福州市地下水源熱泵抽水回灌試驗研究

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

在能源日趨緊張的今天，節(jié)能是關(guān)系到國計民生的大問題，合理利用能源是一項促進我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要工作。地下水源熱泵利用地下水冬暖夏涼的特點，抽取地下水到地面以上與建筑物內(nèi)的空氣進行熱交換，然后再回灌到含水層，周而復(fù)始形成循環(huán)，在循環(huán)時僅耗費少量的高品位電能，不產(chǎn)生任何有毒有害氣體。由于其在節(jié)能環(huán)保方面的獨特優(yōu)勢，在我國受到越來越多的推崇，在世界各地得到推廣應(yīng)用[1-2]。

但是，如果大量地應(yīng)用地下水源熱泵而無可靠的回灌，必將造成地下水資源的嚴(yán)重浪費，產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，在地下水源熱泵研究與應(yīng)用前應(yīng)查明當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，確定含水層的回灌能力，合理的抽回灌井比例及井間距的設(shè)計是影響熱泵系統(tǒng)運行和投資的基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

福州市所在地屬于典型的河口盆地，三面環(huán)山，一面臨海。總地勢是西高東低，南北高中間低，自中心至周邊，地形漸次升高，且整體自西向東傾斜。

福州盆地是一個較完整的水文地質(zhì)單元，周邊由山地組成，中部為盆地平原區(qū)?；鶐r山區(qū)以基巖裂隙水為主，由于地形坡度大，切割強烈，溝谷發(fā)育，不利于地下水的補給、儲存，含水性較差。閩江自西北流入福州盆地后轉(zhuǎn)向東西分叉，把盆地分割為江北平原、南臺島和烏龍江南岸平原三大部分。盆地平原區(qū)主要發(fā)育上、下兩個孔隙承壓水含水巖組。

下部承壓含水層為砂、砂卵石層，頂板埋深大于20.0m，含水層厚度為10.0～45.0m，隔水底板為花崗巖。在閩江古河道主流線上，水量較豐富，單孔涌水量大于1000t/d，水位埋深2.0～5.0m，礦化度0.54～0.94g/L，水質(zhì)類型為Cl-HCO3-Na型和Cl-Na型，pH值6.5～7.0。

上部承壓含水層為全新世沖積形成的砂層，含水巖組顆粒細(xì)。富水區(qū)分布在閩江古河道上，含水層厚度從主流線往兩側(cè)變薄至尖滅，地下水位埋深0.6～3.5m，單孔涌水量大于1000t/d，礦化度0.18～0.70g/L，水質(zhì)類型為Cl-HCO3-Na型和Cl-Na型，pH值6.5～7.0。

根據(jù)淺層地溫能賦存的水文地質(zhì)條件，初步確定閩江沖積平原區(qū)為地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的適宜區(qū)和較適宜區(qū)，本次主要在這些地區(qū)開展抽水、回灌試驗。

2 鉆孔施工概況

2.1 鉆進

本次共選取6個試驗點，成井12眼。鉆孔施工采用XY-100型回旋鉆機，清水取芯鉆進。根據(jù)巖芯劃分地層，含水層下入濾水管，隔水層下入井壁管，井身圓直，井管安裝順利(試驗點1～12號鉆孔地層概況見表1)。

表1 鉆 孔 地 層

2.2 井管安裝

井管包括井壁管和濾水管兩部分，采用φ219的無縫鋼管成井，濾水管外包纏絲濾布(30目)。井管外填礫，采用粒徑2～8mm天然石英砂，圍填厚度大于100mm，為防止地表污水污染地下含水層，井口采用黏土和黏性土球止水，封閉厚度2.0m左右。管井成井后，采用正反循環(huán)洗井，直至水清砂凈。

3 抽水、回灌試驗

3.1 試驗設(shè)計

本次試驗共有6個試驗點，分別為A福州市進出口銀行、B海峽圖書館、C福州金城灣、D福州西客站、E福州新世紀(jì)花園、F福建中醫(yī)藥大學(xué)，每個試驗點兩口井，編號1～12號(試驗點位置分布見圖1)。試驗點地層為多個含水層的，兩口井應(yīng)選取不同的含水層作為試驗段(具體試驗方案見表2)。

