环境地质学第六章

第六章能源与地质环境能源是人类生产和生活所必需的物质基础。早在原始社会．人类便学会了钻木取火．开始了能源的利用。在人类的能源利用史上，不论从薪柴转向煤炭，还是由煤炭转向石袖、电力，每次能源变革都立足于能源开发利用技术的飞跃，都伴随着产业革命，使生产力获得极大发展。同时，能源利用对人类生存环境的破坏和污染也相伴而生。能源环境问题已成为国际社会普遍关注的重再问题。调整能源结构、开发新能源已成为人类社会持续发展所必须解决的一项课题。第一节能源与能源环境问题概述一、能源的概念及其分类(一)能源的基本概念从字面上看，“能源”即能量的来源。能源的科学定义是指能为人类利用并可获得能量的资源。能源的范围随着人类社会生产和科学技术的发展而不断扩大，它包括提供某种形式能量的物质资源和某种物质的运动形式。矿物燃料、风力、水力、太阳能等都是能源。(二)能源的分类地球上可供人类使用的能源主要来自地球以外的天体，最主要的是来自太阳的辐射能，薪柴、化石燃料、水能、风能、海流能、波浪能等都是由太阳辐射能转化而来的。地热能和放射性核燃料是地球本身蕴藏的能量，而潮汐能则是地球和其他天体相互作用而产生的能量。为了便于研究，人们从不同的角度对能源做了分类。1按照能源的生成古式划分可分为一次能源和二次能源。一次能源也叫初级能源，是自然界现已存在，可以直接使用而不改变其基本形态的能源，如煤炭、石油、天然气、水力、太阳辐射等。二次能源也叫次级能源，是指由一次能源加工转换而得到的产品能源，如电能、汽油、沼气、火药、酒精等。2按照能担的彤戒和再生性划分可分为可再生能源和不可再生能源。可再生能源一般指不会随人类的开发利用而递缩的能源，即能够重复产生的自然能源，如水力、潮汐、太阳辐射、风力、地热等。不可再生能源指经过漫长的地质年代生成，一日使用在短期难以再生成的能源，如化石燃料、核燃料。3按照能甄的利用历史和使用状况划分可分为常规能源和新能源。常规能源指在一定历史时期和科学技术水平下，已经被人们广泛应用的能源。在当今，水力、煤炭、石油、天然气、核裂变材料均属常规能源。新能源指由于科学技术进步新发现的能源资源或利用先进技术新开发的能源产品；过去曾被利用过而现在又以新的方式利用的能源也属新能源。前者如太阳能、地热能、海洋能、沼气（生物质能)等；后者如风能，人类早在柴草能源时期就广泛利用风力带动风车汲水、推磨碾米，后来被电动机所代替，最近几年利用风力发电，重新引起人们的重视，所以风能是一种“古老的”新能源。然而，常规能源和新能源是相对的慨念，在不同的历史时期和不同的科学技术水平条件下，其范围是不同的。19世纪初，蒸汽机刚开始使用时，煤炭曾是那时的新能源；而现在煤炭却已是常规能源了。20世纪50年代，核能刚被利用，被人们称为新能源，随着科学技术的进步，现在垒球已建立了300多座原子能发电站。工业发达国家已把棱能看成是常规能源，但发展中国家仍把它看作新能源。4按照能源使用方式划分可分为燃料性能源和非燃料性能源。燃料性能源指通过直接燃烧而产生能量的能源．如矿物燃料、生物燃料、核燃料等。非燃料性能源指不需通过燃烧就可获得能量的能源，如风能、水能、潮汐能、地热能、太阳能等。此外．根据能源使用过程中对环境污染的情况，还可把它分为清洁性能源和圬染性能源。前者如太阳能、水能和海洋能等，后者如煤炭、石油、裂变棱燃料等．能源的各种分类方法可归纳如表6一l所示。二、常规能源的供给与需求(一)常规能源的供应状况目前．已为人类广泛升发利用的常规能源主要有煤炭、石油、天然气、核裂变材料²³5U和水力等。其中前三种都是由远古的化石演变而成的燃料，称为矿物燃料或化石燃料．它们是在地球演变过程中某些特定阶段的自然产物。1。矿物燃料矿物燃料是世界上重要的能源资源。它们均是有机质死亡后在埋藏条件下形成的。矿物燃料的产出几乎遍布全球，但它们在地质时代和空间上的分布是相当复杂的。从时代上讲，无论煤炭还是油气，主要储藏在某些特殊地质时代的地层中，知中国主要聚煤时期有：古生代的石炭二叠纪，中生代的侏罗纪．