地热资源协同水产养殖的低碳循环模式构建研究

在全球气候变化背景下 ，发展低碳循环经济已成为我国实现“双碳”目标的重要战略 。 农业领域作为碳排放的重要来源 ，其绿色转型对实现国家碳达峰碳中和目标具有关键作用 。 水产养殖业作为农业的重要组成部分 ，在提供优质蛋白的同时 ，也面临着资源消耗大 、环境污染严重等问题 。地热能作为一种清洁可再生能源 ，与水产养殖业结合可形成独特的低碳循环模式 ，既能提高养殖效益 ，又能减少碳排放 ，具有重要的生态和经济价值。

1 张家口市地热资源分布与开发利用现状

张家口市地热资源类型丰富多样 ，以中低温热水为主 ，其水温在 ２５ ～ ９０ ℃ 之间 ，广泛分布于坝下山间盆地及中低山区 ，像赤城 、怀来 、阳原 、蔚县等地都有分布。 ２０２３ 年 ，阳原县还首次探获了中高温地热资源 ，填补了冀西北山区深部地热资源勘查的空白。 张家口市地热资源可开采总量丰富 ，流量较大 ，但总热量不高 ，十分宝贵 。 部分学者已对地热资源的利用方式及保护措施进行研究 ，构建了多种可持续利用模式 ，为当地地热资源的合理利用提供了指导 。 目前 ，张家口市地热资源利用方式主要以灌溉 、洗浴等粗放型利用为主 ， 仅部分地热田开发为旅游景点 ，尚未被充分开发利用。 这种现状为地热资源在水产养殖领域的应用提供了广阔空间。 张家口市地热资源开发已形成“勘探— 开发— 利用— 回灌— 监测” 的完整闭环。 阳原振阳新能源发展有限责任公司已取得三马坊地热区块采矿权 ，采用“群采群灌”技术 ，确保采灌均衡。 冀东油田在河北推广的“同层回灌”“井下换热”等成熟技术 ，可降低开发成本并保障可持续性 。 地热回灌技术方面 ，移动式地热尾水回灌装置可处理尾水并加压回灌 ，最大回灌量达３００ m３ ／h ，适配张家口市地热井开采规模 。

2. 地热资源在水产养殖中的低碳循环技术

地热水产养殖是通过抽取地下 ≥ ２０ ℃ 的地热资源 ，构建恒定水温环境的水产养殖模式 。 罗非鱼（Oreochromis）为热带鱼类 ，生存温度范围为１２ ～ ４２ ℃ ，低于 １０ ℃ 会致死 ，越冬水温需稳定在１６ ℃ 以上以避免冻伤或死亡。 实际养殖中 ，抽取≥ ２０ ℃ 地 热 水 可 有 效 维 持 池 塘 水 温 在１７ ～ ２０ ℃ ，实现亲本保育 、苗种早繁及成鱼越冬养殖。 越冬过程依赖保温设施（如塑料薄膜覆盖的温室） ，以防止热量散失和外部低温影响 。 例如 ，实践中大棚可调控气温 ，结合地热水将水温稳定在１６ ～ ２０ ℃ ，确保罗非鱼安全越冬 。 基于一般实践表明 ，鱼菜共生系统常选用耐寒 、低光照需求的品种 ，如生菜 、菠菜或水芹 ，以适应大棚环境 。

低碳循环经济体系是以低能耗 、低排放为基石 ，融合循环经济理念的可持续发展模式 ，其核心原则为“减量化 、再利用 、资源化” 。 水产养殖领域主要依托地热供暖技术 ，通过热交换系统将地热水降温至适养温度后注入养殖池 ，系统集成温度传感器 、流量控制阀等装置 ，实现水体温度 ± １ ℃ 的精准调控 ，构建“鱼菜共生” 系统 ，形成“鱼肥水— 菜净水— 水养鱼”的生态循环 ，尾水经过处理后进行回灌。 地热水加热养殖池系统如图 １ 所示。

图 1   地热水加热养殖池系统示意图

3. 地热资源协同水产养殖的低碳循环模式构建

3.1构建思路

基于张家口市中低温地热资源特点和水产养殖需求 ，构建“地热能— 水产养殖— 尾水处理 — 资源化利用”的闭环系统 。 该模式通过地热能提供恒温环境 ，降低养殖能耗 ；通过循环水养殖技术减少水资源消耗 ；通过尾水处理实现污染物资源化利用 ，最终形成低碳 、高效 、可持续的水产养殖体系。

3.2构建路径

该低碳循环模式的核心构建路径如下 ：首先 ， 利用地热井开采 ２５ ～ ４１ ℃ 的中低温地热水 ，通过板式换热器进行一级热能提取 ，用于水产养殖池的恒温控制 ，维持水温在适宜鱼类生长的范围内 。养殖池采用高密度养殖技术 ，每立方水可养５０ kg 鱼 ，是传统养殖的 ３０ 倍 ，同时配备智能监测系统实时调控水质 、溶氧量等参数 。 其次 ，提取完热能的尾水（约 ２０ ～ ２５ ℃ ）进入二级利用环节 ，通过热泵系统为鱼菜共生系统中的蔬菜种植区提供热量 ，维持种植环境的适宜温度 ，同时利用鱼菜共生系统的微生物分解技术 ，将鱼类排泄物转化为蔬菜生长所需的天然肥料 ，实现水体净化与资源循环利用 。 最后 ，经过净化的水体回灌地下 ，形成闭环水循环系统 ，并将使用过的地热水通过回灌井返回地下热储层 ，确保地热资源的可持续开发与利用。

