地表水长期回灌对温汤断裂热储的影响

Influence of Long-Term Surface Water Reinjection on Thermal Reservoir of Wentang Fault

摘要

断裂型热储回灌在增大地热水供给能力、抬升地热水水位等方面成效显著，能有效改善地热开发利用过程中的资源与环境问题，已引起广泛关注.以宜春温汤地热田为研究对象，采用时间序列分析、水文地球化学等方法，分析地热田地表水回灌—开采过程中回灌量、开采量、水温、水位和水质等长序列监测数据，总结地热田地温场、流体场和化学场等动态变化规律，研究长期回灌对断裂型热储回灌的可持续性和安全性.结果表明，回灌量是影响地温场、流体场和化学场动态变化的主要因素.长期回灌抬升地热田水位3.952~4.986 m，增大水位动态变幅13.4倍，倒转水位平面分布方向；回灌量未超出阈值时，开采井水温随回灌量呈3~12个月延迟的反向变化，超出后则呈“断崖式”下降；长期回灌引起井温整体下降，最大幅度6.8~10.0 ℃，但控制回灌量后趋于稳定；回灌水直接“淡化”地热水，Piper图中水化学类型向地表水方向迁移，由HCO₃⁃Na型转变为HCO₃·SO₄⁃Na·Ca型；长期监测证实地热田回灌量控制在9 734 m³/d以下时安全可控，资源量增大414%.断裂型热储地表水回灌在控制回灌量不超出阈值时具有良好的可行性和安全性.

Abstract

Fractured geothermal reservoir reinjection has garnered significant attention for its remarkable effectiveness in enhancing geothermal water supply capacity, raising water levels, and mitigating resource and environmental issues associated with geothermal exploitation. This study focuses on the Yichun Wentang geothermal field, employing time series analysis and hydrogeochemical methods to analyze long-term monitoring data of reinjection volume, extraction volume, water temperature, water level, and water quality during surface water reinjection and extraction processes. The study summarizes the dynamic variations in the geothermal field’s temperature field, fluid field, and chemical field, and investigates the sustainability and safety of long-term reinjection in fractured reservoirs. The results indicate that reinjection volume is the primary factor influencing the dynamic changes in the temperature, fluid, and chemical fields. Long-term reinjection raises the geothermal field’s water level by 3.952-4.986 m, increases the dynamic amplitude of water level fluctuations by 13.4 times, and reverses the planar distribution direction of water levels. When the reinjection volume remains below the threshold, the production well’s water temperature exhibits an inverse correlation with reinjection volume, delayed by 3-12 months; exceeding the threshold leads to a “cliff-like” decline in temperature. Long-term reinjection causes an overall decrease in well temperatures, with a maximum reduction of 6.8-10.0 ℃, though stabilization occurs after controlling reinjection volume. Reinjection water directly “dilutes” geothermal water, shifting hydrochemical types in the Piper diagram toward surface water characteristics, transitioning from HCO₃-Na type to HCO₃·SO₄-Na·Ca type. Long-term monitoring confirms that the geothermal field remains safe and controllable when reinjection volume is maintained below 9,734 m³/d, increasing resource availability by 414%. Surface water reinjection in fractured reservoirs demonstrates good feasibility and safety, provided the reinjection volume does not exceed the threshold.

Graphical abstract

关键词

温汤 / 断裂对流型 / 地热 / 地表水回灌 / 热储动态 / 水文地质.

Key words

Wentang / fracture-controlled convection / geothermal / surface water reinjection / reservoir dynamics / hydrogeology

地热资源是宝贵的清洁可再生资源，具有极大的利用价值（Lund and Boyd，2016；Ahmad Gondal et al.，2017；刘凯等，2018），其开发利用涵盖发电、采暖、理疗、温室、养殖等多元领域，尤其在水热型地热系统中，断裂对流型热储因构造控热显著、补给机制复杂等特点，成为中低温地热研究的核心对象（蔺文静等，2013）.江西省作为我国水热型地热资源富集区，有天然温泉95处，隐伏型地热田42处（江西省地质局水文地质大队，2024，江西省地热水资源特征与成矿规律研究报告，南昌），断裂对流型地热系统占比近70%，其资源开发潜力与生态环境效益备受关注（高柏等，2006；王安东等，2023）.然而，天然状态下断裂型地热资源受限于补给通道狭窄、径流路径长等地质约束，资源再生速率难以匹配规模化开采需求.另一方面，长期超采易引发水位持续下降与热储衰竭（邓安利和孙和平，2002）.

