冀中平原深部地下热水资源可更新特征与依据——以辛集馆陶组地下热水系统为例

张光辉，李　卓，严明疆，王　茜，王　威

1）中国地质科学院水文地质环境地质研究所， 河北石家庄 050061；2）河北省地矿局水文工程地质勘查院， 河北石家庄 050051

冀中平原深部地下热水资源可更新特征与依据
——以辛集馆陶组地下热水系统为例

张光辉1），李卓2），严明疆1），王茜1），王威1）

1）中国地质科学院水文地质环境地质研究所， 河北石家庄 050061；2）河北省地矿局水文工程地质勘查院， 河北石家庄 050051

针对冀中平原深部地下热水资源可更新性问题， 以辛集馆陶组地下热水系统为例， 采用相同开采强度下地下热水位降幅异常变化的识别方法， 通过2000年以来该地下热水位年际及月际降幅与开采量和上游山区年降水量之间响应变化特征研究， 结果表明： （1）冀中平原辛集地区馆陶组地下热水资源具有一定的可更新能力， 与上游山区年降水量变化相关， 还与地下水位埋深、当年开采引起的水位降幅大小和开采疏干层位砾粗砂岩及细砂岩占比状况有关； （2）辛集地区馆陶组地下热水大规模开采， 是该地下水系统获得上游区侧向流入补给的必要条件， 属于开采激发型补给， 更新补给的资源数量有限； （3）从2000年以来该区地下热水水位动态变化趋势来看， 目前该区地下热水资源已处于超采状态， 需要压采或人工回灌增大补给， 否则难以可持续开发利用。

冀中平原； 地下热水； 可更新性； 降水量； 上游区补给

由于地下热水资源埋藏较深， 大多数被认为是不可更新的地下矿产资源（刘杰等， 2012； 高凤栋和展民晓， 2013； 陈秀忠等， 2014； 周总英等， 2015）。在河北平原的保定—石家庄—邯郸—衡水一带（简称“冀中平原”）， 地下热水资源比较丰富。但是， 由于对该地区地下热水资源可更新性和可利用潜力认识不足， 有关冀中平原深部地下热水资源能否可持续开发利用， 被长期争论和担忧。本文中的深部地下热水是指埋藏在第四纪松散地层以下、赋存于新近系馆陶组的地下热水， 含水系统的顶板埋深大于1 000 m。由于开采区馆陶组地下热水资源储层上覆巨厚的第四系， 包括数十米厚度、分布连续的隔水层， 由此也被认为不可更新。辛集地区馆陶组地下热水资源开发利用起始于2000年， 当年地下热水开采量17.87万m3， 2014年开采量达285.02万m3， 仅在每年11月至次年3月份的取暖期开采， 用于取暖供热。

高志娟和李书恒（2014）曾采用地下热水同位素和水化学方法， 研究了华北地区500～3500 m深度的地热资源更新能力， 认为华北热储形成年龄介于距今15 000 ～ 30 000 a， 属于弱可更新或不可更新的净消耗开采资源。张保建等（2015）提出华北盆地（平原） 2 500 m深度以上地下热水具有更新能力，太行山、燕山山区是主要补给区。吴孔军和马传明（2010）通过研究郑州市区地下热水地球化学特征，提出该区超深（埋深介于800 ～ 1 200 m）地下热水具有更新能力， 更新周期为43.2 a。马致远等（2006）在研究关中盆地南部新近系（第三系）地下热水中，发现该层地下热水与上游地表水之间存在水力联系，盆地边缘断裂带是水力联系的主要通道。尚海敏等（2015）进行了山前地下热水循环机理研究， 周志芳等（2014）深入探讨了地下水资源的永久消耗量。郑菲等（2015）、吴志伟和宋汉周（2013）和翟远征等（2013）研究了地下水流速和更新指标问题。王仕琴等（2009）、谭秀翠等（2013）和杨丽芝等（2013）对华北平原地下水补给进行了专题研究。

