浅层地热能抽水回灌试验

抽水回灌试验要是水位持续上升，是不是回灌量过大了~

，抽不完，但只要抽出水与渗透进作业范围的水维持一种平衡就行了，如果渗水快那出水量就多，如果渗水慢出水就少，但能维持地下水处理某一高度以下。如果出水少还可以中途停顿一段时间，就是所说的间断式抽水，如果渗水量大，也就是渗透系数高，也可能要不断地抽，如果抽出的水不足以排掉渗进的水，那说明设计有问题。

在收集北京市平原区大量的地质、水文地质资料基础上，总结分析浅层地温能资源量的评价计算方法，开展钻孔取样、测试分析、换热量现场测试、抽水回灌试验等实物工作，获得了各种地质、水文地质和热力学参数。在总结这些工作的过程和结果后，为更好的计算评价区域浅层地温能静态储量和可开采资源量，归纳浅层地温能资源量总体评价体系如下（图5-36）。

图5-36　浅层地温能资源开发利用评价体系图

抽水试验是通过抽水设备从井中连续抽水，并记录水位、水量、水温的变化来测定含水层的渗透性能和水文地质参数的试验；回灌试验是向井中连续注水，并记录水位、水量的变化来测定含水层渗透性能和水文地质参数的试验；抽水回灌试验在抽水与回灌共同作用下，测定水位、水量和水温在试验过程中的变化，确定单井出水能力和回灌能力的试验。根据河南省主要城市所处的水文地质单元与浅层地热能赋存特征，以下列举了5组抽水回灌试验成果。

一、试验地段选择

1.试验区水文地质条件

（1）安阳市试验区

1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于安阳市区西南部，地貌上属于安阳河冲洪积扇。安阳河冲洪积扇是中、晚更新世及全新世后期次复合堆积而成的，具有明显的上细下粗的二元结构。其三面被丘陵岗地环绕，向东敞开，呈向东倾的簸箕状，封闭条件较好，构成一个完整的水文地质单元。

试验区地形平坦，表层多为粉土，有利于大气降水的补给，含水介质由中上更新统砂、卵砾石层组成（图4-1），试验区一带主要是开采浅层（100m以上）地下水，浅层地下水储存在安阳河冲洪积扇松散裂隙水储水介质中，其底部为下更新统泥砾或黏土组成的隔水层。

试验区主要的储水介质是中、上更新统冲洪积卵砾石及半胶结钙砾石层（图4-2）。该处卵砾石层顶板埋深26.4m，略向东倾伏，厚约32m，其成分主要为灰岩，次为石英砂岩，粒径一般为0.2～5cm，大者可达10cm，磨圆度好，分选性差，含砂量约10%～30%，局部夹有黏土透镜体。单井涌水量每天约5000m³/5m，水位埋深37.5m，含水介质厚度21m。渗透系数大于200m/d。

图4-1 安阳市试验区水文地质剖面图

图4-2 安阳市三分庄抽、注水井地层结构柱状图

2）地下水化学特征：试验区地下水化学类型为HCO₃型，矿化度一般小于lg/L，为淡水。

（2）郑州市高新区试验区

1）地下水的埋藏条件及富水性：试验区位于郑州高新技术开发区东北部慧城小区，含水层为第四系全新统和上更新统冲洪积物，其次为中更新统。150～200m以上地下水可分为浅层及中层地下水，二者具有一定的水力联系，实际开采也多是混合取水。浅层地下水因埋藏浅，在试验区一带，浅层含水层底板埋深约70m，厚约30m。目前，该区已由前些年的农业区转变为新兴的工业区，现城市供水水源为黄河九五滩水源地地下水，加之区内耕地减少，且中深层地下水限制开采，地下水开采强度较低。此外，试验区东邻石佛沉沙池，地表水对浅层地下的补给作用较强，地下水水位回升趋势明显。

中深层水主要为第四系中、下更新统冲积－湖积层和新近系上段湖积层。试验区中深层含水层组顶板埋深90m左右，中深层水是目前城市供水的主要开采层，井深一般在100～300m左右，其含水层岩性为中砂、细砂、粗砂等。200m以浅含水层总厚度约50m。

根据已有钻孔及抽水资料（图4-3），浅层与中深层混合水位一般在30m左右。实抽降深20m，单井出水量70m³/h，渗透系数一般为8～10m/d。据郑州市地下水资源评价结果：高新区地下水可采模数每年为13.42×10⁴m³/km²，目前开采利用率仅46%，有扩大开采的能力。试验区一带浅层、中层混合水温为17℃。

