地下水水源熱泵淺層地熱能開發條件及存在問題

趙洪滿，聶維辰，柴 雨，孫亞紅

1.吉林省地礦信息中心，吉林 長春 130061；2.吉林省地質環境監測總站，吉林 長春 130021

淺層地熱能是一種可再生的新型環保能源，也是一種特殊礦產資源，利用前景廣闊。開發利用淺層地熱能對構建資源節約型和環境友好型社會、保障國家能源安全、改善我國現有能源結構、促進國家節能減排戰略目標的實現具有非常重要的意義。地下水源熱泵是以淺層地下水為介質來提取能量實現制熱和制冷的系統。目前地下水源熱泵技術用于建筑物取暖及制冷已在國內得到了充分應用，然而并不是全部地區均可使用地下水地源熱泵技術，即使有條件使用地下水水源熱泵，不正確的開發方案亦會對當地地下熱能資源及地下水環境產生影響。本文以樺甸市地下水水源熱泵淺層地熱能開發調查為例，對地下水淺層地熱能開發可行性及存在的問題進行分析。

1 地下水水源熱泵技術概述

地下水水源熱泵技術為地源熱泵技術中的一種形式，主要開發方式為通過抽取地下水作為進行地面建筑物熱交換的熱源，對地面建筑物進行供熱或制冷。地下水水源熱泵的工作形式是通過將地下水及換熱器（熱泵）分別連接于工作系統的兩端進行換熱，換熱后的地下水通過回注井重新回注于地下，如此往復循環，對淺層地熱能進行利用。

2 地下水水源熱泵淺層地熱能開發條件

地下水水源熱泵系統對淺層地熱能的利用技術目前已在國內得到廣泛應用，然而該項技術的開發利用需要合適的開發條件，并不是在所有地區均適用。地下水水源熱泵對淺層地熱能的開發應按照《淺層地熱能勘查評價規范》對開發地進行詳細調查，然后后判斷是否具備開發條件。在進行地下水水源熱泵淺層地熱能開發之前，應首先對開發區域進行區域淺層地熱能調查及場地淺層地熱能勘查。

區域淺層地熱能調查目的是通過地質、水文地質調查查明區域淺層地熱能條件，進行適宜性分區和區域淺層地熱能評價。利用地下水水源熱泵進行淺層地熱能開發的地熱能適宜性分區主要考慮含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性, 地下水溫、水質、水位動態變化, 水源地保護、地質災害等因素，主要指標見表1[1]。區域淺層地熱能評價應根據該區域現有工程換熱功率或通過抽水和回灌試驗數據計算區域地下水循環利用量及區域換熱功率。通過區域淺層地熱能調查后適宜進行淺層地熱能開發的區域在開發設計前還應進行場地淺層地熱能勘查，進行可行性分析、環境評價、經濟評價及提出開發利用方案。

表1 地下水換熱方式適宜性分區指標Table 1 Suitability zoning index of groundwater heat transfermode

3 地下水水源熱泵淺層地熱能開發存在的問題

地下水水源熱泵開發淺層地熱能過程若不進行詳細勘查及合理的設計會產生多種負面影響，其中有些甚至是不可逆的。根據我國的運行經驗，常見的問題主要有如下三種：①改變地下水及土壤溫度環境，多年后造成運行效果下降；②地下水回灌效果不良，導致地下水水文地質條件改變，嚴重時發生地質災害；③回灌水質相對抽取水水質較差，對開發區域地下水水質產生影響。

表2 淺層地熱能調查評價工作區坐標Table 2 Work area coordinate of shallow geothermal survey and evaluation

4 實例分析

本文以樺甸市城區地下水水源熱泵開發淺層地熱能調查評價工作過程作為實例進行分析。

4.1 調查區概況

4.1.1 調查區地理位置及范圍

調查區范圍西起樺郊鄉，東至宏偉機械廠，南起輝發河沿岸，北到北臺子吉林市經濟技術開發區，地理坐標為：東徑126°20′～126°34′；北緯43°58′～44°05′；調查區面積50 km2，為圖幅范圍內的輝發河谷地區。調查區拐點坐標見表2。

