福州市地下水源熱泵抽水回灌試驗研究

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

在能源日趨緊張的今天，節能是關系到國計民生的大問題，合理利用能源是一項促進我國經濟可持續發展的重要工作。地下水源熱泵利用地下水冬暖夏涼的特點，抽取地下水到地面以上與建筑物內的空氣進行熱交換，然后再回灌到含水層，周而復始形成循環，在循環時僅耗費少量的高品位電能，不產生任何有毒有害氣體。由于其在節能環保方面的獨特優勢，在我國受到越來越多的推崇，在世界各地得到推廣應用[1-2]。

但是，如果大量地應用地下水源熱泵而無可靠的回灌，必將造成地下水資源的嚴重浪費，產生嚴重的環境問題。因此，在地下水源熱泵研究與應用前應查明當地的水文地質條件，確定含水層的回灌能力，合理的抽回灌井比例及井間距的設計是影響熱泵系統運行和投資的基礎。

1 研究區水文地質條件

福州市所在地屬于典型的河口盆地，三面環山，一面臨海。總地勢是西高東低，南北高中間低，自中心至周邊，地形漸次升高，且整體自西向東傾斜。

福州盆地是一個較完整的水文地質單元，周邊由山地組成，中部為盆地平原區。基巖山區以基巖裂隙水為主，由于地形坡度大，切割強烈，溝谷發育，不利于地下水的補給、儲存，含水性較差。閩江自西北流入福州盆地后轉向東西分叉，把盆地分割為江北平原、南臺島和烏龍江南岸平原三大部分。盆地平原區主要發育上、下兩個孔隙承壓水含水巖組。

下部承壓含水層為砂、砂卵石層，頂板埋深大于20.0m，含水層厚度為10.0～45.0m，隔水底板為花崗巖。在閩江古河道主流線上，水量較豐富，單孔涌水量大于1000t/d，水位埋深2.0～5.0m，礦化度0.54～0.94g/L，水質類型為Cl-HCO3-Na型和Cl-Na型，pH值6.5～7.0。

上部承壓含水層為全新世沖積形成的砂層，含水巖組顆粒細。富水區分布在閩江古河道上，含水層厚度從主流線往兩側變薄至尖滅，地下水位埋深0.6～3.5m，單孔涌水量大于1000t/d，礦化度0.18～0.70g/L，水質類型為Cl-HCO3-Na型和Cl-Na型，pH值6.5～7.0。

根據淺層地溫能賦存的水文地質條件，初步確定閩江沖積平原區為地下水源熱泵系統應用的適宜區和較適宜區，本次主要在這些地區開展抽水、回灌試驗。

2 鉆孔施工概況

2.1 鉆進

本次共選取6個試驗點，成井12眼。鉆孔施工采用XY-100型回旋鉆機，清水取芯鉆進。根據巖芯劃分地層，含水層下入濾水管，隔水層下入井壁管，井身圓直，井管安裝順利(試驗點1～12號鉆孔地層概況見表1)。

表1 鉆 孔 地 層

2.2 井管安裝

井管包括井壁管和濾水管兩部分，采用φ219的無縫鋼管成井，濾水管外包纏絲濾布(30目)。井管外填礫，采用粒徑2～8mm天然石英砂，圍填厚度大于100mm，為防止地表污水污染地下含水層，井口采用黏土和黏性土球止水，封閉厚度2.0m左右。管井成井后，采用正反循環洗井，直至水清砂凈。

3 抽水、回灌試驗

3.1 試驗設計

本次試驗共有6個試驗點，分別為A福州市進出口銀行、B海峽圖書館、C福州金城灣、D福州西客站、E福州新世紀花園、F福建中醫藥大學，每個試驗點兩口井，編號1～12號(試驗點位置分布見圖1)。試驗點地層為多個含水層的，兩口井應選取不同的含水層作為試驗段(具體試驗方案見表2)。

圖1 試驗點位置分布

試驗點A位于江北平原的閩江一級階地上，上部為中砂承壓含水層，埋深6.2m，厚21.6m，下部為砂卵石承壓含水層，埋深35.3m，厚32.1m。1號井的試驗段(濾管所下的位置)為上部中砂承壓含水層，2號井的試驗段為下部砂卵石承壓含水層。

試驗點B位于江北平原的一級階地，砂卵石承壓含水層，埋深40.6～43.2m，厚13.5～15.0m。3號、4號井的試驗段均為砂卵石承壓含水層。

試驗點C位于南臺島一級階地上，上部為中砂承壓含水層，厚約32.3m，下部為砂卵石承壓含水層，埋深34.8～35.1m，厚29.4m，兩個含水層直接接觸，有較強的水力聯系。

表2 試驗方案

試驗點D位于閩江古河道，上部為中砂承壓含水層，埋深2.2m，厚10.6m，下部為砂卵石承壓含水層，埋深31.4m，厚7.5m。

試驗點E位于江北平原閩江一級階地上，靠近閩江入海口，在實驗點A下游約5km處。上部為粉砂、中砂承壓含水層，埋深3.6m，厚10.5m，下部為粉砂、砂卵石承壓含水層，埋深24.0m，厚26.7m。

試驗點F位于閩江古河道上，在試驗點D的上游約5km處。砂卵石承壓含水層，埋深18.4～19.0m，厚14.5～15.0m。

3.2 試驗方法

3.2.1 抽水試驗

抽水試驗采用揚程60.0m的潛水泵，用直徑100mm的耐壓管將抽出的水排入遠處的城市下水道管網，孔口安裝有三通閥門、水表。地下水位、水溫的觀測采用加拿大生產的Solinst Levelogger探頭，精度高且可以實現數據的自動采集，另以電測水位計作為輔助觀測設施，各井抽水前先用水泵間斷抽水，待水清砂凈后，進行正式抽水試驗。抽水試驗采用單孔穩定流[3]方法，觀測時間先密后疏，抽水試驗持續時間24～48h，穩定時間4～8h。