2）地下水化学特征：试验区浅层地下水水化学类型为HCO₃-Ca·Mg型，矿化度604.28mg/L，总硬度为428mg/L；中深层为HCO₃-Ca-Na型，矿化度为453.33mg/L，总硬度为273.5428mg/L。

（3）郑东新区试验区

1）地下水的埋藏条件及富水性：试验区处于黄河冲积平原，地表岩性为粉土，水位埋深10.6m。据钻孔资料（图4-4），90m以上共有含水层5层，总厚度约44m，岩性以中细砂、粉细砂为主。实测降深9.6m，单井出水量51m³/h，渗透系数为4.04m/d，水温为15.9℃。

2）地下水化学特征：试验区地下水化学类型为HCO₃-Ca·Na型，矿化度为1407mg/L，总硬度为630mg/L。

（4）新乡市东郭试验区

1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于新乡市区北部共产主义渠北侧，地貌上为古泛流带。浅部地层岩性为粉质黏土，在40～60m深度内发育有3～4层细砂，总厚度为30～40m，降深5m单井涌水量500～1000m³/d。渗透系数10～15m/d，水位埋深10m左右，水温16.0℃。

2）地下水化学特征：地下水化学类型为HCO₃-Ca·Na·Mg型，矿化度为1183.2mg/L，总硬度为572.5mg/L。

（5）新乡市南鲁堡试验区

1）地下水的埋藏条件与富水性：试验区位于新乡市凤泉区西南鲁堡。浅部地层岩性为粉质黏土、细砂，45m深度内共有含水层2层，总厚度22m，含水介质为细砂。水位埋深11m，实测降深2.95m单井涌水量37.19m³/d，渗透系数12.3m/d，水温16.0℃。

2）地下水化学特征：地下水化学类型为HCO₃·Cl^--Mg·Ca·Na型，矿化度为999.66mg/L，总硬度为547.5mg/L。

图4-3 郑州市高新技术开发区油、注水井地层结构

2.试验场地布设

5组抽回灌试验场地分别位于冲洪积扇、山前冲洪积斜平原、冲积平原，代表了冲洪积卵砾石、冲湖积、冲积粗砂、中砂、细砂含水层的抽水、回灌能力（表4-1）。抽水、回灌方式有一抽一回、一抽二回（图4-5），如新乡市东郭试验采用一抽一回方式，试验过程中，超出回灌井回灌能力的水量再回灌于抽水井。

图4-4 郑州新区抽、注水井及地层结构

表4-1 试验井基本情况表

图4-5 新乡东郭注水试验场地布置

河南省城市浅层地热能

二、试验方法与质量

1.试验方法

抽水试验分别采用单孔稳定流和孔组非稳定流方法。回灌试验采用自流回灌方式，回灌时保持回灌孔水位稳定，计量注水。

（1）观测内容与精度

试验过程中观测抽水孔和观测孔水位，抽水孔的出水量、水温、气温，注水孔的回灌量与水位等。

主要观测工具为双股平行线和水位计，观测精度：抽水孔水位读数到厘米，观测孔水位读数到毫米；抽水量和回水量采用水表测量，读数到0.1m³；水温、气温读数到0.5℃。

（2）观测方法

1）单孔稳定流抽水试验：单孔稳定流抽水试验进行一次最大降深的稳定流抽水。抽水试验时，动水位和出水量观测时间为抽水开始后的第5、10、15、20、25、30min各测一次，以后每隔30min观测一次；水温、气温每隔2h同步观测一次。抽水稳定延续时间不少于8h。停抽后进行水位回复观测，观测频率和抽水开始时的相一致，观测至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。

2）孔组非稳定流抽水试验：抽水过程中，抽水孔的出水量保持稳定。水位观测频率为抽水开始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120min各观测一次，以后每隔30min观测一次，水量、水温、气温每隔2h观测一次。抽水结束后，对抽水孔和观测孔进行恢复水位的观测，观测频率和抽水开始时的相一致，观测至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。

