巖溶地下河在水源熱泵工程中的優勢特征分析

田小林

（1.貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州遵義 563000；2.貴州淺層地溫能開發有限公司，貴州貴陽 550081）

地下水源熱泵具有高效節能、成本低廉、清潔環保及可持續利用等諸多優點，但其除受到水文地質條件嚴格限制外，還普遍面臨著尾水完全回灌困難、資源利用效率持續降低、地溫恢復能力逐漸減弱、環境地質問題愈發凸顯等主要問題，部分地區對其開發利用持謹慎態度甚至限制開發。巖溶地下河一般具有補給范圍廣、徑流途徑遠、水力坡度大、集中徑流和集中排泄等特征[1]，強烈的巖溶作用發育有大量的落水洞、天窗等天然回灌通道，較大的水力坡度使其擁有資源補給及時、取熱排熱迅速的水動力條件，天然的抽灌水通道可節約取水和回灌鉆井成本，相對固定的徑流通道具有不造成水位下降及改變地下水流場的地質環境優勢，總體上在水源熱泵開發工程中優勢特征明顯。

1 水文地質條件

1.1 地下水系統

橋頭地下河位于貴州省百里杜鵑管理區百納鄉高原水庫至鵬程社區橋頭村一線，地處貴州高原中部、長江水系烏江與赤水河流域分水嶺地帶，總體呈NESW 向樹枝狀展布，發育地層為二疊系棲霞茅口組(P2q+m)石灰巖，巖溶發育極為強烈，地表串珠狀落水洞、天窗及洼地密布。其地下水一方面來自高原水庫經K2 號伏流入口(流量123.0L/s)灌入式補給，另一方面主要來自大氣降水在P2q+m石灰巖分布區通過落水洞及天窗等天然通道注入式補給，接受補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)。該地下河系統西部以地表分水嶺為界、北部及東部以夜郎組(T1y)、龍潭組(P3l)泥頁巖相對隔水層為界、南部以地下水排泄基準面為界，構成具有獨立補徑排條件的地下河集中排泄系統，地下水具有量大集中、徑流迅速的特點(圖1)。

1.2 地下水動態

橋頭地下河屬溶洞管道水類型，地下水的動態變化直接影響著水源熱泵工程的系統穩定性和正常運行。根據動態監測資料，橋頭地下河全年水溫變化在15.5℃～16.5℃之間，年變幅0℃～1℃，動態變化穩定；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2.3 倍，動態變化不穩定，表明巖溶地下河對降雨反映敏感，流量變化直接響應降雨強度，具有暴漲暴落的降雨型動態特征，同時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給、天然回灌能力強的特點。

1.3 地下水資源量

地下水資源量是地下水源熱泵工程開發利用的基礎條件，其資源屬性決定了熱泵工程的規模大小和開發效果，考慮水源熱泵夏季制冷、冬季采暖的開發模式，結合充分發揮資源優勢和保障系統正常運行的原則，通常按照豐、枯季地下水允許開采量進行系統設計。根據橋頭地下河以往動態監測成果，采用頻率分析法計算其允許開采量，并選取保證頻率為P=75%和P=95%時對應流量作為該地下河的豐、枯季允許開采量，結果顯示豐水期允許開采量為191.3L/s，枯水期允許開采量為156.78L/s。

2 巖溶發育特征

2.1 地表巖溶發育特征

橋頭地下河發育地層為二疊系棲霞茅口組(P2q+m)石灰巖，該套地層區域厚度240～450m，巖性質地純厚，巖溶發育十分強烈，流域范圍內發育有規模以上洼地、落水洞、天窗等巖溶個體形態32個，其中沿地下河管道串珠狀發育有落水洞4 個、天窗3 個、伏流入口1個，總體形態呈近似圓形，直徑2～12m，可視發育深度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、規模大、取水/回灌條件極佳(表1)。

表1 天然巖溶通道統計表

2.2 地下河發育特征

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‰，總體發育寬度9～60m、高度11～56m、埋深33～116m。經綜合分析，橋頭地下河屬淺埋型巖溶，管道基本無充填，且與地表落水洞、天窗等聯通，沿巖溶天然通道回灌率可達100%(圖2)。

