福州市地下水源热泵抽水回灌试验研究

2019-12-02

水资源开发与管理 2019年11期

(长江岩土工程总公司(武汉)，湖北武汉 430010)

在能源日趋紧张的今天，节能是关系到国计民生的大问题，合理利用能源是一项促进我国经济可持续发展的重要工作。地下水源热泵利用地下水冬暖夏凉的特点，抽取地下水到地面以上与建筑物内的空气进行热交换，然后再回灌到含水层，周而复始形成循环，在循环时仅耗费少量的高品位电能，不产生任何有毒有害气体。由于其在节能环保方面的独特优势，在我国受到越来越多的推崇，在世界各地得到推广应用[1-2]。

但是，如果大量地应用地下水源热泵而无可靠的回灌，必将造成地下水资源的严重浪费，产生严重的环境问题。因此，在地下水源热泵研究与应用前应查明当地的水文地质条件，确定含水层的回灌能力，合理的抽回灌井比例及井间距的设计是影响热泵系统运行和投资的基础。

1 研究区水文地质条件

福州市所在地属于典型的河口盆地，三面环山，一面临海。总地势是西高东低，南北高中间低，自中心至周边，地形渐次升高，且整体自西向东倾斜。

福州盆地是一个较完整的水文地质单元，周边由山地组成，中部为盆地平原区。基岩山区以基岩裂隙水为主，由于地形坡度大，切割强烈，沟谷发育，不利于地下水的补给、储存，含水性较差。闽江自西北流入福州盆地后转向东西分叉，把盆地分割为江北平原、南台岛和乌龙江南岸平原三大部分。盆地平原区主要发育上、下两个孔隙承压水含水岩组。

下部承压含水层为砂、砂卵石层，顶板埋深大于20.0m，含水层厚度为10.0～45.0m，隔水底板为花岗岩。在闽江古河道主流线上，水量较丰富，单孔涌水量大于1000t/d，水位埋深2.0～5.0m，矿化度0.54～0.94g/L，水质类型为Cl-HCO3-Na型和Cl-Na型，pH值6.5～7.0。

上部承压含水层为全新世冲积形成的砂层，含水岩组颗粒细。富水区分布在闽江古河道上，含水层厚度从主流线往两侧变薄至尖灭，地下水位埋深0.6～3.5m，单孔涌水量大于1000t/d，矿化度0.18～0.70g/L，水质类型为Cl-HCO3-Na型和Cl-Na型，pH值6.5～7.0。

根据浅层地温能赋存的水文地质条件，初步确定闽江冲积平原区为地下水源热泵系统应用的适宜区和较适宜区，本次主要在这些地区开展抽水、回灌试验。

2 钻孔施工概况

2.1 钻进

本次共选取6个试验点，成井12眼。钻孔施工采用XY-100型回旋钻机，清水取芯钻进。根据岩芯划分地层，含水层下入滤水管，隔水层下入井壁管，井身圆直，井管安装顺利(试验点1～12号钻孔地层概况见表1)。

表1 钻孔地层

2.2 井管安装

井管包括井壁管和滤水管两部分，采用φ219的无缝钢管成井，滤水管外包缠丝滤布(30目)。井管外填砾，采用粒径2～8mm天然石英砂，围填厚度大于100mm，为防止地表污水污染地下含水层，井口采用黏土和黏性土球止水，封闭厚度2.0m左右。管井成井后，采用正反循环洗井，直至水清砂净。

3 抽水、回灌试验

3.1 试验设计

本次试验共有6个试验点，分别为A福州市进出口银行、B海峡图书馆、C福州金城湾、D福州西客站、E福州新世纪花园、F福建中医药大学，每个试验点两口井，编号1～12号(试验点位置分布见图1)。试验点地层为多个含水层的，两口井应选取不同的含水层作为试验段(具体试验方案见表2)。

图1 试验点位置分布

试验点A位于江北平原的闽江一级阶地上，上部为中砂承压含水层，埋深6.2m，厚21.6m，下部为砂卵石承压含水层，埋深35.3m，厚32.1m。1号井的试验段(滤管所下的位置)为上部中砂承压含水层，2号井的试验段为下部砂卵石承压含水层。

试验点B位于江北平原的一级阶地，砂卵石承压含水层，埋深40.6～43.2m，厚13.5～15.0m。3号、4号井的试验段均为砂卵石承压含水层。

试验点C位于南台岛一级阶地上，上部为中砂承压含水层，厚约32.3m，下部为砂卵石承压含水层，埋深34.8～35.1m，厚29.4m，两个含水层直接接触，有较强的水力联系。

表2 试验方案

试验点D位于闽江古河道，上部为中砂承压含水层，埋深2.2m，厚10.6m，下部为砂卵石承压含水层，埋深31.4m，厚7.5m。

试验点E位于江北平原闽江一级阶地上，靠近闽江入海口，在实验点A下游约5km处。上部为粉砂、中砂承压含水层，埋深3.6m，厚10.5m，下部为粉砂、砂卵石承压含水层，埋深24.0m，厚26.7m。

