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    随着经济社会的发展,以气候变化为核心的全球环境变化,正在广泛而深刻地影响着人类社会的方方面面。气候变化所导致的气温增高、海平面上升、极端天气与气候频发等,对自然生态系统和人来生存环境产生了严重影响。增加能源供应和来源途径、改善能源结构,是减少温室气体排放量、解决全球气候变化问题的根本途径。而作为新型能源的地热资源越来越受到人们关注,它具有低成本、可持续利用和环保等其它能源所不可比拟的独特优点。可以说,大力推进地热资源开发利用,改善能源结构,对于解决日趋严重的全球环境问题具有重要的意义。

    ● 什么是地热资源?

    地热资源是指能够经济的被人类所利用的地球内部的地热能、地热流体及其有用组分。我国地热资源可分为浅层地热能资源、水热型地热资源和干热岩资源三种类型。目前可利用的地热资源主要包括:通过热泵技术开采利用的浅层地热能、天然出露的温泉、通过人工钻井直接开采利用的地热流体以及干热岩体中的地热资源。我国地热资源种类繁多,考虑地质构造特征、热流体传输方式、温度范围以及开发利用方式等因素。

    ● 地热是如何形成的?

    关于地热的来源,有多种假说。一般认为,地热主要来源于地球外部热源和内部热源。外部热源包括太阳辐射等,内部热源包括放射性元素生热、地核热量等。根据测算,地核的温度达6000°C左右,地壳底层的温度达900~1000°C,地球表面恒温层(距地面约15米)以下约15千米范围内,地温随深度增加而增高,平均增温率约为3°C/100米。不同地区地热增温率有差异,接近平均增温率的称正常地温区,高于平均增温率的地区称地热异常区。地热异常区是研究、开发地热资源的主要对象。地壳板块边沿,深大断裂及火山分布带等,是明显的地热异常区。

    勘查地热资源,一般采用地热地质调查、钻探和各种物化探方法。

    ● 地热资源有哪些用途?

    据史料记载,我国开发利用地热与温泉已有5000多年的悠久历史,是世界上利用地热资源较早的国家之一。新中国成立后,国家重视人民的医疗保健事业,从20世纪50年代起,先后建立温泉疗养院160多家,20世纪70年代后,地热资源的开发利用进入快速发展阶段,尤其是20世纪90年代以来,在市场推动下,地热资源的开发利用得到更加蓬勃的发展。

    地热开发利用方式

    地热资源主要用途包括发电、建筑物供暖、洗浴疗养、种植养殖、烘焙等。其中150℃以上的高温地热主要用于发电,发电后排出的热水可进行梯级利用;90~150℃的中温和25~90℃的低温地热以直接利用为主,多用于工业、种植、养殖、供暖制冷、旅游疗养等方面;25℃以下的浅层地温,可利用地源和水源热泵供暖、制冷。目前全国地热资源开发利用的基本格局是:西南、华南发电;华北、东北供暖与养殖,华东、华中、西北地区洗浴与疗养。

    截至2015年,我国地热资源每年利用量折合标准煤0.21亿吨,其中水热型地热资源利用量折合标准煤415万吨,开采率为0.2%,浅层地热能利用量折合标准煤1600万吨,开采率为2.3%,地热资源开发利用潜力巨大。水热型地热资源利用方式中,地热发电占0.5%,供热采暖占32.70%,医疗洗浴与娱乐健身占32.32%,养殖占2.55%,种植占17.93%,工业利用占0.44%,其他占13.56%。浅层地热能资源开发利用方式主要为供暖制冷。

    ● 地热资源有哪些种类?

    1.水热型地热资源

    我国水热型地热资源非常丰富,出露温泉2334处,地热开采井5818眼。水热型地热资源量折合标准煤12500亿吨,每年地热资源可采量折合标准煤18.65亿吨,有高温地热资源(≥150℃),但以中温地热资源(90~150℃)和低温地热资源(<90℃)为主。其中,水热型中低温地热资源量折合标准煤12300亿吨,每年地热资源可采量折合标准煤18.5亿吨,发电潜力150万千瓦;水热型高温地热资源量折合标准煤141亿吨,每年地热资源可采量折合标准煤0.18亿吨,发电潜力为846万千瓦。

    水热型中低温地热资源主要分布于华北平原、河淮平原、苏北平原、松辽盆地、下辽河平原、汾渭盆地等大中型沉积盆地上,分布在山地的断裂带上的地热一般规模较小,分布在盆地特别是大型沉积盆地的地热资源储集条件好、储层多、厚度大、分布广,热储温度随深度增加,是地热资源开发潜力最大的地区。

    高温地热资源主要分布在我国藏南-川西-滇西水热活动密集带,其高温地热资源发电潜力为712万千瓦,充分开发利用高温地热资源,积极推进西南地区高温地热发电,因地制宜建立多能互补的发电格局,符合我国当前能源革命需求,也是可再生能源重要组成部分。

    2.浅层地热能

    全国336个地级以上城市浅层地热能资源每年可开采量折合标准煤7亿吨,可替代标准煤11.7亿吨/年,节煤量4.1亿吨/年。从浅层地热能开发利用方式来看,地埋管热泵系统适宜区占总评价面积的29%;较适宜区占53%;地下水源热泵系统适宜区占总评价面积的11%,较适宜区占27%。比较适合应用地下水地源热泵系统的地区主要分布在我国的东部平原盆地及富水性较好的地区。地埋管地源热泵系统普遍具有较好的适宜性。综合考虑,浅层地热能开发利用的影响因素,我国适宜开发浅层地热能的地区主要分布在中东部省份,包括北京、天津、河北、山东、河南、辽宁、上海、湖北、湖南、江苏、浙江、江西、安徽等13个省(市)。

    我国浅层地温能开发利用区划图

    3.干热岩资源

    我国干热岩资源潜力巨大,开发前景广阔,高于美国干热岩资源的估算结果(570万亿吨标准煤)。经初步测算,地下3~10千米范围内干热岩资源折合标准煤860万亿吨,利用其中2%即相当于2015年全国能源总消耗量的4000倍。尤其是位于3.5~7.5千米深度、温度介于150~250℃之间的干热岩资源,资源量巨大,折合标准煤215万亿吨。干热岩资源是最具潜力的战略接替能源,但开发难度较大。

    ● 我国的地热资源家底

    2016年,中国地质调查局发布了《中国地热资源调查报告》。报告指出,“十二五”期间,在原国土资源部的正确领导和财政部的大力支持下,中国地质调查局组织全国60多家单位3000多名技术人员,利用中央财政资金4.16亿元,完成了31个省(区、市)地下热水资源调查,开展了336个地级以上城市浅层地温能资源调查,启动了干热岩资源调查,基本查明了我国地热资源赋存分布与开发利用现状,初步评价了全国地热资源潜力。

    调查结果表明:一是全国31个省(区、市)地下热水资源年可开采量折合标准煤19亿吨,现状年实际开采量折合标准煤415万吨,只占可开采量的0.22%,开发利用潜力巨大。二是全国336个地级以上城市浅层地温能资源年可开采量折合标准煤7亿吨,可实现建筑物供暖制冷面积320亿平方米;现实现建筑物供暖制冷面积4.78亿平方米。三是我国干热岩资源初步估算折合标准煤856万亿吨,是巨大的能源宝藏,其2%的可开采量即相当于2015年全国能源消耗的4000倍,应加快研究步伐。四是我国浅层地温能和地下热水资源开发利用经济与环境效益显著,2015年相关产业总产值约7500亿元,占同年GDP的1%以上;每年减少二氧化碳排放4800万吨。五是京津冀地区浅层地温能和地下热水资源合计折合标准煤3.43亿吨,可基本满足该地区建筑物供暖制冷需求。六是长江经济带浅层地温能和地下热水资源年可开采量折合标准煤9.3亿吨,充分开发利用区内的浅层地温能资源可有效解决长江中下游地区冬季供暖问题。

    ● 最新研究成果

    中国地质调查局自2016年开始实施“全国地热资源调查评价与勘查示范”工程。该工程是在“十二五”地热调查工作基础上,聚焦区域地热背景调查、重点地区浅层地温能调查、水热型地热资源调查、重点区干热岩资源调查以及地热资源勘查开发示范与关键技术研究5项任务,目前取得了一些阶段性成果。

    浅层地温能方面:雄安新区浅层地温能初步勘查表明,新区内大部分地区适用于浅层地温能的开发,雄安新区浅层地温能资源的开发利用,将产生巨大的环境效益与社会效益,为我国未来城市的发展提供新方向。

    水热型地热资源方面:京津冀水热型地热资源调查表明,京津冀地区是我国东部地热资源最丰富的地区,地热资源储量大,开发利用条件较好。根据现状开采量与资源量数据划分了京津冀地区的开采模数分区,可为当地地热资源的开发提供借鉴。

    干热岩方面:干热岩资源是国际社会公认的最具潜力的战略接替能源之一,其开发利用尚在探索中,国际社会对干热岩的开发利用已经进行了40多年的历史,我国正在开展东南沿海地区、青藏高原东北缘干热岩资源地质勘查,2017年8月,中国科学家在青海共和盆地3705米深处成功钻获236℃的高温干热岩,为下一步推进干热岩开发利用试验探索奠定了良好基础,目前中国地质调查局正在大力推进干热岩勘查评价和试验性开采。

    (本文由中国地质科学院水文地质环境地质研究所供稿)

    地热知识点,了解一下?

     

    7月7日,国土资源部中国地质调查局在湖北宜昌鄂宜页1井页岩气调查重大突破成果研讨会上透露,中国地质调查局部署实施的鄂宜页1井,在地层形成于约5亿年前的寒武系水井沱组,获得了6.02万立方米/日、无阻流量12.38万立方米/日的高产页岩气流,并首次在形成于约6亿年前震旦系陡山沱组发现页岩气藏——迄今全球发现的最古老地层中的页岩气藏。

    这是世界页岩气勘查史上的一个重大突破——在排液仅40分钟,鄂宜页1井就形成高产气流并点火成功。鄂宜页1井,成为我国中扬子地区首次获得页岩气工业气流的参数井,也是迄今世界上在最古老地层中获得页岩气重大发现的参数井。鄂宜页1井,还标志着我国南方老地层的页岩气勘查在中部率先实现了突破。

     

     

    长江经济带主要油气、页岩气田分布示意图

     

    鄂宜页1井压裂施工现场技术研讨

     

    ①半个世纪的梦想终成真 

    “鄂宜页1井的突破,圆了中国地质人半个多世纪的梦想。”中国地质调查局武汉地调中心主任姚华舟说完,介绍了地质人在南方寻找油气资源的艰辛历程。

    在地质学中,与华北板块相对应的南方大陆叫扬子板块。其中,四川盆地以东的渝东、湖北、湖南及江西的一部分被称为中扬子。新中国成立后,华北板块上的油气勘探突破接踵而至,可扬子板块除了在上扬子的四川盆地内部找到普光、元坝、安岳气田,在四川盆地周缘的川东及川南地区获得页岩气突破外,中、下扬子一直没有大的发现。

    怀着找油找气的梦想,自1958年开始,地质人年复一年在中扬子地区深耕细作。但无奈这里地质条件太复杂,总的成藏条件不是太好,油气勘探一直没有大的进展。

    “有人形象地把中扬子地区比喻为摔在地上还踹了一脚的玻璃块。”中国地质调查局李四光学者、武汉地调中心油气资源室主任陈孝红说,“中扬子虽然被人们视为一个完整的板块,但其实是被秦岭—大别造山带与江南—雪峰造山带挤成的碎玻璃块。”

    “尽管如此,地质人始终没有放弃在中扬子寻找油气资源的梦想。”姚华舟说,在经过半个多世纪的艰苦探索后,地质人对中扬子地区海相层系成藏条件、盆地的构造演化、构造圈闭类型等形成了一系列新认识,认识到黄陵基底等对于区域构造格架的稳定作用。特别是在油气调查类型上,实现了由单一找常规油气向常规油气与非常规油气并重的转变,从而在鄂宜页1井实现了页岩气勘探的重大突破,圆了地质人半个多世纪以来的梦想。

    ②变顺藤摸瓜为寻根究底 

    谈到突破,武汉地调中心鄂宜页1井项目部的刘安、张保民、罗胜元、李海、张国涛、危凯、曾雄伟、李培军等一帮年轻人说,关键就是找矿思路由原来的顺藤摸瓜变为现在的寻根究底。

