田小林

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義 563000；2.貴州淺層地溫能開(kāi)發(fā)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081）

地下水源熱泵具有高效節(jié)能、成本低廉、清潔環(huán)保及可持續(xù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其除受到水文地質(zhì)條件嚴(yán)格限制外，還普遍面臨著尾水完全回灌困難、資源利用效率持續(xù)降低、地溫恢復(fù)能力逐漸減弱、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題愈發(fā)凸顯等主要問(wèn)題，部分地區(qū)對(duì)其開(kāi)發(fā)利用持謹(jǐn)慎態(tài)度甚至限制開(kāi)發(fā)。巖溶地下河一般具有補(bǔ)給范圍廣、徑流途徑遠(yuǎn)、水力坡度大、集中徑流和集中排泄等特征[1]，強(qiáng)烈的巖溶作用發(fā)育有大量的落水洞、天窗等天然回灌通道，較大的水力坡度使其擁有資源補(bǔ)給及時(shí)、取熱排熱迅速的水動(dòng)力條件，天然的抽灌水通道可節(jié)約取水和回灌鉆井成本，相對(duì)固定的徑流通道具有不造成水位下降及改變地下水流場(chǎng)的地質(zhì)環(huán)境優(yōu)勢(shì)，總體上在水源熱泵開(kāi)發(fā)工程中優(yōu)勢(shì)特征明顯。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地下水系統(tǒng)

橋頭地下河位于貴州省百里杜鵑管理區(qū)百納鄉(xiāng)高原水庫(kù)至鵬程社區(qū)橋頭村一線，地處貴州高原中部、長(zhǎng)江水系烏江與赤水河流域分水嶺地帶，總體呈NESW 向樹(shù)枝狀展布，發(fā)育地層為二疊系棲霞茅口組(P2q+m)石灰?guī)r，巖溶發(fā)育極為強(qiáng)烈，地表串珠狀落水洞、天窗及洼地密布。其地下水一方面來(lái)自高原水庫(kù)經(jīng)K2 號(hào)伏流入口(流量123.0L/s)灌入式補(bǔ)給，另一方面主要來(lái)自大氣降水在P2q+m石灰?guī)r分布區(qū)通過(guò)落水洞及天窗等天然通道注入式補(bǔ)給，接受補(bǔ)給后的地下水在地下河管道中集中徑流，在橋頭村附近地勢(shì)低洼處受地形切割以地下河出口形式集中排泄[2]，其出口S1 一般流量294.84L/s(枯季流量147.58L/s)。該地下河系統(tǒng)西部以地表分水嶺為界、北部及東部以夜郎組(T1y)、龍?zhí)督M(P3l)泥頁(yè)巖相對(duì)隔水層為界、南部以地下水排泄基準(zhǔn)面為界，構(gòu)成具有獨(dú)立補(bǔ)徑排條件的地下河集中排泄系統(tǒng)，地下水具有量大集中、徑流迅速的特點(diǎn)(圖1)。

1.2 地下水動(dòng)態(tài)

橋頭地下河屬溶洞管道水類型，地下水的動(dòng)態(tài)變化直接影響著水源熱泵工程的系統(tǒng)穩(wěn)定性和正常運(yùn)行。根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，橋頭地下河全年水溫變化在15.5℃～16.5℃之間，年變幅0℃～1℃，動(dòng)態(tài)變化穩(wěn)定；全年地下水流量峰值350.57L/s、最小流量147.58L/s，豐枯流量變幅達(dá)2.3 倍，動(dòng)態(tài)變化不穩(wěn)定，表明巖溶地下河對(duì)降雨反映敏感，流量變化直接響應(yīng)降雨強(qiáng)度，具有暴漲暴落的降雨型動(dòng)態(tài)特征，同時(shí)也反映出降雨及地表水可沿天窗、落水洞等天然通道注入式補(bǔ)給、天然回灌能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

1.3 地下水資源量

地下水資源量是地下水源熱泵工程開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)條件，其資源屬性決定了熱泵工程的規(guī)模大小和開(kāi)發(fā)效果，考慮水源熱泵夏季制冷、冬季采暖的開(kāi)發(fā)模式，結(jié)合充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)和保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的原則，通常按照豐、枯季地下水允許開(kāi)采量進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)橋頭地下河以往動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果，采用頻率分析法計(jì)算其允許開(kāi)采量，并選取保證頻率為P=75%和P=95%時(shí)對(duì)應(yīng)流量作為該地下河的豐、枯季允許開(kāi)采量，結(jié)果顯示豐水期允許開(kāi)采量為191.3L/s，枯水期允許開(kāi)采量為156.78L/s。

