地溫空調(diào)回灌水對地下水溫度場影響程度研究

李海林

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南鄭州450045）

1 概況

安陽市地勢總趨勢是西高東低，自西向東呈階梯狀下降，大致以京廣鐵路為界，西部為山丘區(qū)，兼有小型盆地，山間盆地較平坦，因此有利于降水和地表水對地下水的入滲補(bǔ)給，地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化密切；東部為沖積平原，廣泛分布著承壓水，承壓含水層主要由砂礫石與中粗砂層組成，隔水頂、底板多由粉質(zhì)粘土組成，且連續(xù)性較差，含水層產(chǎn)狀復(fù)雜；承壓含水層大多在地面以下30～50m即可遇到，主要是接受垂向補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，人工開采是該層地下水排泄的主要方式。

2 研究方法

灰色系統(tǒng)理論和方法是我國學(xué)者鄧聚龍于20世紀(jì)80年代提出的，灰色理論主要是將“部分信息已知”的研究對象作為“小樣本”和“貧信息”的不確定系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于在地下水溫度場長期監(jiān)測過程中，地下水水位埋深、水溫、氣溫和降水量變化等為已知信息，而由于地下水水位埋深變化、氣溫變化和降水量變化等引起的地下水溫度變化響應(yīng)規(guī)律為未知信息，因此可將地下水溫度場作為典型的灰色系統(tǒng)進(jìn)行研究。

3 實(shí)例應(yīng)用

本次研究選取安陽市第五人民醫(yī)院地溫空調(diào)系統(tǒng)為實(shí)例工程，對長期開發(fā)利用條件下回灌水對地下水溫度場的影響程度進(jìn)行分析預(yù)測。

安陽市第五人民醫(yī)院位于安陽市梅東路與文明大道交叉口東北角（圖1），該地溫空調(diào)采用地下水換熱方式。為了分析地溫空調(diào)長期運(yùn)行對區(qū)域地下溫度場的影響，在回水井1周邊施工3口地溫分層監(jiān)測井（圖2），監(jiān)測時間為2013年11月至2014年9月。

圖1 安陽市第五人民醫(yī)院地溫空調(diào)井孔位置分布圖

圖2 分層溫度監(jiān)測井孔位置分布圖

3.1 地下水分層監(jiān)測溫度影響因素的確定

地溫空調(diào)在運(yùn)行過程中，地下水溫度除受到氣溫、降水量和水位埋深影響外，還受到2個回水井溫度變化的影響。為便于分析地溫空調(diào)運(yùn)行在垂向上對地下水溫度的影響程度，確定具有地下水溫度分層監(jiān)測數(shù)據(jù)的2013年11月至2014年9月作為本次分析的時間區(qū)間，包含了該地溫空調(diào)供暖期、間歇期和制冷期。

3.2 地溫空調(diào)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測時間段內(nèi)氣溫、降水量、1號和2號回水井溫度的監(jiān)測結(jié)果如表1所示，氣溫在2013年的12月份出現(xiàn)最低值，2014年7月出現(xiàn)最高值；2014年1月的降水量最低為0mm，2014年7月的降水量達(dá)到最高的172mm；1號回水井和2號回水井的溫度變化規(guī)律較為一致，即供暖期的低溫期和制冷期的高溫期。

表1 安陽第五人民醫(yī)院氣溫、降水量、1號回水井溫度和2號回水井溫度變化表

為對比分析地下水溫度垂向上分布及其對地溫空調(diào)運(yùn)行的響應(yīng)關(guān)系，分別對3個分層觀測井不同深度的地下水溫度和埋深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2）。

1號分層觀測井地下水溫度監(jiān)測深度分別為22m、32m和42m，水位埋深在供暖期初下降后表現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢，制冷期初升高后表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的趨勢；對比分析22m、32m和42m三層地下水溫度變化規(guī)律可以看出，在供暖期內(nèi)均出現(xiàn)了顯著的溫度降低趨勢，在間歇期內(nèi)地下水溫度顯著升高，制冷期時地下水溫度出現(xiàn)了顯著的再次升高的趨勢。

2號分層觀測井地下水溫度監(jiān)測深度分別為26m、36m、46m和58m，水位埋深在供暖期初顯著下降后表現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢，制冷期初水位埋深升高后表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的趨勢；對比分析26m、36m、46m和58m四層地下水溫度變化規(guī)律可以看出，在供暖期內(nèi)均出現(xiàn)了顯著的溫度降低趨勢，在間歇期內(nèi)地下水溫度顯著升高，到了制冷期時地下水溫度出現(xiàn)了顯著的再次升高的趨勢，只是不同深度溫度變化的程度有較為明顯的差異。