本文以冀中平原辛集地区馆陶组地下热水为例， 结合大量实际监测资料， 通过该区地热下水水位埋深、年和月水位降幅对地下热水开采量变化的响应特征， 以及其与上游区年降水量变化之间关系研究， 探讨冀中平原深部地下热水资源的可更新性特征和模式， 为该区地下热水合理开发利用提供科学依据。冀中平原辛集地热田位于石家庄市东65 km处的束鹿（现名为辛集）凹陷区（图1a）， 地下热水取自新近系馆陶组及其下伏地层。束鹿凹陷是冀中凹陷体系中多期构造作用下形成的断陷湖盆之一，东以新河大断层为界， 西以斜坡形式向宁晋凸起过渡， 北以衡水大断裂及饶阳凹陷相连， 南接小刘村陆梁， 面积约700 km2。该凹陷区内发育多期断层，其中新河大断层是正断层， 累积断距达数千米， 主要走向为北东， 倾向为北西向， 控制该凹陷盆地的边界和延伸方向（图1b）， 并导致东断西超的盆地格局（刘前志， 1988； 王椿镛等， 1994； 邱隆伟等， 2006；胡君春和郭纯青， 2008； 姜枚等， 2012； 席明杰等，2013）。辛集地区馆陶组地下热水储层基本覆盖辛集（原地名为束鹿县）地区， 地层沉积厚度介于338～743 m， 底板埋深介于1 600 ～ 2 100 m， 其中上部岩性为细砂岩、含砾粗砂岩、细砂岩及泥岩， 下部为杂色砾岩夹紫红色泥岩（邱隆伟等， 2006； 王椿镛等， 1994）， 已揭示的钻孔统计砂厚比介于39.3％～68.1％， 热储空隙率介于17％～33％， 水化类型为Cl-HCO3-Na型水， 矿化度1.42～2.53 g/L和pH值介于7.50～8.06。该区馆陶组的上覆地层为明化镇组， 地层岩性为灰白色含砾粗砂岩、粉细砂岩与浅棕红色泥岩呈不等厚互层。馆陶组的下伏地层为东营组， 浅灰色细砂岩与紫红色泥岩呈不等厚互层。

目前， 该地热田正在开发利用的开采井22眼，其中XR1井（监测孔）、XR2井是利用石油废弃井改造而成， 开发利用较早（2000年起）。这些地下热水开采井的井深介于1 410～3 560 m， 井口水温介于57～64℃。2014年11月份监测结果， 该地热田的地下热水水位埋深介于76～81.3 m， 单井涌水量介于75～130 m3/h。

1 地热水资源可更新特征

1.1 热储层地下水位对开采量响应的变化特征

（1）年际变化特征

自2000年辛集地区馆陶组地下热水开发利用以来， 开采区中部的监测孔（XR1）地下水位与其他监测井水位一样， 不断下降。随着馆陶组开采井的数量和地下热水开采量不断增加， 至2014年累计地热水开采量达2 151.94万m3， 2014年开采量285.02万m3/a，这一时期监测孔的地下水位埋深从1999年底的10.0 m， 下降至81.3 m， 年均水位降幅4.75 m（表1），呈超采状态， 每增加1.0万m3地下热水开采量， 多年平均地下水位降幅增大0.03 m。

但是， 从图2可见， 辛集地区馆陶组地下水位下降幅度， 不是随着该层地下热水年开采量增加而增大。在2000—2014年开采期间， 2005年、2006年、2012年和2014年的地下水位降幅明显增大， 而2007年、2011年、2013年的地下水位降幅明显减小。尤其在2007年开采量比2006年增大情况下当年地下水位降幅却明显减小， 而在2014年开采量比2013年减少情况下当年地下水位降幅却明显增大（表1）。这表明， 除了地下热水开采量对地下水位变化影响之外， 还存在可以导致该区馆陶组地下水位降幅增减的重要因素。