3.2.2 回灌試驗

回灌試驗采用對井、自流回灌方式。回灌時采用定流量，水表計量，讀數精確到0.10m3。考慮到實際回灌的水位升幅，一般控制回灌量使回灌孔內水位埋穩定在0.5～1.0m，與最大回灌量相當。回灌時同時觀測抽水井與回灌井的水位及回灌量變化。回灌試驗要求水位穩定時間不少于12h，試驗持續時間24～48h。

4 試驗成果

根據單孔穩定流抽水試驗資料，含水層滲透系數K根據《水利水電工程鉆孔抽水試驗規程》(SL 320—2005)中公式利用迭代法計算：

(1)

(2)

式中：Q為抽水量，m3/d；r為井半徑，m；M為含水層厚度，m；S為水位穩定降深，m；R為影響半徑，m。

根據回灌孔試驗資料，滲透系數按水利水電工程鉆孔常水頭注水試驗公式近似計算：

(3)

式中：Q為注入流量,m3/d；H為試驗水頭,m；kh、kv為試驗土層的水平、垂直滲透系數,cm/s；A為形狀系數，cm，由鉆孔和水流邊界確定；m值本次試驗近似取1(計算成果見表3)。

表3 抽水、回灌試驗成果表

4.1 回灌能力分析

自流回灌即重力回灌，僅依靠自然重力進行回灌，不附加其他的壓力。受回灌量的大小與成井質量、水文地質條件等多種因素影響。

通過本次試驗可以得出，砂卵石含水層的單位回灌率大于中砂含水層，中砂含水層的單位回灌率大于粉砂含水層，表明含水層顆粒越粗，抽、灌水量越大，越容易回灌。在含水層巖性厚度相似的地區，靜水位埋深越大的地方回灌量越大。因此，在成井質量理想的情況下，靜水位埋深越大、含水層顆粒越粗，單位回灌量越大。

現場試驗中取得的單位回灌率(單位回灌量和單位抽水量之比)可作為評價含水層回灌能力的主要依據。

本次試驗中，砂卵石含水層的單位回灌率達71%～100%，中砂含水層的單位回灌率為51%～61%，粉砂含水層的單位回灌率為49%。因本次回灌試驗持續時間較短，僅24～48h，所測得的單位回灌率均稍偏大，結合前人在本地區的研究成果，一般情況下砂卵石含水層中單位回灌率大于70%，中砂、粗砂含水層單位回灌率約50%～70%，粉砂、細砂含水層中單位回灌率約30%～50%。

研究區地下水位埋深較淺，僅為2.35～7.19m，雖然通過現場試驗得出的含水層單位回灌率較高，但是回灌井水位的升幅是很有限的，即單井最大回灌量是有限的。在實際工程應用中，較大的抽水量可以通過增大抽水井井徑、水位降深來實現；較大的回灌量，只能通過增大回灌井的井徑、增加回灌井的數量來實現，靠增大回灌井水位變幅是行不通的，所以在設計抽灌井數量比例時應適當增大回灌井的比例。考慮到長期回灌時回灌量下降的情況，研究區不同巖性含水層地下水源熱泵應用時，對抽灌井數量比例進行設計(見表4)。

表4 抽灌井數量比例

4.2 抽、灌井間距的確定

合適的抽、灌井溫差是保持熱泵高效率運行的一個重要因素，抽、灌井溫差的影響因素既有地面的，又有地下的。地面因素為空調系統的熱交換過程，室內設定溫度與外界氣溫差別越大、熱交換越充分，抽灌井的地面溫差越大；地下因素為熱對流-地下水彌散過程，抽灌井距離越小、地下水對流和彌散越強烈，抽灌井的地下溫差越小[4]。溫差縮小會導致地下水源熱泵效率的降低。如果抽水井受到回灌井影響較大，發生熱突破，就無法發揮地溫空調的作用，應該避免此類情況。

回灌井對抽水井溫度的影響必須降低到合理水平，當回灌率為0時，抽水井溫度最穩定，但這是地下水資源保護所不能允許的。增加抽灌井的距離可以有效降低發生熱突破的風險，但又會增加回灌能力不足的風險，且實際工程中需考慮經濟性。在穩定流純對流雙井條件下，回灌井水運移鋒面到達抽水孔的時間已經有解析解[5]，據此可以得出從開始回灌到發生熱突破所需要的時間tc，用下式表示：

(4)

式中：d為含水層的厚度,m；n為含水層有效孔隙度；L為抽水井和注水井距離,m。

考慮地下水源熱泵持續運行的時間為tm, 根據上式可推導出發生熱短路的抽、灌井間距臨界值為

(5)

假定熱泵系統夏季連續運行120d，tm=2880h，則研究區內各含水層抽、灌井臨界井間距計算結果見表5。

表5 各含水層抽、灌井臨界間距

5 結 論

通過福州市6個試驗點的抽水回灌試驗，初步確定下列成果：

a.福州市各主要含水層的回灌能力及抽灌井數量比例設計：砂卵石含水層單位回灌率達70%，抽灌井比例為1∶1～1∶2；中砂含水層單位回灌率為40%～60%，抽灌井比例為1∶2～1∶3；粉砂、細砂含水層單位回灌率為30%～50%，抽灌井比例應大于1∶4。

b.福州市各主要含水層的抽灌井間距的設計：砂卵石含水層不宜小于65.0m, 中砂含水層不宜小于50.0m，細砂含水層不宜小于45.0m, 粉砂含水層不宜小于40.0m。