膜通量對海水溫度有較高的敏感性，尤其是當冬季水溫低時(shí)，會(huì )導致膜通量大幅下降。這是因為低溫進(jìn)料水具有較高的黏度和較高的通過(guò)膜的阻力，而高溫進(jìn)料水具有較低的黏度而產(chǎn)生較高的產(chǎn)量。依據相關(guān)研究^[11]，當進(jìn)料海水溫度從25℃增加到35℃時(shí)，滲透通量增加了34%；而當進(jìn)料海水溫度從20℃升高到40℃時(shí)，滲透通量增加了60%，即每2℃的溫差大約增加6%的滲透流量。因此，當采用與地熱能相結合的反滲透海水淡化方法時(shí)，利用地熱水加熱海水，可以提升膜通量，進(jìn)而提升產(chǎn)量；此外，反滲透的膜過(guò)程需要更高的機械能來(lái)在冬季泵送冷海水，以滿(mǎn)足日常生產(chǎn)率，而依靠干熱巖發(fā)電技術(shù)所建立的發(fā)電廠(chǎng)可以滿(mǎn)足反滲透裝置的電力需求，從而實(shí)現熱-電-水聯(lián)產(chǎn)。海南還存在一種地熱海水淡化熱源，即廢棄的油氣井。廢棄的油氣井可以用作熱源，由于不需要鉆井，運行成本低于地熱熱源。使用廢棄油氣井的兩個(gè)前提包括：首先，它們對環(huán)境友好且不產(chǎn)生任何排放；其次，這些油井已經(jīng)無(wú)法再開(kāi)采油氣。因此，使用廢棄的油氣井是化石燃料的良好替代品，可以促進(jìn)可持續發(fā)展。油氣井熱源通常被稱(chēng)為“低溫地熱熱源”，具有寶貴的能源潛力。利用廢棄的油氣井進(jìn)行海水淡化，需要利用經(jīng)過(guò)設計的井下?lián)Q熱器以提取可用的熱量。過(guò)程如下^[12]：將水泵入廢棄的油氣井中，在井中，水的溫度達到接近100℃并返回到地表，進(jìn)行多效淡化或反滲透的加熱過(guò)程。此后，將冷水再次泵送到井中以恢復熱量，從而實(shí)現循環(huán)過(guò)程。在海南北部，如福山凹陷地區，有很多被遺棄的油氣井，可以作為海水淡化的熱源重新使用。

3.2地熱能海水淡化經(jīng)濟性分析

依據相關(guān)統計^[13]，2016年我國海水淡化水年成本在5~8元/m³，主要包括電力消耗成本、藥劑消耗成本、蒸汽消耗成本以及維護成本等。其中，日產(chǎn)水能力在萬(wàn)噸級和千噸級的淡化工廠(chǎng)，產(chǎn)水成本分別為7.2元/t和6.22元/t。

趙建康等^[14]對地熱能海水淡化中采用低溫多效蒸餾法進(jìn)行了成本分析。指出與采用工業(yè)余熱相比，利用低溫多效蒸餾方法，百?lài)嵓壓颓嵓壍牡b置的綜合成本分別下降81。3%和99.3%，具有相當顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。Loutatidou等^[15]研究了海灣地區的兩個(gè)基于低溫多效蒸餾和反滲透方式的地熱能海水淡化廠(chǎng)，指出雖然低溫多效蒸餾方法直接利用地熱，但卻相當耗能，低溫多效蒸餾需要的地熱能量比反滲透大約多34%，由此也使得地熱田使用成本高出58%。然而，由于規模經(jīng)濟，使得采用低溫多效蒸餾的地熱田成本比反滲透少3%，因而具有成本優(yōu)勢。另一方面，使用反滲透方式的主要能耗貢獻者是高壓泵，幾乎占總能耗的74%，如果使用地熱能，則可以顯著(zhù)降低成本。例如，位于加利福尼亞州南部的海水反滲透工廠(chǎng)的給水溫度的提高導致了飲用水成本的大幅降低。其中每1℃進(jìn)料溫度增加，膜生產(chǎn)率增加約2%~3%，從而提高淡水產(chǎn)量，減少成本。