图2　2000—2014年期间研究区馆陶组地下热水年开采量及其水位埋深变化特征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　冀中平原辛集地区馆陶组地下热水开采量及其水位埋深变化特征Table 1 Characteristics of geothermal water exploitation and its levels in Guantao Formation of Xinji area， middle Hebei plain

（2）月际变化特征

从2009—2013年期间辛集地区馆陶组地下水位埋深与各月份地下热水开采量之间关系来看， 二者之间密切相关（图3和图4）。每年的11月至来年的1月份， 地下热水的月开采量逐月增大， 该区地下水位急剧下降， 水位埋深持续增大， 期间水位降幅达58.8～67.6 m（图3中A至B的下降幅度， 见表2）， 呈现地下热水可开采资源量的有限性。

图3　研究区馆陶组地下热水月开采量及其水位埋深变化特征Fig. 3 Characteristics of geothermal water exploitation and its monthly levels in Guantao Formation of Xinji area，middle Hebei plain

表2　冀中平原辛集地区馆陶组2009—2013年期间各月地下热水开采量及其水位埋深变化特征Table 2 Characteristics of monthly geothermal water exploitation and its levels in Guantao Formation of Xinji area，middle Hebei plain from 2009 to 2013

进入每年的1月份之后至3月份， 地下热水的月开采量逐月减少， 地下水位缓慢回升。相对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月底停止开采地下热水之后， 4—5月地下水位呈现大幅上升特征， 期间水位升幅达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（图3、图4和表2）。

图4　2009—2013年期间研究区馆陶组各月地下热水开采量及其水位埋深变化特征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， 至当年取暖之前（11月份），地下水位仍然不断上升， 期间累计升幅介于12.1～25.9 m（图3中C至A）， 2009—2013年的每年6—11月期间平均月水位升幅介于2.02～4.31 m， 这表明该区馆陶组地下热水资源具有一定的更新能力。图3中C至A点之间升幅的补给资源量， 应是来自开采区之外的上游区侧向流入补给。但是， 从每年6—11月份期间地下水位升幅逐年减小的特征来看（表2）， 这种补给是十分有限的。由于上游区补给量有限， 而地下热水开采井的数量和年开采量不断增加（表1）， 进而造成馆陶组地下热水被疏干体积不断增大， 所以， 有限补给资源量在年内形成的地下热水水位升幅越来越小， 包括6—11月水位升幅和年内水位总升幅（表2）。

1.2 热储层地下水位对上游山区降水量响应的变化特征

从图5可见， 2005、2006、2012、2014年辛集地区馆陶组地下水位降幅明显增大， 或2007、2011、2013年的水位降幅明显减小， 都与上游山区（平山）年降水量变化具有一定的相关性。2005、2006、2012、2014年降水偏枯， 其中相对该区多年平均降水量，2005年降水量减少43.2 mm、2014年减少193.2 mm；2007、2011、2013年降水偏丰， 相对该区多年平均降水量， 分别增多135.8 mm、122.7 mm和46.9 mm。辛集地区馆陶组地下水位降幅与当地年降水量之间没有呈现上述特征， 没有表现出相关性。

图5　2000—2014年辛集地区馆陶组单位开采量下地下水位降幅和年降幅对上游山区年降水量响应变化特征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

从2009—2013年的每年6—11月期间辛集地区馆陶组地下水位升幅的衰减值与上游区年降水量之间的关系来看， 年降水量越大， 地下水位升幅的衰减值越小； 反之， 年降水量越小， 地下水位升幅的衰减值越大。相对2009年6—11月期间的地下水位升幅， 2010年地下水位升幅的衰减值达4.0 m， 对应年降水量为403 mm。相对2010年6—11月期间地下水位升幅， 2011年地下水位升幅的衰减值仅2.2 m， 对应年降水量为632 mm； 相对2012年6—11月期间地下水位升幅， 2013年地下水位升幅的衰减值为3.5 m， 对应年降水量为556 mm（图5）。

