洛阳市浅层地温能开发利用现场回灌试验研究

2012-01-18袁锡泰龚晓洁余长河

地下水 2012年4期

关键词：浅层源热泵含水层

袁锡泰，龚晓洁，余长河

(1.河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队，河南郑州450045;2.河南省地质调查院，河南郑州450001)

洛阳市浅层地温能开发利用现场回灌试验研究

袁锡泰1，龚晓洁2，余长河1

(1.河南省地质矿产勘查开发局第一水文地质工程地质队，河南郑州450045;2.河南省地质调查院，河南郑州450001)

浅层地温能作为一种清洁的，可再生的能源，是国家要求大力探索和发展的新能源，其开发利用在全国呈现出如火如荼的态势。河南洛阳因其厚层第四系及丰富的浅层地下水资源在水源热泵利用方面具有得天独厚的优势。根据在不同地质地貌单元进行的现场抽回灌试验，初步确定不同地区的抽灌井比例及井距，为城市浅层地温能开发利用提供依据。

洛阳;浅层地温能;回灌能力

浅部地温能和地热资源是一种清洁的，可再生的能源，是国家要求大力探索和发展的新能源。《中华人民共和国可再生能源法》于2006年1月1日起施行，该法的实施为浅部地温能和地热资源的勘查、评价和开发提供了强有力的依据和保障。

洛阳市位于洛阳盆地区，厚层第四系松散地层及丰富的浅层地下水资源为城市浅层地温能开发利用提供了优越的地质条件。

1 浅层地温能赋存地质条件

洛阳市所处的洛阳盆地北依邙山，南抵嵩山，西有小秦岭，中东部为伊洛河冲积平原，构成三面环山，向东敞开的箕形地形。总地势呈西高东低，南北高中间低，由中心至周边，地形渐次升高，且整体由西向东倾斜。北部为邙山，中部为伊洛河河谷平原区，山丘与河谷平原之间为洪积扇及洪积倾斜平原。

洛阳盆地是一个较完整的水文地质单元，周边由山地、黄土丘陵组成，中部为伊洛河冲积平原。地下水的赋存条件及分布规律主要受气象、水文、地形地貌、地层岩性及地质构造等控制。气象、水文对盆地内地下水的补给、径流、排泄条件起着重要作用，地形地貌、地层岩性及地质构造决定了盆地内地下水的空间分布，同时也对地下水的补给、径流、排泄条件产生影响。

北部及西部邙山丘陵区、黄土台塬丘陵区由于分布地形高，地形坡度大，沟谷发育，切割强烈，不利于地下水的补给、储存，有利于地下水的径流、排泄。加之含水层岩性为黄土(粉土)，含水性较差，地下水资源极为贫乏。

伊洛河冲积平原区由于地形相对较低，是地表水和地下水的汇集场所。在洛河、伊河的漫滩区、一二级阶地区，松散堆积物为第四系及新近系冲积、湖积及湖积物，一般为粉质粘土、粉土、砂及卵石互层的双层结构，表层多为粉土和粉质粘土，地层坡度小，地下水位埋藏较浅，地表水及地下水径流滞缓，有利于大气降水入渗补给，下伏以卵石层为主的含水层、厚度较大，结构疏松，分选磨圆较好，渗透性能较好，第三系砂质粘土或砂页岩为底板，埋藏有丰富的孔隙潜水，为地下水丰富、极丰富区。

伊、洛河河谷及河间地块区，赋存于全新统、上更新统、中更新统上部的冲洪积成因的一套砂卵石、粗砂砾石、中粗砂含水层中和粉土、粉质粘土层中，底板埋深150～170 m，其中含水层厚度70～135 m;在北部、南部及西部的黄土丘陵区与坡(洪)积倾斜平原区，赋存于中更新统、新近系黄土状土中和砂砾石、砂含水层中，受地形起伏的影响，底板埋深100～200 m，为地下水极丰富区。

根据浅层地温能赋存的地质、水文地质条件，初步确定伊洛河冲积平原及河谷、河间地块为地下水源热泵适宜区和较适宜区。本次即在这些地区开展现场试验工作，以确定地温空调工程所需抽回灌井的相关参数。

