章丘區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用中的水文地質(zhì)條件分析

孫明遠(yuǎn) 高志友 萬世平 邵琦 孫云川

摘要：淺層地溫能是一種可再生的新型環(huán)保能源，也是一種特殊礦產(chǎn)資源，利用前景廣闊。通過對章丘區(qū)地下水的含水層組及特征、地下水補徑排條件、地下水水位動態(tài)特征以及水化學(xué)類型的分析，判斷出該區(qū)的水文地質(zhì)條件有利于地下水地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)與利用。

關(guān)鍵詞：地下水;地源熱泵;水文地質(zhì)條件;水質(zhì)分析

中圖分類號：X37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）12-0-02

Abstract：Shallow geothermal energy is a new renewable environmental energy source and a special mineral resource， which has a broad application prospect.By analyzing the aquifer group and characteristics of groundwater in Zhangqiu District，groundwater replenishment and drainage conditions，dynamic characteristics of groundwater level，and hydrochemical types，it is determined that the hydrogeological conditions in this area are conducive to the development and utilization of groundwater source heat pump systems.

Key words：Groundwater;Ground source heat pump;Hydrogeological conditions;Water quality analysis

1 含水層組及特征

調(diào)查區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層巖性多樣，其含水巖組的分布受地層、巖性、構(gòu)造、地形地貌和氣象水文等多種因素影響和控制。調(diào)查區(qū)屬魯中南低山丘陵松散巖、碎屑巖、灰?guī)r類為主的水文地質(zhì)區(qū)，水資源在南部山區(qū)得到大量降水及地表水補充，由地表、地下向北徑流補給。根據(jù)地下水的賦存條件、埋藏規(guī)律及各含水層間的水力聯(lián)系，該區(qū)地下水劃分為四種類型：碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層、碎屑巖類孔隙裂隙水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層、松散巖類孔隙含水層。

1.1 碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水層

該含水層區(qū)內(nèi)分布較廣，南部出露于地表，北部山前地帶隱伏于第四系和煤系地層之下。裸露區(qū)面積約12.34km2，隱伏區(qū)面積26.78km2。其中奧陶系馬家溝群巖性以厚層純灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r為主，夾薄層狀泥質(zhì)、白云質(zhì)灰?guī)r，裂隙巖溶發(fā)育，富水性較強。按其富水強弱可分成三個級別：（1）單井涌水量大于3000m3/d，分布于調(diào)查區(qū)東西麻彎泉群及以北地區(qū)、賀套莊北地帶，面積約3.8km2，含水層為馬家溝群灰?guī)r，隱伏于煤系地層之下，裂隙巖溶極其發(fā)育，富水性強，水位埋深較淺。章丘城區(qū)附近枯水期地下水位埋深一般40～60m（如圖1所示），豐水期局部可自流，為泉域巖溶地下水的自流排泄區(qū)，百脈泉群位于區(qū)內(nèi)。

該區(qū)原建有西麻灣和賀套兩個巖溶地下水水源地，后為保護(hù)泉水，西麻灣水源地于2005年4月關(guān)閉。賀套水源地現(xiàn)有4眼開采井循環(huán)運行（井深280～330m），平均日供水量約2.5萬m3（2012年、2013年數(shù)據(jù)）。現(xiàn)該處城市供水水源地均由圣井杜家賀宋李福新建的兩處水源地替代，實現(xiàn)了章丘區(qū)供水系統(tǒng)與泉水水源的全面分離，為保泉做出了積極的貢獻(xiàn)。

（2）單井涌水量3000～1000m3/d，分布于章丘市市區(qū)至賀套莊周圍地區(qū)，面積約13.4km2。馬家溝群灰?guī)r含水層隱伏于煤系地層之下，裂隙巖溶發(fā)育，水量較豐富。章丘市城區(qū)附近地下水位埋深一般大于60m（如圖2所示）。