4.1.2 自然地理情況

（1）地形地貌∶調查區位于吉林省東部低山丘陵區。樺甸市城區輝發河河谷平原地貌。總體地勢西南高東北低，海拔標高由300m逐漸變低為260m。調查區地貌成因類型較多，在各種構造控制與外營力的改造下，由西南向東北地貌成因類型依次為構造剝蝕地形及堆積地形。按地貌成因類型、成因形態與形態特征進一步劃分二個成因類型、二個成因形態和四個形態單元，見表3。

（2）氣候水文∶該區屬北溫帶大陸性半濕潤季風氣候區，四季分明，春季干燥少雨，多大風，日平均氣溫0～18 ℃；夏季溫熱多雨，日平均氣溫大于18 ℃；秋季秋高氣爽，日平均氣溫18～0 ℃；冬季干燥寒冷，日平均氣溫0 ℃以下。多年平均溫度為3.9 ℃，一月最冷，月最低平均氣溫-26.7 ℃，極端最低溫度-40 ℃，七月最熱，月最高平均氣溫22.1 ℃，極端最高氣溫38 ℃。日照2 379.3 h，多年平均降水量748.1mm，多集中在7～8月，多年平均濕度62%，多年平均蒸發度為1 167.9mm，多集中在3～6月，無霜期133天，凍結期由每年11月到翌年5月，凍結深度為1.80～2.00m，詳見圖1。

表3 地貌單元分區說明表Table 3 Partition and description of geomorphic units

圖1 多年月平均氣象要素圖Fig.1 Month averagemeteorological chart ofmany years

調查區內主要河流為輝發河。輝發河屬于第二松花江上游的一級支流，發源于遼寧省清源縣龍頭山脈中部，流經清源、東風、柳河、梅河、輝南、磐石、樺甸7個縣（市），匯入松花湖，河流全長265 km，總流域面積14 376 km2。輝發河流域多年平均降雨量為780mm，最大洪峰流量9 350m3/s，洪峰對應洪水位276.03m，河水與河谷孔隙潛水水力聯系密切。

4.1.3 區域地質背景

（1）地層巖性∶調查區在區域地質構造上處于龍崗背斜與吉林盆地分界線的輝發河深斷裂帶上（撫順—樺甸）。屬吉林小區，分布有古生界、中生界、新生界地層及華力西期、燕山期、喜山期巖漿巖。調查區內主要發育新生界地層，外圍可見古生界二疊系及喜山期花崗巖。

調查區內分布的為新生界地層，由老至新依次為新生界古近系下統樺甸組（E1h）和新生界第四系全新統松散堆積物（Q4al）。

（2）地質構造與區域穩定性∶調查區位于的一級構造單元為天山—興安地槽褶皺區，亞一級構造單元為吉黑褶皺系，二級構造單元為吉林優地槽褶皺帶，三級構造單元為吉林復向斜，四級構造單元為蛟河—樺甸褶皺束。

調查區分布在吉林優地槽褶皺帶的吉林復向斜南部。該區域自古生代以來經歷了多次地殼運動，形成了規模不等、性質不同的一系列斷裂構造和巖漿巖。樺甸盆地位于輝—敦巖石圈斷裂中段，與樺甸—雙河鎮斷裂的交匯部位，受其控制而形成的新生代盆地，輝—敦斷裂帶由兩條走向50°的斷裂組成，構成地塹，區內地質構造條件較復雜，新構造運動強烈。