地热回灌技术将地表清洁水源或地热尾水通过回灌井注入热储层，可有效维持储层压力、延缓水位下降并提升资源再生能力，已成为国际地热可持续开发的关键手段（Bakke et al.，1995；周总瑛等，2015；樊柄宏等，2024）.自1969年美国加州Geysers地热田首次实施回灌以来，该技术已在美国、冰岛等高温热田及巴黎盆地等中低温传导型热储中广泛应用，形成了以对井回灌、动态监测为核心的技术体系（刘久荣，2003）.国内地热回灌工作起步于1971年，宜春温汤地热田在勘查过程中开展了地热回灌试验，通过将地表水回灌至井内，不同程度提高了下游地热井的水量、水位和水温，并开始利用地表水回灌-开采地热水，但对回灌机理未开展深入研究.同期，为提高地热水可开采量和应对长期开采地热水引起的地下水位显著下降，湖南灰汤、广东邓屋、福建福州、西藏羊八井等国内诸多断裂对流型地热田开展了回灌试验和研究工作，在增加地热水资源量、抬升地下水位等方面也取得了良好的效果，但研究多限于短期效果评估，长期回灌对热储温度场、化学场的累积效应及安全阈值仍缺乏系统数据支撑（何连发，2004；许多龙等，2018）.1980年起，北京、天津等地盆地传导型地热田，通过回灌有效的遏制了地下水位下降趋势，但相关成果多聚焦于热储压力恢复与水化学稳定性，对温度场演变的定量分析仍显不足（阮传侠，2018；殷肖肖，2024）.

近年来，针对断裂对流型地热田回灌的研究逐渐深入，但仍存在诸多关键科学问题.如现有温度场演化模型多基于传导型热储构建，难以准确刻画断裂带内流体垂向对流与水平径流的耦合作用；长期回灌可能引发热突破与化学组分迁移，但回灌量-水温响应机制及临界阈值尚未明确；回灌对地热水压力的重构及其对开采布局优化的指导意义仍需进一步研究.以宜春温汤地热田为例，其通过断裂对流型回灌技术将可开采资源量提升至天然量的11.6倍，显著改善资源供给能力，但长期监测显示回灌量超限会导致水温“断崖式”下降，凸显回灌可持续性研究的迫切性.

宜春温汤是首批“中国温泉之乡”，自1971年起开始利用地表水回灌-开采地热水，是断裂对流型地热回灌的典型代表.本文以宜春温汤地热田为研究对象，针对断裂型热储回灌的特殊性，系统整合1971年以来的勘查数据与2019年后的高精度监测网络，对比研究温汤地热田回灌-开采条件下的地热水动态特征，分析长期持续回灌-开采的热储层变化特征，着重研究回灌量对温度场延迟响应规律及回灌临界阈值，探索回灌驱动下地热水“淡化效应”及水化学类型迁移机制，分析水位分布倒转与动态变幅扩增的关系，为进一步优化温汤地热资源可持续利用提供科学支撑.

1 研究区概况

1.1　地质背景

研究区位于江西省宜春市西南15 km处的温汤镇，地处武功山低山丘陵区之山间洼地，南部山势雄伟，地形陡峭，向北地势逐渐降低.属华夏构造体系，处于东南造山带与钦杭结合带中段之武功山隆起北缘，历经多期岩浆活动，地质构造十分发育.武功山隆起呈北东向椭圆形穹隆状，基底为南华纪一寒武纪变质岩系，环绕加里东期花岗岩体，其内部又有燕山期花岗岩体侵入，构成了武功山复式岩体（楼法生，2002；陈艳，2024）.

研究区及周边主要出露震旦-寒武系温汤岩组、寒武系牛角河组浅变质岩及全新统冲积洪积层.岩浆岩则以志留世早期付坊序列片麻状黑云二长花岗岩为主，南部为侏罗世晚期西华山序列黑云二长花岗岩.构造形迹以北东向、北北东向及北西向断裂为主（刘细元和衷存堤，2003）.北东向温汤大断裂，倾向南东，倾角55°~60°，宽45~105 m，局部可达300 m，延伸约52 km，形成于中生代末，具多期活动的特点，为压扭性断裂，属区域性控热构造，控制了温汤温泉出露，沿线还在地热盲区探获了鼻田、枫树下、夏家坊、长岭、万龙山、新泉等多处隐伏型地热田（图1）.导热构造为北西向断裂，倾向北东，钻孔揭露厚度6.3~14.54 m，形成于挽近期，为张扭性断裂，切穿了压扭性温汤大断裂，控制了温汤地热水的分布、运动和排泄.温汤地热田属断裂对流型地热系统，热能来源于大地热流，在水热对流作用下存储于控热构造和次级导热构造交汇部位的构造裂隙中（辛田军，2016；樊柄宏，2024）.

