奇村地热田降水、开采量、水位和水温关系分析

刘利平

（忻州市水文水资源勘测分局，山西 忻州 034000）

1 概述

1.1 地理位置

奇村地热田位于山西省忻州市忻府区西北方向19 km处，处于奇村镇与南高村之间，地面海拔844～860 m。

1.2 地质地貌

从板块构造上来看，忻定盆地属华北板块山西地块之洪涛山一系舟山断褶带，并被汾渭裂谷带所叠加。奇村地热田地处忻定盆地，应归属于板内地热系统，它的热源不是岩浆热。汾渭裂谷带边缘构造发育，并达到一定深度，近南北向断裂（云中山前隐伏断层），总体呈现南北向展布于云中山前，形成了基岩山区与新生界的截然分界，南起奇村南，向北延伸到原平境内，全长约60 km，地震剖面显示，断层向东倾，倾角为60°～70°G。这一深大断裂为地下水深循环创造了条件。大气降水由西部云中山补给区向忻定盆地的排泄区不断运移的过程中，随着深度的增大，地下水由岩石中获取热量，形成热水，并在3.5～4 km深处达到115℃左右。奇村地热田在区域重力场中表现为负异常，位于布格重力异常的梯度带上。

1.3 水文气象

奇村地热田区属温带半干旱大陆性气候，降水量偏小，对地下水资源补给是个不利因素，多年平均气温在8℃～9℃，无霜期为150 d左右，多年平均降水量为515.8 mm，多年平均蒸发量为1 800 mm左右。奇村地热田位于海河流域子牙河水系滹沱河支流南云中河上，南云中河多年平均年径流量4 300万m3。

1.4 补径排关系

奇村地热系统属对流型地热系统。此系统是指由大气降水补给，在区域热流的热机制下，地下水经深循环加热而形成。水循环深度大，途径长，热水排泄点多出现在断裂破碎带或其交会处附近，然后向第四纪孔隙含水层运移，冷热水混合后形成现在所开发利用的低、中温地下热水。

地下水的含水构造，从垂向上大致可分为两层结构，其上为水交替强烈带（简称上带），其下为水交替迟缓带（简称下带）。上带主要指在盆地松散层覆盖区的孔隙含水层和浅层裂隙岩溶潜水；这部分水埋深浅，与外界联系密切，水交替强烈，受天然降水影响周期短，奇村地热区多数热水井属于这种情况。

2 地热田概况

奇村地热田地热资源规模性开采是从20世纪90年代开始的，其水温、水位、开采量的观测也是始于此时。截止2015年底，达到一定数量不同观测类型的观测井，积累了15年的水温、水位、开采量的观测资料。

根据井温、电法、水化学和参考地温梯度等综合圈定，奇村地热田的范围为2.18 km2。热田中心属于低温温热水热储，地热田水温度20℃～75.6℃，中心、外围到热田区边缘，属于低温温水热储。奇村地热田循环深度达2 173 m，基础温度为115℃，年龄大于35年。

据有关分析研究资料，奇村地热田地下热水可开采量为15 00 m3/d（54.75万m3/年）。根据历年监测资料分析，奇村地热水田水温由1993年的68.7℃下降到2000年的53.5℃，2000—2015年水温变幅下降值为7.1℃。地热田面积由1988年的2.5 km2缩至2005年的0.496 km2。

由于地热水更新周期很长，短期难以恢复，如何合理开发利用地热水，支撑当地地热水资源可持续利用，无疑成为目前迫切需要解决的一大问题。

3 降水与水位、水温关系分析

3.1 降水与水位关系分析

搜集区域历年降水量资料，分析降水与水位（埋深）的补给关系。奇村地热田历年平均地下水位与降水量统计见表1。

表1 奇村地热田历年平均地下水位与年降水量统计

奇村地热田年平均地下水位（埋深）变化过程线如图1。可以看出，随着地热资源开采的不断增加，奇村地热田水位（埋深）总体上呈现出持续下降的态势。

奇村地热田历年降水量与年平均地下水位变化过程线对照如图2。可以看出，奇村地热田年平均水位与年降水量总体上存在着明显的正相关关系。说明降水量对地下热水补给明显。从时间上也可以看到这种补给的滞后性，说明降水转化为地下热水是需要一定过程的。

