商丘城区浅层地热赋存条件及地下水回灌能力研究

魏涛 李元琳 徐宝红 赵玉强 叶晔

【摘要】本文在商丘城区浅层地热赋存条件的基础上进行探讨分析，利用野外场地试验，对地下水供给能力及回灌能力进行了研究。得出以下主要结论：商丘市城区恒温带深度约19m，恒温带温度为15.5℃，增温带平均地温梯度为2.82℃/100m；商丘市城区含水层渗透系数约为4.8-7.1 m/d，但研究区内200m以浅含水层岩性主要以细砂和粉细砂为主，单层厚度较薄，颗粒较细，渗透性较差，回灌能力小于500m3/d，确定研究区内通过地下水换热方式进行浅层地热能开发为不适宜。

【关键词】商丘城区 浅层地热 赋存条件 地下水回灌

0.引言

浅层地热能是在太阳辐射和地球梯度增温综合作用下，地球浅表恒温带至200m埋深内的土壤岩石和地下水中所蕴藏的低温热能，是一种生态可再生能源，具有分布范围广、储量巨大、开采成本低等优点。开发利用浅层地温能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的现实意义。

商丘市城区区属暖温带半湿润大陆性季风气候，具有春旱秋雨，夏热冬寒，四季分明显著特点，制冷供暖需求较大。所处黄河冲积平原，地形基本平坦，水文地质条件简单，其地下水埋藏较浅，资源丰富。因此进行浅层地热赋存条件和回灌能力研究为指导商丘市浅层地热能的发展提供有力的帮助。

1.研究区概况

商丘城区位于为黄河冲积平原，地势平坦、开阔，第四系厚度400～450m，其中全新统底板埋深30～50m，为近期黄河冲积物，含水层岩性以细砂、粉砂为主，可见2～4层，累积厚度7.00～38.50m，平均厚度约18m，富水性变化较大，静水位埋深一般为3～5m；上更新统底界埋深95～115m，中更新统底板埋深140～175m，中、上更新统砂层较不发育，含水层岩性以细砂、粉细砂为主，其次为粉砂，可见2～6层，累积厚度10.85～41.0m，平均厚度约20.5m，富水性弱，静水位埋深一般4～7m。

2浅层地热分布特征

2.1地温场特征

变温带：地温受气温的控制呈周期性的昼夜变化和年变化，随深度的增加，变化幅度逐渐变小。通过对商丘市城区浅层地下水调查，商丘市城区变温带厚度为19m，变温带温度在14.5-18.5℃。

图1地下水温度与埋深关系图

○2恒温带：气温的影响趋于零，地球内热与太阳辐射热互相影响达到平衡。恒温带的温度各地不一，主要与该地区的纬度、高度、岩性、地表水体的分布、植被及小气候条件有关。通过对5个井进行了地温测量长期监测及收集以往资料综合确定商丘市城区恒温带深度约19m，恒温带温度为15.5℃。

增温带：受地球内部热力影响，随着深度的增加而有规律地升高。深度每向下增加100m所增高的温度称为地温梯度。通过监测分析可知，市区南部地温梯度稍偏高，一般为2.37-3.57℃/100m之间；而北部稍偏低，地温梯度在2.39-3.13℃/100m之间。全区平均地温梯度为2.82℃/100m。

2.2水化学特征分析

研究区浅层潜水地下水水化学类型主要以HCO3-Na·Mg、HCO3·SO4-Na·Mg类型为主，局部分布HCO3-Na、HCO3-Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl·SO4-Na·Mg、HCO3·Cl·SO4-Ca·Mg。在商丘市文化路以北水化學类型主要以HCO3-Na·Mg为主，文化路以南水化学类型变化为HCO3·SO4-Na·Mg类型为主。区内浅层地下水的PH值7.61～8.18，矿化度1280.0～2560.0mg/L，总硬度262.0～975.0mg/L（以CaCO3计）属中性、微硬、微咸水。通过对枯、丰期浅层地下水取样发现，矿化度变化在0.3g/l左右，这说明地下水在流动过程中介质间的作用以溶滤作用为主。

研究区浅层承压地下水水化学类型主要以Cl·SO4-Na·Mg类型为主，局部分布HCO3·Cl·SO4-Na·Mg、HCO3·Cl·SO4-Na型。区内浅层承压地下水的PH值7.49～8.38，矿化度2200.0～3080.0mg/L，总硬度646.0～1090.0mg/L（以CaCO3计）属中性～弱碱性、微硬～硬水、微咸水。

3回灌试验

3.1试验简介

抽水、回灌试验是从井中连续抽水或者注水，并记录水位、水量、水温的变化来测定含水层的渗透性能和水文地质参数的试验。针对不同的水文地质条件，在商丘市城区布置浅层地热能抽水试验3组，回灌试验3组。