试验点F位于闽江古河道上，在试验点D的上游约5km处。砂卵石承压含水层，埋深18.4～19.0m，厚14.5～15.0m。

3.2 试验方法

3.2.1 抽水试验

抽水试验采用扬程60.0m的潜水泵，用直径100mm的耐压管将抽出的水排入远处的城市下水道管网，孔口安装有三通阀门、水表。地下水位、水温的观测采用加拿大生产的Solinst Levelogger探头，精度高且可以实现数据的自动采集，另以电测水位计作为辅助观测设施，各井抽水前先用水泵间断抽水，待水清砂净后，进行正式抽水试验。抽水试验采用单孔稳定流[3]方法，观测时间先密后疏，抽水试验持续时间24～48h，稳定时间4～8h。

3.2.2 回灌试验

回灌试验采用对井、自流回灌方式。回灌时采用定流量，水表计量，读数精确到0.10m3。考虑到实际回灌的水位升幅，一般控制回灌量使回灌孔内水位埋稳定在0.5～1.0m，与最大回灌量相当。回灌时同时观测抽水井与回灌井的水位及回灌量变化。回灌试验要求水位稳定时间不少于12h，试验持续时间24～48h。

4 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根据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》(SL 320—2005)中公式利用迭代法计算：

(1)

(2)

式中：Q为抽水量，m3/d；r为井半径，m；M为含水层厚度，m；S为水位稳定降深，m；R为影响半径，m。

根据回灌孔试验资料，渗透系数按水利水电工程钻孔常水头注水试验公式近似计算：

(3)

式中：Q为注入流量,m3/d；H为试验水头,m；kh、kv为试验土层的水平、垂直渗透系数,cm/s；A为形状系数，cm，由钻孔和水流边界确定；m值本次试验近似取1(计算成果见表3)。

表3 抽水、回灌试验成果表

4.1 回灌能力分析

自流回灌即重力回灌，仅依靠自然重力进行回灌，不附加其他的压力。受回灌量的大小与成井质量、水文地质条件等多种因素影响。

通过本次试验可以得出，砂卵石含水层的单位回灌率大于中砂含水层，中砂含水层的单位回灌率大于粉砂含水层，表明含水层颗粒越粗，抽、灌水量越大，越容易回灌。在含水层岩性厚度相似的地区，静水位埋深越大的地方回灌量越大。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。

现场试验中取得的单位回灌率(单位回灌量和单位抽水量之比)可作为评价含水层回灌能力的主要依据。

本次试验中，砂卵石含水层的单位回灌率达71%～100%，中砂含水层的单位回灌率为51%～61%，粉砂含水层的单位回灌率为49%。因本次回灌试验持续时间较短，仅24～48h，所测得的单位回灌率均稍偏大，结合前人在本地区的研究成果，一般情况下砂卵石含水层中单位回灌率大于70%，中砂、粗砂含水层单位回灌率约50%～70%，粉砂、细砂含水层中单位回灌率约30%～50%。

研究区地下水位埋深较浅，仅为2.35～7.19m，虽然通过现场试验得出的含水层单位回灌率较高，但是回灌井水位的升幅是很有限的，即单井最大回灌量是有限的。在实际工程应用中，较大的抽水量可以通过增大抽水井井径、水位降深来实现；较大的回灌量，只能通过增大回灌井的井径、增加回灌井的数量来实现，靠增大回灌井水位变幅是行不通的，所以在设计抽灌井数量比例时应适当增大回灌井的比例。考虑到长期回灌时回灌量下降的情况，研究区不同岩性含水层地下水源热泵应用时，对抽灌井数量比例进行设计(见表4)。

表4 抽灌井数量比例

4.2 抽、灌井间距的确定

合适的抽、灌井温差是保持热泵高效率运行的一个重要因素，抽、灌井温差的影响因素既有地面的，又有地下的。地面因素为空调系统的热交换过程，室内设定温度与外界气温差别越大、热交换越充分，抽灌井的地面温差越大；地下因素为热对流-地下水弥散过程，抽灌井距离越小、地下水对流和弥散越强烈，抽灌井的地下温差越小[4]。温差缩小会导致地下水源热泵效率的降低。如果抽水井受到回灌井影响较大，发生热突破，就无法发挥地温空调的作用，应该避免此类情况。

回灌井对抽水井温度的影响必须降低到合理水平，当回灌率为0时，抽水井温度最稳定，但这是地下水资源保护所不能允许的。增加抽灌井的距离可以有效降低发生热突破的风险，但又会增加回灌能力不足的风险，且实际工程中需考虑经济性。在稳定流纯对流双井条件下，回灌井水运移锋面到达抽水孔的时间已经有解析解[5]，据此可以得出从开始回灌到发生热突破所需要的时间tc，用下式表示：

(4)

式中：d为含水层的厚度,m；n为含水层有效孔隙度；L为抽水井和注水井距离,m。

考虑地下水源热泵持续运行的时间为tm, 根据上式可推导出发生热短路的抽、灌井间距临界值为

(5)

假定热泵系统夏季连续运行120d，tm=2880h，则研究区内各含水层抽、灌井临界井间距计算结果见表5。