地下水水源熱泵淺層地?zé)崮荛_發(fā)條件及存在問題

趙洪滿，聶維辰，柴 雨，孫亞紅

1.吉林省地礦信息中心，吉林 長(zhǎng)春 130061；2.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，吉林 長(zhǎng)春 130021

淺層地?zé)崮苁且环N可再生的新型環(huán)保能源，也是一種特殊礦產(chǎn)資源，利用前景廣闊。開發(fā)利用淺層地?zé)崮軐?duì)構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、保障國(guó)家能源安全、改善我國(guó)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有非常重要的意義。地下水源熱泵是以淺層地下水為介質(zhì)來提取能量實(shí)現(xiàn)制熱和制冷的系統(tǒng)。目前地下水源熱泵技術(shù)用于建筑物取暖及制冷已在國(guó)內(nèi)得到了充分應(yīng)用，然而并不是全部地區(qū)均可使用地下水地源熱泵技術(shù)，即使有條件使用地下水水源熱泵，不正確的開發(fā)方案亦會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵聼崮苜Y源及地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。本文以樺甸市地下水水源熱泵淺層地?zé)崮荛_發(fā)調(diào)查為例，對(duì)地下水淺層地?zé)崮荛_發(fā)可行性及存在的問題進(jìn)行分析。

1 地下水水源熱泵技術(shù)概述

地下水水源熱泵技術(shù)為地源熱泵技術(shù)中的一種形式，主要開發(fā)方式為通過抽取地下水作為進(jìn)行地面建筑物熱交換的熱源，對(duì)地面建筑物進(jìn)行供熱或制冷。地下水水源熱泵的工作形式是通過將地下水及換熱器（熱泵）分別連接于工作系統(tǒng)的兩端進(jìn)行換熱，換熱后的地下水通過回注井重新回注于地下，如此往復(fù)循環(huán)，對(duì)淺層地?zé)崮苓M(jìn)行利用。

2 地下水水源熱泵淺層地?zé)崮荛_發(fā)條件

地下水水源熱泵系統(tǒng)對(duì)淺層地?zé)崮艿睦眉夹g(shù)目前已在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，然而該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)利用需要合適的開發(fā)條件，并不是在所有地區(qū)均適用。地下水水源熱泵對(duì)淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)應(yīng)按照《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》對(duì)開發(fā)地進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，然后后判斷是否具備開發(fā)條件。在進(jìn)行地下水水源熱泵淺層地?zé)崮荛_發(fā)之前，應(yīng)首先對(duì)開發(fā)區(qū)域進(jìn)行區(qū)域淺層地?zé)崮苷{(diào)查及場(chǎng)地淺層地?zé)崮芸辈椤?/p>

區(qū)域淺層地?zé)崮苷{(diào)查目的是通過地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查查明區(qū)域淺層地?zé)崮軛l件，進(jìn)行適宜性分區(qū)和區(qū)域淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)。利用地下水水源熱泵進(jìn)行淺層地?zé)崮荛_發(fā)的地?zé)崮苓m宜性分區(qū)主要考慮含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性, 地下水溫、水質(zhì)、水位動(dòng)態(tài)變化, 水源地保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害等因素，主要指標(biāo)見表1[1]。區(qū)域淺層地?zé)崮茉u(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)該區(qū)域現(xiàn)有工程換熱功率或通過抽水和回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算區(qū)域地下水循環(huán)利用量及區(qū)域換熱功率。通過區(qū)域淺層地?zé)崮苷{(diào)查后適宜進(jìn)行淺層地?zé)崮荛_發(fā)的區(qū)域在開發(fā)設(shè)計(jì)前還應(yīng)進(jìn)行場(chǎng)地淺層地?zé)崮芸辈?，進(jìn)行可行性分析、環(huán)境評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)及提出開發(fā)利用方案。

表1 地下水換熱方式適宜性分區(qū)指標(biāo)Table 1 Suitability zoning index of groundwater heat transfermode

3 地下水水源熱泵淺層地?zé)崮荛_發(fā)存在的問題

地下水水源熱泵開發(fā)淺層地?zé)崮苓^程若不進(jìn)行詳細(xì)勘查及合理的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生多種負(fù)面影響，其中有些甚至是不可逆的。根據(jù)我國(guó)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，常見的問題主要有如下三種：①改變地下水及土壤溫度環(huán)境，多年后造成運(yùn)行效果下降；②地下水回灌效果不良，導(dǎo)致地下水水文地質(zhì)條件改變，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；③回灌水質(zhì)相對(duì)抽取水水質(zhì)較差，對(duì)開發(fā)區(qū)域地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響。

表2 淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)工作區(qū)坐標(biāo)Table 2 Work area coordinate of shallow geothermal survey and evaluation

4 實(shí)例分析

本文以樺甸市城區(qū)地下水水源熱泵開發(fā)淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)工作過程作為實(shí)例進(jìn)行分析。