    他们介绍说,常规油气找矿理论可概括为生、储、盖、移4个字,即确定油气生成地层后,再找油气的运移通道和有良好盖层的储存空间。而页岩气则属于生成后原地保存的天然气,不用考虑运移通道因素。

    依据这一原理,武汉地调中心在一开始就形成了独具特色的页岩气勘查模式,即在勘查团队组建上,选择与油气资源生成密切相关的地层古生物研究室为主体,再根据工作需要不断引进和补充油气地质研究人员;在研究思路上,坚持从基础地质调查做起,以坚实的地质调查为基础,从一大堆碎玻璃片中找出相对较大的碎玻璃块。

    “这个勘查模式更显示了生物生油理论与勘查单位优势学科有机融合的魅力。”姚华舟说。

    原来,武汉地调中心自1962年成立后,一直以中扬子地区地层、沉积、构造等基础地质研究为主,以宜昌黄花场“金钉子”剖面、关岭生物群等为代表的地层古生物研究更是在全球享有盛誉。页岩气赋存在富有机质页岩中,而页岩往往富含生物化石,是地层古生物学家的重要研究对象。这些因素无缝对接,为中扬子页岩气勘查新模式的形成创造了条件。

    从2007年开始,武汉地调中心承担的《雪峰山西侧地区海相油气地质调查》《中南地区非常规油气形成地质背景与富集条件综合研究》《中南地区页岩气调查评价》《中扬子地区页岩气基础地质调查》等油气、页岩气研究项目硕果频出,和页岩气相关的新认识也逐渐清晰:宜昌地区在寒武纪早期处于台棚过渡相带,富有机质页岩的厚度较大,往往能达到数十米至上百米,页岩富含有机质,生烃条件好;宜昌地区发育古老的结晶基底,在印支期以来的构造运动中相对稳定,地表地质调查和地震剖面解释断裂不发育,页岩气保存条件好;宜昌黄陵古隆起属于继承性古隆起,长期隆起致使寒武系水井沱组页岩的热演化程度相对较低,页岩气形成的时间晚,气体逸散时间相对坳陷区短,有利于页岩气富集;宜昌地区大面积寒武系水井沱组、志留系龙马溪组页岩埋深在1000~3500米,地层倾角一般在10°以下,有利于部署页岩气地质井和参数井……

    对这些专业表述,陈孝红用3个比喻进行了解释:宜昌是华南的“根”,基底是30多亿年前的太古代地层;宜昌是生命的“源”,是华南最早的海底多细胞生物分布区,为油气成藏提供了丰富的物质来源;宜昌是恐龙的“家”,侏罗纪和白垩纪地层为油气的保存盖上了厚厚的被子。

    “良好的刚性基底、完整的沉积盖层、丰富的烃源岩,使宜昌成为油气成藏的有利地区。”陈孝红说。

    在这些新认识指导下,新的勘查模式率先在宜昌开花结果。2015年,武汉地调中心在宜昌点军区车溪和远安县石桥部署了两口页岩气调查井,在中扬子地区寒武纪、志留纪系地层进行页岩气调查。

    2016年4月28日,鄂宜页1井正式施工,开启了宜昌地区寒武系页岩气的系统评价。2017年1月22日,在鄂宜页1井评价基础实施侧钻水平井,4月13日进入压裂试气阶段,5月11日,压裂液返排开始。

    “排液40分钟时,监测人员抱着试试看的心态将火种伸向排液口,没想到一下就腾起近1米高的火焰。”承担压裂任务的中石化江汉油田页岩气开采服务公司总经理袁发勇说,而且这还是在气液尚未分离、排液孔口径10毫米的情况下实现的。

    ③创新助推梦想启航 

    “鄂宜页1井创造了我国页岩气勘查的多个第一。”中国地质调查局油气咨询专家乔德武兴奋地告诉记者:“第一次在复杂构造区的寒武系老地层中找到高产页岩气工业气流、第一次在中扬子地区采用水平井压裂、第一次在中扬子地区使用国产桥塞……”

    “能实现这么多第一,还在于我们贯彻了分工合作、有机整合、成果共享的市场化条件下科技创新机制。”武汉地调中心副主任张旺驰说,这也可以看作是新的勘查模式的一大特色或内容。

    在项目实施过程中,武汉地调中心在坚持地质理论、认识创新的同时,还同工程施工单位一起深入研究工程施工中技术工艺的创新。如在直井施工中,武汉地调中心地质人员与核工业216大队技术人员一起,通过技术工艺创新解决了施工中遇到岩性复杂井斜控制难、高演化页岩解气精度不高等难题,使完钻后的鄂宜页1井井眼直,固井质量好,目地层定位准确,为水平井准确入靶和完井作业奠定了良好的基础。

    “特别值得称道的是江汉油田页岩气开采服务公司。他们宁可自己经济上吃亏也坚持为地质服务。”张旺驰介绍说,在水平井施工前,页服公司技术人员研究主压裂层的剖面图后发现,页岩层呈北东—南西向以8~10 度的倾角展布,若水平井向北东方向施工,压裂后排放压裂液时就有一定的势能可以利用,既不用再上工程手段增加排液费用,还会节约排液时间降低总体费用。但当地质人员提出下倾角下方的页岩层赋气性更好时,总经理袁发勇当即表示:“朝最好的页岩层打钻,排液不畅就上手段!只要能打出高产气流,我们亏的钱就当是对中扬子油气大突破的贡献!”

    地质与设计施工单位融合创新,带来了一系列对中扬子板块油气勘探突破具有现实借鉴意义的成果:

    创新地质与工程联合攻关的地调项目工作新模式。坚持以实现产能最大化的地质目标为导向,地质设计与工程施工一体化;强调钻完井工程的目标整体化下各个施工环节工作目标责任制以及无缝对接管理。制定了工程设计和施工过程考核与最终地质目标相结合双重目标责任制考核方法。建立了以地质目标引导过程考核,以过程严格考核促进地质目标实现的目标责任制考核管理方式。

    创新低勘探程度地质工程一体化技术。提出了低勘探程度复杂构造条件下“精细描述—技术研究—工程设计—组织实施—综合评价”地质工程一体化技术,集多学科气藏研究、全方位项目管理及钻完井设计施工于一体,攻关形成了适应寒武系页岩储层特征的钻完井一体化工程技术系列。

    创新构造复杂区低勘探程度定录导一体化技术。提出了低勘探程度构造复杂区分段分级控制、井震剖面对比—计算—预测—调整地质导向方法,优化设计了变曲率渐增式五段制井眼轨道,优选出精准导向钻具组合和钻进参数,创建了定向+录井+地质导向联合工作模式,形成了构造复杂区低勘探程度定录导一体化技术。

    创新复杂地质条件下高位垂比长水平段井壁稳定技术。研制了低温乳化剂、润湿反转剂、降滤失剂,自主研发了低温防垮塌油基钻井液体系,创新提出了全过程井壁稳定预控模式,形成了复杂地质条件下高位垂比长水平段井壁稳定技术,解决了寒武系页岩层长水平段水化失稳难题。

    创新常压低温高钙质高应力差页岩储层改造技术。在国内率先提出了常压低温高钙质高应力差页岩储层“主缝+复杂裂缝”改造思路,评价分析了寒武系常压低温页岩储层“六性”特征及其改造效果影响因素,建立了寒武系常压低温页岩储层复杂缝网评价方法及模型,优化了支撑剂组合方式、射孔方式、泵注程序等施工工艺。

    创新低温低伤害页岩气压裂液体系。研制了低温破胶剂、减阻剂、稠化剂、助排剂,自主研发了低温低伤害FLICK滑溜水和低温低伤害LOMO胶液体系,有效提高了常压储层压裂液返排率,减少了储层伤害,打破了国外技术垄断。

    鄂宜页1井的突破,增添了企业在中扬子的油气勘探信心。现在,中石油已在相邻区块内完成300平方公里的三维地震,并已部署一口评价井;中石化则拟直接利用尚在压裂试气中的鄂宜页2井的资料和经验,在进行充分准备后直接进入开发。

    ④为了梦想衣带渐宽终不悔 

    “鄂宜页1井的突破,离不开项目组全体人员付出的泪水、汗水和心血。”武汉地调中心党委书记胡茂焱动情地说,“为了找到扬子板块油气资源勘探的突破点,为全面突破提供科学理论和实践经验,项目组的同志只得将对家人的愧疚深压在心底。他们无愧于中国地质人的称号!”

    这个团队在陈孝红、王传尚的带领下,用一个个创新性成果回报了家人对自己的支持与理解:

    以这一项目为平台,陈孝红修订了宜昌地区寒武纪、志留纪地层格架,建立了宜昌地区寒武纪镶边碳酸盐台地边缘沉积相模式和志留纪前陆盆地沉积相模式,发现了寒武系、奥陶系甲烷渗漏证据以及古地理、古环境和古气候变化及其对页岩气储层的制约关系,为页岩气有利区优选、井位部署提出了科学依据。

    王传尚提出了宜昌地区页岩气具备多层系立体勘探潜力的认识,为页岩气参数井的部署提供了依据。

    刘安通过项目实施查明了寒武系页岩气地质条件,获得了含气性参数,圈出了远景区。通过古流体研究,分析了中扬子重要圈闭构造的油气保存条件,明确了宜昌地区古流体演化过程与页岩气富集的关系。

    张保民通过深入研究,精细刻画了宜昌斜坡带寒武系富有机质页岩的发育层位,明确了页岩的古地理分布特点,结合二维地震资料的分析解释,深化了宜昌斜坡带地层、构造以及古地理的认识,圈定了宜昌地区寒武系页岩气有利区。

    张国涛在全面收集、整理和分析中扬子地区震旦系和下古生界页岩有机地球化学特征后,编制了中扬子地区震旦系和下古生界各页岩的厚度、有机碳含量、成熟度等有机地化参数等值线图,圈定了中扬子页岩气远景区。

    罗胜元通过对中扬子复杂构造区页岩气形成富集机理的系统研究,提出宜昌斜坡区所处的黄陵古隆起对页岩气的形成和聚集有优越控制作用,是寒武系页岩气有利勘探区的认识……

    路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。项目组成员表示,今后,他们将继续发扬拼搏、奉献、创新的精神,为实现中扬子油气资源的全面突破继续努力。

    中扬子油气梦想扬帆起航

    2018年1月23日召开的2018年全国地质调查工作会议指出,中国地质调查局2018年的重点工作任务之一是精心实施陆域清洁低碳能源五大地质科技攻坚战。中国地质调查局地学文献中心“地学情报综合研究与产品研发”二级项目围绕局重大需求,将对国外主要机构在地热相关领域的部署实施进行较为系统的归纳总结。本文重点介绍美国能源部地热技术办公室的地热工作进展。

    地热能可以全天24小时提供清洁、可再生的能源,几乎不排放温室气体,且开发对环境的影响很小。该类清洁低碳能源不仅能用于供热和制冷,还能用于发电。

    美国能源部地热技术办公室作为美国地热研发相关联邦投入的主要管理者,致力于与工业界、学术界和美国能源部国家实验室合作开展研究、开发和示范工作,建立创新型且具成本竞争力的技术和装备,促进美国地热产业的发展。该办公室近年获得的联邦预算逐年增加,从2014财年的约4500万美元增长至2017财年的近1亿美元(图1)。重点关注的领域包括:①水热型地热资源;②增强型地热系统;③低温和伴生型地热资源;④系统分析。具体工作目标包括:①促进传统水热型地热资源的增长;②促进增强型地热系统的商业化;③克服部署上遇到的技术问题;④获取其他经济附加值;⑤通过合作应对地下能源挑战。

    促进传统水热型地热资源的增长方面,重点探索了针对具高温、足够渗透率和足够水流量的水热型地热资源的有利赋存区综合分析,以及比地热热泵和其他传统的直接利用系统埋藏更深、规模更大、效率更高的深部地热能直接利用。

    促进增强型地热系统的商业化方面,重点实施了增强型地热系统合作实验室项目(EGS Collab)和地热能前沿观测研究计划(FORGE),分别开展实验室规模的科学理论研究以及场地规模的技术装备研发示范。

    克服部署上遇到的技术问题方面,重点开展了适用于极高温地质条件的定向钻井系统、多分支井钻完井技术和固井所用水泥的研发,以及能更快、更准确地进行人工建造裂隙网络地下成像的“E4D-RT”工具。