3號分層觀測井地下水溫度監(jiān)測深度分別為26m、36m和48m，地下水水位埋深在供暖期初顯著下降后表現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢，制冷期初水位埋深升高后表現(xiàn)出較為平穩(wěn)的趨勢；對比分析26m、36m和48m三層地下水溫度變化規(guī)律可以看出，在供暖期內(nèi)均出現(xiàn)了顯著的溫度降低趨勢，在間歇期內(nèi)地下水溫度顯著升高，到了制冷期時地下水溫度出現(xiàn)了顯著的再次升高的趨勢。

4 回灌水對地下水分層監(jiān)測溫度影響的相關(guān)性分析

基于灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法，分別計(jì)算1號、2號及3號觀測井各監(jiān)測深度地下水溫度與氣溫、降水量、1號回水井溫度、2號回水井溫度和地下水水位埋深之間的相關(guān)系數(shù)，如表3所示。

1號觀測井22m深度及32m深度地下水溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大的是1號、2號回水井溫度，其次是氣溫和地下水位埋深，最小的是降水量，因此22m深度及32m深度地下水溫度最主要影響因素是1號、2號回水井的溫度；42m深度地下水溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大是水位埋深，其次是1號、2號回水井溫度，最小的是氣溫和降水量，說明42m深度地下水溫度變化的最主要影響因素是地下水水位埋深。

2號觀測井26m深度地下水溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大的是1號、2號回水井的溫度，其次是氣溫和地下水位埋深，最小的是降水量，因此26m深度地下水溫度最主要的影響因素是1號、2號回水井的溫度；36m深度地下水溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大是地下水水位埋深，其次是氣溫、1號和2號回水井溫度，最小的是降水量，因此36m深度地下水溫度最主要的影響因素是地下水位埋深；46m及58m深度地下水溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大是地下水水位埋深，其次是1號和2號回水井溫度，最小的是氣溫和降水量，說明42m深度及58m深度地下水溫度變化的最主要影響因素是地下水水位埋深。

表2 1號、2號、3號分層觀測井埋深和溫度變化表

3號觀測井26m深度地下水溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大是氣溫，其次是1號和2號回水井溫度，最小的是地下水水位埋深和降水量，因此26m深度地下水溫度最主要的影響因素是氣溫；36m及48m深度地下水溫度關(guān)聯(lián)系數(shù)最大是地下水水位埋深，其次是氣溫、1號和2號回水井溫度，最小的是降水量，因此36m深度及48m深度地下水溫度最主要的影響因素是地下水位埋深。

從1號、2號、3號觀測井不同深度氣溫的相關(guān)系數(shù)可以看出，地下水溫度與氣溫變化的相關(guān)系數(shù)隨著深度的增加而逐漸降低，說明地下水溫度變化受到氣溫的影響程度逐漸降低；與氣溫類似，降水量的影響程度也隨著深度的增加而呈現(xiàn)逐漸降低趨勢；地下水溫度變化與地下水水位埋深的相關(guān)系數(shù)隨著深度的增大而增加，說明越深受到地溫梯度變化影響作用逐漸顯著。

對比分層監(jiān)測井不同深度地下水溫度變化的控制因素可以看出，深度較淺的地下水溫度變化主要受到1號回水井溫度和2號回水井溫度的影響，隨著深度的增加，地下水溫度變化的控制因素逐漸從回水井溫度變?yōu)榈叵滤宦裆睢?/p>

對比分析3個地下水溫度監(jiān)測井的分析結(jié)果可以看出，隨著距離回水井增大，氣溫的影響程度增大，回水井溫度的影響程度逐漸降低，地下水水位埋深的影響也逐漸增大。

5 結(jié)論

綜上所述可以看出，安陽市第五人民醫(yī)院地下水溫度地下水溫度變化影響因素的總體規(guī)律表現(xiàn)為：水平方向上，在回灌井周圍，地下水溫度的主控因素為回灌水，隨著與回灌井距離的增大，回灌水溫度的影響程度降低，地下水溫度變化的主控因素轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉁睾偷叵滤宦裆?；垂向上，第一含水層地下水位附近，地下水溫度變化的主控因素為回灌水，隨著深度的增大，回灌水溫度和氣溫的影響程度降低，地下水溫度變化的主控因素轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤宦裆睢?/p>

表3 1號、2號、3號分層觀測井溫度相關(guān)性分析結(jié)果表

參考文獻(xiàn)：

[1] 張國建，劉玉忠，尹紅梅，宋麗紅.安陽市地溫空調(diào)對地下水影響淺析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005.

[2] 王慧玲.地溫空調(diào)系統(tǒng)抽回灌模式對地下水流場和溫度場的影響[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009.

[3] 楊武成，陳赫，李國正.地下水源熱泵采能區(qū)水熱耦合模擬研究[J].水電能源科學(xué)，2012.

[4] 胡繼華，張延軍，于子望，等.水源熱泵系統(tǒng)中地下水流貫通極其對溫度場的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.