冀中平原深部地下熱水資源可更新特征與依據
——以辛集館陶組地下熱水系統為例

張光輝，李　卓，嚴明疆，王　茜，王　威

1）中國地質科學院水文地質環境地質研究所， 河北石家莊 050061；2）河北省地礦局水文工程地質勘查院， 河北石家莊 050051

冀中平原深部地下熱水資源可更新特征與依據
——以辛集館陶組地下熱水系統為例

張光輝1），李卓2），嚴明疆1），王茜1），王威1）

1）中國地質科學院水文地質環境地質研究所， 河北石家莊 050061；2）河北省地礦局水文工程地質勘查院， 河北石家莊 050051

針對冀中平原深部地下熱水資源可更新性問題， 以辛集館陶組地下熱水系統為例， 采用相同開采強度下地下熱水位降幅異常變化的識別方法， 通過2000年以來該地下熱水位年際及月際降幅與開采量和上游山區年降水量之間響應變化特征研究， 結果表明： （1）冀中平原辛集地區館陶組地下熱水資源具有一定的可更新能力， 與上游山區年降水量變化相關， 還與地下水位埋深、當年開采引起的水位降幅大小和開采疏干層位礫粗砂巖及細砂巖占比狀況有關； （2）辛集地區館陶組地下熱水大規模開采， 是該地下水系統獲得上游區側向流入補給的必要條件， 屬于開采激發型補給， 更新補給的資源數量有限； （3）從2000年以來該區地下熱水水位動態變化趨勢來看， 目前該區地下熱水資源已處于超采狀態， 需要壓采或人工回灌增大補給， 否則難以可持續開發利用。

冀中平原； 地下熱水； 可更新性； 降水量； 上游區補給

由于地下熱水資源埋藏較深， 大多數被認為是不可更新的地下礦產資源（劉杰等， 2012； 高鳳棟和展民曉， 2013； 陳秀忠等， 2014； 周總英等， 2015）。在河北平原的保定—石家莊—邯鄲—衡水一帶（簡稱“冀中平原”）， 地下熱水資源比較豐富。但是， 由于對該地區地下熱水資源可更新性和可利用潛力認識不足， 有關冀中平原深部地下熱水資源能否可持續開發利用， 被長期爭論和擔憂。本文中的深部地下熱水是指埋藏在第四紀松散地層以下、賦存于新近系館陶組的地下熱水， 含水系統的頂板埋深大于1 000 m。由于開采區館陶組地下熱水資源儲層上覆巨厚的第四系， 包括數十米厚度、分布連續的隔水層， 由此也被認為不可更新。辛集地區館陶組地下熱水資源開發利用起始于2000年， 當年地下熱水開采量17.87萬m3， 2014年開采量達285.02萬m3， 僅在每年11月至次年3月份的取暖期開采， 用于取暖供熱。

高志娟和李書恒（2014）曾采用地下熱水同位素和水化學方法， 研究了華北地區500～3500 m深度的地熱資源更新能力， 認為華北熱儲形成年齡介于距今15 000 ～ 30 000 a， 屬于弱可更新或不可更新的凈消耗開采資源。張保建等（2015）提出華北盆地（平原） 2 500 m深度以上地下熱水具有更新能力，太行山、燕山山區是主要補給區。吳孔軍和馬傳明（2010）通過研究鄭州市區地下熱水地球化學特征，提出該區超深（埋深介于800 ～ 1 200 m）地下熱水具有更新能力， 更新周期為43.2 a。馬致遠等（2006）在研究關中盆地南部新近系（第三系）地下熱水中，發現該層地下熱水與上游地表水之間存在水力聯系，盆地邊緣斷裂帶是水力聯系的主要通道。尚海敏等（2015）進行了山前地下熱水循環機理研究， 周志芳等（2014）深入探討了地下水資源的永久消耗量。鄭菲等（2015）、吳志偉和宋漢周（2013）和翟遠征等（2013）研究了地下水流速和更新指標問題。王仕琴等（2009）、譚秀翠等（2013）和楊麗芝等（2013）對華北平原地下水補給進行了專題研究。