1.2　地热田历次回灌试验

研究区出露天然温泉，水温57~62 ℃，自流量864 m³/d.1971—1973年，施工地质勘查孔40口，探明地热田天然资源量1 300 m³/d.在勘查时发现钻孔ZK27、ZK6等循环水漏失，同时ZK1、ZK26等钻孔水位大幅上升甚至自流，得出“循环水漏失相当于向钻孔注水，可提升地热田水量和水位”的结论，在1971年2月—1973年4月间，对ZK27、ZK30、ZK34、ZK38、ZK40等钻孔开展了回灌试验（图2），利用下坪河水自流无压回灌，获得了水温66 ℃，自流量2 000~2 600 m³/d的地热水（江西省地质局水文地质大队，1973.江西省宜春县温汤地热田水文地质勘探报告，南昌）.

此后，因地热水资源需求持续增加，地热田多次增建开采井和回灌井，其中1981—1982年，增建811~814回灌井及开采井各2口；2003—2004年，增建CK1~CK4回灌井及开采井各2口；2011年，增建3#~6#回灌井及开采井各2口.同时开展了增量回灌试验，回灌量从6 200 m³/d增长至20 181 m³/d，估算资源量由1 300m³/d提高到10 239m³/d，计算采灌比0.56~0.77，实现了地热水资源量阶梯式增长.其中，1972—2008年期间试验过程监测的地热水水温、水化学指标基本保持稳定.但在2011年试验中，回灌量达20 181 m³/d时，出现了水温急剧下降、水化学主要组分含量下降的情况，表明地热田的原有平衡状态被打破，回灌水通过裂隙快速流向开采井（辛田军，2016；樊柄宏等，2024）.

2 动态监测过程

研究区较系统的动态监测工作起步较晚.1971—2006年，除勘查、增建开采井和回灌井、开展增量回灌试验时对地热水位、水文和水质进行了测量和采样测试外，未开展系统的监测工作.2007—2011年，对ZK39等地热井的水温、水位、水量和水化学等进行了少量的监测.2019年起，为科学统筹、有效管理地热水资源，实现地热水可持续开发利用，地热田建立了系统和科学的实时动态监测系统，对回灌井的水量、浊度、pH和水化学，开采井及古井（温泉）的温度、水位、水量、浊度及水化学开展动态监测.其中，温度、水位、水量、pH及浊度的监测频次1 min/次；温度监测采用投入式温度传感器，型号Pt1000，监测精度±0.1 ℃；水位监测采用液位变送器，测量精度±0.5%；水量监测采用非接触式超声波流量计，测量精度±1%；浊度和pH监测采用在线水质分析仪，型号NBDT⁃1800，浊度监测精度±1.0%，pH监测精度±0.02；主要开采井的水化学监测频次为1次/月，回灌井的水化学监测频次为1~2 次/年，测试内容为全分析和微量元素分析，样品采集严格按照《地下水质分析方法水样的采集和保存》（DZ/T0064.2-2021）的要求进行，水质分析委托国土资源部南昌矿产资源监督检测中心（江西省地质矿产勘查开发局实验测试中心）和江西省勘察设计研究院有限公司完成.同时，为监测回灌对地温场等的影响，于2016、2023年分别对ZK30、ZK39、CK3等开采井开展了水文测井和钻孔电视测试工作，水文测井采用JGS⁃3智能工程测井系统，深度测量误差≤4‰，数据采集频次0.1 m/次，钻孔电视测试采用JKX⁃4钻孔全孔壁成像系统，图像水平分辨率1 024 px，垂直分辨率0.1 mm.

3 地热田动态特征

3.1　水位动态特征

地热田开采井水位动态变化受到地质环境、气候和人为活动等多种因素共同决定（殷肖肖，2024）.温汤地热田未回灌前（1971年1月），ZK2、ZK7等钻孔静止水位呈小幅波动变化，最大变幅0.20 m（辛田军，2016）；ZK29、ZK39、ZK40、ZK38静止水位标高依次168.996 m、168.582 m、165.396 m、165.166 m，水位呈现出北西高南东低特点（图3）.

