水源熱泵回灌

1、如何解決好水源熱泵的成井、回灌、勘探、鉆探等問(wèn)題，2011年6月11日，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局淺層地溫能研究與推廣中心劉清曉在由中國(guó)制冷學(xué)會(huì)空調(diào)熱泵專業(yè)委員會(huì)主辦的水源熱泵系統(tǒng)回灌技術(shù)交流與工程應(yīng)用研討會(huì)上進(jìn)行了主題為“不同的水文地質(zhì)需采用不同的回灌方法”的發(fā)言。劉清曉在開篇中介紹，地質(zhì)學(xué)與水文學(xué)交叉滲透形成的水文地質(zhì)學(xué)，目前已經(jīng)形成了若干分支學(xué)科。其中屬于基礎(chǔ)性的學(xué)科分支為：水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)、地下水動(dòng)力學(xué)、水文地球化學(xué)、水文地質(zhì)調(diào)查方法、區(qū)域水文地質(zhì)學(xué)等。結(jié)合各種專門目的的水文地質(zhì)學(xué)分支正在不斷形成，其中比較成熟的有供水水文地質(zhì)學(xué)、礦床水文地質(zhì)學(xué)、古水文地質(zhì)學(xué)、同位素水文地質(zhì)學(xué)等。在調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)由于人

2、類活動(dòng)強(qiáng)烈干預(yù)地下水及其賦存介質(zhì)，導(dǎo)致一系列與人的價(jià)值判斷相聯(lián)系的利益沖突，必須用社會(huì)科學(xué)的方法加以處理。我國(guó)水資源總量為28124億m3/年，世界排名第六位。其中地下水8288億m3/年，地表水27115億m3年，人均占有水量為2220m3（1997年人口），為世界平均水平的1/4，居世界第110位。2030年中國(guó)人口將達(dá)到16億，人均水資源量只有1760m3，將進(jìn)入用水緊張國(guó)家（1700m3）。我國(guó)目前人均1000m3，北京今年人均約100m3。我國(guó)水資源地區(qū)分布不均勻 ：南多北少，東南多西北少；81%分布在長(zhǎng)江以南地區(qū)。年內(nèi)（6-9月占60-80%）和年際不均。地表水和地下水比例不均（南

3、方4:1；北方1:0.6）。近年來(lái)，水質(zhì)不斷惡化，由短缺向奇缺快速轉(zhuǎn)化，全國(guó)1/3以上河段受到嚴(yán)重污染。在開采的過(guò)程中，由于過(guò)量開采地下水造成區(qū)域地下水位持續(xù)下降，水源枯竭，生態(tài)環(huán)境受到破壞。全國(guó)土地荒漠化面積262.2萬(wàn)平方公里，占國(guó)土總面積的27.3%，目前沙化面積仍以每年2460平方公里的速度在擴(kuò)展。華北地區(qū)近30年地下水超采300多億方，漏斗幾萬(wàn)平方公里；北京超采100多億方，水位下降幾十米 。此外，還出現(xiàn)地面沉降、地表開裂和塌陷等地質(zhì)問(wèn)題、水質(zhì)惡化與水質(zhì)污染問(wèn)題、不合理利用水資源造成土壤次生鹽漬化和次生沼澤化等諸多問(wèn)題。地下水資源分類及評(píng)價(jià)方法地下水資源與其他礦產(chǎn)資源相比，流動(dòng)性和可