3 優勢特征分析

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期大量開采地下水造成資源衰減、水位下降、含水層壓力降低和引發地面沉降等問題，原則上要求必須實現100%同層回灌，但就目前而言，回灌技術還不夠成熟，普遍存在回灌難問題。國內對尾水回灌的相關研究較多，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、回灌水換熱結垢堵塞含水層等[3]，究其根本原因是含水巖組含水介質欠發育和空間規模較小，使其易受堵塞而達不到完全回灌，對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育特征，其地表落水洞、天窗、伏流入口等天然回灌通道多達8個，規模直徑2～12m，同時地下河管道發育寬度9～60m、高度11～56m，巖溶通道與地下河直接聯通且基本無充填，地下河處于潛水狀態，K2 天然回灌量達到123.0L/s，地下河出口S1 流量達到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模大，可能的回灌雜質均可通過地下河管道水流迅速帶走，不易于受到回灌堵塞，同時不存在承壓水頭回灌抵抗，在回灌條件上選擇性強、可避免打井、回灌條件極佳、回灌率可達100%。

3.2 資源利用效率

地下水資源量是地下水源熱泵開發利用的基礎，完全回灌是保障條件，資源利用效率主要體現在循環利用量上，根據現行淺層地熱能勘查評價規范[4]，地下水循環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。在水源熱泵開發利用不考慮其他用水損失情況下，相當于開采換熱、尾水完全回灌條件下可有效利用的地下水資源量。對于孔隙裂隙型地下水源熱泵通常按計算和論證的地下水允許開采量作為其循環利用量，其資源利用效率最大只能達到原地下水允許開采量，還因普遍面臨不能完全回灌問題，其資源利用效率往往隨著開發時間推移而逐漸降低。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，為充分體現資源利用效益和保障系統長期正常運行，故以75%和95%保證頻率下的允許開采量分別作為夏季制冷和冬季制熱一次循環利用量，由于地下河含水介質主要為溶洞管道且能完全回灌，地下水循環利用量至少可達到原地下水允許開采量的2倍，多次循環利用后資源利用效率可成倍增大。

3.3 地溫恢復能力

地溫恢復能力是決定地下水源熱泵工程換熱效果的重要因素，其中地熱正常增溫是地下水熱量的主要來源，含水巖組導熱性能是地下水溫恢復快慢的決定性條件，地下水相對一般含水巖組擁有較大的比熱容，是儲集熱量的重要載體。孔隙裂隙型地下水因含水介質空間規模小而徑流速度較慢，在地下水源熱泵工程中需要對抽水和回灌井距進行充分論證，井間距過大則抽水井得不到及時補給，井間距過小則會引起熱貫通及熱堆積現象，均會造成地溫恢復能力下降和換熱效率降低[5]。經對橋頭地下河伏流入口K2、天窗K4及K6、出口S1水溫測量資料分析，K2地表水溫18.5℃，天窗K4、K6 及出口S1 水溫均為16.5℃，相對溫差2.0℃，聯通試驗平均流速602.4m/h，計算出地下河水溫由K2徑流至K4時間為6.78h，考慮至K4時地下水溫已恢復至區內地下水正常溫度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程中取熱、排熱均可通過地下水及時補給和迅速擴散，地溫恢復能力強，不易造成冷熱堆積和熱貫通現象。

3.4 經濟環境效益

地下水源熱泵工程為了保障系統正常運行、努力實現最大回灌量，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程中含水介質規模小、易于堵塞和水頭壓力抵抗等回灌難問題，多采用真空回灌或加壓回灌等手段；同時為了保障抽、灌量平衡，一般還會進行定期回揚和季節性抽灌井對調，以上工作一方面增加了鉆井及設備費用，另一方面增加了處理成本及時間。而巖溶地下河水源熱泵取水及回灌均可通過地下河出口、天窗和落水洞等天然巖溶通道，同時又能完全回灌，一定程度節省了鉆井工程、工藝處理及相關設備費用，經濟效益較為明顯。另外地下水源熱泵開發利用造成的主要環境地質問題是因長期抽水量和回灌量不均衡，引起地下水流場改變、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、天窗等聯通而處于常壓狀態，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程中不會造成含水層變形、地下水流場改變、水位下降和地面沉降，環境優勢較為突出。

4 結語

巖溶地下河具有巖溶發育強烈、徑流迅速、地下水溫度恒定及地表水量大集中等特點，在水源熱泵開發工程中具有尾水回灌條件佳、資源利用效率高、地溫恢復能力強、經濟環境效益優等優勢，但因流量動態變化大，開發利用前應根據長期動態監測資料做好充分論證及合理設計，避免盲目開發，以發揮資源優勢的利益最大化。