3.2抽水试验结果分析

商丘市城区浅层地热能调查评价项目进行了稳定流抽水试验3组，分别位于位于位于小郭庄的S3、史庄西北的S2、四营东S6。

据单孔稳定流抽水试验资料，含水层渗透系数K计算公式如下：

式中：K—渗透系数，单位为m/d；Q—稳定的出水量或注水量，单位为m3/d；H—潜水含水层厚度，单位为m；S—水位降深或升幅，单位为m；R—影响半径，取经验值，单位为m；r—过滤器半径，单位为m；L—试验段或过滤器长度，单位为m，下同。图1为S3抽水试验成果图，根据抽水试验数据和渗透系数计算公式得到抽水试验成果如表2所示，

由S3抽水试验成果图可以看出，在抽水初期，水位下降较快，大约在8小时后水位趋于稳定，说明含水层的富水性较差，从抽水试验成果表可以看出，该含水层的单位涌水量较低，抽水试验对含水层水位的降深较大。综合成果图以及成果表可知，该含水层富水性较差，渗透系数较低，不宜进行大规模的抽水。

3.3回灌试验结果分析

为了了解商丘市城区含水层的回灌能力，在商丘市城区部署3组回灌试验，其中S3、S4抽回灌孔，S1、S2抽回灌孔，S6、S7抽回灌孔，采用自流回灌方式进行回灌，回灌时及时调整回灌量，考虑到实际回灌时的水位升幅，由于城区水位埋深较浅，一般保持回灌孔内水位埋深稳定在1.5m左右为最大回灌量，回灌试验成果如表3所示，其中S1、S2抽水回灌试验图见图2。

圖2 S1、S2抽水回灌试验图

根据S1，S2抽水试验回灌图可知，在抽水初期水位下降较快，约3小时后，降深逐渐趋于稳定，停止抽水后水位在2小时后逐渐恢复，涌水量相对较小，说明含水层富水性较差；通过注水试验图可知，随着注水量的增加，水位逐渐升高，注水量保持稳定后2小时，降深趋于稳定，停止抽水后约3小时，水位恢复到试验之前。通过回灌试验成果表可知，该含水层的渗透系数较低，富水性较差，与S3情况相同，不宜进行大规模的抽水灌水活动。

3.4结果分析

换热方式的选取对于开发浅层地温能至关重要，本文主要针对地下水换热方式适宜性进行分析，主要考虑含水层岩性、分布、水位埋深、厚度、富水性、渗透性、地下水水温、水质、水位动态变化，水源地保护、地质灾害等因素。研究区内200m以浅含水层岩性主要以细砂和粉细砂为主，单层厚度较薄，颗粒较细，渗透性较差，结合水源热泵使用情况调查发现商丘市城区回灌能力小于500m3/d，在商丘市北部，李梅楼—毕大庄—杨油坊一带，含水层厚度小于20m，富水性差，回灌能力更差。

根据浅层地热能评价规范（DZ/T0025-2009）中地下水换热方式适宜性分区（表4）可确定研究区内通过地下水换热方式进行浅层地热能开发为不适宜。

4结论

1、商丘市城区恒温带深度约19m，恒温带温度为15.5℃，增温带平均地温梯度为2.82℃/100m。

2、商丘市城区含水层渗透系数约为4.8-7.1 m/d，但研究区内200m以浅含水层岩性主要以细砂和粉细砂为主，单层厚度较薄，颗粒较细，渗透性较差，回灌能力小于500m3/d，确定研究区内通过地下水换热方式进行浅层地热能开发为不适宜。

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Research on re-injection ability and store condition of shallow layer geothermal in Shangqiu city

（No.4 Geology and Mineral Resources Survey Institute of Geology and Minerals Investigation Bureau of Henan province ，Shangqiu 476000，China）

Wei Tao ， Li Yuan- lin ， Xu Bao-hong ， Zhao Yu-qiang ， Ye Ye

Abstract： On the condition of shallow layer geothermal occurrence， taking advantage of experiments in the field， this thesis makes a research on supply ability and re-injection ability of surface-water. At last， it comes to conclusions ：in Shangqiu city， the height of constant temperature zone is about 19m， the temperature of constant temperature zone is 15.5℃， the geothermal gradient of increasing temperature zone is 2.82℃/100m； the osmotic coefficient of aquifer is about 4.8-7.1 m/d， the main lithology of unconfined aquifer in 200ms in research area is fine sand and silty-fine sand， in which the height of mono-layer is thin， the particle is minute， the permeability is bad， and the re-injection ability is below 500m3/d. This thesis confirmed that in research area it is improper to develop shallow layer geothermal energy by heat transfer of underground water.

key words：Shangqiu city ；shallow layer geothermal；occurrence；groundwater re-injection