2019—2023年回灌开采期间，地热田回灌量基本等于开采量，灌采比约为1∶1，采用小波分析对期间开采量、回灌量进行周期分析，开采量存在着250 d，600~760 d，900~1 100 d尺度的周期变化特征，其中，600~760 d尺度的周期变化在监测期间表现较为稳定，周期为384~419 d，在2020年5月—2021年6月，2021年6月—2022年6月，2022年6月—2023年6月较为明显；250 d尺度的周期变化在2019年10月—2021年8月较为明显，之后出现了变异；900~1 100 d尺度的周期2022年~2024年较为明显.回灌量存在着250d，600~750 d，800~1 100 d尺度的周期变化特征，其中600~750 d尺度的周期变化在2019年10月—2023年12月期间表现的较为稳定，周期为392~421 d，从2020年4月—2021年5月，2021年5月—2022年6月，2022年6月—2023年6月较为明显；250 d尺度的周期变化在2019年10月—2020年8月较为明显；900~1 100 d尺度的周期2022年—2024年较为明显（图4）.在此期间，ZK29孔水位标高170.704~172.948 m，平均172.123 m，最大变幅2.244 m；ZK39孔水位标高171.055~173.568 m，平均172.417 m，最大变幅2.513 m；BK3孔水位标高17.139~173.599 m，平均17.441 m，最大变幅2.460 m；6#孔水位标高172.232~174.905 m，平均173.834 m，最大变幅2.673 m（图5）.各孔最高水位和最低水位呈现出南东高北西低的特点.各开采井水位动态总体呈波动起伏变化，水位变幅2.244~2.673 m，并具有离回灌区越远水位逐步降低且变幅越小的特点.总体上，回灌开采前后，温汤地热田地热水水位相对稳定，均呈波动起伏变化.静止水位较天然背景下抬升3.952~4.986 m，水位动态变幅也显著增大，水位平面分布方向发生整体倒转.

采用交叉小波方法可以分析回灌和水位、水温的相干性及滞后时间，小波相干图中倒钟状黑线包围的区域表示通过95%置信区间红噪声检验的区域.箭头的角度反映了回灌与水位、水温的相对相位关系，0°（→）表示二者的相位相同，不存在滞后关系；90°（↓）表示二者存在1/4个周期的滞后关系；180°（←）表示二者相位相反，存在1/2个周期的滞后关系；270°（↑）表示二者存在 3/4 个周期的滞后关系（Li et al.，2019；介飞龙，2023）.由图6a可以看出，在2~32 d的周期内，存在少量黄色能量集中区域，表明在该尺度下，ZK29水位和回灌量间的相关性相对较弱；在62~144 d的周期内，存在明显的黄色能量集中区域，表明在该尺度下，在2020年1~5月、2022年2~8月、2023年5~9月间，ZK29水位和回灌量存在较高的相关性，滞后时间分别为36~48 d、12~16 d、53~85 d.图6b显示，在4~8 d的周期内，存在大量较分散的黄色能量区域，表明在该尺度下，6#水位和回灌量存在约1/2周期的滞后关系；在6~37 d、27~62 d的周期内，在2022年1~6月、2023年1~5月间，6#水位和回灌量存在较高的相关性，滞后时间分别为5~33 d、15~34 d.分析认为，温汤地热田热储为呈带状分布的断裂构造裂隙，坚硬的花岗岩体围岩具有稳定的地质环境背景，地热水经深循环热对流形成，补给途径远造成其不易直接受到降雨等气候变化的干扰，从而形成在无人为活动影响下地热田地下水水位较为稳定的特征.但回灌相当于在回灌区增加地热系统的补给水源，自回灌井回灌进入控热断裂中的地表水经相对较近的循环路程即流达开采井，造成各回灌井水位整体抬升.地热田回灌量在1 014~9 734 m³/d区间的大幅变化造成各井水位变化幅度增大13.4倍；回灌水径流距离向外围逐步增大，水头损失逐步增大造成了各井水位呈现自回灌区向外围逐步下降和变幅逐步减少的特点，且增大回灌量各孔水位随之迅速抬升.因此，温汤地热田水位动态变化已由受气候因素控制转变为主要受回灌控制（邓安利和孙和平，2002；辛田军，2016；高洪雷，2023）.