    获取其他经济附加值方面,重点研究了地热卤水中稀土、锂、锰等重要物质的回收,多种清洁能源综合利用发电,以及油田伴生型地热对油田废水的脱盐处理。

    通过合作应对地下能源挑战方面,重点实施了地下技术和工程研发交叉合作团队(SubTER)研究计划,联合美国能源部有关办公室与私营企业、美国能源部国家实验室和学术界共同推进地下技术和工程的研究、开发和示范。

    综上所述,美国在地热能勘查开发领域的联邦投入,在推进传统水热型地热资源的有利区优选和高效、规模化利用的同时,重点开展增强型地热系统在实验室规模和场地规模的科学理论研究和技术装备研发示范,以期通过提高地热资源勘查开发的经济和技术可行性,吸引私营企业的投入,为满足美国的能源需求提供丰富且可再生的能源来源。

    美国能源部地热技术办公室重点关注领域的联邦财年预算变化(单位:万美元)

    美国能源部地热技术办公室地热工作进展介绍

     

     

     

    欧洲的火山和沉积盆地中蕴藏着丰富的地热资源,熔岩驱动的高热烩地热资源主要分布在冰岛、意大利、希腊和土耳其,多用于发电;可供直接利用的中、高温地热资源多分布于盆地地区,如法国、德国、波兰、意大利、匈牙利、罗马尼亚等国家;而随着地源热泵技术的开发和应用,浅层地热资源随处可用,尤其在奥地利、瑞士、德国和瑞典等多个国家得到广泛推广应用。

    目前,欧洲将地热利用方式划分为地热发电、直接利用和地源热泵三类,这三类地热利用市场均占据重要地位。欧盟委员会联合研究中心(JRC)报告显示,全球地热装机总容量2015年大约为82GW(吉瓦),地源热泵利用比例最高,达到61%,其中欧洲占据着最大的地源热泵市场。从具体国家来看,地热能装机总容量最高的前15个国家的总装机容量达到全球的85%,这其中有10个国家分布在欧洲。

    从整个欧洲来看,地热发电、直接利用和地源热泵三种地热利用方式都得到较好的应用和发展,而且都已具备相关的成熟技术。目前的研究和攻关焦点在于进一步降低成本,使地热利用更具市场竞争力。

    1 高温地热发电占主导,中低温地热发电势头正旺

    在欧洲,地热发电已经成为一种环境友好,且可持续的能源供应方式,这也使欧洲的地热发电市场在全球占有一席之地。截至2014年底,全球地热发电厂装机容量达12GW,其中欧洲地热发电装机容量约为2060MW(兆瓦),占全球总量的17%左右。

    近10年来,全球地热发电量也在持续增长,年均增长率在3%左右,2014年全球地热发电量达到74TWh(太瓦时)。其中,欧洲88座地热发电厂总发电量为12TWh,占全球地热发电量的16.2%,10年间6.3%的年均增长率更是高于全球水平。目前,欧洲地热发电主要分布在意大利、冰岛和土耳其三个国家,占比分别为44%、43%和10%。其中,近几年地热发电量的增加主要集中于土耳其和冰岛,而意大利地热发电量相对稳定。由于2014年试运转和维修的原因,欧洲地热发电厂的产能利用率在76%左右,与过去几年的水平相当。

    发电技术方面,主要有干蒸汽发电、闪蒸发电和有机朗肯循环发电等,其中干蒸汽发电和闪蒸发电技术主导欧洲市场,占比分别为40%和42%。比如,意大利以干蒸汽发电技术占据主导;冰岛地热资源为高温湿蒸汽资源,几乎都采用闪蒸发电技术。但最近10年,利用中低温地热能的有机朗肯循环(简称ORC)发电技术发展较快。由于土耳其拥有丰富的中低温地热资源,ORC发电技术成为主流。

    2014年欧洲地热发电容量较2013年新增170MW,并全部来自于土耳其。从发电方式来看,新增容量全部集中在ORC方面,这主要是由于中温地热发电的增加,但传统发电装置仍占据主导地位。为了更加高效地利用地热资源,冰岛、法国、德国和土耳其已启动了围绕地热发电的地热综合利用项目,以地热发电为主,采用“热电联供”或“冷热电联供”模式,在解决电力的同时为周边地区的居民提供供热或制冷需求,这将显著提高当地地热资源利用效率。

    2 地热直接利用技术已成熟,新技术出现较少

    地热的直接利用主要包括:区域供暖、洗浴和游泳加热、温室加热、水产养殖池加热、工业用热、农业干燥和融雪等方式。目前,欧洲地热直接利用最为活跃的部门仍然是集中供暖,欧洲地热能委员会(EGEC)统计显示,2014年欧洲地热供暖产热量新增大约80GWh(吉瓦时),总计达到4260GWh,占到地热直接利用的40%。2015年欧洲地热直接利用装机总容量估计为4701.7MW,主要利用国为冰岛、土耳其、法国和匈牙利等。目前欧洲共有257个地热集中供暖厂,主要分布在法国、冰岛和匈牙利等国家,2014年和2015年共新增23个。

    地热直接利用技术已经成熟,最近,除了在建筑供暖的集成利用方面有一些新的进展外,地热能直接利用领域并没有多少新专利。目前,供热系统是推动地热直接利用最有力的部门,由于地热流体往往不适合直接被分配到区域供热网络中,因此地热直接利用的发展取决于其他行业热交换器先进技术的发展。而在地热资源开发方面,一个新的概念“三重系统”被提出来,主要是通过钻探一个新的生产井,同时把前两个钻井转换成回灌井,以此来延长设计项目的寿命。这个概念已经在法国付诸应用,它可以使地热能源延长30年的使用寿命。目前,越来越多的供热系统开始采用此三重系统。

    3 地源热泵技术方兴未艾,环保型技术成为关注点

    地源热泵技术在欧洲获得广泛推广应用,2013年“欧洲地热大会”(EGC)将地源热泵作为地热利用的一个独立分类进行统计。据JRC2015年报告,全球地源热泵总装机容量约为50GW,其中欧洲装机容量达到19GW,全球占比最高,达到38%左右,其次为美洲和亚洲。

    EGEC数据显示,目前瑞典、德国、法国、瑞士和挪威成为欧洲地源热泵领域的领头羊,5个国家地源热泵装机容量之和占欧洲的69%。欧洲的地源热泵市场已经从过去由许多小型本地公司组成的市场发展成为主要由供暖和空调制造商组成的大规模的市场。目前,欧洲热泵及地源热泵市场被几个主要生产商所控制,这些大的制造商主要来自于地源热泵发展较为迅速的德国和瑞典。

    当前,地源热泵技术研发的主要目标在于提高地源热泵系统的效率和减少运作成本,主要进展包括:降低维修和养护成本,改进控制系统,使用更有效的液体工质,提高辅助设备(如泵和风扇)的工作效率。目前,地源热泵的COP值(用于评价热泵的能源转换率)通常在3~4左右,通过优化设计提高热泵的COP值是目前技术发展的主要关注点。同时,开发环保型的,并且具有更好的热特性的新型防冻液也是地源热泵技术发展的关注点。通过降低钻孔热阻指标(RB)以提高浅层地热系统的“赫尔斯特伦效率”也被寄予厚望。可以预期这些技术进步都将有助于提高地源热泵系统的效率。

    4 针对不同利用方式推出系列支持政策

    欧洲地热资源利用的发展离不开欧盟在区域层面推出的一系列支持政策和联合行动计划。欧盟通过其“研究和创新框架计划”和其他鼓励机制来支持地热资源的开发,并且通过建立相应的法律和政策框架来促进地热资源的有序健康发展。从1998年欧洲地热能源委员会成立、2000年欧洲热泵协会成立,到2010年EERA地热联合计划启动、2012年地热ERA-NET计划启动,欧洲地热能开发利用的平台和联合计划不断完善;从2004年欧洲经济和社会委员会起草决议以促进地热开发,到2012年《地热科技的战略研究重点》发布,明确欧洲地热开发利用的方向和目标,欧洲对地热能开发的支持政策不断细化。

    针对地热能开发和利用,欧盟内部存在着一系列形式多样的政策支持制度。这些支持政策在不同成员国间有所不同,同时因三种不同地热利用方式(发电、直接利用和地源热泵)的发展现状而有所差异。

    欧盟地热发电补贴形式多样,但进展较慢。地热发电项目通常具有前期投入大、开发时间长的特点,至少需要3年时间,平均开发时间大约为5至7年。鉴于此,欧盟在2009年立法要求在传统电力系统运行条件允许的情况下,要优先安排可再生能源发电。欧盟对地热发电的政策支持方式主要有:风险保险基金、上网电价补贴政策(FIT)、可再生能源溢价机制(FIP)、可交易证书、投标和软贷款等。虽然FIT和FIP这些基于市场的机制通常适用于多种新能源技术,但在地热发电项目的应用并不理想,因此欧盟对地热发电提供类似政策支持的国家并不多,目前实行FIT政策的有奥地利、法国、德国等9个国家,实行FIP的则仅有意大利、荷兰等4个国家。

    目前,欧洲地热能的直接利用和地源热泵技术已经较为成熟,补贴正在逐渐减少。政府财政支持的方式主要有投资补助、减税、碳排放税减免、保险和低息贷款等,目前欧盟多数国家仅保留投资补助这一项支持政策,只有少数几个国家仍实行多种财政支持政策,比如法国在投资补助、减税、碳排放税减免和保险等方面都有支持。EGEC认为,从成本的角度看,地热取暖技术(增强型地热系统除外)与化石燃料采暖技术相比变得更有竞争力,这使得政府对地热直接利用和地源热泵技术的补贴逐步降低。但同时,地热开发前期投入大依然阻碍着地热相关技术的发展,因此需要引进一些创新性的融资工具,例如能源服务公司(ESCO)或对地源热泵消耗的电力给予折扣。

    地热“点燃”绿色未来

     

    李文鹏,男,59岁,博士,专业技术二级。专业方向:水文地质与水资源

    解决资源环境问题或基础地质问题情况:

    研究西北内流盆地地下水勘探,正确认识了其地下水资源性质,为合理利用与生态保护奠定了理论基础;察尔汗盐湖勘探试验首次证实卤水层具有千量级渗透系数,解决了井采代替渠采的难题;开采固体钾盐的多组合溶剂方案和溶解驱动方案解决固体钾盐难以直接利用的难题;国家地下水监测工程填补了我国区域地下水有效监控的历史;主持完成西宁大型泥石流沟治理设计,解决了西宁省城重大安全隐患。

    实现转化应用和有效服务情况: 

    提交了大中型水源地8处;察尔汗盐湖水文地质参数和固体钾盐溶解驱动开采方案服务于开采设计;地下水监测信息服务系统和系列规范得到推广应用;南水北调沿线地下水质和水压对工程安全影响评价已被采纳;京津高铁地面沉降安全评估为高铁建设采纳;敦煌月牙泉水潜流补水保护治理方案已成功应用;西北地下水开发建议被中办信息采纳;汶川灾区资源环境承载力评价被重建规划采纳。

    促进科学理论创新和技术方法进步情况: 

    提出了西北内流盆地地下水系统形成与盐分运移聚集模式、三种找水远景区及其地表水和地下水联合调蓄水与优化利用模式;研发了富钾高浓卤水系统多组分反应溶质运移模拟系统;提出了地下跌水断层非连续渗流量半解析解模型与模拟计算方法;研发了基于云平台全国-省-市-县四级联动的地下水监测信息服务系统;编制了地下水监测标准体系。

    促进人才成长和团队建设情况: 

    与中荷合作和中国地质大学联合,为西北7省培养水文地质骨干80余名,为我国改革初期水文地质事业起到了积极作用;在地质灾害隐患与水文地质环境地质调查计划中,与中瑞和中荷联合培训水文地质调查与水资源持续利用骨干60余名;通过国家地下水监测工程建设,培养形成了国家地下水监测团队300余人;培养硕士和博士30名。

     
    李文鹏

    中外专家一起查看天津地热勘探井岩芯 。 关晓琳 摄

    9月20日~21日,自然资源部中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、吉林大学、中国地质大学(武汉)主办的地热国际研讨会在“中国温泉之都”天津召开。来自中国、美国、法国、新西兰等国家的200多位地热专家,分享了地热资源勘查开发利用的典型案例和最新科研成果,共同探讨了地热开发利用现状与趋势,为正在崛起的地热产业注入新活力。