2 巖溶發(fā)育特征

2.1 地表巖溶發(fā)育特征

橋頭地下河發(fā)育地層為二疊系棲霞茅口組(P2q+m)石灰?guī)r，該套地層區(qū)域厚度240～450m，巖性質(zhì)地純厚，巖溶發(fā)育十分強(qiáng)烈，流域范圍內(nèi)發(fā)育有規(guī)模以上洼地、落水洞、天窗等巖溶個(gè)體形態(tài)32個(gè)，其中沿地下河管道串珠狀發(fā)育有落水洞4 個(gè)、天窗3 個(gè)、伏流入口1個(gè)，總體形態(tài)呈近似圓形，直徑2～12m，可視發(fā)育深度1.5～25m，流量0～288.5L/s，K2及K4地表水注入量分別為123.0L/s和10.0L/s，表明沿地下河管道天然通道多、規(guī)模大、取水/回灌條件極佳(表1)。

表1 天然巖溶通道統(tǒng)計(jì)表

2.2 地下河發(fā)育特征

橋頭地下河源頭K1 高程1700m、出口S1 高程1438m，總落差262m，平均水力坡度13.3‰，總體發(fā)育寬度9～60m、高度11～56m、埋深33～116m。經(jīng)綜合分析，橋頭地下河屬淺埋型巖溶，管道基本無(wú)充填，且與地表落水洞、天窗等聯(lián)通，沿巖溶天然通道回灌率可達(dá)100%(圖2)。

3 優(yōu)勢(shì)特征分析

3.1 天然回灌條件

地下水源熱泵回灌的主要目的是避免長(zhǎng)期大量開(kāi)采地下水造成資源衰減、水位下降、含水層壓力降低和引發(fā)地面沉降等問(wèn)題，原則上要求必須實(shí)現(xiàn)100%同層回灌，但就目前而言，回灌技術(shù)還不夠成熟，普遍存在回灌難問(wèn)題。國(guó)內(nèi)對(duì)尾水回灌的相關(guān)研究較多，主要成果有回灌水混合空氣形成氧化沉淀和氣泡堵塞含水層、回灌水夾雜泥砂或顆粒重組等堵塞含水層、回灌水換熱結(jié)垢堵塞含水層等[3]，究其根本原因是含水巖組含水介質(zhì)欠發(fā)育和空間規(guī)模較小，使其易受堵塞而達(dá)不到完全回灌，對(duì)于承壓水還受到水頭壓力抵抗而更難于回灌。綜合分析橋頭地下河巖溶發(fā)育特征，其地表落水洞、天窗、伏流入口等天然回灌通道多達(dá)8個(gè)，規(guī)模直徑2～12m，同時(shí)地下河管道發(fā)育寬度9～60m、高度11～56m，巖溶通道與地下河直接聯(lián)通且基本無(wú)充填，地下河處于潛水狀態(tài)，K2 天然回灌量達(dá)到123.0L/s，地下河出口S1 流量達(dá)到294.81L/s。充分顯示了巖溶地下河地表天然通道多、回灌及地下水徑流空間規(guī)模大，可能的回灌雜質(zhì)均可通過(guò)地下河管道水流迅速帶走，不易于受到回灌堵塞，同時(shí)不存在承壓水頭回灌抵抗，在回灌條件上選擇性強(qiáng)、可避免打井、回灌條件極佳、回灌率可達(dá)100%。

3.2 資源利用效率

地下水資源量是地下水源熱泵開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)，完全回灌是保障條件，資源利用效率主要體現(xiàn)在循環(huán)利用量上，根據(jù)現(xiàn)行淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范[4]，地下水循環(huán)利用量是指從含水層中抽取利用后，完全回灌到原含水層中的地下水量。在水源熱泵開(kāi)發(fā)利用不考慮其他用水損失情況下，相當(dāng)于開(kāi)采換熱、尾水完全回灌條件下可有效利用的地下水資源量。對(duì)于孔隙裂隙型地下水源熱泵通常按計(jì)算和論證的地下水允許開(kāi)采量作為其循環(huán)利用量，其資源利用效率最大只能達(dá)到原地下水允許開(kāi)采量，還因普遍面臨不能完全回灌問(wèn)題，其資源利用效率往往隨著開(kāi)發(fā)時(shí)間推移而逐漸降低。就橋頭地下河巖溶管道水而言，考慮地下水源熱泵工程主要用于夏季制冷、冬季采暖，為充分體現(xiàn)資源利用效益和保障系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行，故以75%和95%保證頻率下的允許開(kāi)采量分別作為夏季制冷和冬季制熱一次循環(huán)利用量，由于地下河含水介質(zhì)主要為溶洞管道且能完全回灌，地下水循環(huán)利用量至少可達(dá)到原地下水允許開(kāi)采量的2倍，多次循環(huán)利用后資源利用效率可成倍增大。