3.2　井口水温动态特征

温汤天然温泉水温57~62 ℃，钻孔水温介于66~66.8 ℃.地热田在不同回灌量下，开采井口水温有所变化.其中1982年、2005年等回灌试验中，回灌量小于10 805 m³/d，开采井口水温保持在66 ℃；但在2008年回灌量达到13 366 m³/d时，水温下降为64 ℃；2011年回灌量达到20 181 m³/d时，水温突降至58 ℃后仍有下降趋势，最低降至55.2 ℃.

地热田实施精准回灌后取得的长序列监测数据显示，2019—2023年间各井水温总体稳定，呈波动变化（图7）.剔除异常数据后，6#开采井口水温56.4~57.9 ℃，平均值57.17 ℃；CK4开采井口水温55.5~57.5 ℃，平均值56.91 ℃；BK3开采井口水温54.1~57.6 ℃，平均值56.61 ℃；ZK29开采井口水温54.0~57.2 ℃，平均值56.06 ℃，ZK30开采井口水温54.0~57.1 ℃，平均值55.63 ℃，ZK39开采井口水温54.8~57.0 ℃，平均值55.89 ℃.总体上，井口水温峰值出现在8~10月，谷值出现在3~6月.

地热田回灌过程中，随回灌量变化，井口水温呈延迟3~12个月的反向变化.如自2023年5月起，地热田回灌量整体呈增长趋势，而各井水温曲线于2023年8月达到峰值后整体下降.统计数据也显示，2023年2~7月回灌量较2022年同期增大2 736 m³/d，而2023年6月-10月水温较2022年同期下降约0.7 ℃.根据小波相干图8a，ZK29水温和回灌量在2~14 d的周期内，存在少量黄色能量集中区域，表明在该尺度下，其相关性较弱；在7~31 d的周期内，在2019年12月—2020年3月、2022年10月—2022年12月间，ZK29水温与回灌量存在较高的相关性，滞后时间分别为7~29 d、6~26 d；在28~79 d的周期内，2021年1月—2021年6月、2022年2月—2022年5月，ZK29水温与回灌量存在较高的相关性，滞后时间为9~19 d、10~13 d；在117~512 d的长周期内，存在大面积黄色高能区，表明在2020年4月—2021年4月、2021年7月—2023年1月、2020年10月—2022年12月间，ZK29水温和回灌量存在强相关性；滞后时间分别为12~18 d、112~220 d、210~374 d.由图8b可知，CK4水温与回灌量在2~16 d的周期内，存在零散小块黄色能量集中区域，表明其相关性较弱；在7~34 d的周期内，在2020年8月—2023年7月、2021年9月—2021年10月、2022年12月—2023年5月间，ZK29水温与回灌量存在较高的相关性，滞后时间分别为8~22 d、6~17 d、17~31 d；在45~135 d的周期内，2019年11月—2020年7月、2021年9月－2022年5月、2021年11月—2022年7月、2023年4月－2023年8月，CK4水温与回灌量存在较高的相关性，滞后时间分别为3~11 d、28~40 d、76~109 d、48~66 d；在174~512 d的长周期内，2021年5月－2023年5月，CK4水温与回灌量存在较高的相关性，滞后时间为114~337 d.总体上看，开采井井口温度较回灌量的变化总体滞后为112~374 d.分析认为，深部地热能相对恒定，回灌量的变化同时改变了回灌冷水量和运移速度，直接影响了回灌冷水增温程度，而回灌水运移至开采井所需的时间差造成了曲线间的延迟.因此，地热田回灌量是影响各地热井水温的主要因素.

3.3　地温场动态特征

为更好刻画温汤地热田热储空间表征，研究地温场动态特征，采用Geomodeller软件有效整合了地质、物探、钻探等多源数据，构建出研究区三维地质模型.地热田主要热储为压扭性区域大断裂F1和张扭性断裂带F2交汇部位的构造裂隙，在空间上由西北向南东倾斜，上部倾角55°~70°，深部逐渐变缓，由于强烈的地质作用，沿线岩石硅化破碎强烈，具挤压或压碎结构，部分糜棱岩化，具良好的透水性和储水性（图9）.在天然状态下，地温场在垂向上随深度加深而升高，至热储层达最高值，其后出现拐点，体现为典型的断裂对流型地热田增温特征（汪集旸，1990；陈墨香等，1996）.根据1971年勘探过程中ZK1、ZK29等钻孔孔内温度绘制的等值线显示，地温场等值线以天然温泉为中心，在平面上成近东西向展布，在纵面上似向东南朝地壳深部斜置的喇叭口（图10）.

