洛陽市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)場回灌試驗研究

袁錫泰，龔曉潔，余長河

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，河南 鄭州450045;2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州450001)

洛陽市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)場回灌試驗研究

袁錫泰1，龔曉潔2，余長河1

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，河南 鄭州450045;2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州450001)

淺層地溫能作為一種清潔的，可再生的能源，是國家要求大力探索和發(fā)展的新能源，其開發(fā)利用在全國呈現(xiàn)出如火如荼的態(tài)勢。河南洛陽因其厚層第四系及豐富的淺層地下水資源在水源熱泵利用方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。根據(jù)在不同地質(zhì)地貌單元進行的現(xiàn)場抽回灌試驗，初步確定不同地區(qū)的抽灌井比例及井距，為城市淺層地溫能開發(fā)利用提供依據(jù)。

洛陽;淺層地溫能;回灌能力

淺部地溫能和地熱資源是一種清潔的，可再生的能源，是國家要求大力探索和發(fā)展的新能源?！吨腥A人民共和國可再生能源法》于2006年1月1日起施行，該法的實施為淺部地溫能和地熱資源的勘查、評價和開發(fā)提供了強有力的依據(jù)和保障。

洛陽市位于洛陽盆地區(qū)，厚層第四系松散地層及豐富的淺層地下水資源為城市淺層地溫能開發(fā)利用提供了優(yōu)越的地質(zhì)條件。

1 淺層地溫能賦存地質(zhì)條件

洛陽市所處的洛陽盆地北依邙山，南抵嵩山，西有小秦嶺，中東部為伊洛河沖積平原，構(gòu)成三面環(huán)山，向東敞開的箕形地形。總地勢呈西高東低，南北高中間低，由中心至周邊，地形漸次升高，且整體由西向東傾斜。北部為邙山，中部為伊洛河河谷平原區(qū)，山丘與河谷平原之間為洪積扇及洪積傾斜平原。

洛陽盆地是一個較完整的水文地質(zhì)單元，周邊由山地、黃土丘陵組成，中部為伊洛河沖積平原。地下水的賦存條件及分布規(guī)律主要受氣象、水文、地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造等控制。氣象、水文對盆地內(nèi)地下水的補給、徑流、排泄條件起著重要作用，地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造決定了盆地內(nèi)地下水的空間分布，同時也對地下水的補給、徑流、排泄條件產(chǎn)生影響。

北部及西部邙山丘陵區(qū)、黃土臺塬丘陵區(qū)由于分布地形高，地形坡度大，溝谷發(fā)育，切割強烈，不利于地下水的補給、儲存，有利于地下水的徑流、排泄。加之含水層巖性為黃土(粉土)，含水性較差，地下水資源極為貧乏。

伊洛河沖積平原區(qū)由于地形相對較低，是地表水和地下水的匯集場所。在洛河、伊河的漫灘區(qū)、一二級階地區(qū)，松散堆積物為第四系及新近系沖積、湖積及湖積物，一般為粉質(zhì)粘土、粉土、砂及卵石互層的雙層結(jié)構(gòu)，表層多為粉土和粉質(zhì)粘土，地層坡度小，地下水位埋藏較淺，地表水及地下水徑流滯緩，有利于大氣降水入滲補給，下伏以卵石層為主的含水層、厚度較大，結(jié)構(gòu)疏松，分選磨圓較好，滲透性能較好，第三系砂質(zhì)粘土或砂頁巖為底板，埋藏有豐富的孔隙潛水，為地下水豐富、極豐富區(qū)。

伊、洛河河谷及河間地塊區(qū)，賦存于全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)上部的沖洪積成因的一套砂卵石、粗砂礫石、中粗砂含水層中和粉土、粉質(zhì)粘土層中，底板埋深150～170 m，其中含水層厚度70～135 m;在北部、南部及西部的黃土丘陵區(qū)與坡(洪)積傾斜平原區(qū)，賦存于中更新統(tǒng)、新近系黃土狀土中和砂礫石、砂含水層中，受地形起伏的影響，底板埋深100～200 m，為地下水極豐富區(qū)。

根據(jù)淺層地溫能賦存的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，初步確定伊洛河沖積平原及河谷、河間地塊為地下水源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)。本次即在這些地區(qū)開展現(xiàn)場試驗工作，以確定地溫空調(diào)工程所需抽回灌井的相關(guān)參數(shù)。

2 現(xiàn)場試驗概述

本次分別在位于洛陽市高新區(qū)凱旋門酒店(S4、S5)(以下稱為1號試驗場)、洛陽市人防大樓(S10、S11)(以下稱為2號試驗場)進行抽灌試驗。

其中，1號試驗場位于洛河左岸漫灘與二級階地之間的洪流平地區(qū)，2號試驗場地位于伊洛河之間的河間地塊、洛河右岸的一級階地上。含水層為第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的沖積物，基本情況見表1。

表1 試驗井基本情況表

抽水試驗采用單孔穩(wěn)定流方法?；毓嘣囼灢捎米粤骰毓喾绞剑毓鄷r保持回灌孔水位穩(wěn)定，水表計量。注水回灌時考慮到實際回灌時的水位升幅，一般保持回灌孔內(nèi)水位埋深穩(wěn)定在2～4 m，與最大回灌量相當。

3 試驗成果

根據(jù)單孔穩(wěn)定流抽水試驗資料，含水層滲透系數(shù)K按式1計算:根據(jù)回灌孔試驗資料，滲透系數(shù)K按式2近似計算:

計算結(jié)果見表2。

表2 抽、灌試驗成果一覽表

3.1 自流回灌量大小的影響因素分析

自流回灌即依靠自然重力進行回灌，亦稱重力回灌?；毓嗔康拇笮∈艹删|(zhì)量、水文地質(zhì)條件等多種因素影響，簡述如下。

3.1.1 巖性因素

以砂礫石為主的含水層與以砂礫石夾漂石、礫石的含水層相比，含水層顆粒越粗，抽、回灌水量越大，亦即含水層顆粒越粗越容易回灌。

3.1.2 靜水位埋深

通過本次及其他地區(qū)多組回灌試驗對比，在含水層巖性相似的地區(qū)，靜水位埋深越大的地區(qū)回灌量越大。

因此，在成井質(zhì)量理想的情況下，靜水位埋深越大、含水層顆粒越粗，單位回灌量越大。根據(jù)本次試驗及前人在本地區(qū)的研究成果，一般情況下，不同含水層中回灌量的大小分別為:卵礫石含水層中，單位回灌量為單位抽水量的70%以上;粗砂、中砂含水層中單位回灌量約為單位出水量的70%～40%;中細砂含水層中，單位回灌量約為單位出水量的50%～30%。

3.2 回灌能力分析

本次回灌能力分析分以下兩方面進行研究。

3.2.1 根據(jù)現(xiàn)場試驗進行的抽灌井數(shù)比例的研究

現(xiàn)場試驗中取得的單位抽水量和單位回灌量之比可作為確定回灌井數(shù)的主要依據(jù)。

根據(jù)本次抽回灌試驗成果，并結(jié)合工作區(qū)地質(zhì)地貌單元及水文地質(zhì)條件，考慮到長期回灌時回灌井可能的堵塞情況，工作區(qū)地溫空調(diào)井抽、灌井數(shù)比例確定如表3。

表3 現(xiàn)場試驗確定的抽、灌井數(shù)比例

3.2.2 其他地質(zhì)因素對回灌能力的影響分析

回灌量除了受到巖性的制約，同時還受地下水富水性和水位埋深(回灌水頭壓力)的影響。根據(jù)工作區(qū)的單井出水能力，結(jié)合水位埋深、回灌滲透系數(shù)，最終確定綜合地質(zhì)條件考慮下的抽灌井數(shù)比例，見表4。

3.3 抽、灌井間距的確定

回灌水到達抽水井的時間(熱短路時間)可用式3表示:

式中:n為含水層的有效孔隙度;d為抽水井和注水井距離(m);B為含水層厚度(m)。

根據(jù)上式可確定發(fā)生熱短路的抽、灌井間距臨界值為:

當抽灌井距離小于d時將發(fā)生熱短路現(xiàn)象。一般熱泵機組正常工作時，要求灌水的溫度介于2℃ ～35℃之間，以保證系統(tǒng)可以正常運行。因此，雖然回灌水引起了熱短路，但溫度變化還在熱泵允許的范圍內(nèi)，能夠保證系統(tǒng)的運行效率，滿足建筑物冷熱負荷的要求。另一方面，城市區(qū)多數(shù)建筑場地不能滿足理論計算的抽、灌井間距要求。大量的觀測資料也說明熱短路現(xiàn)象是普遍存在的。但因回灌水溫度適中，可以保證水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行效率。而抽灌水的溫度變化供暖期和制冷期呈現(xiàn)周期性的波動，也反映出水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在長期的運行過程中，其水動力場影響范圍內(nèi)某點的地下水溫度波動的規(guī)律性，即在水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)長期運行過程中，地下水溫度在冷熱交替中的影響范圍內(nèi)不會發(fā)明顯的生持續(xù)性的升高或降低。

表4 洛陽市抽灌井數(shù)比例一覽表

因此，地溫空調(diào)井間距的確定不能僅僅以熱突破作為依據(jù)，而應(yīng)該考慮其回灌水影響范圍內(nèi)水溫的變化能否滿足熱泵系統(tǒng)運行要求以及運行的經(jīng)濟性。但在條件允許的情況下應(yīng)盡量滿足井間距要求，以減少熱突破影響，保證系統(tǒng)運行效率。

在實際工程中回灌量與含水層厚度呈正相關(guān)，結(jié)合本次對已有地溫空調(diào)系統(tǒng)運行效果的調(diào)查情況及抽灌試驗成果，建議細顆粒地層中抽灌井間距不宜小于40 m，粗顆粒的卵礫石含水層中，間距不宜小于80 m。實際工程應(yīng)用中可根據(jù)具體情況調(diào)整。

4 結(jié)論

通過本次在洛陽是不同地質(zhì)地貌單元進行的抽回灌現(xiàn)場試驗，初步確定:(1)抽灌井數(shù)比例的確定:在地下水源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)均按照1:1的比例布井。(2)抽灌井間距的確定:建議較適宜區(qū)的抽灌井間距不宜小于50 m，適宜區(qū)的間距不宜小于80 m。

［1］趙云章，等.河南省城市淺層地熱能.地質(zhì)出版社.2010.

［2］張德禎，等.水源熱泵熱源井群布局及供水—回灌系統(tǒng)可行性分析.工程建設(shè)與設(shè)計.2008.

［3］河南省地質(zhì)調(diào)查院.河南省中原城市群城市地質(zhì)調(diào)查.2007.

［4］韓再生.淺層地熱能的屬性和利用［C］.見:中國資源綜合利用協(xié)會地溫資源綜合利用專業(yè)委員會.地溫資源與地源熱泵技術(shù)應(yīng)用論文集(第二集).北京:地質(zhì)出版社.2008，27～31.

［5］地質(zhì)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)技術(shù)方法研究隊.水文地質(zhì)手冊［Z］.北京:地質(zhì)出版社.1980:1～856.

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1004－1184(2012)04－0048－02

2012－03－07

袁錫泰(1969－)，男，河南鄢陵人，工程師，主要從事水質(zhì)檢測方面工作。