本文以冀中平原辛集地區館陶組地下熱水為例， 結合大量實際監測資料， 通過該區地熱下水水位埋深、年和月水位降幅對地下熱水開采量變化的響應特征， 以及其與上游區年降水量變化之間關系研究， 探討冀中平原深部地下熱水資源的可更新性特征和模式， 為該區地下熱水合理開發利用提供科學依據。冀中平原辛集地熱田位于石家莊市東65 km處的束鹿（現名為辛集）凹陷區（圖1a）， 地下熱水取自新近系館陶組及其下伏地層。束鹿凹陷是冀中凹陷體系中多期構造作用下形成的斷陷湖盆之一，東以新河大斷層為界， 西以斜坡形式向寧晉凸起過渡， 北以衡水大斷裂及饒陽凹陷相連， 南接小劉村陸梁， 面積約700 km2。該凹陷區內發育多期斷層，其中新河大斷層是正斷層， 累積斷距達數千米， 主要走向為北東， 傾向為北西向， 控制該凹陷盆地的邊界和延伸方向（圖1b）， 并導致東斷西超的盆地格局（劉前志， 1988； 王椿鏞等， 1994； 邱隆偉等， 2006；胡君春和郭純青， 2008； 姜枚等， 2012； 席明杰等，2013）。辛集地區館陶組地下熱水儲層基本覆蓋辛集（原地名為束鹿縣）地區， 地層沉積厚度介于338～743 m， 底板埋深介于1 600 ～ 2 100 m， 其中上部巖性為細砂巖、含礫粗砂巖、細砂巖及泥巖， 下部為雜色礫巖夾紫紅色泥巖（邱隆偉等， 2006； 王椿鏞等， 1994）， 已揭示的鉆孔統計砂厚比介于39.3％～68.1％， 熱儲空隙率介于17％～33％， 水化類型為Cl-HCO3-Na型水， 礦化度1.42～2.53 g/L和pH值介于7.50～8.06。該區館陶組的上覆地層為明化鎮組， 地層巖性為灰白色含礫粗砂巖、粉細砂巖與淺棕紅色泥巖呈不等厚互層。館陶組的下伏地層為東營組， 淺灰色細砂巖與紫紅色泥巖呈不等厚互層。

目前， 該地熱田正在開發利用的開采井22眼，其中XR1井（監測孔）、XR2井是利用石油廢棄井改造而成， 開發利用較早（2000年起）。這些地下熱水開采井的井深介于1 410～3 560 m， 井口水溫介于57～64℃。2014年11月份監測結果， 該地熱田的地下熱水水位埋深介于76～81.3 m， 單井涌水量介于75～130 m3/h。

1 地熱水資源可更新特征

1.1 熱儲層地下水位對開采量響應的變化特征

（1）年際變化特征

自2000年辛集地區館陶組地下熱水開發利用以來， 開采區中部的監測孔（XR1）地下水位與其他監測井水位一樣， 不斷下降。隨著館陶組開采井的數量和地下熱水開采量不斷增加， 至2014年累計地熱水開采量達2 151.94萬m3， 2014年開采量285.02萬m3/a，這一時期監測孔的地下水位埋深從1999年底的10.0 m， 下降至81.3 m， 年均水位降幅4.75 m（表1），呈超采狀態， 每增加1.0萬m3地下熱水開采量， 多年平均地下水位降幅增大0.03 m。

但是， 從圖2可見， 辛集地區館陶組地下水位下降幅度， 不是隨著該層地下熱水年開采量增加而增大。在2000—2014年開采期間， 2005年、2006年、2012年和2014年的地下水位降幅明顯增大， 而2007年、2011年、2013年的地下水位降幅明顯減小。尤其在2007年開采量比2006年增大情況下當年地下水位降幅卻明顯減小， 而在2014年開采量比2013年減少情況下當年地下水位降幅卻明顯增大（表1）。這表明， 除了地下熱水開采量對地下水位變化影響之外， 還存在可以導致該區館陶組地下水位降幅增減的重要因素。

圖2　2000—2014年期間研究區館陶組地下熱水年開采量及其水位埋深變化特征Fig. 2 Characteristics of geothermal water exploitation and its levels in Guantao Formation of Xinji area， middle Hebei plain from 2000 to 2014

表1　冀中平原辛集地區館陶組地下熱水開采量及其水位埋深變化特征Table 1 Characteristics of geothermal water exploitation and its levels in Guantao Formation of Xinji area， middle Hebei plain

（2）月際變化特征

從2009—2013年期間辛集地區館陶組地下水位埋深與各月份地下熱水開采量之間關系來看， 二者之間密切相關（圖3和圖4）。每年的11月至來年的1月份， 地下熱水的月開采量逐月增大， 該區地下水位急劇下降， 水位埋深持續增大， 期間水位降幅達58.8～67.6 m（圖3中A至B的下降幅度， 見表2）， 呈現地下熱水可開采資源量的有限性。

圖3　研究區館陶組地下熱水月開采量及其水位埋深變化特征Fig. 3 Characteristics of geothermal water exploitation and its monthly levels in Guantao Formation of Xinji area，middle Hebei plain