图1 奇村地热田年平均地下水位变化过程线

图2 奇村地热田历年降水量与年平均地下水位变化过程线对照

表2 奇村地热田历年地下水位变幅统计表

该地区历年地下水位变幅见表2，历年地下水位变幅与年降水量相关关系见图3，从图中可以看出其相关性较好，进一步论证了降水对地下热水的补给作用。

图3 历年地下水位平均变幅与年降水量相关性

3.2 降水与水温关系分析

奇村地热田历年平均水温与年降水量统计见表3。分析奇村地热田1991—2015年水温观测资料，从地热田历年水温均值系列看，随着时间的推移地热田水温总体呈下降趋势。

表3 奇村地热田历年平均水温及年降水

从图4可以看到水温的变化与年降水量无明显的相关性。

图4 奇村地热田历年平均水温变化及年降水量过程线

4 开采量与水位、水温关系分析

4.1 开采量与水位关系分析

本次分析了奇村地热田1996—2015年的年开采量与地热水水位变化幅度间的关系，统计分析表明，开采量与水位变幅呈显著性负相关关系（奇村地热田年开采量与平均水位变幅关系如图5）。

图5 奇村地热田年开采量与年平均水位变幅关系图

由于地下水位的升降不仅与开采量有关，同时，也与年降水量密切相关，所以从图5中看到相关点相对散乱。

4.2 开采量与水温关系分析

选取了奇村地热田开采量、水温同时监测，且资料系列较长的数眼井，综合分析地热田年开采量、年平均水温变化趋势。结果表明，随着地热资源的逐年开采，其水温总体呈下降趋势，见图6。从1999—2015年17年间，水温从最高51℃下降到最低21℃，下降幅度接近60%。说明，人们对地热资源的开采对地热水温的影响较大。

图6 奇村地热田年开采量与年平均水温变化关系图

从图6可以看到，2007—2015年，地热田开采量相对平稳，地下水温的变幅也稳定在一个相对平稳范围内，变幅不是太大，说明了开采量与水温之间存在较为明显的因果关系。地下热水的补给源是大气降水，大气降水转换为地热资源需要一个漫长的过程，不仅是水温的变化，水的成分也要发生改变。人类对地热资源的需求不断加大，打破了大气降水与地下热水转换的平衡系统，加快了大气降水向地下热水转换的速度，这样势必导致地下热水水温和水质的改变。所以要想使得地下热水（水温、水质）满足人们的需求，必须合理控制量的开采，要适度开采，逐步建立满足人们合理需求的大气降水、水温、水质和开采量之间的平衡系统。

5 结论与建议

随着奇村地热田地热资源开采的不断增加，水位、水温总体上呈现出持续下降的态势。其中，降水与水位变幅相关性较好，说明降水量对地下热水补给明显；降水与水温相关性较差，对应关系不明显。开采量与水位变幅呈显著性负相关关系，开采量变幅大，水位降幅相应增大；开采量与水温之间存在较为明显的因果关系，开采量变幅大，水温的变幅也大，开采量趋于平稳，水温的变幅范围减小。

地热田地下水位（地热资源）的变化与人类活动有关，与降水的补给有关。人们对地热资源的需求量越大，其衰减的就越快。而地热资源是由降水入渗补给形成的，降水入渗补给越多，地热资源量就越丰沛。所以要把握好降水、地热资源量、开采量三者之间的依存关系。大气降水转化为优质的地热资源需要一个漫长的过程，如果无序、过度开采，会造成地热资源量的减少、萎缩，同时也会降低地热资源的质量。

进一步加强奇村地热田地下热水水位、水温、水量与水质的动态监测，研究降水转化为地热水的机理和过程，为合理取水和科学管理提供技术依据。其次，各用水部门、行业及个人，都要树立节约用水、从我做起的节水意识，营造良好节水氛围。