地溫空調回灌水對地下水溫度場影響程度研究

李海林

（河南省地質礦產勘查開發局第一地質環境調查院，河南鄭州450045）

1 概況

安陽市地勢總趨勢是西高東低，自西向東呈階梯狀下降，大致以京廣鐵路為界，西部為山丘區，兼有小型盆地，山間盆地較平坦，因此有利于降水和地表水對地下水的入滲補給，地下水與地表水相互轉化密切；東部為沖積平原，廣泛分布著承壓水，承壓含水層主要由砂礫石與中粗砂層組成，隔水頂、底板多由粉質粘土組成，且連續性較差，含水層產狀復雜；承壓含水層大多在地面以下30～50m即可遇到，主要是接受垂向補給和側向徑流補給，人工開采是該層地下水排泄的主要方式。

2 研究方法

灰色系統理論和方法是我國學者鄧聚龍于20世紀80年代提出的，灰色理論主要是將“部分信息已知”的研究對象作為“小樣本”和“貧信息”的不確定系統進行分析。由于在地下水溫度場長期監測過程中，地下水水位埋深、水溫、氣溫和降水量變化等為已知信息，而由于地下水水位埋深變化、氣溫變化和降水量變化等引起的地下水溫度變化響應規律為未知信息，因此可將地下水溫度場作為典型的灰色系統進行研究。

3 實例應用

本次研究選取安陽市第五人民醫院地溫空調系統為實例工程，對長期開發利用條件下回灌水對地下水溫度場的影響程度進行分析預測。

安陽市第五人民醫院位于安陽市梅東路與文明大道交叉口東北角（圖1），該地溫空調采用地下水換熱方式。為了分析地溫空調長期運行對區域地下溫度場的影響，在回水井1周邊施工3口地溫分層監測井（圖2），監測時間為2013年11月至2014年9月。

圖1 安陽市第五人民醫院地溫空調井孔位置分布圖

圖2 分層溫度監測井孔位置分布圖

3.1 地下水分層監測溫度影響因素的確定

地溫空調在運行過程中，地下水溫度除受到氣溫、降水量和水位埋深影響外，還受到2個回水井溫度變化的影響。為便于分析地溫空調運行在垂向上對地下水溫度的影響程度，確定具有地下水溫度分層監測數據的2013年11月至2014年9月作為本次分析的時間區間，包含了該地溫空調供暖期、間歇期和制冷期。

3.2 地溫空調監測系統監測結果分析

監測時間段內氣溫、降水量、1號和2號回水井溫度的監測結果如表1所示，氣溫在2013年的12月份出現最低值，2014年7月出現最高值；2014年1月的降水量最低為0mm，2014年7月的降水量達到最高的172mm；1號回水井和2號回水井的溫度變化規律較為一致，即供暖期的低溫期和制冷期的高溫期。

表1 安陽第五人民醫院氣溫、降水量、1號回水井溫度和2號回水井溫度變化表

為對比分析地下水溫度垂向上分布及其對地溫空調運行的響應關系，分別對3個分層觀測井不同深度的地下水溫度和埋深進行統計分析（表2）。

1號分層觀測井地下水溫度監測深度分別為22m、32m和42m，水位埋深在供暖期初下降后表現出平穩的趨勢，制冷期初升高后表現出較為平穩的趨勢；對比分析22m、32m和42m三層地下水溫度變化規律可以看出，在供暖期內均出現了顯著的溫度降低趨勢，在間歇期內地下水溫度顯著升高，制冷期時地下水溫度出現了顯著的再次升高的趨勢。

2號分層觀測井地下水溫度監測深度分別為26m、36m、46m和58m，水位埋深在供暖期初顯著下降后表現出平穩的趨勢，制冷期初水位埋深升高后表現出較為平穩的趨勢；對比分析26m、36m、46m和58m四層地下水溫度變化規律可以看出，在供暖期內均出現了顯著的溫度降低趨勢，在間歇期內地下水溫度顯著升高，到了制冷期時地下水溫度出現了顯著的再次升高的趨勢，只是不同深度溫度變化的程度有較為明顯的差異。