回灌－开采后，ZK30、ZK39等开采井的孔内测温显示，在热储段以上，2016年、2023年由于开采自流造成井温整体抬升，孔温无法与1971年对比.但热储段以下，随着回灌—开采时间的推移，井温整体下降，且温度下降最大幅度位置位于主要热储段（图11）.如ZK30井在158 m以下，孔内温度整体下降，下降幅度6.8~10.0 ℃，最大降幅位于176.6 m处，温度由1971年的66.8 ℃，陆续下降至2016年、2023年的56.8 ℃、60.0 ℃；ZK39井在72 m以下孔内温度下降幅度8.3~9.6 ℃，最大降幅位于72.8 m处，温度由1971年的67 ℃，陆续下降至2016年、2023年的57.4 ℃、57.3 ℃.因此，长期回灌已造成ZK30、ZK39等开采井内热储段温度整体下降，回灌水的冷锋面已向开采井移动，同时地温场的平衡状态发生了变化.

分析认为，低温地表水经回灌井注入热储层进行深循环，打破地热田原有的动态平衡状态，引发流场周边一定范围内的温度降低，形成以回灌井为起点的向深部和开采井的冷锋面，造成热储段及其周边井温整体下降.2016年地热田控制回灌量后，孔温下降趋势减缓，热储段孔温基本保持稳定.如2023年主要热储段孔温较2016年仅下降0.4 ℃，热储段之下孔温最大下降3.0 ℃.但是后续还需加强孔温监测工作，研究热储层温度下降趋势是否继续发展.

3.4　水化学动态特征

本次共收集了研究区水样46组，其中地表河水样4组、冷泉水样9组、回灌水样1组，回灌前地热水样10组、回灌后地热水样22组（图2a、附表1）.

研究区地表河水pH值6.7~7.5，TDS含量76.5~238.45 mg/L，平均122.29 mg/L，主要为中性低矿化水，水化学类型多为HCO₃⁃Na·Ca型，少数为HCO₃⁃Ca型；冷泉水pH值6.3~7.1，TDS含量33.64~104.85 mg/L，平均57.46 mg/L，主要为中性低矿化水，水化学类型多为HCO₃⁃Na·Ca型，少数为HCO₃⁃Na型和HCO₃·Cl⁃Na·Ca型；回灌前温泉及地热水pH值6.7~7.6，平均7.33，TDS含量144.82~258.27 mg/L，平均203.67 mg/L，主要为中性低矿化水，水化学类型为HCO₃⁃Na型；回灌后地热水pH值6.98~8.09，平均7.35，TDS含量96~160 mg/L，平均132.95 mg/L，主要为中性低矿化水，水化学类型主要为HCO₃·SO₄⁃Na·Ca型，少量为HCO₃⁃Na·Ca型和HCO₃·SO₄⁃Na型.

利用Piper三线图可判断地热水是否由另外两种水混合而来（王瑞久，1983），据此根据研究区地表水、冷泉水、回灌前地热水和回灌后地热水样品分析结果（图12）可以看出，研究区地表水、冷泉水多落于Piper图菱形5区，回灌前地热水多落于菱形8区，回灌后地热水多落于菱形9区.回灌后地热水的落点介于回灌前地热水与地表水、冷泉水之间，说明地热水是原生地热水与回灌水混合的结果（叶海龙等，2023；张彦鹏，2024），地表回灌水对地热水质产生了影响，其水化学类型向地表水迁移.

