冀中平原地熱水資源變化特征與可持續利用性

李卓+張光輝+王茜+田言亮+嚴明疆

摘要：針對冀中平原辛集地區地熱水開發利用中出現的地下水位大幅下降問題，通過研究1999年以來該地熱田地下水位的年際及年內變化特征、趨勢和地下水位降幅變化規律，及其與上游山區年降水量之間關系，結果表明：（1）辛集地熱田地下水水位下降幅度，不只是隨著地熱水開采量變化而變化，還存在其他影響因素。有些年份，開采量增大，而地下水位的降幅卻減小，表明該地熱田存在外域補給水源的補給。（2）通過該地熱田地下水位下降幅度與上游山區年降水量之間關系分析表明，隨著上游山區年降水量明顯增大（或減小），該區地下水位降幅呈減小（或增大）特征，辛集地熱田地熱水資源具有一定的更新補給能力。（3）目前該地熱田地下水資源開發利用已處于超采狀態，急需壓采或人工增大補給等措施。

關鍵詞：冀中平原；地熱水資源；地下水位；變化特征；年降水量

中圖分類號：P641文獻標志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0150-05

Abstract：In view of the sharp decline of groundwater level during the development and utilization of geothermal water resources at Xinji county in Central Hebei Plain，this paper studied the inter-annual and annual variation characteristics and trend of the groundwater level and the variation pattern of the water level decline in the geothermal field since 1999，as well as their relationship with the annual precipitation in the upstream mountains.The results showed that：（1） As geothermal water yield increases，the groundwater level of the geothermal field declines，and the growth of groundwater level at the non-heating period is decreasing year by year.（2） The development and utilization of the geothermal field is not simply consumption of groundwater storage resources.The groundwater level decline range is not only related to the amount of geothermal water yield，but also to the annual precipitation in the upstream mountains.As the annual precipitation increases （decreases），the decline of groundwater level decreases （increases）.（3） The groundwater resources of the geothermal field have already been over-exploited.It is urgent to control the exploitation or increase the supply.

Key words：Central Hebei Plain；geothermal water resources；groundwater level；variation characteristics；annual precipitation

冀中平原（河北平原的保定-石家莊-邯鄲-衡水一帶）地熱水資源開發利用近20年，倍受關注。該平原地熱水資源比較豐富，但是由于對該區地熱水資源形成和變化成因認識不足，且開發利用引起地熱水位大幅下降。

有關地熱資源可持續利用問題研究較多[1-13]。董華松等[2]利用遺傳算法實現了對地形地貌復雜區地熱資源的預測，高志娟等[3]曾對華北地區地熱資源更新能力進行研究。劉杰等[4]、王曦等[5]和高鳳棟等[6]先后探討了天津地熱資源合理開發及可持續利用問題。李金鹿等[7]提出了河北省地熱開發利用模式，乜艷等[8]認為淺層地熱開發利用需要開展人工回灌，可以提高可持續利用能力。周亞醒[9]提出，淺層地熱資源開發利用需要開展適宜性評價。段景春[10]、張金華等[11]、陳秀忠等[12]和周總瑛等[13]從不同角度分別提出了淺層地熱資源合理開發利用建議。王浩等[14]認為，地熱資源開發對地下水環境具有一定影響。自然條件下，地下水系統中水位年際與年內動態變化同當地氣象要素特別是大氣降水密切相關。在地下水、地熱水資源富集的動斷裂帶及相鄰地帶，水位動態常疊加有“短周期小型波狀起伏”的微動態[15]。人類歷史的發展對地下水環境演化產生了明顯影響，地下水資源的補給機制、流場特征和水化學組分等受人類活動的影響發生改變，逐漸由單純的自然資源轉變為帶有社會屬性的自然資源[16-18]。目前，地下熱水資源主要研究方法有：水文地球化學模擬、氡氣測量技術應用、綜合物探和高頻大地電磁法，以及反射波二維地震法等[1-15]。