    多样化、高效梯级利用:世界地热能开发利用水平逐年提高

    地热能是蕴藏在地球内部的热能,通常分为浅层地热能、水热型地热能、干热岩型地热能。国际能源署(IEA)、中国科学院和中国工程院等机构的研究报告显示,世界地热能基础资源总量为1.25×1027焦耳(折合4.27×108亿吨标准煤)。其中,埋深在5000米以浅的地热能基础资源量为1.45×1026焦耳(折合4.95×107亿吨标准煤)。地热能以其清洁、高效、可再生的优势,在未来清洁能源发展中占有重要地位,有望成为能源结构转型的新方向。目前,全球有效开发利用地热资源的国家已达80多个。地热能开发利用方式呈现多样化、高效梯级利用的特点——直接利用(供暖、康养、旅游、种养殖等)和发电。

    在直接利用方面,截至2015年底,世界开发利用浅层地热能的地源热泵总装机容量约为5万兆瓦,占世界地热能直接利用总装机容量的71%左右;水热型地热能供暖装机容量为7556兆瓦,占世界地热能直接利用总装机容量的10.7%。

    地热能发电是地热能利用的重要方式。2015年,世界水热型地热能发电装机容量为1.26万兆瓦。冰岛地热发电量占到全国总发电总量的30%,而且全国90%的房屋采用地热供暖。美国地热发电装机容量已达3500多兆瓦,正在实施的地热能前沿瞭望台工作计划到2050年将实现为1亿家庭提供绿色用电。

    目前,干热岩型地热能的开发利用正处于试验研究阶段,它是未来地热能发展的重要领域。美国、法国等国家经过近40年的探索,在干热岩勘查评价、热储改造和发电试验等方面取得了重要进展,积累了一定经验。相比而言我国起步较晚,2012年,科技部设立国家高新技术研究发展计划( 863计划),开启了中国干热岩的专项研究;中国地质调查局和青海省地勘局在青海共和盆地组织开展了干热岩调查评价。

    中低温地热供暖为主、发电为辅:中国地热能产业体系已现雏形

    在政策引导和市场需求推动下,中国地热资源利用已经形成了以中低温地热供暖等为主、发电为辅的格局。尤其是在水热型地热能利用方面,以年均10%的速度增长,已连续多年位居世界首位。截至2017年底,水热型地热资源供暖建筑面积超过1.5亿平方米,浅层地热能实现供暖(制冷)建筑面积超过5亿平方米。

    中国地质调查局水文地质环境地质部副主任吴爱民系统阐释了中国地调局联合国家能源局、中国科学院和国务院发展研究中心等机构发布的《中国地热能发展报告(2018)》白皮书。他介绍说, “十二五”期间,中国地质调查局组织全国60多个单位3000多名技术人员,完成了全国地热资源调查,对浅层地热能、水热型地热能和干热岩型地热能资源分别进行评价。结果显示,我国大陆336个主要城市浅层地热能年可采资源量折合7亿吨标准煤,可实现供暖(制冷)建筑面积320亿平方米;水热型地热能年可采资源量折合18.65亿吨标准煤;初步估算中国大陆埋深3~10千米干热岩型地热能基础资源量折合856万亿吨标准煤,其中埋深在5500米以浅的基础资源量折合106万亿吨标准煤。鉴于干热岩型地热能勘查开发难度和技术发展趋势,埋深在5500米以浅的干热岩型地热能将是未来15~30年中国地热能勘查开发研究的重点领域。

    在上世纪70年代我国著名地质学家李四光倡议开展“地热会战”的京津冀区域,正凭借地热资源禀赋和开发基础,成为中国最大的地热城市群。截至2015年底,京津冀年利用浅层地热能建筑物供暖制冷面积为8500万平方米,约占全国的20%。天津市是中国中低温地热资源利用最好的城市之一,现有地热开采井466眼,地热供暖面积3500万平方米,占全市集中供暖面积的8%,主要用于供暖、生活用水和特殊用途等。河北省雄县供暖建筑面积达460万平方米,满足县城95%以上的冬季供暖需求,创建了中国首个供暖“无烟城”,形成了水热型地热能规模化开发利用“雄县模式”。

    尽管我国地热能产业体系初步形成,但我国地热能发展也存在不充分、不协调的深层次问题,亟待解决。

    一是对地热能资源勘查评价和科学研究不充分。我国进行过两次全国性地热能资源评价,仅对少数地热田进行了系统勘查,研究基础薄弱,分省、分盆地资源评价结果精度较低,与发达国家相比存在明显差距。二是对地热能产业发展初期扶持的政策不充分。目前,中央和地方政府出台了一些财政和价格鼓励政策,对加快浅层地热能开发利用及促进北方地区清洁供暖具有积极的引导作用,但政策不完善,执行不到位、不充分。三是地热能产业发展不协调问题依然突出。四是地热能资源管理制度不协调,缺乏具体可落地的管理手段和措施。

    增强型地热系统:国际干热岩勘探开发的前沿成果令人耳目一新

    增强型地热系统(EGS),即通过水力压裂等储层改造手段从低渗透率、低孔隙度的高温岩体中提取热量的工程,是从地球深部抽取地热能量的一个复杂过程。从1973年美国芬顿山EGS项目至今,已有8个国家形成了31项EGS示范工程,累计发电装机容量约为12.2兆瓦。

    深部地热探测与干热岩资源开发正成为全球地热资源开发的热点和制高点,也成为这次研讨会广泛热议的话题。

    本次地热国际研讨会吸引了美国地质调查局地质矿产能源与地球物理科学中心主任科林·威廉姆斯、美国地热能前沿瞭望台(FORGE)计划干热岩项目首席科学家约瑟夫·摩尔、法国苏尔茨干热岩商业化发电项目首席科学家阿尔伯特·金特尔等国际知名专家,他们结合干热岩勘探开发工程案例,介绍了地热(干热岩)EGS场地勘查选址、钻完井、高温测井、压裂造储、大地热流数据收集、地热田三维建模、注采开发诱发微震等技术问题以及研究新成果和新认识。

    中国地质调查局水文地质环境地质调查中心张森琦分享的干热岩勘查成果令人振奋。2013年以来,中国地质调查局与青海省联合推进青海重点地区干热岩型地热能勘查,在共和盆地圈定出14处隐伏干热岩体,在盆地外围圈定出4处干热岩体,总面积3092平方公里。在其中一处干热岩体——恰卜恰干热岩体实施的勘探孔,3705米孔底深处的温度达到236℃。

    与会各国专家表示,干热岩勘查与开发需要攻克许多难题,以美国地热能前沿瞭望台“FORGE”计划为例,主要有:高温结晶岩中的水平井钻进技术、低成本钻进技术、硬岩钻探新型完井方法和裂隙网络压裂技术、利用原生裂隙的应力场调整方法、诱发地震的预测和管控、热—力学—化学模型、微震事件与有效储层改造的平衡等。

    在高温钻井方面,国外已形成了可满足260℃的完整的高温钻完井技术体系;美国等国家在探索试验激光钻井、热熔钻井、脉冲放电钻井等技术,其中任何一种技术开发成功,都将引起干热岩钻井的革命性变化,明显降低钻井成本。

    在高温固井和高温测井方面,国外形成了适用温度高达350℃的固井核心技术,而且主要掌握在斯伦贝谢等几大国际油服公司手中。据悉,相关仪器设备如高温测井仪器售价高昂,外国公司不对外销售仪器,仅提供技术服务,而且服务价格很高。

    在地热监测方面,实验性项目主要集中在地热井流体监测、热储改造诱发微地震监测、地热开采环境影响监测等方面。法国公司在莱茵地堑地区实施的苏尔茨增强型地热系统采用光纤传感技术进行了持续多年的温度监测,取得许多新认识。

    政策激励科技创新:典型国家地热发展的有益经验值得借鉴

    会议报告显示,世界主要资源国促进地热能产业可持续发展的许多激励政策和具体做法,对我国推进地热能产业加快发展具有重要的借鉴意义。

    一是立法先行,理顺地热能管理体制机制。为了支持地热能产业发展,发达国家普遍通过立法来确立地热能法律属性,明确管理权责主体,理顺政府管理体制机制。

    二是政策激励,推进地热能规模化开发利用。发达国家地热能产业发展具有鲜明的政府引导与政策引领特征。美国、德国等国家均出台了包括税收抵免在内的多项税收优惠政策,对地热能开发利用项目给予一定比例的财政补贴。

    三是科技创新,推动地热能高效勘探开发利用。世界地热能发展典型国家均重视科技创新,通过加大科研经费投入、设立重大科技研发计划、组织联合研发团队等方式,持续推动地热能勘探开发利用颠覆性技术攻关,助力地热能产业提质增效。

    四是国际合作,助力发展中国家地热能较快发展。发展中国家也高度重视地热能产业发展,通过吸引国外资金和先进技术开发利用本国地热能。

    产学研用协同攻关:打造中国地热能全产业链

    我国地热能资源雄厚,市场空间广阔,发展趋势良好,是极具发展潜力的朝阳产业。如何用好地热能这一“充电宝”,构建地热能全产业链,为我国高质量绿色发展和生态文明建设高质量发展注入“能量”,是行业内外一直关注且迫切需要解决的问题。专家们在演讲中纷纷对此提出建议。

    中国科学院院士汪集旸在报告中抛出了“地球充电/热宝”新概念,引起与会者极大兴趣。他认为,可以将弃风弃光所产生的能量,以及分散在城市中的发电厂、污水处理厂余热等各种“废热”能量集中起来储存于地下并按需求取出加以利用。这种地热与其他可再生能源互补综合利用、实现较高能源使用效率的“地热+”模式,为我国北方地区可再生能源综合利用提供了新思路。

    吉林大学许天福教授特别对我国干热岩地热产业发展提出建议。他说,干热岩资源潜力大,研发周期长,政府要加大投入,以高校与科研院所为依托,与企业紧密合作,实现“产学研用”联合攻关。在我国西部青海、西藏地区,加强高温花岗岩型干热岩EGS工程示范基地建设,使我国在该技术领域尽快达到国际同等水平。在我国东部华北平原、松辽盆地等地区,推进沉积盆地型干热岩示范基地建设。依托EGS示范基地,实现干热岩开发利用关键技术的集成及验证,研发单井封闭性干热岩高效换热开发技术等。

    自然资源部中国地质调查局副局长王昆在讲话中提出的三项重点工作可谓及时回应了人们的关切。他表示,中国地调局将重点对目前还不具备商业开发条件、技术尚不成熟的深部地热能和干热岩组织科技攻关,近期重点开展3个方面工作:

    一是加快推进深部地热资源勘查。中国地调局将深部地热勘查开发摆在与天然气水合物勘查开发同等重要的战略位置,加大资金投入和工作力度,部署开展全国深部地热资源勘查。根据北方地区冬季清洁供暖的需要,优先启动北方主要城市深部热储探测,推进地热资源高效开发利用。

    二是实施干热岩资源勘查与试验性开发科技攻坚战。以青海共和盆地为试验区,联合地方政府、企业和科研院所,多方协作,研究热源机制,突破干热岩探测、高温硬岩钻探、储层建造、发电等关键技术,力争实现试验性发电,建成中国首个干热岩勘查开发示范工程和研究基地,为中国干热岩商业化、产业化开发积累经验。

    三是搭建地热勘查开发科技创新平台,深化国际合作交流。组织实施地球深部探测计划,打造雄安新区和青海共和地热资源勘查开发国际交流合作平台,建立地热勘查开发国家级重点实验室,联合发起国际地热大科学计划。

    中国地热勘探开发利用的第二个春天已经到来。

    干热岩勘探开发燃起来


    多吉院士(左二)考察山东第一干热岩钻孔。 秦幸福 摄



    日照滨海基岩地区的地热温泉井。孙宝霞 供图



    参观地热梯级利用模式示范基地。秦幸福 摄

      5月18日,中国城市发展研究会2016年会暨低碳城市与新能源发展论坛在山东省济南市召开。来自全国人大环境资源委员会、国家发改委、国土资源部、国家能源局、中国社会科学院、山东省地矿局,以及来自全国100多个城市的著名专家学者、国家新能源示范城市的领导和新能源企业代表等360余名代表出席了论坛。年会的主题为“新能源、新城市、新生活”,不仅准确把握了新型城市可持续发展的重点,还顺应了人民群众对清洁、绿色、和谐新生活的期待。与会专家呼吁,面对严峻的生态环境问题,要加大科技创新,推动城市能源发展转型——

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      我国面临严峻的生态环境问题,城市绿色低碳发展刻不容缓