在宏量组分方面，地热田及周边水体样品的阳离子以Na⁺、Ca²⁺为主，阴离子以HCO₃^-、SO₄^2-为主.其中，地表水阴离子以HCO₃^-为主，含量55.21~240.30 mg/L；阳离子以Ca²⁺、Na⁺为主，Ca²⁺含量7.98~69.74 mg/L，Na⁺含量5.34~18.68 mg/L.冷泉水阴离子以HCO₃^-、Cl^-为主，HCO₃^-含量24.65~88.84 mg/L，Cl^-含量4.00~10.00 mg/L；阳离子以Na⁺、Ca²⁺为主，Na⁺含量5.36~13.73 mg/L，Ca²⁺含量2.64~20.46 mg/L.回灌前地热水阴离子以HCO₃^-为主，含量105.28~128.39 mg/L；阳离子以Na⁺为主，含量36.94~49.34 mg/L.回灌后地热水阴离子以HCO₃^-、SO₄^2-为主，HCO₃^-含量37.26~76.61 mg/L，SO₄^2-含量2.38~19.94 mg/L；阳离子以Na⁺、Ca²⁺为主，Na⁺含量13.7~20.3 mg/L，Ca²⁺含量4.1~11.99 mg/L.回灌后，地热水中TDS均值从203.67 mg/L显著降低至132.95 mg/L；Na⁺均值从42.79 mg/L显著降低至16.59 mg/L，其余阳离子含量变化不大；HCO₃^-均值从117.58 mg/L显著降低至47.45 mg/L，其余阴离子含量变化不大.由于回灌增加了地热系统的补给水源，造成回灌水与原生地热水混合，使回灌后地热水宏量组分曲线介于原生地热水与回灌水之间.而回灌水中Na⁺、HCO₃^-含量相较其他组分显著低于原生地热水（图13），从而造成回灌后地热水中的Na⁺、HCO₃^-主要离子含量显著降低，水化学类型由HCO₃⁃Na型向HCO₃·SO₄⁃Na·Ca型改变.

在特征组分方面，温汤地热水以H₂SiO₃、Se为最，是偏硅酸、硒复合型矿泉水，同时也是富硒的偏硅酸理疗热矿水.1995年测得地热水偏硅酸含量96.3~99.1 mg/L，硒含量0.013~0.015 mg/L（邓焕彩等，1988；刘慧婷，2016）.2007—2023年H₂SiO₃含量56.23~76.22 mg/L，均值66.79 mg/L，变异系数8.81%，含量较1995年有所降低，多年来呈上下波动趋势（图14）；Se含量0.004~0.011 mg/L，平均0.01 mg/L，变异系数26.03%，含量有一定程度的波动，其中2007—2013年呈上升趋势，2013—2019年呈下降趋势，2019—2023年呈显著上升趋势；2021年11月以后，Se含量0.008~0.011 mg/L，平均0.01 mg/L，变异系数11.78%，动态变化逐渐趋于稳定（图15）.特殊组分动态变化特征表明，回灌影响了地热水中特殊组分的含量.1995—2018年由于地表回灌水的混入造成地热水“淡化”，Se和H₂SiO₃含量整体下降；但2019年利用动态监测系统控制回灌量后，Se和H₂SiO₃含量小幅回升.

4 回灌增产可行性分析

自1971起，温汤地热田四次增量回灌试验过程中，地表水通过回灌井无压自流注入断裂裂隙中，回灌量陆续增大至20 181 m³/d.开采区地热井涌水量同时大幅增大，地热田资源量由1 300 m³/d增大至13 053 m³/d，计算热储层渗透系数平均值423.8 m/d（辛田军，2016）.开采井水位上升显著，静止水位较天然背景下抬升3.952~4.986 m.回灌造成开采区井温整体下降6.8~10.0 ℃，且最大降幅位置位于主要热储段.表明温汤地热田构造裂隙发育，连通性好，具有易回灌、高增产特点.

监测数据显示，回灌会造成温汤地热田地温场、流体场和化学场变化，而这种变化的稳定性是决定回灌增产是否安全可行的关键因素.1971—2011年间，缺乏回灌—开采过程的回灌量、开采量、水温、水质等系统性监测数据.少量测量数据显示，在1971—1981年间少量回灌状态下，水温下降0.8℃；在1982—2005年间，第1次和第2次增量回灌试验回灌量分别为6 200 m³/d、10 805 m³/d时，未引起水温变化，但水质逐步淡化，偏硅酸和硒含量迅速下降；2008—2010年间，第3次增量回灌试验回灌量13 366 m³/d时，水温下降2 ℃，水中偏硅酸和硒含量趋于平衡；在2011年第4次增量回灌试验时将回灌量增大至20 181 m³/d后，开采井水温骤降6 ℃，水质同步大幅变化，矿物组分含量显著降低.推测回灌量13 366 m³/d、20 181 m³/d是地热田两个回灌量阈值，超出回灌量阈值即造成地热田水温大幅下降.2019—2023年间，地热田逐步加大回灌监控，回灌量保持1 014~9 734 m³/d区间，地热田水位、水温、水质动态总体呈波动变化，孔温下降趋势减缓（江西省地质局水文地质大队，2024，江西省宜春市温汤地热田地热水资源可持续开发利用研究，南昌）；2020—2022年回灌量减少期间矿物组分及水温呈现上升趋势.经相关分析，不同阶段增量回灌试验中的回灌量阈值与水温呈负线性相关.