（3）單井涌水量100～1000m3/d，分布于調(diào)查區(qū)北部山前地帶，面積約21.92km2，一部分隱伏于第四系或煤系地層之下（約9.58km2）。含水層巖溶裂隙發(fā)育程度一般，富水性中等，根據(jù)實測資料，2018年3-9月水位埋深一般50～160m（如圖3所示）。

1.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

含水層主要為石炭-二疊系砂巖，除赭山和李家埠附近有小范圍出露外，大部分被第四系覆蓋。水位埋深15～57m，單井涌水量變化較大，一般小于100m3/d，類型為SO4·HCO3-Ca型。

1.3 碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙含水層

包括石炭系本溪組-太原組，二疊系山西組、石盒子群，主要分布在山前地帶煤系地層分布區(qū)，含水層巖性為砂巖夾灰?guī)r，水位受季節(jié)影響，年內(nèi)變化較大。含水層通常巖溶裂隙不發(fā)育，富水性較差，涌水量一般小于100m3/d，水質(zhì)較差，地下水類型以SO4·HCO3-Ca·Mg型為主（賀套莊井），該層近底部，有厚約10m的灰?guī)r（徐家莊灰?guī)r），為煤系地層的主要層間巖溶含水層，在工作區(qū)局部構(gòu)造發(fā)育地帶，特別是在泉口附近，受斷裂構(gòu)造的作用，與下伏巖溶水連通，涌水量大增，單井涌水量一般小于500m3/d。

1.4 松散巖類孔隙含水層

主要分布在工作區(qū)北部山前地帶及西南部的山大片區(qū)，含水層主要為山前沖洪積堆積物及河流沖洪積物，巖性為砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土夾碎石、礫石層，厚度一般在10～50m?？菟谝话闼枯^小、水位埋深較大，平水期或豐水期局部地段數(shù)量充沛，在工作區(qū)北部部分地區(qū)是主要的農(nóng)業(yè)灌溉水源（如呂家村-查舊一帶）。西南部松散巖類孔隙水涌水量可達(dá)2000m3/d，水質(zhì)較差，因總硬度和硫酸鹽超標(biāo)被評定為Ⅴ類水，地下水類型以SO4·HCO3-Ca·Mg型為主。

2 地下水補徑排條件

章丘地區(qū)南部基巖裸露，接受大氣降水的垂直入滲補給，順地形及地層層面向北徑流，受山前煤系地層阻擋，巖溶水由無壓變?yōu)槌袎?，最終在適宜的地形、地貌及構(gòu)造條件下，以泉水形式排泄。受地形地貌、巖性及構(gòu)造等因素的控制，地下水賦存與運動規(guī)律反映出與地形、地貌相吻合的特征。水位變化與地形地貌、降雨量、巖溶裂隙發(fā)育程度及地下水開采規(guī)模相關(guān)性大。

2.1 補給條件

大氣降水是調(diào)查區(qū)巖溶地下水的主要補給來源。補給區(qū)廣泛分布于工作區(qū)南部山區(qū)，灰?guī)r裸露，地表及地下裂隙巖溶較發(fā)育，特別是在構(gòu)造作用下，發(fā)育有NW向和NE向兩組裂隙，在裂隙帶及裂隙交匯部位，往往發(fā)育較多的溶洞、網(wǎng)絡(luò)狀溶蝕裂隙，有利于降水及地表水的入滲。在補給區(qū)，巖石大多裸露或只覆蓋薄層第四系松散堆積物，地形切割嚴(yán)重，溝谷發(fā)育，地表水、地下水流向與地層傾向基本一致，這些都極有利于降水的入滲。