      由于大量利用石油、天然气和煤炭等化石燃料,人们的生存环境受到很大的威胁,城市发展利用绿色清洁新能源成为当务之急。党的十八大报告指出,要把生态文明建设放在突出地位,支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展;要加快我国城镇化建设的战略部署,到2030年,中国城镇化率达到80%。2016年,全国两会政府工作报告中指出,要重拳治理大气雾霾,提高清洁能源比重。

      中国城市发展研究会理事长、陕西省原省长程安东说,从国内看,“十三五”规划纲要首次提出生态环境质量总体改善的目标,并对碳排放进行了约束。例如:到2020年,单位GDP二氧化碳排放较2015年降低10%,规划新能源占一次消耗能源的比重达到15%;全国地级及以上城市空气质量优良天数比率超过80%,PM2.5未达标的地级及以上城市浓度下降18%。

      从国际上来看,联合国2030年可持续发展议程提出了17项可持续发展的目标。巴黎气候变化大会通过的巴黎协定,将全球气候治理的理念进一步明确为低碳绿色发展,首次将减排纳入一个统一的有法律约束的框架。

      中国工程院院士杜祥琬说,巴黎气候大会开启了全球绿色低碳发展的新阶段,“巴黎协定”指出的目标和方向,是人类发展路径创新的新成果。走绿色、低碳之路是一场国际比赛,在这场比赛中不落伍,能源革命是关键。

      2009年,我国确定了2020年的低碳工作目标:单位GDP碳强度(比2005年)下降40%~45%,非化石能源在一次能源中占比达15%左右。2014~2015年,国家又确立了2030年低碳发展的目标,2030年的碳强度比2005年下降60%~65%;2030年前后使中国碳排放总量达到峰值,并争取提前。

      绿色发展就是要解决好人与自然的和谐共生问题。我国历史性成就中积累了大量的生态环境问题。据中国社会科学院经济研究所所长裴长洪介绍,2014年,全国开展空气质量新标准监测的161个城市中,仅有16个城市空气质量年均值达标,占比不到10%。2015年,东北地区重度及以上污染城市达21个,北京市启动首次红色预警,8天后再次启动,中小学停课、上千家工业企业停产限产、施工工地全部停止施工作业,社会震动很大。

      国家能源局新能源与可再生能源司副司长梁志鹏认为,城市是能源消费的主要领域,同时也是我们推动能源革命、实现能源转型的一个主战场。城市的发展、经济水平和生活水平越来越高,对能源的需求也越来越高,同时对能源体制机制的要求也越来越高。“城市面临的严重大气污染主要还是城市区域产生的,能源在城市区域消费达到70%以上。不合理的能源消费方式造成了严重的环境污染,逼迫人们必须转变能源发展的方式。”梁志鹏说。

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      国内外为建设节能、低碳、环保生态型城市不懈努力

      生态文明的建设离不开对新能源的利用,城市(镇)化建设与城镇化质量提升对新能源的需求增加,加速了城市利用新能源、全力推动节能减排进程。

      据梁志鹏介绍,近十几年来,国内外已经把城市能源转型作为能源转型的重要领域。在欧洲以及美国、日本等发达国家,很多城市提出了能源转型的目标,甚至部分城市建成了“零碳”城市。比如德国慕尼黑,最近提出了100%可再生能源的目标;丹麦、瑞典一些城市也提出了要把城市能源消费全部转向可再生能源;欧盟地区发起了可再生能源城市的市场盟约,已经有几百个城市签署了协议。

      近5年来,我国也加快了城市绿色能源发展。“十二五”时期,我国有100个左右的城市进入到推进新能源城市的行列。2014年,国家能源局确定了北京市昌平区等81个城市为第一批创建新能源示范城市,确定了长春经济技术开发区等8个首批创建的新能源示范产业园区。2015年,国务院批准张家口市作为可再生能源示范区进行建设。张家口市提出的目标是到2020年,能源消费总量当中可再生能源比例达到30%。

      据中共济南市委常委、副市长苏树伟介绍,围绕低碳城市建设,济南市对全市能源结构进行优化调整,合理控制能源消费总量,减少煤炭消费、提高清洁能源的使用比例,大幅度改善空气环境质量。从2014年开始,济南市强力实施包括清洁能源推广等十大行动,其中市级县区共投入近5亿元,将原有市里16处煤矿全部关闭;加快推进山东省首个大型燃气热点项目等工作,取得较好的成效,为实现“十三五”节能减排目标奠定了坚实的基础。

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      推进城市绿色发展,地质工作将在地热能开发利用等领域发力

      推进城市绿色发展,地质工作将在地热能开发利用等领域发力。据山东地矿新能源有限公司刘国爱总工程师介绍,目前,我国81个创建新能源示范城市中,有30个城市提到利用地热能;8个创建新能源应用示范产业园区中,4个产业园区在发展地热能,地热能开发利用成为城市绿色发展地质工作中的重要部分。

      据中国工程院院士多吉介绍,从1995年~2015年,世界地热发电进入迅猛发展期。但是,我国并没有同步跟进,地热发电装机容量仅2.8万千瓦,基本处于停滞不前的局面。

      我国地热资源分布非常广泛,高温地热资源主要分布在藏南、滇西、川西和台湾地区,已发现高温地热系统200多处。2015年,调查结果显示,我国地热总资源量折合标准煤1000万亿吨以上。其中,干热岩每年可利用量12万亿~18万亿吨标煤,水热型每年可利用量3万亿~6万亿吨标煤,浅层地热能每年可利用量1万亿~2万亿吨标煤。

      我国地热资源的开发利用可分为发电和直接利用两个方面。高温地热资源主要用于发电;中温和低温地热资源则以直接利用为主;对于25℃以下的浅层地热能,可利用地源热泵进行供暖和制冷。目前我国地热资源开发利用的基本格局是:西南、华南发电;华北、东北供暖与养殖,华东、华中、西北地区洗浴与疗养。

      总之,经过多年的地热资源开发,尽管我国地热发电发展滞后,但是我国直接利用地热资源量,连续多年位于世界首位。

      2014年年底,中国地热直接利用发生了可喜的变化,地热供暖比例首次超过温泉洗浴,其中,地源热泵占58%,地热供暖占19%,温泉洗浴占18%。2015年,我国地热开发利用共替代标煤2000万吨,占一次能源消费的0.465%。

      山东省是近年来我国地热资源开发利用发展速度较快的省份。据山东省地矿局副巡视员兼总工程师徐军祥介绍,经过50多年的勘查证实,山东省17个地级城市均赋存丰富的地热资源,且分布面积广,储量大,开发条件优越。初步估算,全省可利用地热资源量约为31.863×1019焦耳,相当于150亿吨标准煤,年可利用地热能相当于1.5亿吨标准煤,浅层地热每年可利用量6.2亿吨标准煤。

      近年来,山东省地矿局将地热资源勘查和开发利用作为工作重点,先后完成了两轮全省地热资源普查评价,在济南、淄博、潍坊、日照等城市实现地热勘查新突破,初步试验解决了地热尾水回灌和尾水处理等地热可持续开发利用难题,建立了地热资源开发利用科研示范基地,目前正在以地热田为单元进行精细化勘查评价。在浅层地温能资源调查方面,完成了全省省域调查评价,济南、东营、潍坊等城市浅层地温能资源调查,设立了山东省浅层地温能开发利用示范基地和实验研究基地,成立了浅层地温能推广技术中心,完成了50多项示范工程项目,目前正在实施全省15城市1:5万浅层地温能调查评价。在其他新能源勘查方面,完成了4个页岩气参数井施工和试验,在东营完成了我国第一个干热岩科学试验钻孔,承担了我国可燃冰资源钻探和南黄海油气资源科学钻探施工等。

      截至2015年年底,山东省有中深层地热井1000余眼,年实际开采量7300万吨,城市地热供暖面积达2930万平方米,减排二氧化碳165.9万吨。浅层地温能供热制冷面积6460万平方米,减排二氧化碳341.8万吨。与此同时,温泉旅游度假、温泉生态农业等新兴产业方兴未艾。地热资源开发利用已经成为山东省新的产业,正在不断为全省城市发展助力、为城乡居民造福。

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      打造低碳城市,要有国际视野,细化评价体系,进行科学规划

      程安东说,实施新能源战略、打造低碳城市,还有很多工作需要尽快展开。首先就是要调整思维方式,不仅要绿色发展方式,生活方式也要绿色。其次是要细化低碳城市建设的质量体系。应当按照“十三五”规划发展纲要的要求,提出碳排放指标,并进一步细化指标,形成指标体系,从能源消费总量和结构的控制指标出发,细化评价体系。

      除此之外,程安东认为,国际视野很重要。比如,借力“一带一路”推动新能源合作的战略。“一带一路”沿线国家和地区有丰富的新能源,其中一些国家和地区在低碳城市建设方面有许多可以借鉴的经验。借助其创新思维,加强合作、发展新能源产业,既能服务于我国低碳服务建设,也有助于我国新能源产业走出去。

      据中国社会科学院城市发展与环境研究所所长潘家华介绍,我国城镇化建设正经历从速度到质量提升转变的过程。目前,我国城镇空间布局不均衡。受自然条件与区域发展政策的影响,中国绝大多数城市主要分布在沿黑河—腾冲线的东南部地区,其中西部地区72%的国土面积仅分布167座城市,城市数占全国的24.4%,城市人口仅占18.6%;东部地区10%的国土面积坐拥256座城市,城市数占39.1%,城市人口占52.0%。

      据此,潘家华认为,“城市规模要同资源环境承载能力相适应。要统筹空间、规模、产业三大结构,以城市群为主体形态,科学规划城市空间布局,实现紧凑集约、高效绿色发展。”

      他的观点获得与会多个专家的赞同。

      国家发改委能源局原局长、国务院参事徐锭明给与会者讲了两个故事,其一是“愤怒的小鸟”被聘为联合国低碳绿色形象大使,联合国秘书长亲自给它颁发了聘书。其二是代表了未来智能方向的“阿尔法狗人机大战”。“这意味着未来能源发展的方向,绿色、低碳、智能。”徐锭明兴致勃勃地说。

      徐锭明认为,城市布局是未来减排动力。和工业占比一样,城市结构一旦固定也会出现“碳锁定效应”,要扭转过来很难。以上海为例。由于电力、石化和钢铁等重工业仍然是上海支柱产业,对传统能源特别是煤炭的依赖性大,导致碳减排困难,引起“碳锁定效应”。因此需要科学规划,只有当由技术与管理决定的碳生产率与经济增长的速率形成对冲,才能实现碳排放的零增长。

      国家发改委能源研究所原所长周大地表示,重视城镇化的能源绿色低碳发展,必须从城市规划入手。首先是抑制不合理的、浪费型的城市基础设施建设,尽可能降低人均能源消费和碳排放。其次,要主动引导城市的能源系统供应系统建设,推动能源系统绿色低碳化发展。再其次,要加快推动能源结构优化升级认真推动天然气替代传统的煤炭。

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      新能源产业在我国发展十分迅速

      新能源产业是衡量一个国家和地区高新技术发展水平的重要依据,也是新能源国际竞争的战略制高点,世界发达国家和地区都把发展新能源作为顺应科技潮流、推进产业结构调整的重要举措。

      新能源产业在我国的发展十分迅速,政策扶持和技术进步是我国新能源行业未来快速发展的主要驱动力。本届论坛邀请了新能源发展典型城市和企业代表到会,与大家分享经验。

      山东昌邑市副市长于冬菊表示,从2011年以来,潍坊市先后被确定为国家可再生能源建筑应用示范市、首批中美低碳生态试点城市。在多年的实践中,潍坊市委市政府深刻感受到,发展低碳经济、推广新能源技术,深入推进农业的转型升级,发展低碳生态现代农业,既是时代发展的需要,也是深入推进供给侧改革、从源头上来解决食品安全的重要保证。

      本次年会的承办单位——山东地矿新能源有限公司是山东省从事地热资源勘查、科研和开发利用的新能源专业队伍,董事长兼总经理李振函介绍,公司立足地矿、服务山东、走向全国,在新能源这个大家族里对地热能源深耕细作,为城市新能源产业发展作出了重要贡献。他们打造了山东省第一家地热梯级利用模式示范基地,利用一眼地热井,解决了地热科研楼、洗浴理疗中心、公寓楼的冬季供暖,提供了温泉洗浴理疗的场所,为蔬菜基地冬季的蔬菜、花卉的生长提供了温泉保障,效果良好。

      “新能源产业的发展是衡量国家经济、技术能否可持续发展的重要依据,我国新能源和可再生资源开发利用,近年来以年均超过25%的速度快速增长,正在成为我国今后经济发展的战略性新兴产业之一。”李振函说。