以上现象表明，回灌是造成地热田水位、水温、孔温和水化学的变化的主要原因.回灌前天然状态下，温汤地热水主要来源于武功山大气降水沿断裂带下渗，通过漫长的深循环，最终以上升泉的形式排泄于地表，形成温泉（辛田军，2016）.回灌后，地表水经入回灌井在地热田内经过相对较短距离的运移即进入热储层.少量经浅部裂隙与热水发生混合，造成水温与回灌量之间6~31 d的延迟时间，

而大部分经控热断裂继续向深部运动，并与深部地热流体逐渐混合，受热后向上循环，延迟112~374 d后到达地表，造成地热水水量的增大、水位的抬升以及水温在一定程度上的波动（图16）.经长期动态监测，回灌对水温的影响主要与回灌量阈值有关，回灌量不超出阈值，水温呈动态波动变化，但一旦超出阈值即会快速在开采井水温上获得响应，造成“热突破”.回灌对水化学的影响则是渐进式的，增大回灌量会不断引起水质的“淡化”.2016年以来，保持近乎稳定的回灌量使得地热田水化学逐步趋于新的稳定状态.2020—2022年受疫情影响，回灌量的降低造成水化学类型在Piper三线图中向原生地热水区域迁移，溶解性总固体、偏硅酸、硒含量等均呈上升趋势.监测数据显示，2019年10月以来，在1 014~9 734 m³/d动态回灌量及1 679~9 512 m³/d动态开采量状态下，地热田水质、水温和水位达到了新的动态平衡.因此，温汤地热田保持当前回灌开采状态是安全可行的，资源量较天然状态增产414%.

5 结论

（1）地热田回灌前，开采区钻孔水位北西高南东低，呈小幅波动变化.回灌后，各钻孔水位总体抬升3.952~4.986 m，自回灌区向外围逐步下降、变幅逐步减少，动态变幅增大13.4倍.回灌量是影响地热田水位变化的主要因素.

（2）2019—2023年间各井水温总体稳定，介于54.1~57.9 ℃，随回灌量呈3~12个月延迟的反向变化.长期回灌造成开采井内热储段温度整体下降，最大降幅6.8~10.0 ℃，2016年地热田控制回灌量后，孔温下降趋势减缓，热储段孔温基本保持稳定.

（3）回灌前地热水TDS含量144.82~258.27 mg/L，水化学类型为HCO₃⁃Na型；回灌后地热水TDS含量96~160 mg/L，水化学类型多为HCO₃·SO₄⁃Na·Ca型.Piper三线图中，回灌后地热水的落点介于回灌前地热水与地表水、冷泉水之间，地热水宏量组分含量介于原生地热水与回灌水之间，说明地热水是原生地热水与回灌水混合的结果.

（4）温汤地热田构造裂隙发育，连通性好，具有易回灌、高增产的特点.回灌量直接影响着地温场、流体场和化学场动态变化.回灌量增大但不超出阈值时，地热田水位抬升迅速，水化学渐进式“淡化”.井口水温下降；降低回灌量后，水位、水温、水化学呈反向变化.但回灌量超出阈值后，水温、水化学组分含量呈“断崖式”下降.监测数据显示，回灌量保持1 014~9 734 m³/d区间时，地热田水位、水温、水质动态总体呈波动变化，说明该回灌量低于阈值.温汤地热田回灌量控制在9 734 m³/d以下安全可控，资源量较天然增产414%.

附表文件见：http：//doi.org/10.3799/dqkx.2025.110.

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基金资助

江西省重点研发计划“揭榜挂帅”项目(20223BBG74005)

江西省地质局青年科学技术带头人培养计划项目(2024JXDZKJRC03)

江西省地质局科技研究项目(2023JXDZKJKY04)

江西省地质局科技研究项目(2021AA11)

南昌市水文地质与优质地下水资源开发利用重点实验室项目(20232B11)

南昌市水文地质与优质地下水资源开发利用重点实验室项目(20242A11)