冀中平原地?zé)崴Y源變化特征與可持續(xù)利用性

李卓+張光輝+王茜+田言亮+嚴(yán)明疆

摘要：針對(duì)冀中平原辛集地區(qū)地?zé)崴_發(fā)利用中出現(xiàn)的地下水位大幅下降問題，通過研究1999年以來該地?zé)崽锏叵滤坏哪觌H及年內(nèi)變化特征、趨勢(shì)和地下水位降幅變化規(guī)律，及其與上游山區(qū)年降水量之間關(guān)系，結(jié)果表明：（1）辛集地?zé)崽锏叵滤幌陆捣?，不只是隨著地?zé)崴_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?zé)崽锎嬖谕庥蜓a(bǔ)給水源的補(bǔ)給。（2）通過該地?zé)崽锏叵滤幌陆捣扰c上游山區(qū)年降水量之間關(guān)系分析表明，隨著上游山區(qū)年降水量明顯增大（或減小），該區(qū)地下水位降幅呈減?。ɑ蛟龃螅┨卣鳎良?zé)崽锏責(zé)崴Y源具有一定的更新補(bǔ)給能力。（3）目前該地?zé)崽锏叵滤Y源開發(fā)利用已處于超采狀態(tài)，急需壓采或人工增大補(bǔ)給等措施。

關(guān)鍵詞：冀中平原；地?zé)崴Y源；地下水位；變化特征；年降水量

中圖分類號(hào)：P641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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?zé)崴Y源開發(fā)利用近20年，倍受關(guān)注。該平原地?zé)崴Y源比較豐富，但是由于對(duì)該區(qū)地?zé)崴Y源形成和變化成因認(rèn)識(shí)不足，且開發(fā)利用引起地?zé)崴淮蠓陆怠?/p>

有關(guān)地?zé)豳Y源可持續(xù)利用問題研究較多[1-13]。董華松等[2]利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)地形地貌復(fù)雜區(qū)地?zé)豳Y源的預(yù)測(cè)，高志娟等[3]曾對(duì)華北地區(qū)地?zé)豳Y源更新能力進(jìn)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?zé)豳Y源合理開發(fā)及可持續(xù)利用問題。李金鹿等[7]提出了河北省地?zé)衢_發(fā)利用模式，乜艷等[8]認(rèn)為淺層地?zé)衢_發(fā)利用需要開展人工回灌，可以提高可持續(xù)利用能力。周亞醒[9]提出，淺層地?zé)豳Y源開發(fā)利用需要開展適宜性評(píng)價(jià)。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?zé)豳Y源合理開發(fā)利用建議。王浩等[14]認(rèn)為，地?zé)豳Y源開發(fā)對(duì)地下水環(huán)境具有一定影響。自然條件下，地下水系統(tǒng)中水位年際與年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化同當(dāng)?shù)貧庀笠靥貏e是大氣降水密切相關(guān)。在地下水、地?zé)崴Y源富集的動(dòng)斷裂帶及相鄰地帶，水位動(dòng)態(tài)常疊加有“短周期小型波狀起伏”的微動(dòng)態(tài)[15]。人類歷史的發(fā)展對(duì)地下水環(huán)境演化產(chǎn)生了明顯影響，地下水資源的補(bǔ)給機(jī)制、流場(chǎng)特征和水化學(xué)組分等受人類活動(dòng)的影響發(fā)生改變，逐漸由單純的自然資源轉(zhuǎn)變?yōu)閹в猩鐣?huì)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(xué)模擬、氡氣測(cè)量技術(shù)應(yīng)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(qū)地?zé)崽餅槔?，針?duì)該地?zé)崽镩_發(fā)利用中出現(xiàn)地下水位大幅下降的屬性及開發(fā)利用潛力問題，依據(jù)作者在該區(qū)完成的地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目獲取的資料作為基礎(chǔ)，通過該地?zé)崽锏叵滤荒觌H、年內(nèi)變化特征、趨勢(shì)和地下水位降幅變化規(guī)律，以及它們與其上游山區(qū)年降水量之間關(guān)系的研究，對(duì)地?zé)崽镩_發(fā)利用中出現(xiàn)地下水位大幅下降的特征及可持續(xù)利用性進(jìn)行如下探討。