（3）水文地質條件∶調查區內地下水類型為松散巖類孔隙水，含水層上部有粘性土覆蓋層，一般厚度0.5～4.50m。水位埋深一般1.0～4.0m，局部大雨4.0m。地下水位自盆地邊緣向河床漸低，局部低洼地段水位較低，見附圖3（地下水埋深及等水位線圖）。含水層巖性為中粗砂、砂礫石及卵礫石等，顆粒粗大，厚度3～8m，含水層透水性好，單井出水量一般為100～300m3/d.m，個別地段可達300～500m3/d.m。水化學類型為H-C型。局部H-CN或NC型。受人類活動影響，區內大部分地段出現以SO42-命名的地下水類型，出現S.H型水， SO42-質量濃度雖不超標，但是毫克當量百分數達到了命名標準，質量濃度多在100mg/L以上，主要是由于城區燃煤及其周邊采掘油頁巖而導致的空氣中大量富集含硫氣體，在降雨條件下而進入土壤和地下水之中。

評價區內地下水NO3-質量濃度普遍嚴重超標，質量濃度為36～180mg/L，出現硝酸型水。分析其主要原因是由于評價區屬于城市居民生活區及近郊農業生產區，受生活垃圾、工業污染及農藥、化肥等污染嚴重，致使地下水中NO3-質量濃度過高。礦化度小于1.0 g/L，pH值6.5～7.5，滲透系數200～400m/d，該含水層與地表河水水力聯系密切。局部為封閉或半封閉的還原環境，鐵質量濃度大多數超標，質量濃度大于10.0mg/L。

該調查區位于山區河谷地段，大多數時間為地下水補給河水，僅在豐水期河水對河漫灘有瞬時補給作用。調查區地下水資源利用很少，城區多飲用自來水（上游山區水庫），只有少數近郊農業區域用于澆灌，開發利用強度很小，主要是由于水質較差的緣故。

4.2 適宜性評價

根據《淺層地熱能勘查評價規范》，對于以地下水為換熱方式的試驗，主要是通過抽水回灌來確定勘查區的適宜性。本次調查選定了兩處勘查試驗場所，場地一為為樺甸市白云賓館（二期）院內，場地二樺甸市永吉街道大城子村委會院內，對上述兩個試驗場地分別進行抽水試驗及回灌試驗。試驗結果見表4。

試驗計算結果表明，場地一抽水水位持續下降，為疏干型含水層，并且水溫受附近膠合板廠廢棄熱水注入地下含水層（回滲井）影響很大，水溫多在11～15 ℃之間，地下水中鐵離子含量大于10mg/L，回灌水井過濾器極易堵塞，單位涌水量和回灌率均不符合規范的適宜性標準，因此該試驗場地不適宜采用地下水進行換熱。

場地二抽灌水條件較好，地下水補給源充足（距離老輝發河僅150m左右），位于輝發河古河道上，水位埋深淺，含水層顆粒較粗大，徑流通暢，水質較好，單位涌水量和水質符合淺層地熱能規范的要求，該區為地下水水源熱泵的適宜區。但是由于該區位于古河道上，并且地下水潛藏，水位埋深僅為1.15m，在凍土層之中，受氣溫和冰雪融化影響十分明顯（抽水時間為5月初），水溫變化較大，抽水后水溫為5.0 ℃，采用水源熱泵提取溫度的空間很小，雖然有足夠的水資源，但是按水源熱泵的要求應該有適宜的取溫空間才能達到經濟和環境效益，因此該試驗場地不適宜采用地下水進行換熱。

表4 試驗場地地下水換熱方式適宜性判別表Table 4 Heat exchangemode suitable identi fi cation of the test area groundwater

5 結論

（1）地下水源熱泵利用淺層地熱能需要合適的利用條件，應根據《淺層地熱能勘查評價規范》進行勘查；

（2）淺層地熱能利用不僅要通過適宜性標準進行判別，還要綜合考慮環境效益及經濟效益，最終決定是否可以進行地下水水源熱泵的開發；

（3）不合理的開發方式不僅達不到預期的熱泵工作效果，而且還會引發環境問題及地質災害。

[1] DZ/T0225-2009,淺層地熱能勘查評價規范[S].