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      建议未来因地制宜发展新能源,加大政策扶持,大力推进科技创新

      “十三五”时期,随着城镇化的发展,我国大中城市急剧发展的趋势还很难扭转,300万人口以上的特大城市会继续发展,城镇集中用能的需求仍然在上升。我国能源结构调整,新能源替代煤炭的速度还是比较缓慢。针对这些问题,与会专家学者提出以下解决思路:

      一是要因地制宜发展各类非化石能源。不仅要贴近市场需求,还要多元化。

      二是加强勘查,构筑地热开发的资源基础。开展全国地热资源调查评价,查明资源分布及类型;评价资源储量和开采潜力,形成完善的调查评价与科学开发利用技术支撑体系,为地热资源合理开发利用和保护提供资源保障。

      三是政策扶持,提供战略实施的体制保障。设立地热能开发利用基金,推进碳汇交易,促进环境定价。国家出台地热发电优先上网政策。政府在直接增加科技研发投入的同时,结合财政与信贷政策,鼓励商业银行投资地热产业。通过减税、免税等政策,加大对地热资源开发利用单位以及相关的设备和材料制造企业的税收优惠力度;出台全国统一的地热资源开发利用税收优惠办法;落实地热发电及供暖的相关可再生能源补贴政策。

      四是大力推进科技创新。组建科技研发团队,实施科技攻关工程,解决地热发电技术、干热岩勘查开发、地热资源梯级综合利用、地热回灌和防腐防垢技术、新能源要发电跟传统的电网匹配、新能源储存等问题。开展地热能资源勘查与开发利用的基础研究,开展干热岩工程化综合开发关键技术研发与示范、高温地热能勘探设备和钻井技术研发、新型中低温地热能发电技术研发、地热能综合开发利用集成核心技术等研究。

      五是深化价格体制改革。对传统能源要实行双控,即总量控制和强度控制,促进新能源的利用。

      六是城市发展新能源要调动各方面的积极性。政府要建立一个完善的、协调统一的可再生能源开发利用管理体系,把各个部门协调起来,同时还要有公共服务,包括资源信息、市场信息、标准的贯彻,还有质量监督管理等方面的服务。

      七是要在体制机制还有市场机制方面开展创新,尤其是要助力各种分布式能源的发展,不单纯只是发电,也包括供热,分布式能源要体现多能互补,智慧能源以及能源互联,形成集中式的能源为主的相互相融合的新型能源供应方式。

      八是要建立城市地区性的金融支持平台,建立市场化机制,推进城市的可再生能源利用。在可再生能源电力就近输送、消费等方面,应该有优惠政策支持,促进新能源的就近利用。

      新闻链接

      100%可再生能源城市

      在冰岛,有30万人口,几乎全部电力都是利用可再生能源提供。建筑供暖和电力生产已经完全实现了碳中和。在冰岛,只有1%的家庭消耗化石燃料供暖,全国99%的电力生产来自地热和水力资源。

      在丹麦提斯特德市,经过20多年发展,该市能量和热量消耗几乎完全来自可再生能源,如风能、太阳能、沼气、地热发电厂、生物质焚烧和工业余热。各种可再生能源提供100%的电力供应,以及全市85%的热量供应。

      在瑞典马尔默,从工业城市成功转型为知识型生态城市。该市的西港区是著名的生态城。这个城市的一个特点就是100%的能源是来自可再生能源,包括太阳能、风能,还有用垃圾来发电等。

      我国地热资源潜力

      浅层地温能:7亿吨/年(336个主要城市可采资源量)。冬季供暖225亿平方米。夏季制冷235亿平方米。

      水热型地热能:总量为12500亿吨。中低温地热能,12349亿吨,可开采量为18.7亿吨/年,发电潜力约为150万KW以上;高温地热能,151亿吨,可开采量为0.1亿吨/年,发电潜力约为846万KW。

      干热岩地热能:总量为856万亿吨。陆地地表以下3~10千米,200万~300万亿吨;陆地地表以下3.5~7.5千米,其中,2%开采利用相当于我国2014年全国能源消耗总量的4400倍。
    城市绿色低碳发展 地质工作如何助力

    地科院水环所石家庄科研创新基地

    衡水野外观测基地试验观测井

    2020年雄安新区深部地热探测

    在石羊河流域进行遥感解译现场核查

    地科院水环所拥有的部分先进实验设备

    稳定同位素质谱分析

    氪-81地下水测年设备

    干热岩真三轴水力压裂系统

    干热岩热能置换模拟系统

    高温高压岩石性质多参数测量系统

    多接收等离子质谱仪

    生态文明建设是中华民族永续发展的千年大计,关系人民福祉,关乎民族未来。一个天蓝、地净、水清的美丽中国,是全国人民的共同期盼。

    在自然资源部中国地质调查局,有一支科研队伍为了蓝天、碧水、净土努力奋斗着—他们摸清全国地下水资源本底状况,为水资源合理开发利用提供支撑;他们研发水土环境修复新技术新方法,为污染场地修复提供解决方案;他们揭示地热资源奥秘,为清洁能源高效利用与能源结构优化探寻新途径;他们破解区域生态水文演变和流域水平衡难题,为干旱—半干旱区的生态环境改善和生态功能恢复作出示范……

    这支队伍就是中国地质科学院水文地质环境地质研究所(以下简称地科院水环所)。

    地科院水环所成立于1956年,至今已走过65年的风雨历程。作为自然资源部中国地质调查局直属的公益二类科研事业单位,地科院水环所坚持“地质调查为基、科技创新为魂、成果转化为要”的发展理念,全力推动水工环地质事业高质量发展,在水文地质与水资源调查、水环境调查与修复、地热资源调查评价与开发利用、生态地质调查与监测、工程地质调查和海岸带地质调查等六大领域,谱写着支撑服务生态文明建设的新篇章。

    研究水循环规律,科学确定华北地区地下水超采治理目标

    水是生命之源、生产之要、生态之基。在我国,由于地下水具有分布广、水质好、储存量大等特点,在很大程度上弥补了地表水时空分布不均、动态变化大的不足,成为许多区域特别是北方地区不可缺少的主要水源。

    为摸清地下水资源家底,地科院水环所早在1980年~1984年和1999年~2002年先后两次作为全国地下水资源评价的技术负责单位,组织全国地质工作者对我国地下水资源总量和区域分布进行系统评价,编制完成《中国水文地质图集》《中国地下水资源与环境图集》,为水资源开发利用、国土空间规划、重大工程建设、生态工程布局等发挥了重要的基础支撑作用。

    在对全国地下水资源摸底调查过程中,地科院水环所科研工作者发现华北平原长期地下水超采引发了一系列环境问题。在“十二五”和“十三五”期间,他们开展了大量调查研究工作,查明了华北平原地下水资源赋存条件及地下水漏斗分布状况。

    从水循环、水平衡角度出发,基于华北平原地下水演变机制,地科院水环所水文地质与水资源调查领域专家团队对华北平原超采区河流生态补水后含水层恢复和超采治理效果进行了研究。专家们指出:地下水超采治理的目标,不是回到最初的水位状态,而是根据各地实际情况和危害程度,确定一个阶段内适宜的治理目标。如大中型城市城区水位埋深应控制在大于30米,中东部地区水位埋深应控制在3~10米,而湿地生态多样性维系埋深则需控制在1~3米;中东部地面沉降严重区深层地下水位埋深应控制在45~60米。这些红线划定主要目的是实现稳定的地下水位,减缓地面沉降,进而保证城市地下空间工程安全、防治土壤盐渍化、保护湿地资源。

    专家们还指出,要尽量恢复水循环自然功能,因“地”制宜、因“质”制宜利用水资源。生态补水对华北平原一定范围内地下水位的恢复起到积极作用,但在利用地下水灌溉的广大农村地区,地下水位仍在下降,并由此提出了加密部署地下水和地面沉降监测站网,开展超采治理理论、关键技术攻关,尽量恢复水循环自然功能等建议。这些建议得到全国政协人口资源环境委员会的高度重视。

    摸清水土环境本底,支撑生态保护修复

    生态环境是生存之本、发展之源。生态环境没有替代品,用之不觉,失之难存。随着人民群众对美好生活的向往更加强烈,对优美环境的诉求更加迫切,如何为水土环境保护修复提供支撑,成为地科院水环所近年来着力攻关的一个方向。

    为助力地下水污染防治,地科院水环所2005年开始牵头开展全国地下水水质与污染调查评价工作,“十三五”期间组织编制了中国地下水水质与污染调查评价系列报告。通过综合研究,首次掌握了我国地下水水质与污染状况,建立了地下水环境调查、取样、测试、质控和综合研究一体的技术方法和标准体系,为地下水资源开发利用和污染防治提供了决策依据。

    在水土环境保护修复方面,地科院水环所的科研工作者以水岩相互作用理论为指导,研发了一系列地下水与土壤原位修复技术与药剂,包括基于过硫酸盐的原位化学氧化技术,基于纳米零价铁的原位化学还原技术,以及基于微米炭粉和生物质电厂灰的原位吸附和稳定化技术,获研究发明专利5项,并在多项水土环境修复工程中得到应用。

    2020年,地科院水环所承担的土壤污染场地修复工程项目顺利实施。该项目利用“原场异位化学氧化、原场异位稳定化、化学还原—工程阻隔”一体化修复技术,累计完成场地超过2万立方米石油烃污染土壤和4000立方米重金属污染土壤的修复,取得了良好的经济、环境效益。研发了以生物质电厂灰为基础材料的重金属钝化剂制备成套技术,并在湖南湘潭、河南济源、河北张家口、云南会泽等地区进行了原位修复试验与示范,成功降低稻米、小麦等庄稼中的重金属含量。这让地科院水环所在生态修复领域迈出了坚实一步。

    构建技术体系,助推全国地热资源规模化开发利用

    地热资源是稳定、安全、清洁、高效的清洁能源。新时代,为打赢蓝天保卫战,开发利用地热资源成为北方地区清洁供暖的首选方式之一。

    地科院水环所对地热资源的研究有60余年的历史,牵头完成了全国主要城市浅层地热能调查评价、全国地热资源现状调查与区划、全国干热岩资源调查评价与靶区优选、我国地热资源开发利用战略研究等一批有影响力的项目,初步查明地热资源家底,揭示了我国地热温度“西南高、西北低、东南高、东北低”的分布规律,提出了“西发电、北供热、南供冷”的开发利用主格局,为“十三五”地热规划的制定奠定了基础。“十三五”期间,地科院水环所在京津冀、东南沿海和川藏等典型地热资源区开展了地热资源调查工作,创新提出了地热资源的成藏与找矿预测理论,阐明了水热型和干热岩型“同源共生—壳幔生热—构造聚热”的地热资源成藏理论,针对地热资源精准探测、动态评价、规模化梯级开发利用等,研发了电磁法—地球化学耦合探测、靶区定位、采灌均衡地热资源评价、浅层地质体热交换能力评价、中低温地热资源规模化开发利用等技术,并构建了完备的地热勘查开发标准化体系,规范和引领了地热产业发展。

    在京津冀地区,地科院水环所提出了华北克拉通破坏﹢浅部古潜山﹢断裂构造“三元聚热”理论,建立了地热田三维热储结构模型;与河北省煤田地质局、浙江陆特能源科技股份有限公司合作,在河北献县建成产学研用一体化地热梯级利用科研示范基地,实现了发电、供热、设施农业三级梯级利用,为京津冀地区乃至全国地热资源规模化开发利用提供了可借鉴、可复制的新模式。

    2017年,中国地质调查局提出在雄安新区打造地热资源利用全球样板的目标。为雄安新区开展地热资源调查评价的重任落在地科院水环所地热研究团队肩上。科研人员在调查研究的基础上,建立了采灌均衡条件下地热资源动态评价方法,完成雄安新区起步区地热资源定量评价,向雄安新区管理委员会提交了《雄安新区地热资源评价报告》。评价结果显示,雄安新区地热资源赋存条件较好,年可开采量折合标准煤346万吨,地热资源供暖总能力约1亿平方米,有力支撑了雄安新区能源规划、地热资源可持续高效开发利用和地热地质特色小镇建设。

    研究区域水平衡,破解干旱地区生态退化成因机理

    水,是自然生态系统中的最活跃的要素,水平衡是维持自然生态系统生态平衡的关键核心。在“山水林田湖草是生命共同体”理念的指导下,如何在确保生态系统相对稳定的前提下,统筹生态、生产、生活用水需求,成为新时代的新命题。