圖1 試驗點位置分布

試驗點A位于江北平原的閩江一級階地上，上部為中砂承壓含水層，埋深6.2m，厚21.6m，下部為砂卵石承壓含水層，埋深35.3m，厚32.1m。1號井的試驗段(濾管所下的位置)為上部中砂承壓含水層，2號井的試驗段為下部砂卵石承壓含水層。

試驗點B位于江北平原的一級階地，砂卵石承壓含水層，埋深40.6～43.2m，厚13.5～15.0m。3號、4號井的試驗段均為砂卵石承壓含水層。

試驗點C位于南臺島一級階地上，上部為中砂承壓含水層，厚約32.3m，下部為砂卵石承壓含水層，埋深34.8～35.1m，厚29.4m，兩個含水層直接接觸，有較強的水力聯(lián)系。

表2 試驗方案

試驗點D位于閩江古河道，上部為中砂承壓含水層，埋深2.2m，厚10.6m，下部為砂卵石承壓含水層，埋深31.4m，厚7.5m。

試驗點E位于江北平原閩江一級階地上，靠近閩江入?？冢趯嶒烖cA下游約5km處。上部為粉砂、中砂承壓含水層，埋深3.6m，厚10.5m，下部為粉砂、砂卵石承壓含水層，埋深24.0m，厚26.7m。

試驗點F位于閩江古河道上，在試驗點D的上游約5km處。砂卵石承壓含水層，埋深18.4～19.0m，厚14.5～15.0m。

3.2 試驗方法

3.2.1 抽水試驗

抽水試驗采用揚程60.0m的潛水泵，用直徑100mm的耐壓管將抽出的水排入遠(yuǎn)處的城市下水道管網(wǎng)，孔口安裝有三通閥門、水表。地下水位、水溫的觀測采用加拿大生產(chǎn)的Solinst Levelogger探頭，精度高且可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，另以電測水位計作為輔助觀測設(shè)施，各井抽水前先用水泵間斷抽水，待水清砂凈后，進行正式抽水試驗。抽水試驗采用單孔穩(wěn)定流[3]方法，觀測時間先密后疏，抽水試驗持續(xù)時間24～48h，穩(wěn)定時間4～8h。

3.2.2 回灌試驗

回灌試驗采用對井、自流回灌方式。回灌時采用定流量，水表計量，讀數(shù)精確到0.10m3?？紤]到實際回灌的水位升幅，一般控制回灌量使回灌孔內(nèi)水位埋穩(wěn)定在0.5～1.0m，與最大回灌量相當(dāng)?；毓鄷r同時觀測抽水井與回灌井的水位及回灌量變化?；毓嘣囼炓笏环€(wěn)定時間不少于12h，試驗持續(xù)時間24～48h。

4 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根據(jù)《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》(SL 320—2005)中公式利用迭代法計算：

(1)

(2)

式中：Q為抽水量，m3/d；r為井半徑，m；M為含水層厚度，m；S為水位穩(wěn)定降深，m；R為影響半徑，m。

根據(jù)回灌孔試驗資料，滲透系數(shù)按水利水電工程鉆孔常水頭注水試驗公式近似計算：

(3)

式中：Q為注入流量,m3/d；H為試驗水頭,m；kh、kv為試驗土層的水平、垂直滲透系數(shù),cm/s；A為形狀系數(shù)，cm，由鉆孔和水流邊界確定；m值本次試驗近似取1(計算成果見表3)。

表3 抽水、回灌試驗成果表

4.1 回灌能力分析

自流回灌即重力回灌，僅依靠自然重力進行回灌，不附加其他的壓力。受回灌量的大小與成井質(zhì)量、水文地質(zhì)條件等多種因素影響。

通過本次試驗可以得出，砂卵石含水層的單位回灌率大于中砂含水層，中砂含水層的單位回灌率大于粉砂含水層，表明含水層顆粒越粗，抽、灌水量越大，越容易回灌。在含水層巖性厚度相似的地區(qū)，靜水位埋深越大的地方回灌量越大。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。