2 地下热水资源更新能力与模式

2.1 地下热水资源更新能力分析

（1）开采量增大， 对应地下水位降幅减小的指示意义

在前节的“年际变化特征”中已阐明， 2000年以来研究区馆陶组地下热水开采量是不断增加的， 从2000年的17.87万m3， 经2005年的108.11万m3和2010年的172.20万m3， 至2014年地下热水年开采量达285.02万m3， 同期的地下水位埋深分别为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随着开采量的增大而逐年加大， 如图2所示。在上游区年降水量较大年份， 由开采地下热水引起的水位下降幅度较小； 在上游区年降水量较小年份， 地下热水水位下降幅度较大。无论是地下水位年降幅， 还是单位地下热水开采量下水位降幅， 都呈现上述规律（图5）。如果不存在上游山区降水入渗的侧向流入补给， 则随着地下热水开采量的增大， 研究区馆陶组地下热水水位下降幅度应是逐年增大， 而不会出现地下热水开采量增大， 对应年水位降幅减小的异常情况。这表明， 开采区馆陶组地下热水系统与上游区降水入渗补给之间存在一定的因果关系。

（2）停止开采后地下水位恢复过程中证据

在前节的“月际变化特征”已表明， 无论是2009年地下热水年开采量146.97万m3， 或是2011年的240.66万m3， 还是2013年达293.10万m3， 每年进入1—3月随着地下热水的月开采量逐月减少， 地下水位都缓慢回升。相对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年地下水位分别回升5.0 m、3.5 m和2.1 m。

每年4月份停止开采地下热水之后， 当年4—5月都呈现地下水位大幅上升过程， 升幅达35.5～39.1 m， 其中2009、2011年和2013年地下水位升幅分别为35.5、37.8 m和37.3 m（图4和表2）。如果不存在上游区可更新的补给， 应是随着地下热水开采量的大幅增加， 每年4—5月份地下水位升幅逐年减小特征。而事实上， 4—5月份该区馆陶组地下热水水位升幅没有呈现减小趋势。

另外， 每年4月份停止开采地下热水， 至当年取暖之前（11月份）， 研究区地下水位持续上升，6—11月份的累计升幅达12.1～25.9 m， 平均月升幅达2.02～4.31 m， 这也表明该区馆陶组地下热水资源具有一定的更新能力。图3中C至A点之间升幅应是可更新的补给资源所致。

（3）每年6—11月地下水位升幅的衰减值与上游区年降水量相关的佐证

从2009—2013年的每年6—11月期间该区馆陶组地热储层地下水位升幅的衰减值， 随着年降水量增大而减小， 呈现年降水量越大， 地下水位升幅的衰减值越小； 反之， 年降水量越小， 地下水位升幅的衰减值越大的规律（图6）。例如相对2009年6—11月份地下水位升幅， 2010年地下水位升幅的衰减值达4.0 m， 对应的当年降水量减少106.2 mm（相对多年平均降水量）。而相对2010年， 2011年地下水位升幅的衰减值仅2.2 m， 对应的当年降水量增多122.8 mm（相对多年平均降水量）； 相对2012年，2013年地下水位升幅的衰减值为3.5 m， 对应的当年降水量增多46.8 mm。

图6　研究区馆陶组地下水位降幅变化与上游山区年降水量之间相关特征Fig. 6 The relationship between the decline range of the geothermal water level in Guantao Formation and annual precipitation in the upper reaches

从图5可见， 辛集地区馆陶组地下水位降幅明显增大或减小， 都与上游山区年降水量显著增减相关。例如2001年上游区年降水量仅285 mm， 对应的单位开采量条件下地下水位降幅达7.39 cm/（万m3）；2005年上游区年降水量466 mm， 对应的水位降幅5.73 cm/（万m3）。而在2007、2011年降水量明显增大条件下， 即年降水量分别达645 mm和632 mm，对应的单位数量开采量条件下地下水位降幅明显减小， 分别为1.18 cm/（万m3）和1.49 cm/（万m3）。