4 地熱能海水淡化優(yōu)勢

地熱能是一種有前途的可再生能源，由于其擁有可靠且極其穩定的能量供應，非常適合海水淡化。對于海南各種家庭和工農業(yè)用水而言，使用地熱源海水淡化有如下好處：地熱能可提供穩定可靠的供熱，確保熱脫鹽和反滲透過(guò)程的穩定性。地熱能可提供覆蓋恒定的電力需求，如負荷海水淡化廠(chǎng)。地熱生產(chǎn)技術(shù)（從地下含水層中提取熱水）已經(jīng)成熟。它不受季節變化和天氣波動(dòng)的影響。海南大多數地區的典型地熱源溫度在70~90℃范圍內，這對于低溫多效淡化是理想的；而高于100℃的地熱源可用于發(fā)電并為反滲透過(guò)程提供電力。地熱海水淡化具有成本效益，可以同時(shí)進(jìn)行電力和水的生產(chǎn)。其熱能供應的自給自足和電能供應的潛在自給自足相較其他淡化方式是一大優(yōu)勢。地熱海水淡化是環(huán)保的，因為它是該過(guò)程中使用的唯一可再生能源，不會(huì )排放與化石燃料有關(guān)的空氣污染物和溫室氣體。地熱海水淡化減少了進(jìn)口化石燃料的使用，改善了當地的能源安全和環(huán)境可持續性。

5 地熱能海水淡化面臨的問(wèn)題

當前海南利用地熱能進(jìn)行海水淡化時(shí)，還面臨如下問(wèn)題：認識問(wèn)題。利用地熱能進(jìn)行海水淡化，首先需要摸清地熱資源分布。而當前海南地熱資源開(kāi)發(fā)利用中存在的首要問(wèn)題便是資源摸底不清，對全島地熱資源儲量缺乏準確的統計數據，從而導致無(wú)法量化用于海水淡化的具體前景。技術(shù)問(wèn)題。由于我國海水淡化技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比存在一定的差距，導致海水淡化設備的國產(chǎn)化率不高，海水淡化裝置中70%的核心設備需要進(jìn)口。此外，海水淡化過(guò)程中存在的技術(shù)問(wèn)題，例如，降低淡化水中硼含量的問(wèn)題，仍需進(jìn)行大量科研公關(guān)。價(jià)格問(wèn)題。我國長(cháng)期實(shí)行一個(gè)水價(jià)補貼政策使得多地方有較便宜的水價(jià)。而對于從一開(kāi)始就完全按照市場(chǎng)化方式運作海水淡化工程，其資金來(lái)源大多依賴(lài)銀行貸款和自籌，使得海水淡化不僅需要考慮建設和運行成本，還要考慮投資效益，這便加大了淡化水推廣的難度。研發(fā)資金投入問(wèn)題。我國海水淡化技術(shù)是在國家和各級政府支持下發(fā)展起來(lái)的，與擁有先進(jìn)技術(shù)的國家相比，不僅缺乏足夠的研發(fā)資金，也缺少創(chuàng )新和技術(shù)研發(fā)平臺。社會(huì )問(wèn)題。要成功實(shí)施地熱能海水淡化，還需要考慮其它一些重要因素。主要涉及土地利用，地質(zhì)災害，廢熱，大氣排放，水足跡，噪聲和社會(huì )經(jīng)濟問(wèn)題，這需要綜合考慮，制定可行方案。

6 結語(yǔ)