表2　冀中平原辛集地區館陶組2009—2013年期間各月地下熱水開采量及其水位埋深變化特征Table 2 Characteristics of monthly geothermal water exploitation and its levels in Guantao Formation of Xinji area，middle Hebei plain from 2009 to 2013

進入每年的1月份之后至3月份， 地下熱水的月開采量逐月減少， 地下水位緩慢回升。相對2月份， 每年的3月份的地下水位升幅介于1.5～3.5 m（表2）。在每年3月底停止開采地下熱水之后， 4—5月地下水位呈現大幅上升特征， 期間水位升幅達35.5～39.1 m， 其中每年4月份的升幅介于25.9～30.2 m， 5月份的升幅介于7.5～11.0 m（圖3、圖4和表2）。

圖4　2009—2013年期間研究區館陶組各月地下熱水開采量及其水位埋深變化特征Fig. 4 Characteristics of geothermal water exploitation and its monthly level in Guantao Formation of Xinji area，middle Hebei plain from 2009 to 2013

雨季（6月份）之后， 至當年取暖之前（11月份），地下水位仍然不斷上升， 期間累計升幅介于12.1～25.9 m（圖3中C至A）， 2009—2013年的每年6—11月期間平均月水位升幅介于2.02～4.31 m， 這表明該區館陶組地下熱水資源具有一定的更新能力。圖3中C至A點之間升幅的補給資源量， 應是來自開采區之外的上游區側向流入補給。但是， 從每年6—11月份期間地下水位升幅逐年減小的特征來看（表2）， 這種補給是十分有限的。由于上游區補給量有限， 而地下熱水開采井的數量和年開采量不斷增加（表1）， 進而造成館陶組地下熱水被疏干體積不斷增大， 所以， 有限補給資源量在年內形成的地下熱水水位升幅越來越小， 包括6—11月水位升幅和年內水位總升幅（表2）。

1.2 熱儲層地下水位對上游山區降水量響應的變化特征

從圖5可見， 2005、2006、2012、2014年辛集地區館陶組地下水位降幅明顯增大， 或2007、2011、2013年的水位降幅明顯減小， 都與上游山區（平山）年降水量變化具有一定的相關性。2005、2006、2012、2014年降水偏枯， 其中相對該區多年平均降水量，2005年降水量減少43.2 mm、2014年減少193.2 mm；2007、2011、2013年降水偏豐， 相對該區多年平均降水量， 分別增多135.8 mm、122.7 mm和46.9 mm。辛集地區館陶組地下水位降幅與當地年降水量之間沒有呈現上述特征， 沒有表現出相關性。

圖5　2000—2014年辛集地區館陶組單位開采量下地下水位降幅和年降幅對上游山區年降水量響應變化特征Fig. 5 Characteristics of annual and unit decline range of the geothermal water level in Guantao Formation of Xinji area in response to the pumping and annual precipitation in the upper reaches of the geothermal water system from 2000 to 2014

從2009—2013年的每年6—11月期間辛集地區館陶組地下水位升幅的衰減值與上游區年降水量之間的關系來看， 年降水量越大， 地下水位升幅的衰減值越小； 反之， 年降水量越小， 地下水位升幅的衰減值越大。相對2009年6—11月期間的地下水位升幅， 2010年地下水位升幅的衰減值達4.0 m， 對應年降水量為403 mm。相對2010年6—11月期間地下水位升幅， 2011年地下水位升幅的衰減值僅2.2 m， 對應年降水量為632 mm； 相對2012年6—11月期間地下水位升幅， 2013年地下水位升幅的衰減值為3.5 m， 對應年降水量為556 mm（圖5）。

2 地下熱水資源更新能力與模式

2.1 地下熱水資源更新能力分析

（1）開采量增大， 對應地下水位降幅減小的指示意義

在前節的“年際變化特征”中已闡明， 2000年以來研究區館陶組地下熱水開采量是不斷增加的， 從2000年的17.87萬m3， 經2005年的108.11萬m3和2010年的172.20萬m3， 至2014年地下熱水年開采量達285.02萬m3， 同期的地下水位埋深分別為12.2 m、28.2 m、54.7 m和81.3 m。但是， 每年的地下水位降幅不是隨著開采量的增大而逐年加大， 如圖2所示。在上游區年降水量較大年份， 由開采地下熱水引起的水位下降幅度較小； 在上游區年降水量較小年份， 地下熱水水位下降幅度較大。無論是地下水位年降幅， 還是單位地下熱水開采量下水位降幅， 都呈現上述規律（圖5）。如果不存在上游山區降水入滲的側向流入補給， 則隨著地下熱水開采量的增大， 研究區館陶組地下熱水水位下降幅度應是逐年增大， 而不會出現地下熱水開采量增大， 對應年水位降幅減小的異常情況。這表明， 開采區館陶組地下熱水系統與上游區降水入滲補給之間存在一定的因果關系。

