冀中平原地热水资源变化特征与可持续利用性

李卓+张光辉+王茜+田言亮+严明疆

摘要：针对冀中平原辛集地区地热水开发利用中出现的地下水位大幅下降问题，通过研究1999年以来该地热田地下水位的年际及年内变化特征、趋势和地下水位降幅变化规律，及其与上游山区年降水量之间关系，结果表明：（1）辛集地热田地下水水位下降幅度，不只是随着地热水开采量变化而变化，还存在其他影响因素。有些年份，开采量增大，而地下水位的降幅却减小，表明该地热田存在外域补给水源的补给。（2）通过该地热田地下水位下降幅度与上游山区年降水量之间关系分析表明，随着上游山区年降水量明显增大（或减小），该区地下水位降幅呈减小（或增大）特征，辛集地热田地热水资源具有一定的更新补给能力。（3）目前该地热田地下水资源开发利用已处于超采状态，急需压采或人工增大补给等措施。

关键词：冀中平原；地热水资源；地下水位；变化特征；年降水量

中图分类号：P641文献标志码：A文章编号：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-邯郸-衡水一带）地热水资源开发利用近20年，倍受关注。该平原地热水资源比较丰富，但是由于对该区地热水资源形成和变化成因认识不足，且开发利用引起地热水位大幅下降。

有关地热资源可持续利用问题研究较多[1-13]。董华松等[2]利用遗传算法实现了对地形地貌复杂区地热资源的预测，高志娟等[3]曾对华北地区地热资源更新能力进行研究。刘杰等[4]、王曦等[5]和高凤栋等[6]先后探讨了天津地热资源合理开发及可持续利用问题。李金鹿等[7]提出了河北省地热开发利用模式，乜艳等[8]认为浅层地热开发利用需要开展人工回灌，可以提高可持续利用能力。周亚醒[9]提出，浅层地热资源开发利用需要开展适宜性评价。段景春[10]、张金华等[11]、陈秀忠等[12]和周总瑛等[13]从不同角度分别提出了浅层地热资源合理开发利用建议。王浩等[14]认为，地热资源开发对地下水环境具有一定影响。自然条件下，地下水系统中水位年际与年内动态变化同当地气象要素特别是大气降水密切相关。在地下水、地热水资源富集的动断裂带及相邻地带，水位动态常叠加有“短周期小型波状起伏”的微动态[15]。人类历史的发展对地下水环境演化产生了明显影响，地下水资源的补给机制、流场特征和水化学组分等受人类活动的影响发生改变，逐渐由单纯的自然资源转变为带有社会属性的自然资源[16-18]。目前，地下热水资源主要研究方法有：水文地球化学模拟、氡气测量技术应用、综合物探和高频大地电磁法，以及反射波二维地震法等[1-15]。

本文以冀中平原辛集地区地热田为例，针对该地热田开发利用中出现地下水位大幅下降的属性及开发利用潜力问题，依据作者在该区完成的地热资源调查评价项目获取的资料作为基础，通过该地热田地下水位年际、年内变化特征、趋势和地下水位降幅变化规律，以及它们与其上游山区年降水量之间关系的研究，对地热田开发利用中出现地下水位大幅下降的特征及可持续利用性进行如下探讨。

1 研究区概况

冀中平原辛集地区位于石家庄市东65 km处，北界与深泽、安平县接壤，东界与深州市为邻，南界与冀州、宁晋县相接，西界与晋州市毗连，全区总面积951 km2，总人口61.6万。辛集地势平坦，春、夏、秋、冬四季分明，年均气温12.5 ℃，一月份平均温度-3.9 ℃。

辛集地热田是华北地区发现并开发利用较早的孔隙型地热田，地热水主要取自新近系馆陶组，补给区位于西部太行山的滹滏山区，距辛集地热田的水平距离约170 km。该地热田正在利用的开采井22眼，其中开发利用较早的辛热1井、辛热2井是利用石油废弃井改造而成。这些地热开采井的井深介于1 410～3 560 m，井口水温介于57 ℃～64 ℃。根据2014年11月份监测结果，该地热田的地下水水位埋深介于76～81.3 m，热水开采量1 872～3 120 m3/d，供暖面积84.56万m2。

2 开发利用中地热水动态特征与趋势

2.1 年际变化

辛热1井是该区地热水最早的开采和监测井，2000年该井的地下水位埋深与周围地热井水位埋深近同，初始水位埋深仅10.0 m。随着该地热田开采井数量的不断增加，地热水年开采量也不断增大，至2014年开采量达285.02万m3/a，累计开采量2 151.94万m3/a。同期，辛热1井的地下水位埋深下降至81.3 m，年均降幅5.1 m（表1）。

从图1可见，辛集地热田的地热水年开采量呈增大趋势，地下水位埋深不断加大，水位年降幅也呈增大特征（表1）。在2005年之前，该区地热水水位的年降幅小于2.61 m，对应地热水年开采量不足80万m3。在2005年-2010年期间，地热水水位的年降幅由2004年的2.50 m增大为2010年的5.8 m，期间最大年降幅达6.9 m（2008年），对应地热水年开采量从2004年的75.82万m3增大至2010年的172.20万m3（表1）。