1 研究區(qū)概況

冀中平原辛集地區(qū)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(qū)總面積951 km2，總?cè)丝?1.6萬。辛集地勢(shì)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?zé)崽锸侨A北地區(qū)發(fā)現(xiàn)并開發(fā)利用較早的孔隙型地?zé)崽?，地?zé)崴饕∽孕陆叼^陶組，補(bǔ)給區(qū)位于西部太行山的滹滏山區(qū)，距辛集地?zé)崽锏乃骄嚯x約170 km。該地?zé)崽镎诶玫拈_采井22眼，其中開發(fā)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?zé)衢_采井的井深介于1 410～3 560 m，井口水溫介于57 ℃～64 ℃。根據(jù)2014年11月份監(jiān)測(cè)結(jié)果，該地?zé)崽锏牡叵滤宦裆罱橛?6～81.3 m，熱水開采量1 872～3 120 m3/d，供暖面積84.56萬m2。

2 開發(fā)利用中地?zé)崴畡?dòng)態(tài)特征與趨勢(shì)

2.1 年際變化

辛熱1井是該區(qū)地?zé)崴钤绲拈_采和監(jiān)測(cè)井，2000年該井的地下水位埋深與周圍地?zé)峋宦裆罱?，初始水位埋深僅10.0 m。隨著該地?zé)崽镩_采井?dāng)?shù)量的不斷增加，地?zé)崴觊_采量也不斷增大，至2014年開采量達(dá)285.02萬m3/a，累計(jì)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?zé)崽锏牡責(zé)崴觊_采量呈增大趨勢(shì)，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(qū)地?zé)崴坏哪杲捣∮?.61 m，對(duì)應(yīng)地?zé)崴觊_采量不足80萬m3。在2005年-2010年期間，地?zé)崴坏哪杲捣?004年的2.50 m增大為2010年的5.8 m，期間最大年降幅達(dá)6.9 m（2008年），對(duì)應(yīng)地?zé)崴觊_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(duì)應(yīng)的地?zé)崴觊_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(duì)應(yīng)的地?zé)崴觊_采量144.41萬m3大于2005年的地?zé)崴_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?zé)崽锏責(zé)崴觊_采量繼續(xù)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?zé)崴惠^大的年降幅8.1 m（2012年），對(duì)應(yīng)地?zé)崴觊_采量276.45萬m3；最小的水位年降幅3.6 m（2011年），對(duì)應(yīng)地?zé)崴觊_采量240.66萬m3（表1）。在2011年-2014年期間，該地?zé)崽镒畲蟮哪觊_采量是2013年的293.10萬m3，對(duì)應(yīng)的地下水位年降幅4.0 m。

從上述分析可見，辛集地?zé)崽锏責(zé)崴幌陆捣鹊闹饕绊懸蛩?，不僅是地?zé)崴_采量變化影響，還存在其他影響因素，這一因素對(duì)該地?zé)崴哂幸欢ǖ难a(bǔ)給作用。

2.2 年內(nèi)變化

從辛集地?zé)崽?009年-2013年期間的各月份地?zé)崴_采量及對(duì)應(yīng)的地下水位埋深來看，地下水位的變化幅度與對(duì)應(yīng)的熱水開采量大小之間密切相關(guān)（圖2）。每年的11月至來年的1月份，地?zé)崴脑麻_采量逐月增大，對(duì)應(yīng)地下水位埋深急劇增大，降幅達(dá)58.8～67.6 m。在每年的1月-3月，隨著地?zé)崴脑麻_采量逐月減少，對(duì)應(yīng)地下水位埋深呈現(xiàn)緩慢減小，升幅介于1.5～3.5 m。當(dāng)每年4月份停止開采地?zé)崴螅?月-5月份的地下水位累計(jì)升幅35.5～39.1 m，地?zé)崴怀尸F(xiàn)快速上升過程。進(jìn)入雨季之（6月份）后，至當(dāng)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(shì)（圖2和表2）。

