王維琦，牛 琨，陶 勇，孫亞紅，李紅艷

吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，吉林 長(zhǎng)春 130021

傳統(tǒng)的地?zé)豳Y源開發(fā)受到地形地貌、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的制約，隨著對(duì)于地?zé)豳Y源的深入研究，“淺層地?zé)崮堋币殉蔀榈責(zé)犷I(lǐng)域中一個(gè)新的研究方向。地下水資源是一種可再生的資源，其無(wú)論作為直接資源還是能源載體，已經(jīng)在在各個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。地下水源熱泵是以地下水為介質(zhì)來(lái)提取能量實(shí)現(xiàn)制熱和制冷的系統(tǒng)。本次將針對(duì)敦化市玄武巖地區(qū)進(jìn)行地下水水源熱泵淺層地?zé)崮艿恼{(diào)查研究。

1 敦化市玄武巖地區(qū)地下水特征

敦化市位于吉林省東部低山區(qū)，敦化熔巖臺(tái)原上，地形總體較為平緩，地貌為侵蝕火山地貌。按照地下水的賦存條件進(jìn)行劃分，該區(qū)域地下水類型為玄武巖類孔洞裂隙水。該含水層屬承壓含水層，上覆亞粘土構(gòu)成隔水頂板，含水介質(zhì)包括各期次玄武巖，受地貌位置及玄武巖孔洞、節(jié)理裂隙發(fā)育程度的影響，富水性相對(duì)變化較大。其中南坪組玄武巖水量豐富，含水層厚度13～40 m，水位埋深7～8 m，單位涌水量多大于500 m3/dm。水化學(xué)類型為重碳酸鈣鎂型水，水中鐵錳含量較高，部分地段高于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。水位動(dòng)態(tài)具有季節(jié)性周期變化規(guī)律，水位變化較松散巖類孔隙水為小，且具有一定的滯后性。

2 水文地質(zhì)試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行了抽水試驗(yàn)及回灌試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)3 處水文地質(zhì)鉆孔和5 處觀測(cè)孔。

2.1 抽水試驗(yàn)及其結(jié)果分析

本次抽水試驗(yàn)的對(duì)象為玄武巖孔洞裂隙水，屬承壓水，按穩(wěn)定流完整井流處理，水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

通過(guò)以上水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果分析可知，該地區(qū)東西方向上的滲透性、含水系統(tǒng)的水力聯(lián)系較南北方向上為好；這與構(gòu)成含水層導(dǎo)水通道的裂隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，符合裂隙含水層的基本特征。

2.2 回灌試驗(yàn)及其結(jié)果分析

本次回灌試驗(yàn)分別于抽水孔和回灌孔處設(shè)置水表，對(duì)抽水孔流量和回灌孔流量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。回灌試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果表Table 1 Calculated results of the hydrogeological parameters

表2 回灌試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 2 Data of recharge test

按照規(guī)范要求，灌采比為在抽水水位下降值和回灌水位上升值相同時(shí)回灌水量和抽水水量的比值。以下對(duì)本次灌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

（1）當(dāng)回灌量為42 m3/h 時(shí)，回灌孔水位回升1.54 m，大于抽水孔降深1.40 m，Q灌/s’=27.27；因此，實(shí)際灌采比應(yīng)小于76.36%；如若對(duì)該數(shù)值進(jìn)行線性修正，回灌孔水位抬升值為1.40 m 時(shí)，回灌量為38.18，進(jìn)而得灌采比為69.42%。

（2）當(dāng)回灌量為49 m3/h 時(shí)，回灌孔水位回升3.28 m，Q灌/ s’=14.94；由Q灌/s’的變化表明：抽水量一定時(shí)，回灌量的變化率隨著回灌水位抬升值的增大而減小，即回灌孔抬升相同的水位時(shí)所需的回灌量在減少；因此，當(dāng)回灌孔水位抬升值為1.40 m 時(shí)，回灌量必大于（1）的線性修正值38.18 m3/h，進(jìn)而其實(shí)際灌采比將大于69.42%。參見圖1。

綜上，敦化市地區(qū)玄武巖孔洞裂隙水含水層的灌采比為69.42%～76.36%。

3 淺層地?zé)岬叵滤畵Q熱方式適應(yīng)性分析

3.1 適宜性評(píng)價(jià)

根據(jù)本次抽水試驗(yàn)結(jié)果，區(qū)內(nèi)的玄武巖孔洞裂隙水的單位涌水量為942.86 m3/[d.m]；灌采比為69.42%～76.36%；根據(jù)敦化市多年地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，除個(gè)別水源地年水位下降在0.5 m左右，該地區(qū)地下水位年下降量均小于0.8 m。參照以上標(biāo)準(zhǔn)，將敦化市玄武巖孔洞裂隙水所處區(qū)域劃分為較適宜區(qū)。

3.2 地下水換熱功率計(jì)算

按照規(guī)范要求，地下水換熱功率為：

△T—地下水利用溫差，參照已運(yùn)營(yíng)的淺層地?zé)崮馨咐?，地下水利用溫差△T取為3 ℃；

圖1 回灌量與水位抬升值關(guān)系示意圖Fig1.The relationship between the recharge volume and raising value of water level

表3 淺層地?zé)崮艿叵滤畵Q熱方式適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Divided standards of groundwater heat transfer suitability of shallow geothermal energy

ρw—水密度（kg/m3）；

Cw—水比熱容 [kJ/（kg·℃）]。

敦化市玄武巖孔洞裂隙水為承壓含水層，因此，開采后的地下水最大水位埋深應(yīng)保證在含水層隔水頂板之上。但由于含水層受多期次巖漿活動(dòng)控制，使得含水層隔水頂板埋深難以控制，因此，本次地下水循環(huán)利用量采用含水層的調(diào)節(jié)儲(chǔ)量，即地下水位年變動(dòng)帶內(nèi)的水量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果及地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，區(qū)域內(nèi)玄武巖孔洞裂隙水的水位年變幅在1.01～1.58 m，按△h=1.00 m，μ*=0.006 3 計(jì)算，參照以上計(jì)算方法可得出單位面積的玄武巖孔洞裂隙水含水層的換熱功率為2.51×10-6kW。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）敦化地區(qū)玄武巖孔洞裂隙水的鐵錳含量較高，將會(huì)影響抽水井、回灌井及換熱設(shè)備的使用壽命。在淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)改進(jìn)成井工藝，減少地下水在空氣中暴露的機(jī)會(huì)，并采取必要的過(guò)濾或除鐵錳措施。

（2）地下水水源熱泵淺層地?zé)崮芘c地下水動(dòng)態(tài)條件關(guān)系密切，在開發(fā)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行精確細(xì)致的水量、水位、水溫和水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，在保證水源供給的基礎(chǔ)上，避免造成地下水位的持續(xù)下降以及區(qū)域水環(huán)境的破壞。

（3）從能量守恒的角度出發(fā)，地下水水源熱泵淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)是一個(gè)“以能換能”的過(guò)程，其前期需投入較大的人力、物力資源，建設(shè)成本較高，在其運(yùn)行過(guò)程中亦有其他的能源消耗，并需進(jìn)行適時(shí)維護(hù)和管理；因此，地下水水源熱泵在某一地區(qū)的適用性還將綜合當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨蠛蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行綜合研究。

[1] DZ/T0225-2009,淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范[S].