新生代的第三纪。从地区分布上看．全球矿物燃料的地质储量在各地有着很大的差别，前苏联拥有最大的焊炭储量，其次是北美洲和中国；世界油气资源主要集中在北纬20°～40°之间和50°~70°之问，近60％的世界石油储量集中分布在中东，其次为北美(105％)、南美(84％)(图6—1)。中国煤炭资源可采储量l.145×108t。居世界第三位．煤炭占各种化石燃料资源总储量的95％以上；已探明的石油开采资源为33.2x108t，居世界第11位；天然气探明储量15276×108m3，居世界第19位；可开发的水能约3.79×108kW，居世界第一位。2水力能源地球上成千上万条川流不息的江河为人类提供了丰富的水力能源。人类很早以前就利用水轮机打谷、碾米，但直到交流发电机发明之后，水力才被大规模开发利用，它是仅次于石油天然气和煤的主要能源。据世界资源研究所发表的《世界资源报告》，1986年水力发电在争世界发电最中占21％。目前，全世界现有技术可开发的水力资源蕴藏量约为22×108kw。但水力资源的开发程度在不同地区是很不相同的，西方发达国家的水力开发程度已达40％以上，某些国家的电力高度依赖于水力；而对于发展中国家．情况则完全不同。中国地域辽阔，河流众多，地形高差大，水力资源极为丰富，占世界第一位。全国水力资源理论蕴藏量为68x108kw，可供开发利用的水能资源约为3.8×108kw，年发电量可达1.9x1012kw.·h。但2001年全国发电量为14780×108kwh，开发程度仅19％，低于世界平均开发程度的22％；人均年发电量11583lkw·h只占世界人均发电量的l／4。3核能核能是重要的现代能源之一，特别是在能源结构从石油转向非油能源的时期，核能、煤炭和节能被桃为解决能源短缺的希望。核电是当代经济、安全、可靠的优质二次能源，许多工业发达国家和一些发展中国家都在积极发展核电。目前，人类所利用的核能的生成物质是铀（235U）。铀在地壳中的丰度约为2×10-6。据OCED／IAEA(1989)，世界铀总储量为359.7x104t，其中目前经济可采储量162.5x104t。澳大利亚储量最多，储量超过10x104t的国家依次为南非、尼日尔、巴西、前苏联、加拿太和美国。中国铀矿资源特点是矿床规模小，成群产出，品位偏低，埋深较大。(二)能源消费能源是人民生活和社会发展的物质基础。能源需求与国民经济的结构、经济与人口的增长速度、能源生产和消费等多项因素有关。随着工业生产和现代农业的飞速发展、大众生活水平的提高以及战争和军备竞赛，世界能源生产和消费总量在迅猛增加(表6—2)。在能源消费中．化石燃料仍占有重要的地位。1998年世界一敬能源消费结构为石油39.9％、犬然气23.5％、煤炭26.7％、核电7.3％、水电2.6％；中国的结构为石油19.8％、天然气2.1％、煤炭7l.6％、核电及水电6.5％，近几十年来，中国能源建设有了长足的发展(表6—3)。煤炭产量自1989年突破10×108t以来，一直居世界第一位，1996年选13.96×108t，创历年最高产量；石油年产量自1997年以来，一直保持存1.6x108t以上，居世界第五位。2001年全国发电装机容量达3.38×108kW，全年发电量达14780x108kW·h，仅次于美国，均居世界第二。三、能源环境问题概述能源是发展农业、工业、国防、科学技术和提高人民生活水平的重要物质基础。能源利用的广度和深度是衡量一个国家生产力发展水平的主要标志之一。随着能源的供应和燃料消耗量日益增多，在其开采、输送、加工、转换、利用和消费过程中，都直接或间接地改变着地球上的物质平衡和能量平衡，必然对生态系统产生各种影响，成为环境污染的主要根源。特别是当能源供应不甚合理或燃料使用不当，在低燃烧效率消耗能源时，更会加重对环境的污染。所渭能源环境问题，就是指人类在开发和利用能源过程中对环境造成的危害．以及这种危害反过来对人类杜会的影响。它包括生态环境的破坏和环境污染两个方面。