在该模式中 ，地热资源的梯级利用与鱼菜共生系统的技术整合是关键 。 通过板式换热器与热泵技术的结合 ，实现了地热能的高效提取与分层利用 ，同时避免了地热水直接污染种植区 。 鱼菜共生系统则通过微生物分解技术 ，将养殖产生的废弃物转化为种植所需的养分 ，减少外部肥料使用 ，降低碳排放 。 系统运行过程中 ，全程采用智能监测与控制技术 ，包括水温 、p H 值 、溶解氧 、氨氮 、亚硝酸盐等关键参数的实时监测 ，确保系统稳定运行 。 同时 ，该模式充分利用了张家口市丰富的地热资源 ，减少对传统能源的依赖 ，符合当地“可再生能源＋ 农业”的发展政策。

4.可行性与建议

4.1 可行性分析

国内外成功案例普遍采用地热梯级利用技术 ，通过板式换热器 、热泵系统等设备实现热能的分层提取与利用。 该模式具有显著的经济效益与环境效益。 一方面 ，地热能替代传统燃煤／电加热可减少 CO２ 排放约 ７６ kt／年 ，降低能源消耗 ；另一方面 ，鱼菜共生系统可使氨氮 、磷酸盐分别降低８５ ．６４ ％ 和 ７１ ．０１ ％ ，实现“养鱼不换水 、种菜不施肥”的生态闭环。 综合资源禀赋 、市场需求和技术基础 ，张家口市发展地热资源水产养殖模式具有显著可行性。 一是地热资源丰富且分布集中 ，特别是坝下山间盆地的地热井流量大 、水温适宜 ，为低碳循环水产养殖提供了稳定热源 ；二是北京及京津冀地区对特色水产需求旺盛 ，冷链设施完善 ，为产品销售提供了保障 ；三是地热梯级利用与鱼菜共生技术已在国内其他地区成功应用 。 此外 ，该模式可显著降低养殖成本 ，提高产量 ，张家口市阳原县三马坊乡和康保县张纪镇已成功实施该模式［１３ ］ ，年养殖淡水鲈鱼（L ateolabrax j aponicus ）、鳜鱼（Siniperca chuatsi ）等 ３５０ t 以上 ，蔬菜产量５ ０００ t 。 阳原县三马坊乡罗非鱼养殖基地年产值突破 １２０ 万元 ，达到３７５ 万元／hm２ ，为当地农民提供就业岗位 ，人均年增收 ４ 万元～ ５ 万元。 康保县示范园区鱼菜共生系统经补贴后净投资约２ ６００ 万元 ，水产年净收益 ９００ 万元 ，预计静态回收期 ２ ．９ 年 ，叠加蔬菜协同效益可缩至 ２ 年 ，显著优于传统水产５ ～ ８ 年周期。 东营实践佐证 ，地热应用缩短养殖周期 ３０ d 、降本 ８０ ％ ，年利润超百万元 ，验证该低碳循环模式具备显著经济与环境效益 ，投资可行性突出 。

4.2对策建议

建议采用“地热梯级利用＋ 鱼菜共生”的低碳循环模式 。 首先 ，利用地热井开采 ２５ ～ ４１ ℃ 的中低温地热水 ，通过板式换热器进行一级热能提取 ， 用于水产养殖池的恒温控制 。 其次 ，提取完热能的尾水（约 ２０ ～ ２５ ℃ ）进入二级利用环节 ，通过热泵系统为鱼菜共生系统中的蔬菜种植区提供热量。 最后 ，采用“群采群灌”技术将使用过的地热水回灌至地下热储层 ，确保资源可持续利用 。 同时 ，引入智能监测系统实时调控水质 、溶氧量等参数 ，结合化学沉淀技术处理氟化物超标问题 ，确保养殖环境安全 。 另外 ，政策支持是影响发展的重要因素。 一是将地热养殖纳入“可再生能源＋ 农业”补贴范围 ，明确氟处理设备的购置补贴比例 ；二是简化审批流程 ，参照“地热能开发一件事” 模式 ，整合多部门流程 ，缩短建设周期 ；三是推动“地热养殖＋ 冷链物流”协同发展 ，利用大兴机场冷链设施降低运输成本 ，提升产品竞争力 ；四是加强技术标准建设 ，制定地热养殖水质处理 、尾水回灌等技术规范 ，确保资源可持续利用 。

5.结论与展望

地热资源协同水产养殖的低碳循环模式是实现水产养殖业绿色转型的重要路径 。 张家口市发展地热资源水产养殖的低碳循环模式具有良好的资源基础 、市场需求和技术条件 。 通过政策引导、技术创新和产业链整合 ，可有效解决氟化物超标 、审批流程复杂等实施难点 ，构建“地热 ＋ 水产养殖＋ 蔬菜种植”三位一体循环模式 ，形成“地热 — 养殖— 种植— 回灌”的闭环系统 ，可实现能源高效利用 、养殖效益提升与碳排放减少的多重目标 ，实现资源高效利用与环境友好。 同时 ，应注重模式的本地化适应 ，结合张家口市气候特点和地热资源状况 ，发展具有区域特色的低碳循环养殖模式 ，为全国同类地区提供可借鉴的经验 ，为北方地区水产养殖业的绿色低碳转型提供有力支撑 。