3）回灌试验：采用自然重力回灌法。回灌时及时调整回灌量，考虑到实际回灌时的水位升幅，一般保持回灌孔内水位埋深稳定在2～4m。观测方法及频率同稳定流抽水试验。

（3）水样采取

抽水试验结束前采取水质全分析样，并填写水样采样记录卡，水样送实验室测试。

分析项目包括含砂量、色、嗅和味、浑浊度、肉眼可见物、pH值、氯离子、硫酸根、碳酸氢根、碳酸根、氢氧根、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、总硬度、溶解性总固体、铵根、全铁、磷、硝酸根、亚硝酸根、氟化物、高锰酸盐指数共24项。

2.试验质量

1）抽水、回灌试验参照的技术标准主要有：《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）、《浅层地热能勘查评价技术规范》、《水样的采取、保存和送检规程》、《地源热泵系统工程技术规范》（GB50366-2005）等。

2）为确保试验质量，抽水开始前，对参与观测的人员进行观测技术培训，统一观测记录格式与要求；

3）抽水前所有设备准备就绪，排水工程完备，观测工具、人员到位。

4）测线采用伸缩性小的高质量双股平行线，减小观测误差。

5）同一观测井观测人员与测具固定，观测数据填写及时准确，清晰、内容齐全。

6）观测资料及时整理，发现问题及时解决，保证资料的完整性。

三、试验成果

1.参数计算方法与结果

根据单孔稳定流抽水试验资料，按下式计算含水层渗透系数K

河南省城市浅层地热能

根据注水孔试验资料，按下式近似计算渗透系数K

河南省城市浅层地热能

按下式计算单位抽水量q 抽或单位回灌量q回：

q_抽＝Q_抽/S；q_回＝Q_回/S

式中：K为渗透系数，单位为m/d；Q为稳定的出水量或注水量，单位为m³/d；H为潜水含水层厚度，单位为m；S为水位降深或升幅，单位为m；R为影响半径，取经验值，单位为m；r为过滤器半径，单位为m；L为试验段或过滤器长度，单位为m。

计算结果见表4-2。收集的部分回灌试验成果如表4-3。

表4-2 抽水、回灌试验成果一览表

表4-3 收集的回灌试验成果表

2.回灌量大小的影响因素分析

回灌量的大小受成井结构与质量、水文地质条件等多种因素影响。

含水层岩性是决定回灌量的基本因素。由表4-2可知，不同含水层的抽、注水试验求得的渗透系数比值分别为：以粗砂、砾石为主的含水层为1.96～2.81，以中砂、中细砂为主的含水层为3.28～8.50。表明含水层颗粒越粗，抽、回灌水能力越接近，即含水层颗粒越粗越容易回灌。

水位埋深对总回灌量的大小影响明显，回灌量与水位埋深成正比。以郑州高新区和郑东新区两组回灌试验对比，二者含水层岩性相似，均以中细砂为主，含水层渗透能力近似，高新区静水位埋深为34m，郑东新区仅为10.6m，响应的高新区回灌量为42m³/h，郑东新区只有12.56m³/h。

滤水管结构对回灌量有直接影响。含水层岩性近似地段，使用钢质桥式滤水管成井的回灌量明显大于使用水泥滤水管井（表4-3）。

综合发现：卵砾石含水层地区，单位回灌量为单位抽水量的70%以上；粗砂、中砂含水层地区，单位回灌量约为单位出水量的70%～40%；中细砂含水层地区，单位回灌量约为单位出水量的50%～30%；细砂、粉砂含水层地区，单位回灌量小于单位出水量的30%。

3.抽水、回灌井数比例的确定

单位抽水量和单位回灌量之比可作为确定回灌井数的主要依据。根据上述试验成果，考虑到长期回灌时回灌井可能的堵塞情况，在地下水静水位埋深大于10m的条件下，地温空调井抽、灌井数比例确定如表4-4。

4.地温空调井运行对地下水环境的影响

（1）对地下水温度的影响

研究区地温空调井抽水井中水温一般约16～20℃，回水管道中水温供暖期一般在10～15℃，比抽水井中地下水温度低2～7℃，制冷期一般在18～25℃，比抽水井中地下水温度高1～8℃。根据对地温空调井地下水温度监测（图4-6、图4-7），地温空调运行时对地下水温度阶段性影响较明显。

表4-4 地温空调井抽水、回灌井数比例确定

图4-6 郑州市儿童医院地下水埋深与抽水井水温动态曲线

图4-7 郑州嵩阳中学地下水埋深与回灌井水温动态曲线

制冷期，回灌水温度一般在19～30℃之间，最高可达35℃；供暖期，回灌水温度一般在8～15℃ 左右。受回灌水温度的影响，制冷期使地下水温度略有升高，供暖期略有下降，但在一个完整的制冷与供暖周期内，地温空调井回灌对地下水温度总的持续性影响不明显。多年温度动态曲线（图4-8至图4-13）也表明研究区地温空调运行未造成地下水或 土体温度持续性的升高或降低。没有观测到明显的热污染现象。