4.1 調(diào)查區(qū)概況

4.1.1 調(diào)查區(qū)地理位置及范圍

調(diào)查區(qū)范圍西起樺郊鄉(xiāng)，東至宏偉機(jī)械廠，南起輝發(fā)河沿岸，北到北臺(tái)子吉林市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，地理坐標(biāo)為：東徑126°20′～126°34′；北緯43°58′～44°05′；調(diào)查區(qū)面積50 km2，為圖幅范圍內(nèi)的輝發(fā)河谷地區(qū)。調(diào)查區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)見表2。

4.1.2 自然地理情況

（1）地形地貌∶調(diào)查區(qū)位于吉林省東部低山丘陵區(qū)。樺甸市城區(qū)輝發(fā)河河谷平原地貌?？傮w地勢(shì)西南高東北低，海拔標(biāo)高由300m逐漸變低為260m。調(diào)查區(qū)地貌成因類型較多，在各種構(gòu)造控制與外營(yíng)力的改造下，由西南向東北地貌成因類型依次為構(gòu)造剝蝕地形及堆積地形。按地貌成因類型、成因形態(tài)與形態(tài)特征進(jìn)一步劃分二個(gè)成因類型、二個(gè)成因形態(tài)和四個(gè)形態(tài)單元，見表3。

（2）氣候水文∶該區(qū)屬北溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，春季干燥少雨，多大風(fēng)，日平均氣溫0～18 ℃；夏季溫?zé)岫嘤辏掌骄鶜鉁卮笥?8 ℃；秋季秋高氣爽，日平均氣溫18～0 ℃；冬季干燥寒冷，日平均氣溫0 ℃以下。多年平均溫度為3.9 ℃，一月最冷，月最低平均氣溫-26.7 ℃，極端最低溫度-40 ℃，七月最熱，月最高平均氣溫22.1 ℃，極端最高氣溫38 ℃。日照2 379.3 h，多年平均降水量748.1mm，多集中在7～8月，多年平均濕度62%，多年平均蒸發(fā)度為1 167.9mm，多集中在3～6月，無霜期133天，凍結(jié)期由每年11月到翌年5月，凍結(jié)深度為1.80～2.00m，詳見圖1。

表3 地貌單元分區(qū)說明表Table 3 Partition and description of geomorphic units

圖1 多年月平均氣象要素圖Fig.1 Month averagemeteorological chart ofmany years

調(diào)查區(qū)內(nèi)主要河流為輝發(fā)河。輝發(fā)河屬于第二松花江上游的一級(jí)支流，發(fā)源于遼寧省清源縣龍頭山脈中部，流經(jīng)清源、東風(fēng)、柳河、梅河、輝南、磐石、樺甸7個(gè)縣（市），匯入松花湖，河流全長(zhǎng)265 km，總流域面積14 376 km2。輝發(fā)河流域多年平均降雨量為780mm，最大洪峰流量9 350m3/s，洪峰對(duì)應(yīng)洪水位276.03m，河水與河谷孔隙潛水水力聯(lián)系密切。

4.1.3 區(qū)域地質(zhì)背景

（1）地層巖性∶調(diào)查區(qū)在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上處于龍崗背斜與吉林盆地分界線的輝發(fā)河深斷裂帶上（撫順—樺甸）。屬吉林小區(qū)，分布有古生界、中生界、新生界地層及華力西期、燕山期、喜山期巖漿巖。調(diào)查區(qū)內(nèi)主要發(fā)育新生界地層，外圍可見古生界二疊系及喜山期花崗巖。

調(diào)查區(qū)內(nèi)分布的為新生界地層，由老至新依次為新生界古近系下統(tǒng)樺甸組（E1h）和新生界第四系全新統(tǒng)松散堆積物（Q4al）。

（2）地質(zhì)構(gòu)造與區(qū)域穩(wěn)定性∶調(diào)查區(qū)位于的一級(jí)構(gòu)造單元為天山—興安地槽褶皺區(qū)，亞一級(jí)構(gòu)造單元為吉黑褶皺系，二級(jí)構(gòu)造單元為吉林優(yōu)地槽褶皺帶，三級(jí)構(gòu)造單元為吉林復(fù)向斜，四級(jí)構(gòu)造單元為蛟河—樺甸褶皺束。

調(diào)查區(qū)分布在吉林優(yōu)地槽褶皺帶的吉林復(fù)向斜南部。該區(qū)域自古生代以來經(jīng)歷了多次地殼運(yùn)動(dòng)，形成了規(guī)模不等、性質(zhì)不同的一系列斷裂構(gòu)造和巖漿巖。樺甸盆地位于輝—敦巖石圈斷裂中段，與樺甸—雙河鎮(zhèn)斷裂的交匯部位，受其控制而形成的新生代盆地，輝—敦?cái)嗔褞в蓛蓷l走向50°的斷裂組成，構(gòu)成地塹，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件較復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