目前，全球主要能源环境问题有：温室效应、酸雨、臭氧层破坏、烟雾和热污染等。(一)温室效应20世纪80年代以来全球气候异常，热浪向全球各个角落袭来。西欧出现了历史上罕见的暖冬：千百年来风景优美气候宜人的开罗，也一反常态，被40％岛温骚扰而烦躁不安；被称为“世界粮仓”的美国，正忍受着半个多世纪来最严重的干旱；南亚在暴风雨袭击的同时，又不得不忍受热浪及干旱的重压，产粮区土地龟裂。自1986年开始，中国连续16年出现了冬季偏暖的现象，暖冬天气使全国多个城市的气温刷新纪录，2001年2月下旬北京平均气温破建国来最高记录。气象记录表明．20世纪中6个虽热的年头都出现在80年代以来的十几年间．1995年是近l00年来最热的一年。与100年前相比，现在全球平均温度提高了约0.6℃。计算机测算表明，再过40—50年，全球温度将比现在提高1.0一3.1℃。变暖的速度比19世纪快10~50倍。气候变暖与大气层的化学成分变化直接相关。太阳光照射到地球表面，一部分辐射能量被地球表面和云层反射，一部分被大气层和空气分子散射回宇宙空间，剩余部分则被地球表面所吸收，使地表增温。大气层吸收太阳辐射能量的气体主要有二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等等，俗称“温室气体”。这些气体的作用犹如一个温室的罩子，允许太阳辐射的能量穿过大气到达地表，同时又防止地球反射的能量逸散到天空。这种现象，其结果是使低层大气变暖。二氧化碳是引起温室效应的主要气体。研究表明．19世纪中期．即世界大规模工业化以前，大气中二氧化碳的含量约为290×10-6，现在已上升到350x10-6左右。大气层的化学成分在过去几千年的时间里基本上是稳定的，工业化以来发生的急剧变化，则成为气候必然变暖的原因所在。大气层化学成分出现上述变化的主要原因有：矿物能源消耗量大幅度增加；大面积森林及植被破坏。矿物能源消耗量大幅度增加导致二氧化碳排放量剧增．而森林植被锐减破坏了自然生态吸收二氧化碳制氧的机能，全世界因人为活动导致大气中二氧化碳增加量中矿物能源消耗所起的作用占50％以上，砍伐森林的作用约为25％左右。温室效应带来一系列环境危害。首先，由于气温升高，使海水变暖并膨胀、极地冰雪融化，从而导致海平面上升，沿海地区受到风暴潮、暴雨的灾害将更加严重．有些沿悔城市和岛屿将被海水淹没。其次，旱涝出现频率上升，中纬度内陆湖泊、水库水位将会下降甚至干枯，而高纬度低地则可能经常出现渍涝；不少现有的水利设施可能失效．一些内河湖泊和航运也将受到影响。再次，在中纬度的一些地区．夏季少雨，蒸发量大，会变的酷热难忍，森林失火和草原失火增多，水资源问题将更为尖锐。气候变暖对农业的影响则有利有弊，高纬度地区的生长季节会延长．有些干旱、半干旱地区降雨会增多．同时二氧化碳本身也是一种肥料。但由于地球上多数地区是雨热同季，如果夏季变得干热少雨，而冬季温湿多雨雪，将不利于农作物生长，并导致病虫害加重。(二)酸沉降目前。酸沉降的危害已成为一个严重的世界性问题，被称为。“空中死神”。所谓酸沉降．是指大气中pH值小于5.6的酸性物质的沉降现象。酸沉降包括湿沉降和于沉降，前者包括雨、雹、雾、露等沉降：后者包括酸性气体、颗粒物及有关物质沉降。酸雨仅是这种复杂的酸沉降现象中的一种，也是最常见的。不过由于历史的原因，现在仍有人沿用酸雨一词来表示广义的酸沉降。在正常情况下．洁净的雨水溶解大气中的二氧化硫等物质降落地面时pH值大约为6左右．即呈微酸性。当大气中的二氧化硫和氮氧化物遇到水滴或潮湿空气，即转化为硫酸和硝酸，溶解在雨中即导致雨水的pH值降至5.6以下，形成所谓的酸雨。据测定，酸雨的主要成分是硫酸和硝酸，两者占总酸量的90％以上。煤的主要化学成分是碳(C)．但也含有其他的许多杂质成分，如硫(S)。硫在煤中的舍量约为百分之一，在燃烧时生成酸性气体二氧化硫(SO2)；煤燃烧时产生的高温还能使周围的空气部分化学变化，空气中的氧气与氯气发生化学反应，生成酸性气体氟氧化物(NOx)。二氧化硫