從上述分析可見，在停止開采地?zé)崴螅敝?1月份再度開采地下水熱水為止，該區(qū)地?zé)崴怀掷m(xù)上升，并結(jié)合其年際變化特征分析，這不是單純的開采之后恢復(fù)性上升，應(yīng)存在一定的補(bǔ)給條件。

3.1 地?zé)崴Y源變化特征

從圖1和表1可見，1999年以來辛集地?zé)崽锏責(zé)崴哪觊_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(xù)增大。例如2013年的地?zé)崴觊_采量是過去十幾年中最大值，即293.10萬m3/a，但是對(duì)應(yīng)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?zé)崴_采量分別比2013年開采量小63.11%和41.25%。如果該地?zé)崽餂]有可更新的水源補(bǔ)給，只是消耗地下水的儲(chǔ)存資源，那么該地?zé)崽锏叵滤坏南陆捣葢?yīng)是呈現(xiàn)隨著地?zé)崴_采量增加而不斷增大的特征。

3.2 地?zé)崴Y源與上游山區(qū)降水量之間關(guān)系

采用1999年以來辛集地?zé)崽锩磕觊_采期的地下水位降幅與對(duì)應(yīng)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?zé)崽锼诘叵滤到y(tǒng)上游山區(qū)的年降水量進(jìn)行關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)該地?zé)崽锏叵滤唤捣拇笮∨c上游山區(qū)年降水量變化之間存在一定相關(guān)性，尤其是Sg值變化與上游山區(qū)年降水量之間存在明顯的互動(dòng)性（圖3）。例如2001年上游山區(qū)的年降水量?jī)H285 mm，對(duì)應(yīng)的單位數(shù)量開采量條件下地下水位降幅達(dá)7.39 cm/萬m3；2005年上游山區(qū)的年降水量466 mm，對(duì)應(yīng)的Sg值5.73 cm/萬m3。而當(dāng)2007年、2011年降水量明顯增大，即年降水量分別達(dá)645 mm和632 mm，對(duì)應(yīng)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?zé)崽锏責(zé)崴Y源具有一定的更新補(bǔ)給能力。

從圖4可見，辛集地?zé)崽飭挝婚_采量下地下水位降幅（Sg）與該地?zé)崽锼诘叵滤到y(tǒng)上游山區(qū)的年降水量之間存在一定相關(guān)性。按兩者直線相關(guān)關(guān)系式分析，降水量減少100 mm，該地?zé)崽飭挝婚_采量下地下水位降幅（Sg值）增大1.67 cm。當(dāng)上游山區(qū)年降水量不小于753.6 mm時(shí)，Sg值趨于零。 換言之，該地?zé)崽锏叵滤疅崴_采量不大293萬m3/a，上游山區(qū)年降水量大于754 mm條件下，該地?zé)崽锏叵滤豢商幱诜€(wěn)定狀態(tài)。若以上游山區(qū)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(shí)，該地?zé)崽锏叵滤徊拍芴幱诜€(wěn)定狀態(tài)。相對(duì)上游山區(qū)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?zé)崴_采量的年均超采量為119.7萬m3/a。由此可見，按現(xiàn)狀年開采量水平，該地?zé)崽镩_發(fā)利用不可持續(xù)，合理利用的年開采量不應(yīng)大于133.8萬m3/a。

4 結(jié)語

（1）辛集地?zé)崽锏叵滤幌陆捣?，不只是隨著地?zé)崴_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?zé)崽锎嬖谕庥蜓a(bǔ)給水源的補(bǔ)給。