海水淡化是水資源的開(kāi)源增量技術(shù)，由于其不受氣候條件影響，因而具有供水穩定、水質(zhì)優(yōu)良等特性。處于我國南端的海南雖然有充沛的降雨量和水資源，但由于地理和氣候等因素的影響，仍面臨區域性、工程性和季節性缺水問(wèn)題。而解決海南存在的缺水問(wèn)題，海水淡化是一條重要途徑。當前海南需要大力發(fā)展海水淡化，提高供水保障率。在各種能源驅動(dòng)的海水淡化方式中，常規化石燃料消耗大量能量并且對環(huán)境具有高度破壞性的影響，而地熱能是為現代海水淡化過(guò)程提供動(dòng)力的有前景的替代選擇。雖然基于地熱能的海水淡化過(guò)程仍存在影響其發(fā)展的技術(shù)和社會(huì )因素，但依托國內目前主要采用的兩種海水淡化方式，即低溫多效蒸餾和反滲透方式，利用水熱資源、干熱巖地熱資源和廢棄的油氣井，來(lái)提供淡化過(guò)程所需的熱源和電力，可有效減少傳統能源所帶來(lái)的環(huán)境和社會(huì )問(wèn)題，并提高淡水產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本。在推動(dòng)地熱能海水淡化利用進(jìn)程中，除了應加大扶持力度，解決關(guān)鍵技術(shù)外，還應借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗，選取若干缺水和用水量較大的市縣進(jìn)行試點(diǎn)，逐步推進(jìn)檢驗合格的海水淡化水進(jìn)入供水管網(wǎng)，并在高耗水企業(yè)積極推廣海水淡化水，從而有效緩解海南存在的缺水問(wèn)題。

參考文獻

[1] 海南省地方志辦公室. 海南省志?自然地理志[M].?？? 海南出版社, 2010.

[2] 海南省水利局. 2000 年海南省水資源公報[EB/OL].[2001-02-16]. 

[3] 周祖光. 海南省水資源現狀與開(kāi)發(fā)利用[J]. 水利經(jīng)濟, 2004, 22(4): 35-38.

[4] 海南省水務(wù)廳. 2016 年海南省水資源公報[EB/OL].[2017-11-27]. 

[5] 徐磊磊, 劉海清, 金琰, 等. 海南省水資源開(kāi)發(fā)利用特點(diǎn)及主要水資源問(wèn)題[J]. 熱帶農業(yè)科學(xué), 2017(9):123-130.

[6] 陳穎民. 海南島地熱資源現狀及勘查開(kāi)發(fā)利用建議[J].國土資源科技管理, 2008, 25(6): 61-65.

[7] 柳冰冰. 海南: 我國第一口干熱巖開(kāi)發(fā)井高溫完鉆[EB/OL]. [2018-03-19]. 

[8] 海南省國土環(huán)境資源廳. 海南省地熱資源勘查開(kāi)發(fā)利用規劃[EB/OL]. [2009-10-17]. 

[9] 李長(cháng)海, 張雅瀟. 海水淡化技術(shù)及其應用[J]. 電力科技與環(huán)保, 2011, 27(1): 48-51.

[10] 杜鵬, 李琳, 王金成. 海水淡化處理技術(shù)的方法及成本分析[J]. 工程造價(jià)管理, 2018(2): 64-69.

[11] Gude V G. Geothermal source potential for water de-salination: Current status and future perspective[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2016, 57: 1038-1065.

[12] Noorollahi Y, Taghipoor S, Sajadi B. Geothermal sea water desalination system (GSWDS) using abandoned oil/gas wells[J]. Geothermics, 2017, 67: 66-75.

[13] 邱明英. 淺析我國海水淡化技術(shù)[J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2018(3): 58-60.

[14] 趙建康, 張勇. 地熱能海水淡化技術(shù)可行性分析及前景展望[EB/OL]. [2013-05-16]. http: ///p-78640380104.html.

[15] Loutatidou S, Arafat H A. Techno-economic analy sis of MED and RO desalination powered by low-enthalpy geo-thermal energy[J]. Desalination, 2015, 365: 277-292.

作者：劉睿賢1, 2,田 紅1, 2,竇 斌1

1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心, 湖北 武漢 430074)