3.3 地溫恢復(fù)能力

地溫恢復(fù)能力是決定地下水源熱泵工程換熱效果的重要因素，其中地?zé)嵴Ｔ鰷厥堑叵滤疅崃康闹饕獊?lái)源，含水巖組導(dǎo)熱性能是地下水溫恢復(fù)快慢的決定性條件，地下水相對(duì)一般含水巖組擁有較大的比熱容，是儲(chǔ)集熱量的重要載體?？紫读严缎偷叵滤蚝橘|(zhì)空間規(guī)模小而徑流速度較慢，在地下水源熱泵工程中需要對(duì)抽水和回灌井距進(jìn)行充分論證，井間距過(guò)大則抽水井得不到及時(shí)補(bǔ)給，井間距過(guò)小則會(huì)引起熱貫通及熱堆積現(xiàn)象，均會(huì)造成地溫恢復(fù)能力下降和換熱效率降低[5]。經(jīng)對(duì)橋頭地下河伏流入口K2、天窗K4及K6、出口S1水溫測(cè)量資料分析，K2地表水溫18.5℃，天窗K4、K6 及出口S1 水溫均為16.5℃，相對(duì)溫差2.0℃，聯(lián)通試驗(yàn)平均流速602.4m/h，計(jì)算出地下河水溫由K2徑流至K4時(shí)間為6.78h，考慮至K4時(shí)地下水溫已恢復(fù)至區(qū)內(nèi)地下水正常溫度16.5℃，表明巖溶地下河水力坡度大、地下水徑流速度快，在地下水源熱泵換熱過(guò)程中取熱、排熱均可通過(guò)地下水及時(shí)補(bǔ)給和迅速擴(kuò)散，地溫恢復(fù)能力強(qiáng)，不易造成冷熱堆積和熱貫通現(xiàn)象。

3.4 經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益

地下水源熱泵工程為了保障系統(tǒng)正常運(yùn)行、努力實(shí)現(xiàn)最大回灌量，通常采用“一抽一灌”、“一抽多灌”或“多抽多灌”等布井方式；為了盡量克服回灌過(guò)程中含水介質(zhì)規(guī)模小、易于堵塞和水頭壓力抵抗等回灌難問(wèn)題，多采用真空回灌或加壓回灌等手段；同時(shí)為了保障抽、灌量平衡，一般還會(huì)進(jìn)行定期回?fù)P和季節(jié)性抽灌井對(duì)調(diào)，以上工作一方面增加了鉆井及設(shè)備費(fèi)用，另一方面增加了處理成本及時(shí)間。而巖溶地下河水源熱泵取水及回灌均可通過(guò)地下河出口、天窗和落水洞等天然巖溶通道，同時(shí)又能完全回灌，一定程度節(jié)省了鉆井工程、工藝處理及相關(guān)設(shè)備費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益較為明顯。另外地下水源熱泵開(kāi)發(fā)利用造成的主要環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題是因長(zhǎng)期抽水量和回灌量不均衡，引起地下水流場(chǎng)改變、含水層擠壓回彈變形、形成降落漏斗和水位下降，從而造成的地面沉降[6]。地下河含水空間為巖溶發(fā)育的溶洞管道，由厚度大且較為完整的基巖形成支撐骨架，與地表落水洞、天窗等聯(lián)通而處于常壓狀態(tài)，加之地下水在管道中呈線狀集中徑流，擁有固定的徑流形跡和水位，在水源熱泵抽水和回灌過(guò)程中不會(huì)造成含水層變形、地下水流場(chǎng)改變、水位下降和地面沉降，環(huán)境優(yōu)勢(shì)較為突出。

4 結(jié)語(yǔ)

巖溶地下河具有巖溶發(fā)育強(qiáng)烈、徑流迅速、地下水溫度恒定及地表水量大集中等特點(diǎn)，在水源熱泵開(kāi)發(fā)工程中具有尾水回灌條件佳、資源利用效率高、地溫恢復(fù)能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益優(yōu)等優(yōu)勢(shì)，但因流量動(dòng)態(tài)變化大，開(kāi)發(fā)利用前應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料做好充分論證及合理設(shè)計(jì)，避免盲目開(kāi)發(fā)，以發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)的利益最大化。