虽然2008年地下水位降幅是2005年-2010年期间的最大降幅，但是其对应的地热水年开采量却小于2010年的开采量（172.20万m3）。2005年-2010年期间最小的地下水位年降幅仅1.7 m（2007），但对应的地热水年开采量144.41万m3大于2005年的地热水开采量，2005年地下水位降幅为6.2 m（表1）。

在2011年-2014年期间，该地热田地热水年开采量继续增大，由2010年的172.20万m3增大至285.02万m3，增加65.52%。同期的地下水位年降幅从2010年的5.5 m增大为10.9 m。期间，地热水水位较大的年降幅8.1 m（2012年），对应地热水年开采量276.45万m3；最小的水位年降幅3.6 m（2011年），对应地热水年开采量240.66万m3（表1）。在2011年-2014年期间，该地热田最大的年开采量是2013年的293.10万m3，对应的地下水位年降幅4.0 m。

从上述分析可见，辛集地热田地热水水位下降幅度的主要影响因素，不仅是地热水开采量变化影响，还存在其他影响因素，这一因素对该地热水具有一定的补给作用。

2.2 年内变化

从辛集地热田2009年-2013年期间的各月份地热水开采量及对应的地下水位埋深来看，地下水位的变化幅度与对应的热水开采量大小之间密切相关（图2）。每年的11月至来年的1月份，地热水的月开采量逐月增大，对应地下水位埋深急剧增大，降幅达58.8～67.6 m。在每年的1月-3月，随着地热水的月开采量逐月减少，对应地下水位埋深呈现缓慢减小，升幅介于1.5～3.5 m。当每年4月份停止开采地热水之后，4月-5月份的地下水位累计升幅35.5～39.1 m，地热水水位呈现快速上升过程。进入雨季之（6月份）后，至当年取暖之前（11月份），地下水位仍然不断上升，升幅介于12.1～25.9 m。但是，这一期间的地下水位上升幅度呈逐年变小趋势（图2和表2）。

从上述分析可见，在停止开采地热水之后，直至11月份再度开采地下水热水为止，该区地热水水位持续上升，并结合其年际变化特征分析，这不是单纯的开采之后恢复性上升，应存在一定的补给条件。

3.1 地热水资源变化特征

从图1和表1可见，1999年以来辛集地热田地热水的年开采量是逐年增大的。但是，每年地下水位的下降幅度不是持续增大。例如2013年的地热水年开采量是过去十几年中最大值，即293.10万m3/a，但是对应的地下水位年降幅仅4.0 m，小于2005年（开采量108.11万m3，年降幅6.2 m），也小于2010年（开采量172.20万m3，年降幅5.8 m）。2005年、2010年的地热水开采量分别比2013年开采量小63.11%和41.25%。如果该地热田没有可更新的水源补给，只是消耗地下水的储存资源，那么该地热田地下水位的下降幅度应是呈现随着地热水开采量增加而不断增大的特征。

3.2 地热水资源与上游山区降水量之间关系

采用1999年以来辛集地热田每年开采期的地下水位降幅与对应开采量之比值（记作Sg，单位cm/万m3）和地下水位的年降幅，分别与该地热田所在地下水系统上游山区的年降水量进行关系分析，发现该地热田地下水位降幅的大小与上游山区年降水量变化之间存在一定相关性，尤其是Sg值变化与上游山区年降水量之间存在明顯的互动性（图3）。例如2001年上游山区的年降水量仅285 mm，对应的单位数量开采量条件下地下水位降幅达7.39 cm/万m3；2005年上游山区的年降水量466 mm，对应的Sg值5.73 cm/万m3。而当2007年、2011年降水量明显增大，即年降水量分别达645 mm和632 mm，对应的Sg值明显减小，分别为1.18 cm/万m3和1.49 cm/万m3。由此可见，辛集地热田地热水资源具有一定的更新补给能力。

从图4可见，辛集地热田单位开采量下地下水位降幅（Sg）与该地热田所在地下水系统上游山区的年降水量之间存在一定相关性。按两者直线相关关系式分析，降水量减少100 mm，该地热田单位开采量下地下水位降幅（Sg值）增大1.67 cm。当上游山区年降水量不小于753.6 mm时，Sg值趋于零。 换言之，该地热田地下水热水开采量不大293万m3/a，上游山区年降水量大于754 mm条件下，该地热田地下水位可处于稳定状态。若以上游山区多年平均降水量（509.2 mm）作为约束条件，则只有地下热水开采量小于133.8万m3/a时，该地热田地下水位才能处于稳定状态。相对上游山区多年平均降水量条件下的地下热水可开采量，近5年平均地热水开采量的年均超采量为119.7万m3/a。由此可见，按现状年开采量水平，该地热田开发利用不可持续，合理利用的年开采量不应大于133.8万m3/a。

4 结语

（1）辛集地热田地下水水位下降幅度，不只是随着地热水开采量变化而变化，还存在其他影响因素。有些年份，开采量增大，而地下水位的降幅却减小，表明该地热田存在外域补给水源的补给。

（2）通过该地热田地下水位下降幅度与上游山区年降水量之间关系分析表明，随着上游山区年降水量明显增大（或减小），该区地下水位降幅呈减小（或增大）特征，辛集地热田地热水资源具有一定的更新补给能力。

（3）目前该地热田地下水资源开发利用已处于超采状态，每年6月-11月的地下水位升幅逐年减小，表明该区地热水资源难以可持续利用，需压采或人工增大补给等措施。

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