2.2 徑流條件

調(diào)查區(qū)為斷塊構(gòu)造所形成的獨立的水文地質(zhì)單元，區(qū)內(nèi)巖層傾向、地形坡降、地表水、地下水流向基本是一致的，即巖溶地下水順巖石層面由南向北徑流，匯入山前排泄區(qū)。此外地表分水嶺以南地段，巖溶地下水流向順巖石層面由南向北徑流，部分地下水以泉的形式排出，順地形坡降向南流出;西邊界附近地下水順地形坡降向北西、北西西方向徑流，至西邊界后，受文祖斷裂的阻隔，順構(gòu)造阻水帶向北徑流;泉域東邊界附近，在不開采的條件下自然向北流，自20世紀(jì)90年代中后期至今，受局部水源地開采影響，改變了巖溶水流向。據(jù)收集的水位觀測資料，地下水流向由向北徑流改為向東，即向斷裂帶流動;東南部低山、丘陵區(qū)巖溶地下水匯集于山前地帶之后，由潛水變?yōu)槌袎核?，于泉群排泄。但由于山前地帶分布的多個水源地對巖溶水的大量開采，形成了數(shù)個地下水降落漏斗，局部改變了地下水流向。

2.3 排泄條件

排泄區(qū)位于調(diào)查區(qū)巖溶水系統(tǒng)的北部，山前平原地帶，灰?guī)r含水層隱伏于第四系及石炭、二疊系地層之下。地層以奧陶系灰?guī)r、石炭-二疊系砂巖為主。灰?guī)r巖溶十分發(fā)育，形成了以溶孔、溶隙、溶洞為主的網(wǎng)絡(luò)巖溶水系統(tǒng)，構(gòu)成了近東西向的巖溶水強富水帶。巨厚的灰?guī)r和強烈的巖溶發(fā)育空間，構(gòu)成了巨大的天然巖溶地下水庫，含水層導(dǎo)水性強、富水性大，單井涌水量大于1000m3/d，局部富水地帶達(dá)3000m3/d以上。該區(qū)是巖溶水系統(tǒng)的主要排泄地帶，排泄方式主要有泉水排泄、人工開采及煤礦排水三個方面。

3 地下水水位動態(tài)特征

多年長期觀測資料顯示，在地下水補給區(qū)、徑流區(qū)、排泄區(qū)，地下水動態(tài)特征明顯不同;在不同水文地質(zhì)單元分區(qū)，地下水位動態(tài)特征也不一樣。按不同地下水類型，分別對區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)特征分述如下：

3.1 松散巖類孔隙水動態(tài)特征

其總的水位特征為：因繡源河上游河床底部做了防滲漏措施，故而河流上游一帶水位無法接受河流側(cè)向補給，順河流流向，地下水位逐漸變淺，從20多米水位埋深過度到河流下游的2m以下;地下水水力坡度在大站水庫以北表現(xiàn)為最大，在5‰左右;區(qū)內(nèi)含水富水性與水位埋深間關(guān)系不明顯，與河流間距離對地下水位影響也不明顯。

3.2 碳酸鹽巖類巖溶水動態(tài)特征

該類地下水總體特征為：隱伏性較強，含水巖層埋藏較深，并且覆蓋深厚的黏土層，屬于一種封閉的地下水系統(tǒng)，至今尚未得到開采，因此該類地下水水位動態(tài)比較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

綜上所述，區(qū)內(nèi)含水層富水性較大、地下水流動性好、滲透性強，根據(jù)淺層地溫調(diào)查評價項目的抽水回灌試驗數(shù)據(jù)顯示，全區(qū)回灌率均在80%以上，部分地區(qū)可實現(xiàn)同層100%回灌，這為地下水地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用提供了諸多便利。但因區(qū)內(nèi)均為結(jié)構(gòu)性較多的地下水，且水質(zhì)評價多為Ⅳ類和Ⅴ類水，運用層次分析法和指標(biāo)法相結(jié)合的原則，在不考慮明水泉域地下水禁采區(qū)的情況下，全區(qū)85%以上的區(qū)域被劃為地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性中等區(qū)。

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收稿日期：2019-09-21

作者簡介：孫明遠(yuǎn)（1988-），男，漢族，本科學(xué)歷，工程師，研究方向為水工環(huán)、環(huán)境工程、地?zé)衢_發(fā)。