（3）水文地質(zhì)條件∶調(diào)查區(qū)內(nèi)地下水類型為松散巖類孔隙水，含水層上部有粘性土覆蓋層，一般厚度0.5～4.50m。水位埋深一般1.0～4.0m，局部大雨4.0m。地下水位自盆地邊緣向河床漸低，局部低洼地段水位較低，見附圖3（地下水埋深及等水位線圖）。含水層巖性為中粗砂、砂礫石及卵礫石等，顆粒粗大，厚度3～8m，含水層透水性好，單井出水量一般為100～300m3/d.m，個(gè)別地段可達(dá)300～500m3/d.m。水化學(xué)類型為H-C型。局部H-CN或NC型。受人類活動(dòng)影響，區(qū)內(nèi)大部分地段出現(xiàn)以SO42-命名的地下水類型，出現(xiàn)S.H型水， SO42-質(zhì)量濃度雖不超標(biāo)，但是毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)達(dá)到了命名標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量濃度多在100mg/L以上，主要是由于城區(qū)燃煤及其周邊采掘油頁(yè)巖而導(dǎo)致的空氣中大量富集含硫氣體，在降雨條件下而進(jìn)入土壤和地下水之中。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水NO3-質(zhì)量濃度普遍嚴(yán)重超標(biāo)，質(zhì)量濃度為36～180mg/L，出現(xiàn)硝酸型水。分析其主要原因是由于評(píng)價(jià)區(qū)屬于城市居民生活區(qū)及近郊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，受生活垃圾、工業(yè)污染及農(nóng)藥、化肥等污染嚴(yán)重，致使地下水中NO3-質(zhì)量濃度過高。礦化度小于1.0 g/L，pH值6.5～7.5，滲透系數(shù)200～400m/d，該含水層與地表河水水力聯(lián)系密切。局部為封閉或半封閉的還原環(huán)境，鐵質(zhì)量濃度大多數(shù)超標(biāo)，質(zhì)量濃度大于10.0mg/L。

該調(diào)查區(qū)位于山區(qū)河谷地段，大多數(shù)時(shí)間為地下水補(bǔ)給河水，僅在豐水期河水對(duì)河漫灘有瞬時(shí)補(bǔ)給作用。調(diào)查區(qū)地下水資源利用很少，城區(qū)多飲用自來水（上游山區(qū)水庫(kù)），只有少數(shù)近郊農(nóng)業(yè)區(qū)域用于澆灌，開發(fā)利用強(qiáng)度很小，主要是由于水質(zhì)較差的緣故。

4.2 適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》，對(duì)于以地下水為換熱方式的試驗(yàn)，主要是通過抽水回灌來確定勘查區(qū)的適宜性。本次調(diào)查選定了兩處勘查試驗(yàn)場(chǎng)所，場(chǎng)地一為為樺甸市白云賓館（二期）院內(nèi)，場(chǎng)地二樺甸市永吉街道大城子村委會(huì)院內(nèi)，對(duì)上述兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地分別進(jìn)行抽水試驗(yàn)及回灌試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表明，場(chǎng)地一抽水水位持續(xù)下降，為疏干型含水層，并且水溫受附近膠合板廠廢棄熱水注入地下含水層（回滲井）影響很大，水溫多在11～15 ℃之間，地下水中鐵離子含量大于10mg/L，回灌水井過濾器極易堵塞，單位涌水量和回灌率均不符合規(guī)范的適宜性標(biāo)準(zhǔn)，因此該試驗(yàn)場(chǎng)地不適宜采用地下水進(jìn)行換熱。

場(chǎng)地二抽灌水條件較好，地下水補(bǔ)給源充足（距離老輝發(fā)河僅150m左右），位于輝發(fā)河古河道上，水位埋深淺，含水層顆粒較粗大，徑流通暢，水質(zhì)較好，單位涌水量和水質(zhì)符合淺層地?zé)崮芤?guī)范的要求，該區(qū)為地下水水源熱泵的適宜區(qū)。但是由于該區(qū)位于古河道上，并且地下水潛藏，水位埋深僅為1.15m，在凍土層之中，受氣溫和冰雪融化影響十分明顯（抽水時(shí)間為5月初），水溫變化較大，抽水后水溫為5.0 ℃，采用水源熱泵提取溫度的空間很小，雖然有足夠的水資源，但是按水源熱泵的要求應(yīng)該有適宜的取溫空間才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，因此該試驗(yàn)場(chǎng)地不適宜采用地下水進(jìn)行換熱。

表4 試驗(yàn)場(chǎng)地地下水換熱方式適宜性判別表Table 4 Heat exchangemode suitable identi fi cation of the test area groundwater

5 結(jié)論

（1）地下水源熱泵利用淺層地?zé)崮苄枰线m的利用條件，應(yīng)根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》進(jìn)行勘查；

（2）淺層地?zé)崮芾貌粌H要通過適宜性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判別，還要綜合考慮環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益，最終決定是否可以進(jìn)行地下水水源熱泵的開發(fā)；

（3）不合理的開發(fā)方式不僅達(dá)不到預(yù)期的熱泵工作效果，而且還會(huì)引發(fā)環(huán)境問題及地質(zhì)災(zāi)害。

[1] DZ/T0225-2009,淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范[S].