2 现场试验概述

本次分别在位于洛阳市高新区凯旋门酒店(S4、S5)(以下称为1号试验场)、洛阳市人防大楼(S10、S11)(以下称为2号试验场)进行抽灌试验。

其中，1号试验场位于洛河左岸漫滩与二级阶地之间的洪流平地区，2号试验场地位于伊洛河之间的河间地块、洛河右岸的一级阶地上。含水层为第四系全新统和上更新统的冲积物，基本情况见表1。

表1 试验井基本情况表

抽水试验采用单孔稳定流方法。回灌试验采用自流回灌方式，回灌时保持回灌孔水位稳定，水表计量。注水回灌时考虑到实际回灌时的水位升幅，一般保持回灌孔内水位埋深稳定在2～4 m，与最大回灌量相当。

3 试验成果

根据单孔稳定流抽水试验资料，含水层渗透系数K按式1计算:根据回灌孔试验资料，渗透系数K按式2近似计算:

计算结果见表2。

表2 抽、灌试验成果一览表

3.1 自流回灌量大小的影响因素分析

自流回灌即依靠自然重力进行回灌，亦称重力回灌。回灌量的大小受成井质量、水文地质条件等多种因素影响，简述如下。

3.1.1 岩性因素

以砂砾石为主的含水层与以砂砾石夹漂石、砾石的含水层相比，含水层颗粒越粗，抽、回灌水量越大，亦即含水层颗粒越粗越容易回灌。

3.1.2 静水位埋深

通过本次及其他地区多组回灌试验对比，在含水层岩性相似的地区，静水位埋深越大的地区回灌量越大。

因此，在成井质量理想的情况下，静水位埋深越大、含水层颗粒越粗，单位回灌量越大。根据本次试验及前人在本地区的研究成果，一般情况下，不同含水层中回灌量的大小分别为:卵砾石含水层中，单位回灌量为单位抽水量的70%以上;粗砂、中砂含水层中单位回灌量约为单位出水量的70%～40%;中细砂含水层中，单位回灌量约为单位出水量的50%～30%。

3.2 回灌能力分析

本次回灌能力分析分以下两方面进行研究。

3.2.1 根据现场试验进行的抽灌井数比例的研究

现场试验中取得的单位抽水量和单位回灌量之比可作为确定回灌井数的主要依据。

根据本次抽回灌试验成果，并结合工作区地质地貌单元及水文地质条件，考虑到长期回灌时回灌井可能的堵塞情况，工作区地温空调井抽、灌井数比例确定如表3。

表3 现场试验确定的抽、灌井数比例

3.2.2 其他地质因素对回灌能力的影响分析

回灌量除了受到岩性的制约，同时还受地下水富水性和水位埋深(回灌水头压力)的影响。根据工作区的单井出水能力，结合水位埋深、回灌渗透系数，最终确定综合地质条件考虑下的抽灌井数比例，见表4。

3.3 抽、灌井间距的确定

回灌水到达抽水井的时间(热短路时间)可用式3表示:

式中:n为含水层的有效孔隙度;d为抽水井和注水井距离(m);B为含水层厚度(m)。

根据上式可确定发生热短路的抽、灌井间距临界值为:

当抽灌井距离小于d时将发生热短路现象。一般热泵机组正常工作时，要求灌水的温度介于2℃ ～35℃之间，以保证系统可以正常运行。因此，虽然回灌水引起了热短路，但温度变化还在热泵允许的范围内，能够保证系统的运行效率，满足建筑物冷热负荷的要求。另一方面，城市区多数建筑场地不能满足理论计算的抽、灌井间距要求。大量的观测资料也说明热短路现象是普遍存在的。但因回灌水温度适中，可以保证水源热泵空调系统的运行效率。而抽灌水的温度变化供暖期和制冷期呈现周期性的波动，也反映出水源热泵空调系统在长期的运行过程中，其水动力场影响范围内某点的地下水温度波动的规律性，即在水源热泵空调系统长期运行过程中，地下水温度在冷热交替中的影响范围内不会发明显的生持续性的升高或降低。