（2）通過該地?zé)崽锏叵滤幌陆捣扰c上游山區(qū)年降水量之間關(guān)系分析表明，隨著上游山區(qū)年降水量明顯增大（或減小），該區(qū)地下水位降幅呈減?。ɑ蛟龃螅┨卣?，辛集地?zé)崽锏責(zé)崴Y源具有一定的更新補(bǔ)給能力。

（3）目前該地?zé)崽锏叵滤Y源開發(fā)利用已處于超采狀態(tài)，每年6月-11月的地下水位升幅逐年減小，表明該區(qū)地?zé)崴Y源難以可持續(xù)利用，需壓采或人工增大補(bǔ)給等措施。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 李悅，關(guān)鋅.我國地?zé)豳Y源開發(fā)利用優(yōu)勢(shì)對(duì)比分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011（6）：139-141.（LI Yue，GUAN Xin.A contrast research of utilization advantage of geothermal resources in China[J].Hydrogeology and Engineering Geology，2011（6）：139-141.（ in Chinese））

[2] 董華松，黃文輝.利用遺傳算法優(yōu)化的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源預(yù)測(cè)[J].資源與產(chǎn)業(yè)，2014，16（3）：101-106.（DONG Hua-song，HUANG Wen-hui.Prediction of geothermal resources by means of wavelet neural network optimized by genetic algorithm[J].Resources and Industries，2014，16（3）：101-106.（in Chinese））

[3] 高志娟，李書恒.華北地區(qū)地?zé)豳Y源更新能力研究[J].科技視界，2014（34）：73-74.（GAO Zhi-juan，LI Shu-heng.The renewal capability in geothermal water in North China[J].Science and Technology Vision，2014，（34）：73-74.（in Chinese））

[4] 劉杰，宋美鈺，田光輝.天津地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀及可持續(xù)開發(fā)利用建議[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2012，35（1）：67-73.（LIU Jie，SONG Mei-yu，TIAN Guang-hui.Development situation of the geothermal resources and suggestion on sustainable development utilization in Tianjin[J].Geological Survey and Research，2012，35（1）：67-73.（in Chinese））

[5] 王曦，靳寶珍，楊永江，等.天津市寶坻區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)利用對(duì)策[J].地下水，2012，34（4）：65-67.（WANG Xi，JIN Bao-zhen，YANG Yong-jiang，et al.Utilization and development project of geothermal resources in Baodi area，Tianjin[J].Groundwater，2012，34（4）：65-67.（ in Chinese））

[6] 高鳳棟，展民曉.對(duì)天津市地?zé)豳Y源科學(xué)開發(fā)利用的思考[J].中國國土資源經(jīng)濟(jì)，2013（12）：30-32.（GAO Feng-dong，ZHAN Min-xiao.Thoughts on scientific development and utilization of geothermal resources in Tinajin[J].Natural Resource Economics of China，2013（12）：30-32.（in Chinese））

[7] 李金鹿，陳安國.河北省地?zé)衢_發(fā)利用模式分析[J].中國國土資源經(jīng)濟(jì)，2013（8）：28-31.（LI Jin-lu，CHEN An-guo.Analysis on geothermal exploitation and utilization pattern in Hebei province[J].Natural Resource Economics of China，2013（8）：28-31.（in Chinese））

[8] 乜艷，趙長(zhǎng)榮，胡云狀，等.廊坊地區(qū)淺層地?zé)衢_發(fā)前景及回灌試驗(yàn)[J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2012，（4）：310-314.（NIE Yan，ZHAO Chang-rong，HU Yun-zhuang，et al.Groundwater recharge experiments for shallow geothermal energy development[J].Geological Survey and Research，2012，35（4）：310-314.（ in Chinese））

[9] 周亞醒.魯西地區(qū)淺層地溫能地?zé)岬刭|(zhì)條件與開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)[J].山東國土資源，2015，31（8）：45-49.（ZHOU Ya-xing.Geological conditions of geothermal and suitability evalution on development and utilization of shallow geothermal energy in Luxi area[J].Shandong Land and Resources，2015，31（8）：45-49.（in Chinese））