2.2 地下热水资源更新属性与模式

辛集地区馆陶组地下热水系统的补给应来自太行山东麓的丘陵山区及其与平原区之间深大断裂带， 为活塞式水动力传递补给模式， 进入开采区储层的水仍是数千年前或更早形成的较古老地下水，而上游区该系统中地下水是当年降水入渗补给形成的， 自上游区至开采区地下水年龄越来越古老。如果该区馆陶组地下热水不被开采， 该层地下热水系统始终处于封闭状态， 该储层难以获得开采区之外的可更新性补给。正是由于大规模开发利用馆陶组地下热水， 使得辛集地区馆陶组地下热水系统水动力场被打破， 含水系统压力大幅被释压， 由此创造了上游区降水入渗通过压力传递形成侧向流入补给所需的必要条件。从图6可见， 上游区年降水量显著变化， 开采区地下水位下降幅度正相关响应变化。张保建等认为， 太行山区是华北平原地下热水的主要补给区， 冀中凹陷由于距离补给区较近， 地下水连通性较好， 形成巨大的具有统一水动力联系的含水体， 在冀东凹陷的西北部、中东部地下热水循环交替条件较好（张保建等， 2015）。

辛集地区馆陶组地下热水的这种补给量多少，除了与上游区降水量变化有关之外， 还与开采区地下水位埋深、上覆地层对开采地下水释压的反作用影响程度等因素有关。开采疏干段（水位下降段）砾粗砂岩及细砂岩占比越大， 抵御上覆地层压密作用能力越强， 辛集地区馆陶组开采地下水释压被影响程度越弱， 获得上游区侧向流入补给能力越强； 开采疏干段泥岩占比越大， 该区馆陶组开采地下水释压被影响程度越强， 获得上游区侧向流入补给能力越弱。

总之， 辛集地区馆陶组地下热水不被开采， 开采区该层地下水系统难以获得上游区具有更新性的补给量。地下热水水位埋深越浅、当年开采引起的水位降幅越大， 开采疏干层位砾粗砂岩及细砂岩占比越大， 上游区降水量越大， 辛集地区馆陶组地下热水系统获得具有更新性补给越多； 反之， 该区地下热水系统获得补给越少。总体上， 辛集地区馆陶组地下热水补给属于开采激发型补给， 具有可更新特征（图2、图3和图5）， 但是更新补给的资源数量有限（图4）。

3 结语

通过上述研究表明， 得出如下认识：

（1）冀中平原辛集地区馆陶组地下热水资源具有一定的可更新能力， 与上游山区年降水量变化相关， 还与地下水位埋深、当年开采引起的水位降幅大小和开采疏干层位砾粗砂岩及细砂岩占比状况有关。

（2）辛集地区馆陶组地下热水不开采， 难以获得上游区补给量。地下水位埋深越浅、当年水位降幅越大， 开采疏干层位砾粗砂岩及细砂岩占比越大，上游区降水量越大， 辛集地区馆陶组地下热水系统获得补给越多； 反之， 该地下热水系统获得补给越少。总体上， 辛集地区馆陶组地下热水补给属于开采激发型补给， 具有可更新特征， 但更新补给的资源数量是有限的。

（3）从2000年以来该区地下热水水位动态变化特征和趋势来看， 目前辛集地区地下热水资源开发利用已处于超采状态， 不宜继续扩大开采规模， 反而， 需要压采或人工回灌增大补给。否则， 难以可持续开发利用。

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

本文由中国地质调查局地质调查项目（编号： 12120115049701）和国家自然科学基金项目（编号： 41172214）联合资助。

2016-03-25； 改回日期： 2016-05-20。责任编辑： 张改侠。

张光辉， 男， 1959年生。研究员， 博士生导师。从事区域水循环演化和地下水可持续利用研究。通讯地址： 050061， 河北省石家庄市中华北大街268号。电话： 0311-67598638。E-mail： Huanjing59@163.com。