本文以冀中平原辛集地區地熱田為例，針對該地熱田開發利用中出現地下水位大幅下降的屬性及開發利用潛力問題，依據作者在該區完成的地熱資源調查評價項目獲取的資料作為基礎，通過該地熱田地下水位年際、年內變化特征、趨勢和地下水位降幅變化規律，以及它們與其上游山區年降水量之間關系的研究，對地熱田開發利用中出現地下水位大幅下降的特征及可持續利用性進行如下探討。

1 研究區概況

冀中平原辛集地區位于石家莊市東65 km處，北界與深澤、安平縣接壤，東界與深州市為鄰，南界與冀州、寧晉縣相接，西界與晉州市毗連，全區總面積951 km2，總人口61.6萬。辛集地勢平坦，春、夏、秋、冬四季分明，年均氣溫12.5 ℃，一月份平均溫度-3.9 ℃。

辛集地熱田是華北地區發現并開發利用較早的孔隙型地熱田，地熱水主要取自新近系館陶組，補給區位于西部太行山的滹滏山區，距辛集地熱田的水平距離約170 km。該地熱田正在利用的開采井22眼，其中開發利用較早的辛熱1井、辛熱2井是利用石油廢棄井改造而成。這些地熱開采井的井深介于1 410～3 560 m，井口水溫介于57 ℃～64 ℃。根據2014年11月份監測結果，該地熱田的地下水水位埋深介于76～81.3 m，熱水開采量1 872～3 120 m3/d，供暖面積84.56萬m2。

2 開發利用中地熱水動態特征與趨勢

2.1 年際變化

辛熱1井是該區地熱水最早的開采和監測井，2000年該井的地下水位埋深與周圍地熱井水位埋深近同，初始水位埋深僅10.0 m。隨著該地熱田開采井數量的不斷增加，地熱水年開采量也不斷增大，至2014年開采量達285.02萬m3/a，累計開采量2 151.94萬m3/a。同期，辛熱1井的地下水位埋深下降至81.3 m，年均降幅5.1 m（表1）。

從圖1可見，辛集地熱田的地熱水年開采量呈增大趨勢，地下水位埋深不斷加大，水位年降幅也呈增大特征（表1）。在2005年之前，該區地熱水水位的年降幅小于2.61 m，對應地熱水年開采量不足80萬m3。在2005年-2010年期間，地熱水水位的年降幅由2004年的2.50 m增大為2010年的5.8 m，期間最大年降幅達6.9 m（2008年），對應地熱水年開采量從2004年的75.82萬m3增大至2010年的172.20萬m3（表1）。

雖然2008年地下水位降幅是2005年-2010年期間的最大降幅，但是其對應的地熱水年開采量卻小于2010年的開采量（172.20萬m3）。2005年-2010年期間最小的地下水位年降幅僅1.7 m（2007），但對應的地熱水年開采量144.41萬m3大于2005年的地熱水開采量，2005年地下水位降幅為6.2 m（表1）。

在2011年-2014年期間，該地熱田地熱水年開采量繼續增大，由2010年的172.20萬m3增大至285.02萬m3，增加65.52%。同期的地下水位年降幅從2010年的5.5 m增大為10.9 m。期間，地熱水水位較大的年降幅8.1 m（2012年），對應地熱水年開采量276.45萬m3；最小的水位年降幅3.6 m（2011年），對應地熱水年開采量240.66萬m3（表1）。在2011年-2014年期間，該地熱田最大的年開采量是2013年的293.10萬m3，對應的地下水位年降幅4.0 m。

從上述分析可見，辛集地熱田地熱水水位下降幅度的主要影響因素，不僅是地熱水開采量變化影響，還存在其他影響因素，這一因素對該地熱水具有一定的補給作用。

2.2 年內變化

從辛集地熱田2009年-2013年期間的各月份地熱水開采量及對應的地下水位埋深來看，地下水位的變化幅度與對應的熱水開采量大小之間密切相關（圖2）。每年的11月至來年的1月份，地熱水的月開采量逐月增大，對應地下水位埋深急劇增大，降幅達58.8～67.6 m。在每年的1月-3月，隨著地熱水的月開采量逐月減少，對應地下水位埋深呈現緩慢減小，升幅介于1.5～3.5 m。當每年4月份停止開采地熱水之后，4月-5月份的地下水位累計升幅35.5～39.1 m，地熱水水位呈現快速上升過程。進入雨季之（6月份）后，至當年取暖之前（11月份），地下水位仍然不斷上升，升幅介于12.1～25.9 m。但是，這一期間的地下水位上升幅度呈逐年變小趨勢（圖2和表2）。