图4-8 安阳市文峰时代广场回灌井水温动态曲线

图4-9 安阳市五中回灌井水温动态曲线

图4-10 中国农业科学院棉花研究所回灌井水温动态曲线

图4-11 安阳市广电局回灌井水温动态曲线

（2）对地下水水质的影响

根据对郑州市儿童医院地温空调井制冷期运行前（5月5日）、运行期间（8月21日）及运行后（10月29日）的水质采样、分析（表4-5）和安阳市部分地温空调系统在运行期间抽水井与回灌井的水质采样、分析（表4-6）。通过对比发现，浅层地热能在开发利用过程中，对地下水水质影响不大；元素锌在回灌井中有明显升高现象，分析其主要原因是锌易氧化成锌离子进入水中，所以，建议不使用镀锌钢管。

图4-12 安阳市公安局回灌井水温动态曲线

图4-13 安阳市喜相逢大酒店回灌井水温动态曲线

5.抽水、回灌井间距的确定

抽、回灌井的合理间距以不发生热短路为原则。回灌水到达抽水井的时间（热短路时间）可用下式表示：

河南省城市浅层地热能

式中，n为含水层的有效孔隙度；π为圆周率；d为抽水井和注水井距离；B为含水层厚度；Q为稳定的注水量。

根据上式可确定发生热短路的抽水、回灌井间距临界值为：

河南省城市浅层地热能

当抽水井、回灌井距离小于合理间距（d）时将发生热短路现象。以儿童医院为例：

儿童医院的地温空调工程设计抽水井、灌井数为6眼，其中抽水井深98m回灌井深70m。抽水、回灌井运行模式为两抽、四灌，3^＃和6^＃为抽水井，其余4眼为回灌井。运行时单井抽水量100m³/h单井回灌量50m³/h。抽、灌井及观测井的位置分布见图4-14。

图4-14 抽、灌井分布图

表4-5 郑州市儿童医院地温空调井不同时段下水水质对比表

按制冷期热泵运行时间120d，含水层厚度15.9m，孔隙度0.30，则d为85m，即在回灌量为50m³/h时（相当于塬前冲积平原区），抽、灌井间距大于85m时不会发生热短路。如单井回灌量达到85m³/h时（相当于黄河冲积平原），则抽、灌井间距大于111m不会发生热短路。

实际上，3号抽水井和2号回灌井间距为36m。6号抽水井和5号回灌井间距也仅为55m。图4-7是系统运行时6^＃抽水井水温曲线，从温度变化来看，显然发生了热短路现象，其制冷期最高温度23～24℃，较背景值（20℃）高出3～4℃。供暖期最低温度17～16℃，较背景值低约3～4℃。

一般热泵机组正常工作时，要求水的温度介于2～35℃之间，以保证系统可以正常运行。因此，虽然回灌水引起了热短路，但温度变化还在热泵允许的范围内，能够保证系统的运行效率，满足建筑物冷热负荷的要求。另一方面，城市区多数建筑场地不能满足理论计算的抽、灌井间距要求。大量的观测资料也说明热短路现象是普遍存在的。但因回灌水温度适中，可以保证水源热泵空调系统的运行效率。而抽、灌水的温度变化供暖期和制冷期呈现周期性的波动，也反映出水源热泵空调系统在长期的运行过程中，其水动力场影响范围内某点的地下水温度波动的规律性，即在水源热泵空调系统长期运行过程中，地下水温度在冷、热交替中的影响范围内不会发明显持续性升高或降低。

表4-6 抽水井与回灌井水质对比表

因此，地温空调井间距的确定不能仅以热短路作为依据，而应考虑其回灌水影响范围内水温的变化能否满足热泵系统运行要求、对地质环境的影响和运行的经济性。但在条件允许的情况下应尽量满足井间距要求，以减少热短路影响，保证系统运行效率。在实际工程中回灌量和含水层厚度差别较大，结合此次对已有地温空调系统运行效果的调查情况及抽、灌试验成果，建议细颗粒地层中抽、灌井间距不宜小于40m，卵砾石含水层中间距不宜小于80m。实际工程应用中可根据具体情况调整。

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