    近年来,地科院水环所突破以往水资源调查评价仅着眼于可直接利用资源的局限,转向研究分析水在生态、资源、环境系统中的作用及其调控机制,以及流域、区域水平衡,揭示了我国西北干旱地区和北方干旱—半干旱地区生态退化的成因机理。

    针对西北干旱地区塔里木河、艾丁湖、玛纳斯河,河西走廊石羊河、黑河、疏勒河等流域相继出现的尾闾湖消失、土地荒漠化和沙漠扩张等生态退化问题,地科院水环所联合有关科研单位在石羊河、艾丁湖等流域开展了有关地下水合理开发利用与生态功能保护的调查研究。

    调查发现,地下水埋深是西北自然生态系统稳定的主控因子。根据大量历史数据,以及野外调查和原位观测的研究结果,发现维持研究区生态稳定的适宜地下水埋深为2~5米。据科研人员介绍,当地下水埋深大于5米后,自然生态系统开始退化,出现自然湿地萎缩、天然植被覆盖率下降或长势变弱。当地下水埋深大于10米后,自然生态系统发生灾变,出现自然湿地干涸和土地荒漠化加剧。以石羊河流域民勤盆地为例,对比历史资料与最新地下水测量结果得知,20世纪60年代地下水埋深普遍小于5米,2019年地下水埋深普遍增大到10~30米,局部地区达到40米。由此,地科院水环所专家指出,地下水位大幅下降是西北湿地和绿洲退化的直接原因。

    地下水位为何出现如此大幅度下降?究其原因,在于20世纪80年代以来,随着农田灌溉需求的不断增长,石羊河流域90%以上的地表水被引入农田,依然不能满足用水需求,致使地下水开采量持续增加,地下水位持续下降,流域水平衡遭到根本性改变。

    大规模开荒造田,农田灌溉面积不断扩增造成天然绿洲面积不断萎缩。根据遥感监测结果,与1970年相比,2017年石羊河流域耕地面积增加了1200平方千米,而天然绿洲的面积则减少了1850平方千米。这意味着,每增加1亩耕地会导致1.5~2亩天然绿洲消失。

    针对西北内陆地区干旱区自然湿地、天然绿洲对地下水依赖性强的特点,地科院水环所基于多圈层多尺度相互作用理论,创建了适宜我国西北干旱区的地下水功能评价与区划理论方法,构建了干旱区自然湿地、天然绿洲及农田安全保障的分区分级预警与管控指标体系,研发了农田盐渍化管控与湿地保护水位—水量智能双控指标体系。该指标体系在石羊河流域进行了示范应用,实现了在确保自然生态系统稳定和农田产量不减的前提下,将地下水资源利用效率提高了13.9%。

    针对我国北方地区湖泊水位下降与湖面面积收缩、荒漠化加剧等生态问题,地科院水环所开展了内蒙古湖泊变动情况调查和水平衡分析,并提出了从严格水资源管理、调整农业产业结构、退耕还草等方面综合施策,逐步恢复流域和湖淖生态功能等建议。

    查明工程地质条件,服务工程水文灾害防治及大型能源基地建设

    在支撑服务国家重要战略和重大工程建设方面,地质调查工作始终发挥着基础性和先行性作用。“十三五”期间,地科院水环所紧密围绕国家重大需求和部、局重点工作,以其特有的专业优势为青藏铁路运营安全、川藏铁路规划建设、大型能源基地建设等提供了精准服务。

    2019年,地科院水环所参加了青藏高原重大生态环境问题应急地质调查,攻克水平衡计算难题,精细预测湖水外溢时间,并对湖泊水情和长江上游水质状况进行了持续监测,评估了上游湖泊蓄满外溢和尾闾湖泊人工泄流的生态环境效应,以科学的技术手段和优化的对策建议为国家重大基础设施安全提供保障。

    川藏铁路雅安—林芝段是其建设难度最大的一段。聚焦铁路规划建设需求,地科院水环所开展了典型区段水文地质、地热地质调查,圈定了超长深埋隧道涌水突泥隐患的高危险区段,预测了典型深埋隧道可能出现高温热害的分布区段及岩温,从水文地质、地热地质角度提出了铁路关键段线路比选方案,并向中国国家铁路集团有限公司提交了地质咨询报告和专题研究报告,相关建议已被采纳。

    为解决神东、晋东两个大型煤炭基地的用水难题,地科院水环所实施了1∶5万水文地质调查,圈定打井找水靶区8个,实施探采结合井15眼,总出水量达2.29万立方米/天,直接解决了6万人饮水困难,为36万人提供了饮水保障。同时,还揭示了采煤对煤炭基地地下水资源及生态环境的影响机制,为煤炭基地生态保护奠定了基础。

    开启水文地质调查数字化时代,引领城市地质信息平台建设

    信息化,是新时代地质调查工作的强大引擎。在中国地质调查局的部署下,地科院水环所加快了推进水文地质调查信息化建设的步伐。

    由地科院水环所研发的水工环“在线调查”系统已“上云”服务两年,为水文地质环境地质类调查工作提供服务17.4万次,实现了资料收集、数据采集、资料整理、实际材料图绘制、数据存档等各个阶段的数字化处理,极大提高了野外一线调查水平。初步建成的“地质云”分布式数据中心节点,集成地下水资源、地热资源和城市地质三大领域核心数据资源,通过构建地下水资源信息服务网、全国城市地质信息系统、全国地热资源数据与信息服务等专题网站,面向社会公众提供信息服务4.97万次。

    为精准服务雄安新区规划建设,地科院水环所自2018年开始了雄安地区地质大数据中心建设,开展“透明雄安”地上地下一体化技术研究,提出了一整套网络化、可视化、感知化、智能化城市地质信息服务方案,初步建成“透明雄安”地质信息平台,并实现了与雄安数字规划平台的技术对接。雄安新区管委会为此专门发来感谢信。如今,“透明雄安”数字平台已接入“雄安云”,启动雄安新区地质信息在线化服务,为全国城市地质信息平台建设做出了示范。地科院水环所还应邀为武汉、杭州、郑州、厦门等地提供了地质信息平台设计方案。

    面向“十四五”,全力推动水工环地质事业高质量发展

    历经65年的奋斗和发展,地科院水环所如今建有自然资源部地下水科学与工程重点实验室、自然资源部地热与干热岩勘查开发技术创新中心、自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心、河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室、中国地质调查局第四纪年代学与水文环境变化重点实验室、自然资源部京津冀平原地下水和地面沉降野外科学观测研究站等6个省部级科技创新平台,还是中国地质学会水文地质专业委员会、地热专业委员会、农业地质专业委员会,中国矿业联合会天然矿泉水专业委员会,国际水文地质学家协会中国国家专业委员会的挂靠单位。

    此外,地科院水环所还拥有达到国内领先水平的同位素测试技术,建立了可用于地下水兼顾固体环境样品的加速器质谱测年实验室,建成了第四纪不同时间尺度测年与古环境重建技术体系;“小电解池一次加样浓缩—液体闪烁计数法”探测达到国际先进水平;大型仪器开放共享在科技部考核中连续3年获评优良。由该所研制的氢氧同位素、碳氮同位素标准物质获批国家一级标准物质,填补了国内在该领域的空白。

    党的十九届五中全会强调“推动绿色发展,促进人与自然和谐共生”,为推进生态文明建设、共筑美丽中国注入强大动力。这也为“十四五”水工环地质工作指明了方向。

    使命呼唤担当,使命引领未来。“十四五”期间,地科院水环所将按照“人与自然是生命共同体”的理念和要求,努力成为中国地质调查局水文地质与水资源调查、水环境调查与修复、地热资源调查评价与开发利用、生态地质调查的核心支撑力量,以及环境工程地质调查、海岸带地质调查的中坚力量,为支撑服务生态文明建设和自然资源管理中心工作作出新的更大贡献。

    守护蓝天碧水净土 擦亮美丽中国底色

    ▶中国地质调查局岩溶地质研究所实施的《乌蒙山水文地质调查》项目,助力四川省昭觉县利用温泉发展生态渔业。 邹胜章 供图

    ▶汾河的源头—雷鸣寺泉。申豪勇 供图

    ▶江西省宁都县小源村安全饮水示范井,可保障全村3500余人饮水。 邵长生 供图

    3月22日是第28届“世界水日”,3月22日~28日是第33届“中国水周”。我国纪念2020年“世界水日”和“中国水周”活动的宣传主题为“坚持节水优先,建设幸福河湖”。

    水是人类赖以生存和发展的珍贵资源。地球上虽然“三分陆地七分水”,储水量有14.5亿立方千米之多,但其中淡水储量仅占2.5%,而人类可以直接利用的湖泊、河流和浅层地下的淡水资源仅占地球总水量的0.26%左右。随着人口的增长和经济的发展,人类对水的需求不断增长,而与之对应的是,在工业化、气候变化等影响下,淡水资源日渐短缺,许多国家陷入缺水困境。

    我国人多水少、水资源时空分布不均,水安全问题事关经济社会发展稳定和人民健康福祉。近年来,自然资源部中国地质调查局坚持山水林田湖草是一个生命共同体,从地下水调查转向地表水与地下水一体化调查,从注重水的资源功能转向资源、环境、生态功能并重,从水资源阶段性评价转向周期性评价,并着力开展流域水文地质与水资源调查,在服务生态文明建设、精准扶贫和区域经济社会发展中发挥了重要作用,为保护和合理开发利用水资源提供了支撑与服务。

    今天,我们邀请水文地质调查领域的专家和有关项目负责人,谈谈如何合理开发利用水资源。

    黄河流域: 量水而行须摸清水资源家底

    韩双宝

    黄河是中华民族的母亲河。在自然环境变化与人类活动的双重影响下,黄河流域面临严重的水资源与水平衡问题。流域水资源总量贫乏,开发利用程度高;水资源时空分布不均,产水区、用水区不匹配,有效利用难度大;耗水量持续增长,供需矛盾突出;生态环境需水量研究不深、配置不足,造成湿地萎缩退化等一系列水资源与水平衡问题。

    党的十八大以来,习近平总书记多次实地考察黄河流域生态保护和发展并作出重要指示,明确黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略,发展要坚持生态优先,把水资源作为约束,以水而定,量水而行,合理规划黄河流域人口、城市和产业发展。

    为摸清流域水文地质条件,以及水资源数量、质量、开发利用及其影响,在自然资源部中国地质调查局的统一部署下,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心联合地调局有关单位,开展了黄河流域水文地质调查工程。

    目前,该工程已完成流域内34万平方千米地下水主要分布区的水位统测工作,掌握了黄河流域地下水流场及水位变化特征。在湟水河流域、渭河流域、汾河流域、黄河下游干流区等典型流域开展水文地质与水资源调查,实施了一系列地表水—地下水转化断面监测、入渗与蒸发试验,为流域水资源评价提供关键水文地质参数。此外,还开展了流域水平衡分析研究,明确了目前黄河流域上中下游重点地区的水平衡问题。

    为支撑黄河流域生态保护与高质量发展,水文地质环境地质调查中心将继续组织开展水文地质与水资源调查、地下水统测、地下水资源评价、信息化与数据库建设、综合研究等工作,以干支流河谷区、银川平原、河套平原、关中平原、鄂尔多斯盆地、太原盆地、运城盆地、临汾盆地和黄河下游干流区为重点,开展年度统测,掌握地下水位状况、盈亏量及其相关的生态环境问题,分析区域地下水位变化趋势、成因及应对对策;科学划分水文地质单元,开展地下水资源数量、质量评价,分析生态环境问题,提交国情数据;针对典型子流域重点生态环境问题,查明水文地质条件与水资源状况,揭示水资源变化与生态环境的关系,提出地下水资源合理利用、生态保护建议。

    围绕黄河上游局部地区生态系统退化,中上游主要平原(盆地)地下水开发利用程度高、生态环境变化大,下游悬河段地表水—地下水转化关系变化、三角洲湿地生态变化等问题,项目将开展重点调查和水平衡分析,服务国土空间规划与生态修复。

    (作者系黄河流域水文地质调查工程首席科学家)

    汾河流域: 保护岩溶大泉迫在眉睫

    申豪勇 谢 浩

    汾河发源于山西省宁武县东寨镇管涔山脚下的雷鸣寺泉,在山西省万荣县荣河镇汇入黄河,全长716千米,控制流域面积39741平方千米,是黄河的第二大支流。汾河横贯整个山西省中南部,流经包括省会太原市在内的6个地市,流域面积约占山西省总面积的1/4。