4、恢復(fù)性更強(qiáng)；與地表水相比，儲(chǔ)存空間和調(diào)蓄能力巨大。按存在形式可分為氣態(tài)水、吸著水、薄膜水、毛細(xì)管水、重力水和固態(tài)水等。按含水層埋藏特征可分為包氣帶水、潛水（地表以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上具有自由水面的地下水。自由水面稱潛水面，潛水面相對(duì)于基準(zhǔn)面的高程稱潛水位）和承壓水（充滿于上下兩個(gè)隔水層之間的具有承壓性質(zhì)的地下水）。按含水層（地下水面以下飽水的透水層）空隙特點(diǎn)可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。按水質(zhì)和水溫的特點(diǎn)可分為：礦化水、高礦化水、熱水等。構(gòu)成含水層的條件：有儲(chǔ)存重力水的空隙；下伏有隔水層。根據(jù)含水層的巖性和單井出水量，可以編制富水性分區(qū)圖，作為開采利用地下水的依據(jù)和參考。隔水層指重力水不能透

5、過(guò)的土層或巖層。一般孔隙很小的粘土層、重亞粘土、以及致密巖層（如頁(yè)巖、火成巖、變質(zhì)巖）等都是隔水層。由于隔水層的存在，使上下含水層沒(méi)有水力聯(lián)系。在干旱、半干旱地區(qū)，地表水與地下水轉(zhuǎn)化往往具有多重性，這種轉(zhuǎn)化過(guò)程中，對(duì)生態(tài)環(huán)境具有不同的作用。因此在進(jìn)行地下水資源評(píng)價(jià)時(shí)，更要充分考慮這種轉(zhuǎn)化關(guān)系，以不破壞生態(tài)環(huán)境為前提，合理使用水資源。根據(jù)我國(guó)的水資源條件，劉清曉認(rèn)為在未來(lái)水源地地段，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的抽水試驗(yàn)，根據(jù)開采量降深(Q-s)關(guān)系，對(duì)地下水可開采資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)。水文地質(zhì)條件復(fù)雜，一時(shí)難以查清而又急需做出水資源評(píng)價(jià)的地區(qū)，主要指中小型水源地的地下水資源，進(jìn)入水文地質(zhì)詳勘階段后，必須進(jìn)行抽水試驗(yàn)

6、，運(yùn)用開采試驗(yàn)法進(jìn)行可開采資源量評(píng)價(jià)。水位觀測(cè)結(jié)果可能出現(xiàn)兩種情形：在長(zhǎng)期抽水過(guò)程中，如果水位達(dá)到設(shè)計(jì)降深并趨近穩(wěn)定狀態(tài)，即鉆孔水位下降值保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平上，不再隨時(shí)間繼續(xù)下降，并且抽水量大于或等于需水量；停抽后，水位又能較快地恢復(fù)到原來(lái)的水平，這就表明實(shí)際抽水量小于開采條件下的補(bǔ)給能力，按需水量開采是有保證的。這時(shí)，實(shí)際的抽水量就是可開采資源量。如果在長(zhǎng)期定流量抽水過(guò)程中，井中水位不穩(wěn)定，特別是觀測(cè)孔水位具有持續(xù)下降的趨勢(shì)；停抽后，水位雖有恢復(fù)，但始終達(dá)不到原始水位。說(shuō)明抽水量已超過(guò)開采條件下的補(bǔ)給能力，按此抽水量開采是沒(méi)有保證的。評(píng)價(jià)地下水資源，通用的一般有試驗(yàn)外推法、補(bǔ)償疏干法、解析

7、法、數(shù)值法等多種方法。水井施工及工藝要求地下水與其周圍巖土構(gòu)成統(tǒng)一的力學(xué)平衡系統(tǒng)。地下水位的變動(dòng)會(huì)破壞其原有的平衡而產(chǎn)生種種效應(yīng)。地下水的迅速滲流會(huì)沖刷淘蝕松散沉積物而使之變形破壞。地下水是一種重要的地質(zhì)營(yíng)力，其主要作用是應(yīng)力的傳遞者與熱量及化學(xué)組分的傳輸者。在地下水的參與下，地殼乃至地幔中的組分遷移，在地下水的排泄帶與不同組分地下水的接觸帶形成礦床。水在巖漿作用、變質(zhì)作用、巖石圈的形成與改造，乃至地球演變中所起的作用，正受到人們愈來(lái)愈多的注意沈照理等，1985，某些利用地下水及其賦存介質(zhì)的方面也值得加以注意。一個(gè)地區(qū)地下水埋藏、分布、運(yùn)動(dòng)、以及水質(zhì)和水量等特征的總稱。根據(jù)工作目的水文地質(zhì)條件