（2）停止開采后地下水位恢復過程中證據

在前節的“月際變化特征”已表明， 無論是2009年地下熱水年開采量146.97萬m3， 或是2011年的240.66萬m3， 還是2013年達293.10萬m3， 每年進入1—3月隨著地下熱水的月開采量逐月減少， 地下水位都緩慢回升。相對2月份， 3月份的地下水位埋深的升幅介于1.5～3.5 m（表2）， 其中2009、2011年和2013年地下水位分別回升5.0 m、3.5 m和2.1 m。

每年4月份停止開采地下熱水之后， 當年4—5月都呈現地下水位大幅上升過程， 升幅達35.5～39.1 m， 其中2009、2011年和2013年地下水位升幅分別為35.5、37.8 m和37.3 m（圖4和表2）。如果不存在上游區可更新的補給， 應是隨著地下熱水開采量的大幅增加， 每年4—5月份地下水位升幅逐年減小特征。而事實上， 4—5月份該區館陶組地下熱水水位升幅沒有呈現減小趨勢。

另外， 每年4月份停止開采地下熱水， 至當年取暖之前（11月份）， 研究區地下水位持續上升，6—11月份的累計升幅達12.1～25.9 m， 平均月升幅達2.02～4.31 m， 這也表明該區館陶組地下熱水資源具有一定的更新能力。圖3中C至A點之間升幅應是可更新的補給資源所致。

（3）每年6—11月地下水位升幅的衰減值與上游區年降水量相關的佐證

從2009—2013年的每年6—11月期間該區館陶組地熱儲層地下水位升幅的衰減值， 隨著年降水量增大而減小， 呈現年降水量越大， 地下水位升幅的衰減值越小； 反之， 年降水量越小， 地下水位升幅的衰減值越大的規律（圖6）。例如相對2009年6—11月份地下水位升幅， 2010年地下水位升幅的衰減值達4.0 m， 對應的當年降水量減少106.2 mm（相對多年平均降水量）。而相對2010年， 2011年地下水位升幅的衰減值僅2.2 m， 對應的當年降水量增多122.8 mm（相對多年平均降水量）； 相對2012年，2013年地下水位升幅的衰減值為3.5 m， 對應的當年降水量增多46.8 mm。

圖6　研究區館陶組地下水位降幅變化與上游山區年降水量之間相關特征Fig. 6 The relationship between the decline range of the geothermal water level in Guantao Formation and annual precipitation in the upper reaches

從圖5可見， 辛集地區館陶組地下水位降幅明顯增大或減小， 都與上游山區年降水量顯著增減相關。例如2001年上游區年降水量僅285 mm， 對應的單位開采量條件下地下水位降幅達7.39 cm/（萬m3）；2005年上游區年降水量466 mm， 對應的水位降幅5.73 cm/（萬m3）。而在2007、2011年降水量明顯增大條件下， 即年降水量分別達645 mm和632 mm，對應的單位數量開采量條件下地下水位降幅明顯減小， 分別為1.18 cm/（萬m3）和1.49 cm/（萬m3）。

2.2 地下熱水資源更新屬性與模式

辛集地區館陶組地下熱水系統的補給應來自太行山東麓的丘陵山區及其與平原區之間深大斷裂帶， 為活塞式水動力傳遞補給模式， 進入開采區儲層的水仍是數千年前或更早形成的較古老地下水，而上游區該系統中地下水是當年降水入滲補給形成的， 自上游區至開采區地下水年齡越來越古老。如果該區館陶組地下熱水不被開采， 該層地下熱水系統始終處于封閉狀態， 該儲層難以獲得開采區之外的可更新性補給。正是由于大規模開發利用館陶組地下熱水， 使得辛集地區館陶組地下熱水系統水動力場被打破， 含水系統壓力大幅被釋壓， 由此創造了上游區降水入滲通過壓力傳遞形成側向流入補給所需的必要條件。從圖6可見， 上游區年降水量顯著變化， 開采區地下水位下降幅度正相關響應變化。張保建等認為， 太行山區是華北平原地下熱水的主要補給區， 冀中凹陷由于距離補給區較近， 地下水連通性較好， 形成巨大的具有統一水動力聯系的含水體， 在冀東凹陷的西北部、中東部地下熱水循環交替條件較好（張保建等， 2015）。