    汾河流域以发育有岩溶大泉为主要特征,受地形地貌和地质构造的控制,流域内共发育了8个规模不等、流量不等的岩溶大泉,从上游到下游依次为雷鸣寺泉、晋祠泉、兰村泉、洪山泉、郭庄泉、霍泉、龙子祠泉和古堆泉。岩溶大泉的泉水流量稳定、水质良好,且便于开发利用,是周围城市生产和生活的主要供水水源。但随着经济的快速发展,流域内水资源供需矛盾日益突出,水资源过度开发引发的生态环境问题日益严重,加强岩溶大泉的保护迫在眉睫。

    随着泉域内自然条件的改变和人类活动强度的加剧,岩溶泉域的地质结构、水循环要素以及输入输出条件都发生了根本性变化,并诱发了一系列水资源环境问题。首先,岩溶大泉的泉水流量大幅度衰减甚至断流:20世纪60年代汾河流域8个岩溶大泉的总流量达每秒27.09 立方米,到2017年已衰减至每秒8.56立方米,其中兰村泉、晋祠泉、古堆泉和洪山泉已经断流。其次,区域岩溶地下水位持续下降:20世纪80年代到2010年,年平均下降速度为1米~2米;2010年以后,由于当地政府实行地下水压采政策,下降速度有所减缓。再次,岩溶地下水的水质呈恶化趋势:受地质结构影响,汾河流域多数岩溶水系统为“水煤共存”系统。煤炭资源开发,特别是近年来闭坑煤矿形成的“老窑水”对岩溶地下水资源的污染日益严重。

    中国地质调查局岩溶地质研究所组织实施的《汾河流域晋中南大型岩溶泉域1:5万水文地质调查》项目,对汾河流域中游的晋祠泉域和兰村泉域开展了1:5万水文地质调查,掌握了泉域内岩溶地下水资源的开发利用现状,并提出了晋祠泉复流措施。利用项目建立的地下水渗流数值模型,对各种措施的效果进行定量评价预测,晋祠泉有望在未来2~3年恢复出流。

    针对汾河流域的水资源供需矛盾问题及生态环境问题,加强汾河流域地下水资源保护、开展岩溶大泉的生态环境修复需要重点关注以下几个方面的工作:一、加强岩溶大泉基本水文地质条件的调查工作,尤其是掌握其随自然或人类活动产生的变化情况,这是开展地下水资源合理开发利用与保护的前提;二、查明各岩溶大泉泉水流量衰减或断流的成因,为泉水的生态修复提供基础依据;三、开展“老窑水”对岩溶地下水的环境效应分析,揭示岩溶大泉水质恶化的原因。

    (作者分别系中国地质调查局岩溶地质研究所《汾河流域水文地质调查》项目负责人、成员)

    华北平原: 加强地下水合理开发是关键

    石建省 张翼龙

    地下水长期过度开采会引发一系列资源、生态、地质环境问题。目前,我国华北平原已经成为世界上地下水降落漏斗面积最大、地面沉降最严重的地区。2014年,国家启动河北省地下水超采综合治理试点;2019年,国务院印发实施《华北地区地下水超采综合治理行动方案》。通过城镇自备井关停、最大限度利用外调水、置换农业农村生活水源、探索旱作雨养种植模式、开展休耕轮作试点、大力发展节水灌溉等一系列措施,目前,华北地区用水总量增长得到一定程度遏制,城市集中供水区地下水位下降态势初步扭转,但区域地下水降落漏斗发展态势依然严峻。

    地下水超采治理是一个长期过程。现阶段地下水超采治理以控采为主,从长远来看,超采治理不能仅是禁采和限采地下水,地下水位的过度回升也会导致一系列的生态环境问题。例如,浅层地下水水位过高会导致地下水蒸发增加,形成土壤盐渍化;过高的地下水水位可能会造成地下空间和建筑地基失效。因此,从水平衡角度出发,加强地下水合理开发是地下水超采治理需要研究解决的重要问题。

    自然资源部中国地质调查局部署开展的“海河—淮河流域水文地质调查工程”对华北平原水平衡变化进行了重点研究。基于此,就科学开展地下水超采治理提出以下建议:

    一是注重水平衡变化分析。加强超采治理的水文变化过程研究,进行水平衡动态分析评价,根据影响水平衡的关键要素,优化调整治理措施,制订科学合理的地下水开发方案,充分发挥地下水资源的作用。

    二是科学确定超采治理目标。针对不同区域地下水功能,根据稳定地下水位、防止水资源枯竭、减缓地面沉降、保证城市地下空间工程安全、防止土壤盐渍化、保护湿地资源等综合指标,分层、分区划定科学化、精准化超采治理“红线”。

    三是遵从和维护水循环自然规律。建议尽量恢复水循环自然功能,水资源利用要因“地”制宜,因“质”制宜,宜地表则地表,宜地下则地下。要保证优质地下水资源首先用于人民饮用,下决心全面置换工业用水的地下水开采,根据水源置换能力和地下水可供性综合调整农业产业结构,切实做到“以水定产”。

    四是推进非常规水源开发利用。华北平原中东部地区的中浅部分布有大范围微咸水、半咸水,资源量约36亿立方米/年,尚未得以有效开发利用。应进一步创新工作思路,转变研究理念,加强咸水、微咸水改善与开发利用技术研究,最大限度地实现咸水、微咸水资源化,以咸水、微咸水的区域性改善与规模化开发,促进华北平原地下水可持续利用。

    五是加大地下水安全回补。充分利用地下水超采形成的地下库容,发挥地下水的调蓄功能,开展多水源联合调度,实施地下水安全回补与调蓄工程,构建集地下水回补及调蓄—风险评价—监控预警—含水层管理于一体的地下水涵养体系,以实现地下水安全回补以及含水层综合调蓄与管理,进而提高区域水资源及水环境承载能力。

    六是优化地下水监测体系。现有的国家和省级地下水监测点以区域性控制为主,针对不同水文地质单元布设,尚不能有效支撑地下水超采治理目标划定和效果评估工作。建议针对地下水严重超采区、地下水降落漏斗分布区、地面沉降严重区等区域,优化和加密地下水监测网,建立精准地下水超采治理监测网,为全国地下水超采治理监测起到示范作用。

    (作者分别系中国地质调查局水文地质环境地质研究所党委书记、副所长,水文地质与水资源调查计划首席科学家;中国地质调查局水文地质环境地质研究所科学技术处处长)

    赣州四县: 让贫困区缺水百姓喝上干净水

    邵长生

    “终于能喝上干净水了!”今年春节前夕,江西省宁都县青塘中学收到了一份特殊的新年礼物——由中国地质调查局武汉地质调查中心建设的安全饮水示范井。该井是武汉地调中心落实自然资源部和中国地质调查局党组工作部署,在江西宁都县青塘中学组织实施的一项惠学惠民工程,解决了困扰该校20余年的安全饮水难题。

    让缺水地区更多的群众喝上干净、卫生的地下水,一直是中国地质调查局支撑脱贫攻坚的目标之一。江西省赣州市兴国县、赣县区、于都县、宁都县(以下简称“赣州四县”)是自然资源部定点帮扶县。这里不仅季节性缺水问题突出,而且由于地处红层区、浅变质岩区和花岗岩区,地下水基本水文条件不佳,找水打井困难。自然资源部加强对定点帮扶的赣州四县支持力度,要求中国地质调查局发挥专业优势,做好“两不愁三保障”中的饮水安全保障工作。

    针对赣州市贫困地区农村饮水困难及旱情导致的季节性严重缺水等问题,2019年,地调局组织武汉地质调查中心、南京地质调查中心和水文地质环境地质调查中心3家直属单位,在赣州四县开展找水打井专项水文地质工作,共实施了183口水井,涉及106个村组、10个千吨万人水厂,直接解决了7.74万人的安全饮水问题,并为12.1万群众提供补充水源。

    2019年,赣州地区遭遇近百年一遇干旱灾害,持续时间长达6个月,河塘干涸、溪水断流,群众饮用水困难问题越发突出,部分水厂限时供水,甚至无水可供。随着脱贫摘帽时间接近,该类村组的安全饮水问题更成为当地政府部门“两不愁三保障”工作的头等大事。中国地质调查局急群众之所急,及时开展找水打井工作,提供应急备用或补充水源,让当地政府和群众吃下定心丸。如赣县杨西村水厂地表水源干枯,武汉地调中心及时为该村建设了一处日供水量可达256吨饮水示范井,大埠乡正规划将该处作为乡政府驻地近1万人的补充水源。

    下一步,自然资源部中国地质调查局及直属单位将继续落实党中央和自然资源部党组关于脱贫攻坚的指示精神,坚持脱贫不脱政策、脱贫不脱帮扶、脱贫不脱责任,继续充分发挥专业优势进行帮扶。一是查漏补缺,在安全饮水保障程度不足、高铁锰氟等水源质量差的问题地区,继续开展找水打井和改善治理示范;二是聚焦产业扶贫,针对赣州四县特色的天然矿泉水资源、地热资源和富硒蔬菜产业灌溉水资源等需求,开展勘查与评估,为当地特色水产业可持续发展提供服务;三是提出赣州四县地下水资源开发利用建议,指导当地地下水资源开发利用,为实现脱贫攻坚和乡村振兴有效衔接提供地质支撑。

    (作者系中国地质调查局武汉地质调查中心《赣南地区饮水安全水文地质调查》项目负责人)

    幸福之水哪里来?
      2015年1月5日,经过3个小时的飞行,考察队与两名澳方人员一起抵达了本次南极考察的重点工作区——北查尔斯王子山比弗湖地区,这也是我国科考队员首次到达此地。

      因为直升机计划将在5日早上直接从机场出发前往北查尔斯王子山,因此我们在完成了布朗山的地质考察之后,当天晚上并没有返回戴维斯站,而是直接在机场宿营,但是由于机场的房间有限,我们只能住在临时搭建的帐篷里面,同时这也是所有澳大利亚南极考察队员都必须经历的一项训练项目。


    考察队员前往机场宿营地(陈虹拍摄)

      日早上,飞行计划改变,我们从机场返回戴维斯站,然后再分别乘坐2架“小松鼠”直升机前往北查尔斯王子山地区。与此同时,负责运送野外考察物资的“双水獭”固定翼飞机先后起飞。飞行途中,我们还在空中相遇,这让我们充分体会到了澳大利亚南极考察航空网络的强大。起飞约1小时后,直升机在戴维斯站-北查尔斯王子山中间位置的Sansom岛进行加油,我们也利用这个短暂的时间对附近地区开展了地质考察,并采集了相关岩石样品。
     

    “双水獭”飞机与我们结伴而行(陈虹拍摄)

      下午1点,我们顺利抵达了北查尔斯王子山比弗湖地区,而“双水獭”飞机早已完成了卸货工作。按照原定计划,我们将设置南、北两个营地,其中南部营地直接利用澳方建立的苹果房,北部营地则需要我们自己搭建帐篷。下飞机之后,两架“小松鼠”直升机开始分头行动,其中一架直升机带领刘晓春研究员前往我们将要考察的地区进行初步踏勘,并进一步确定北部营地的位置;另一架直升机则开始转运我们的物资。由于直升机的运货能力有限,2架直升机总共飞行了6个架次,才把我们的所有物资和人员运送完毕。


    起飞前中澳双方共同协商确定北部营地具体位置(刘健拍摄)


    直升机运送物资和人员(陈虹拍摄)

      安全起见,澳方特别安排了专业后勤保障人员James负责陪同。在James的建议下,结合风向和地形特点,我们确定了帐篷的搭建位置、饮水雪源区(需要化雪取水)、卫生间和露天厨房的场地。经过大约2个小时的布置,各种生活物资和个人行李都安置妥当,营地搭建也顺利完成,我们将从这个地方起步,正式开始我们的北查尔斯王子山考察。


    搭建完毕的北部营地(陈虹拍摄)

      本次北查尔斯王子山考察地区距离戴维斯站约440千米,但是我们仅用了3个小时便顺利抵达,还在极短的时间内完成了营地建设。让我们体会到了国外南极考察交通便利性以及工作高效性。我国南极考察的主要空中运输工具为直9和KA32直升机,由于飞机数量和运输能力有限,目前仅用于站区附近的卸货工作,仍然无法支持较远地区的内陆考察。所以,逐步加强空中运输能力也是我国南极考察需要解决的问题。

    南极北查尔斯王子山考察系列报道(七)