8、可分為區(qū)域水文地質(zhì)條件、供水水文地質(zhì)條件、礦區(qū)水文地質(zhì)條件等。只有正確掌握地區(qū)水文地質(zhì)條件，才能合理開發(fā)地下水資源。在實(shí)際工作中,往往需要反映某一地段在一定深度內(nèi)的含水層的埋藏與分布、地下水位以及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄情況，地下水化學(xué)類型及其垂向變化資料和圖件。通過(guò)水文地質(zhì)調(diào)查、物探勘查、水文地質(zhì)鉆探（水井施工與抽水試驗(yàn)）、資源評(píng)價(jià)等手段來(lái)獲取項(xiàng)目地區(qū)水文地質(zhì)條件和確定地下水補(bǔ)給、徑流、排泄工作。劉清曉強(qiáng)調(diào)，水源熱泵工程方案選擇前必須請(qǐng)有資質(zhì)單位進(jìn)行水資源論證。在施工時(shí)需注意孔隙度和滲透性?？紫抖仁菐r石孔 （空）隙體積Vn和巖石體積V之百分比，孔隙度的大小取決于顆粒分選性、排列情況、形狀以及

9、充填膠結(jié)情況粘性土具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，孔隙度一般比較大，巖石顆粒表面具有電性?？紫吨写嬖诮Y(jié)合水、重力水、毛細(xì)水、氣態(tài)水等巖石的滲透性和孔隙大小、孔隙度和孔隙的連通性等有關(guān)并非孔隙度越大，滲透性就越好，在孔隙細(xì)小的多孔介質(zhì)中只存在結(jié)合水，滲透性很差，比如粘性土。施工工藝包括鉆機(jī)選擇、鉆頭與鉆具組合、循環(huán)液、防斜和事故處理等環(huán)節(jié)。成井工藝包括下管（井壁管和濾水管）、填料、止水和洗井等主要工序的鉆探工藝。據(jù)介紹，我國(guó)發(fā)現(xiàn)最古老的水井是浙江余姚河姆渡井，成井距今約5700年。河姆渡井雖然深度只有1.35m，但卻用200多根圓木支撐保護(hù)，結(jié)構(gòu)精巧樹榮等，1985。至少在公元前7世紀(jì)，亞美尼亞就有了坎兒井isw

10、as，1970。在公元前約200年的我國(guó)漢代，在四川為開采鹵水，在堅(jiān)硬基巖中開鑿了深逾百米的自流井。施工時(shí)，需進(jìn)行抽水試驗(yàn)，測(cè)定含水層富水性和水文地質(zhì)參數(shù)的試驗(yàn)活動(dòng)。試驗(yàn)類型可分為穩(wěn)定流、非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)；單孔、多孔、干擾抽水試驗(yàn)等。目的是通過(guò)在水井或鉆孔中抽水，觀測(cè)記錄水量、水位隨時(shí)間的變化，利用水位與流量間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算含水層滲透系數(shù)和井、孔的出水能力。如果有一定數(shù)量的觀測(cè)孔，還可同時(shí)確定影響半徑和降落漏斗的形狀、巖層給水度和含水層與地表水及各含水層間的水力聯(lián)系等。穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)要求在一定的持續(xù)抽水時(shí)間內(nèi)流量和水位同時(shí)相對(duì)穩(wěn)定（即不超過(guò)一定的允許波動(dòng)范圍），一般進(jìn)行13個(gè)落程的抽水，抽水