辛集地區館陶組地下熱水的這種補給量多少，除了與上游區降水量變化有關之外， 還與開采區地下水位埋深、上覆地層對開采地下水釋壓的反作用影響程度等因素有關。開采疏干段（水位下降段）礫粗砂巖及細砂巖占比越大， 抵御上覆地層壓密作用能力越強， 辛集地區館陶組開采地下水釋壓被影響程度越弱， 獲得上游區側向流入補給能力越強； 開采疏干段泥巖占比越大， 該區館陶組開采地下水釋壓被影響程度越強， 獲得上游區側向流入補給能力越弱。

總之， 辛集地區館陶組地下熱水不被開采， 開采區該層地下水系統難以獲得上游區具有更新性的補給量。地下熱水水位埋深越淺、當年開采引起的水位降幅越大， 開采疏干層位礫粗砂巖及細砂巖占比越大， 上游區降水量越大， 辛集地區館陶組地下熱水系統獲得具有更新性補給越多； 反之， 該區地下熱水系統獲得補給越少。總體上， 辛集地區館陶組地下熱水補給屬于開采激發型補給， 具有可更新特征（圖2、圖3和圖5）， 但是更新補給的資源數量有限（圖4）。

3 結語

通過上述研究表明， 得出如下認識：

（1）冀中平原辛集地區館陶組地下熱水資源具有一定的可更新能力， 與上游山區年降水量變化相關， 還與地下水位埋深、當年開采引起的水位降幅大小和開采疏干層位礫粗砂巖及細砂巖占比狀況有關。

（2）辛集地區館陶組地下熱水不開采， 難以獲得上游區補給量。地下水位埋深越淺、當年水位降幅越大， 開采疏干層位礫粗砂巖及細砂巖占比越大，上游區降水量越大， 辛集地區館陶組地下熱水系統獲得補給越多； 反之， 該地下熱水系統獲得補給越少。總體上， 辛集地區館陶組地下熱水補給屬于開采激發型補給， 具有可更新特征， 但更新補給的資源數量是有限的。

（3）從2000年以來該區地下熱水水位動態變化特征和趨勢來看， 目前辛集地區地下熱水資源開發利用已處于超采狀態， 不宜繼續擴大開采規模， 反而， 需要壓采或人工回灌增大補給。否則， 難以可持續開發利用。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey （No. 12120115049701）， and National Natural Science Foundation of China （No. 41172214）.

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Renewal Characteristics and Basis of the Geothermal Water Resources in Middle Hebei Plain: A Case Study of the Guantao Formation Underground Geothermal Water System

ZHANG Guang-hui1）， LI Zhuo2）， YAN Ming-jiang1）， WANG Qian1）， WANG Wei1）
1） Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050061；2） Institute of Hebei Geological Engineering & Prospecting， Shijiazhuang， Hebei 050051

To tackle the problem of the geothermal water resources updatable characteristics in the Guantao Formation of the middle Hebei plain， the authors adopted the identification method of abnormal variation of the geothermal water level under the same pumping intensity to study the characteristics of annual and monthly decline of the geothermal water level in response to the pumping and annual precipitation in the upper reaches of the geothermal water system since 2000. Some conclusions have been reached： （1） The geothermal water resources of Guantao Formation has a certain renewable capability， which is related to such factors as the variation of annual precipitation in the upper area of the geothermal water system， the buried depth， the decline range of the geothermal water level， and the ratio between the coarse sandstone and the fine sandstone in the decline range； （2） Large-scale exploitation of the geothermal water in the Guantao Formation is a necessary condition of being recharged from lateral inflow recharge in the upper reaches of the geothermal water system； it belongs to the pumping induced recharge， and the number of the recharge resources is not large； （3） The trend of the geothermal water level since 2000 shows that the geothermal water system has been in overdraft state， and hence it is necessary to increase the supply of pressure or artificial recharge； otherwise， the sustainable development and utilization seem to be very difficult or even impossible.

middle Hebei plain； geothermal water； renewal； precipitation； supply in the upper reaches

P314.1； P641.8

A

10.3975/cagsb.2016.05.11

本文由中國地質調查局地質調查項目（編號： 12120115049701）和國家自然科學基金項目（編號： 41172214）聯合資助。

2016-03-25； 改回日期： 2016-05-20。責任編輯： 張改俠。

張光輝， 男， 1959年生。研究員， 博士生導師。從事區域水循環演化和地下水可持續利用研究。通訊地址： 050061， 河北省石家莊市中華北大街268號。電話： 0311-67598638。E-mail： Huanjing59@163.com。