現(xiàn)場試驗中取得的單位回灌率(單位回灌量和單位抽水量之比)可作為評價含水層回灌能力的主要依據(jù)。

本次試驗中，砂卵石含水層的單位回灌率達71%～100%，中砂含水層的單位回灌率為51%～61%，粉砂含水層的單位回灌率為49%。因本次回灌試驗持續(xù)時間較短，僅24～48h，所測得的單位回灌率均稍偏大，結(jié)合前人在本地區(qū)的研究成果，一般情況下砂卵石含水層中單位回灌率大于70%，中砂、粗砂含水層單位回灌率約50%～70%，粉砂、細(xì)砂含水層中單位回灌率約30%～50%。

研究區(qū)地下水位埋深較淺，僅為2.35～7.19m，雖然通過現(xiàn)場試驗得出的含水層單位回灌率較高，但是回灌井水位的升幅是很有限的，即單井最大回灌量是有限的。在實際工程應(yīng)用中，較大的抽水量可以通過增大抽水井井徑、水位降深來實現(xiàn)；較大的回灌量，只能通過增大回灌井的井徑、增加回灌井的數(shù)量來實現(xiàn)，靠增大回灌井水位變幅是行不通的，所以在設(shè)計抽灌井?dāng)?shù)量比例時應(yīng)適當(dāng)增大回灌井的比例。考慮到長期回灌時回灌量下降的情況，研究區(qū)不同巖性含水層地下水源熱泵應(yīng)用時，對抽灌井?dāng)?shù)量比例進行設(shè)計(見表4)。

表4 抽灌井?dāng)?shù)量比例

4.2 抽、灌井間距的確定

合適的抽、灌井溫差是保持熱泵高效率運行的一個重要因素，抽、灌井溫差的影響因素既有地面的，又有地下的。地面因素為空調(diào)系統(tǒng)的熱交換過程，室內(nèi)設(shè)定溫度與外界氣溫差別越大、熱交換越充分，抽灌井的地面溫差越大；地下因素為熱對流-地下水彌散過程，抽灌井距離越小、地下水對流和彌散越強烈，抽灌井的地下溫差越小[4]。溫差縮小會導(dǎo)致地下水源熱泵效率的降低。如果抽水井受到回灌井影響較大，發(fā)生熱突破，就無法發(fā)揮地溫空調(diào)的作用，應(yīng)該避免此類情況。

回灌井對抽水井溫度的影響必須降低到合理水平，當(dāng)回灌率為0時，抽水井溫度最穩(wěn)定，但這是地下水資源保護所不能允許的。增加抽灌井的距離可以有效降低發(fā)生熱突破的風(fēng)險，但又會增加回灌能力不足的風(fēng)險，且實際工程中需考慮經(jīng)濟性。在穩(wěn)定流純對流雙井條件下，回灌井水運移鋒面到達抽水孔的時間已經(jīng)有解析解[5]，據(jù)此可以得出從開始回灌到發(fā)生熱突破所需要的時間tc，用下式表示：

(4)

式中：d為含水層的厚度,m；n為含水層有效孔隙度；L為抽水井和注水井距離,m。

考慮地下水源熱泵持續(xù)運行的時間為tm, 根據(jù)上式可推導(dǎo)出發(fā)生熱短路的抽、灌井間距臨界值為

(5)

假定熱泵系統(tǒng)夏季連續(xù)運行120d，tm=2880h，則研究區(qū)內(nèi)各含水層抽、灌井臨界井間距計算結(jié)果見表5。

表5 各含水層抽、灌井臨界間距

5 結(jié) 論

通過福州市6個試驗點的抽水回灌試驗，初步確定下列成果：

a.福州市各主要含水層的回灌能力及抽灌井?dāng)?shù)量比例設(shè)計：砂卵石含水層單位回灌率達70%，抽灌井比例為1∶1～1∶2；中砂含水層單位回灌率為40%～60%，抽灌井比例為1∶2～1∶3；粉砂、細(xì)砂含水層單位回灌率為30%～50%，抽灌井比例應(yīng)大于1∶4。

b.福州市各主要含水層的抽灌井間距的設(shè)計：砂卵石含水層不宜小于65.0m, 中砂含水層不宜小于50.0m，細(xì)砂含水層不宜小于45.0m, 粉砂含水層不宜小于40.0m。