11、后還要對(duì)水位恢復(fù)情況進(jìn)行觀測(cè)和記錄，穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)主要用于計(jì)算含水層的滲透系數(shù)。非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)：在抽水鉆孔中僅保持水量穩(wěn)定并使水位不斷變化，或僅保持水位穩(wěn)定使水量不斷變化的抽水試驗(yàn)。目的是用人工控制的方法，使鉆孔周圍含水層中發(fā)生地下水的非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)定水位隨時(shí)間的變化過(guò)程（或水量隨時(shí)間的變化過(guò)程），來(lái)測(cè)求含水層中地下水的水文地質(zhì)參數(shù)。如導(dǎo)水系數(shù)、壓力傳導(dǎo)系數(shù)、滲透系數(shù)、給水度或釋水系數(shù)等。水源熱泵中的回灌是世界性難題。由于硬度高、Ca+Mg沉淀、鐵銹帶來(lái)的結(jié)垢、由懸浮物堵塞過(guò)濾段形成的淤積堵塞、由自流回灌帶入氣泡形成的氣相堵塞、由藻類、細(xì)菌繁殖, 鐵細(xì)菌、硫磺菌造成的生物堵塞、由回灌方式

12、不當(dāng)、無(wú)監(jiān)測(cè)維護(hù)等管理不善引起的諸多方面導(dǎo)致回灌問(wèn)題成為了水源熱泵施工中的“老大難”?；毓嗖幌氯セ蚧毓嗖划?dāng)引發(fā)的問(wèn)題包括水資源浪費(fèi)引發(fā)地面沉降，導(dǎo)致水源熱泵方式一票否決、水污染、熱干擾。北京淺層地溫能勘查情況為合理開發(fā)利用資源，2006年4月28日北京地勘局向市政府提交了北京市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀、問(wèn)題與對(duì)策戰(zhàn)略研究報(bào)告，該報(bào)告得到市政府高度重視。北京市淺層地溫能資源勘查得到市財(cái)政局專項(xiàng)資金支持，項(xiàng)目周期為2006.102008.12。既定目標(biāo)為初步查明北京平原區(qū)淺層地溫能資源形成、賦存和開發(fā)利用的條件，在此基礎(chǔ)上，初步劃分淺層地溫能資源開發(fā)利用適宜區(qū)，計(jì)算資源量和可開采資源量；通過(guò)開展監(jiān)測(cè)

13、工作，評(píng)估淺層地溫能開發(fā)利用對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響，為合理開發(fā)利用淺層地溫能資源提供技術(shù)支持，為政府宏觀規(guī)劃、科學(xué)管理提供決策依據(jù)。水文地質(zhì)條件在很大程度上依賴于地質(zhì)條件，特別是松散層的顆粒度、分層結(jié)構(gòu)、孔隙度?？紫抖仁堑叵滤鲃?dòng)、儲(chǔ)存的空間，水動(dòng)力條件的變化導(dǎo)致了地溫場(chǎng)在不同區(qū)域溫度變化，引起能量的對(duì)流，對(duì)于能量運(yùn)移具有推動(dòng)作用，因而這也是分區(qū)的依據(jù)之一。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)地埋管式地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積3496km2，沖洪積扇中下部和洪積平原地區(qū)。地埋管式地源熱泵單位面積平均可供暖為2.28×105m2。地下水式地源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積為1345km2，主要為各沖洪積扇中上部。地下水式地源熱泵適宜區(qū)單位面積平均可供暖在1.2×105m2 ，并且具有從沖洪積扇頂部到下游逐漸減小的趨勢(shì)。經(jīng)計(jì)算溫差1，北京平原區(qū)淺層地溫能靜態(tài)儲(chǔ)量（遠(yuǎn)景儲(chǔ)量）為1.9×1015kJ，5.39×1011kwh, 折合標(biāo)準(zhǔn)煤6.62×107t標(biāo)準(zhǔn)煤。淺層地溫能資源可利用量為冬季可開采利用量4.48×1014KJ，合1.24×1011KWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