從上述分析可見，在停止開采地熱水之后，直至11月份再度開采地下水熱水為止，該區地熱水水位持續上升，并結合其年際變化特征分析，這不是單純的開采之后恢復性上升，應存在一定的補給條件。

3.1 地熱水資源變化特征

從圖1和表1可見，1999年以來辛集地熱田地熱水的年開采量是逐年增大的。但是，每年地下水位的下降幅度不是持續增大。例如2013年的地熱水年開采量是過去十幾年中最大值，即293.10萬m3/a，但是對應的地下水位年降幅僅4.0 m，小于2005年（開采量108.11萬m3，年降幅6.2 m），也小于2010年（開采量172.20萬m3，年降幅5.8 m）。2005年、2010年的地熱水開采量分別比2013年開采量小63.11%和41.25%。如果該地熱田沒有可更新的水源補給，只是消耗地下水的儲存資源，那么該地熱田地下水位的下降幅度應是呈現隨著地熱水開采量增加而不斷增大的特征。

3.2 地熱水資源與上游山區降水量之間關系

采用1999年以來辛集地熱田每年開采期的地下水位降幅與對應開采量之比值（記作Sg，單位cm/萬m3）和地下水位的年降幅，分別與該地熱田所在地下水系統上游山區的年降水量進行關系分析，發現該地熱田地下水位降幅的大小與上游山區年降水量變化之間存在一定相關性，尤其是Sg值變化與上游山區年降水量之間存在明顯的互動性（圖3）。例如2001年上游山區的年降水量僅285 mm，對應的單位數量開采量條件下地下水位降幅達7.39 cm/萬m3；2005年上游山區的年降水量466 mm，對應的Sg值5.73 cm/萬m3。而當2007年、2011年降水量明顯增大，即年降水量分別達645 mm和632 mm，對應的Sg值明顯減小，分別為1.18 cm/萬m3和1.49 cm/萬m3。由此可見，辛集地熱田地熱水資源具有一定的更新補給能力。

從圖4可見，辛集地熱田單位開采量下地下水位降幅（Sg）與該地熱田所在地下水系統上游山區的年降水量之間存在一定相關性。按兩者直線相關關系式分析，降水量減少100 mm，該地熱田單位開采量下地下水位降幅（Sg值）增大1.67 cm。當上游山區年降水量不小于753.6 mm時，Sg值趨于零。 換言之，該地熱田地下水熱水開采量不大293萬m3/a，上游山區年降水量大于754 mm條件下，該地熱田地下水位可處于穩定狀態。若以上游山區多年平均降水量（509.2 mm）作為約束條件，則只有地下熱水開采量小于133.8萬m3/a時，該地熱田地下水位才能處于穩定狀態。相對上游山區多年平均降水量條件下的地下熱水可開采量，近5年平均地熱水開采量的年均超采量為119.7萬m3/a。由此可見，按現狀年開采量水平，該地熱田開發利用不可持續，合理利用的年開采量不應大于133.8萬m3/a。

4 結語

（1）辛集地熱田地下水水位下降幅度，不只是隨著地熱水開采量變化而變化，還存在其他影響因素。有些年份，開采量增大，而地下水位的降幅卻減小，表明該地熱田存在外域補給水源的補給。

（2）通過該地熱田地下水位下降幅度與上游山區年降水量之間關系分析表明，隨著上游山區年降水量明顯增大（或減小），該區地下水位降幅呈減小（或增大）特征，辛集地熱田地熱水資源具有一定的更新補給能力。

（3）目前該地熱田地下水資源開發利用已處于超采狀態，每年6月-11月的地下水位升幅逐年減小，表明該區地熱水資源難以可持續利用，需壓采或人工增大補給等措施。

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