3號分層觀測井地下水溫度監測深度分別為26m、36m和48m，地下水水位埋深在供暖期初顯著下降后表現出平穩的趨勢，制冷期初水位埋深升高后表現出較為平穩的趨勢；對比分析26m、36m和48m三層地下水溫度變化規律可以看出，在供暖期內均出現了顯著的溫度降低趨勢，在間歇期內地下水溫度顯著升高，到了制冷期時地下水溫度出現了顯著的再次升高的趨勢。

4 回灌水對地下水分層監測溫度影響的相關性分析

基于灰色關聯度計算方法，分別計算1號、2號及3號觀測井各監測深度地下水溫度與氣溫、降水量、1號回水井溫度、2號回水井溫度和地下水水位埋深之間的相關系數，如表3所示。

1號觀測井22m深度及32m深度地下水溫度關聯系數最大的是1號、2號回水井溫度，其次是氣溫和地下水位埋深，最小的是降水量，因此22m深度及32m深度地下水溫度最主要影響因素是1號、2號回水井的溫度；42m深度地下水溫度關聯系數最大是水位埋深，其次是1號、2號回水井溫度，最小的是氣溫和降水量，說明42m深度地下水溫度變化的最主要影響因素是地下水水位埋深。

2號觀測井26m深度地下水溫度關聯系數最大的是1號、2號回水井的溫度，其次是氣溫和地下水位埋深，最小的是降水量，因此26m深度地下水溫度最主要的影響因素是1號、2號回水井的溫度；36m深度地下水溫度關聯系數最大是地下水水位埋深，其次是氣溫、1號和2號回水井溫度，最小的是降水量，因此36m深度地下水溫度最主要的影響因素是地下水位埋深；46m及58m深度地下水溫度關聯系數最大是地下水水位埋深，其次是1號和2號回水井溫度，最小的是氣溫和降水量，說明42m深度及58m深度地下水溫度變化的最主要影響因素是地下水水位埋深。

表2 1號、2號、3號分層觀測井埋深和溫度變化表

3號觀測井26m深度地下水溫度關聯系數最大是氣溫，其次是1號和2號回水井溫度，最小的是地下水水位埋深和降水量，因此26m深度地下水溫度最主要的影響因素是氣溫；36m及48m深度地下水溫度關聯系數最大是地下水水位埋深，其次是氣溫、1號和2號回水井溫度，最小的是降水量，因此36m深度及48m深度地下水溫度最主要的影響因素是地下水位埋深。

從1號、2號、3號觀測井不同深度氣溫的相關系數可以看出，地下水溫度與氣溫變化的相關系數隨著深度的增加而逐漸降低，說明地下水溫度變化受到氣溫的影響程度逐漸降低；與氣溫類似，降水量的影響程度也隨著深度的增加而呈現逐漸降低趨勢；地下水溫度變化與地下水水位埋深的相關系數隨著深度的增大而增加，說明越深受到地溫梯度變化影響作用逐漸顯著。

對比分層監測井不同深度地下水溫度變化的控制因素可以看出，深度較淺的地下水溫度變化主要受到1號回水井溫度和2號回水井溫度的影響，隨著深度的增加，地下水溫度變化的控制因素逐漸從回水井溫度變為地下水水位埋深。

對比分析3個地下水溫度監測井的分析結果可以看出，隨著距離回水井增大，氣溫的影響程度增大，回水井溫度的影響程度逐漸降低，地下水水位埋深的影響也逐漸增大。

5 結論

綜上所述可以看出，安陽市第五人民醫院地下水溫度地下水溫度變化影響因素的總體規律表現為：水平方向上，在回灌井周圍，地下水溫度的主控因素為回灌水，隨著與回灌井距離的增大，回灌水溫度的影響程度降低，地下水溫度變化的主控因素轉變為氣溫和地下水水位埋深；垂向上，第一含水層地下水位附近，地下水溫度變化的主控因素為回灌水，隨著深度的增大，回灌水溫度和氣溫的影響程度降低，地下水溫度變化的主控因素轉變為地下水水位埋深。

表3 1號、2號、3號分層觀測井溫度相關性分析結果表

參考文獻：

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