[10] 段景春.地?zé)豳Y源利用的開發(fā)效應(yīng)和對(duì)策[J].創(chuàng)新科技，2013（8）：90-91.（DUAN Jing-chun.Utilization effect and protection project of China geothermal resources[J].CHUANGXINKEJI，2013（8）：90-91.（in Chinese））

[11] 張金華，魏偉，杜東，等.地?zé)豳Y源的開發(fā)利用及可持續(xù)發(fā)展[J].中外能源，2013，18（1）：30-35.（ZHANG Jin-hua，WEI Wei，DU Dong，et al.The development，utilization and sustainable development of geothermal resources[J].Sino-Global Energy，2013，18（1）：30-35.（in Chinese））

[12] 陳秀忠，陳洪波，劉忠，等.淺層地?zé)豳Y源的開發(fā)與利用[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，11（10）：23-27.（CHEN Xiu-zhong，CHEN Hong-bo，LIU Zhong，et al.Development and utilization of shallow geothermal resources[J].Journal of North China Institute of Science and Technology，2014，11（10）：23-27.（in Chinese））

[13] 周總瑛，劉世良，劉金俠.中國地?zé)豳Y源特點(diǎn)與發(fā)展對(duì)策[J].自然資源學(xué)報(bào)，2015，30（7）：1210-1221.（ZHOU Zong-ying，LIU Shi-liang，LIU Jin-xia.Study on the characteristics and development strategies of geothermal resources in China[J].Journal of Natural Resources，2015，30（7）：1210-1221.（in Chinese））

[14] 王明章，王詩揚(yáng).挽近期活動(dòng)斷裂帶的地下水微動(dòng)態(tài)特征及研究意義[J].貴州地質(zhì)，2013，30（4）：293-296.（WANG Ming-zhang，WANG Shi-yang.Micro-behavior characteristics and study significance of groundwater in active fractural zone in Cenozoic[J].Guizhou Geology，2013，30（4）：293-296.（in Chinese））

[15] 王浩，趙季初.魯西北平原區(qū)地?zé)豳Y源開發(fā)對(duì)地下水環(huán)境的影響[J].山東國土資源，2015，31（7）：36-39.（WANG Hao，，ZHAO Ji-chu.Effect of geothermal resources exploitation to groundwater environment in Northwestern Plain in Shandong province[J].Shandong Land and Resources，2015，31（7）：36-39.（in Chinese））

[16] 張光輝，嚴(yán)明疆，楊麗芝，等.地下水可持續(xù)開采量與地下水功能評(píng)價(jià)的關(guān)系[J].地質(zhì)通報(bào)， 2008，27（6）：875-881.（ZHANG Guang-hui，YAN Ming-jiang，YANG Li-zhi，et al.Relationship between the groundwater sustainable yield and groundwater function assessments[J].Geological Bullietin of China，2008，27（6）：875-881.（in Chinese））

[17] 張宗祜，施德鴻，沈照理，等.人類活動(dòng)影響下華北平原地下水環(huán)境演化與發(fā)展[J].地球?qū)W報(bào)，1997，（4）：291-294.（ZHANG Zong-hu，SHI De-hong，SHEN Zhao-li，et al.Evolution and development of groundwater environment in North China Plain under human activities[J].Acta Geoscientia Sinica，1997，18（4）：291-294.（in Chinese））

[18] 費(fèi)宇紅，張兆吉，張鳳娥，等.華北平原地下水位動(dòng)態(tài)變化影響因素分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2005，33（5）：538-541.（FEI Yu-hong，ZHANG Zhao-ji，ZHANG Feng-e，et al.Factors affecting dynamic variation of groundwater level in North China Plain[J].Journal of Hohai University：Natural Sciences，2005，33（5）：538-541.（in Chinese））