敦化市玄武巖地區地下水水源熱泵淺層地熱能適宜性研究

王維琦，牛 琨，陶 勇，孫亞紅，李紅艷

吉林省地質環境監測總站，吉林 長春 130021

傳統的地熱資源開發受到地形地貌、地質及水文地質條件的制約，隨著對于地熱資源的深入研究，“淺層地熱能”已成為地熱領域中一個新的研究方向。地下水資源是一種可再生的資源，其無論作為直接資源還是能源載體，已經在在各個行業中得到廣泛應用。地下水源熱泵是以地下水為介質來提取能量實現制熱和制冷的系統。本次將針對敦化市玄武巖地區進行地下水水源熱泵淺層地熱能的調查研究。

1 敦化市玄武巖地區地下水特征

敦化市位于吉林省東部低山區，敦化熔巖臺原上，地形總體較為平緩，地貌為侵蝕火山地貌。按照地下水的賦存條件進行劃分，該區域地下水類型為玄武巖類孔洞裂隙水。該含水層屬承壓含水層，上覆亞粘土構成隔水頂板，含水介質包括各期次玄武巖，受地貌位置及玄武巖孔洞、節理裂隙發育程度的影響，富水性相對變化較大。其中南坪組玄武巖水量豐富，含水層厚度13～40 m，水位埋深7～8 m，單位涌水量多大于500 m3/dm。水化學類型為重碳酸鈣鎂型水，水中鐵錳含量較高，部分地段高于生活飲用水衛生標準。水位動態具有季節性周期變化規律，水位變化較松散巖類孔隙水為小，且具有一定的滯后性。

2 水文地質試驗及結果分析

根據相關規范要求進行了抽水試驗及回灌試驗，試驗場地內布設3 處水文地質鉆孔和5 處觀測孔。

2.1 抽水試驗及其結果分析

本次抽水試驗的對象為玄武巖孔洞裂隙水，屬承壓水，按穩定流完整井流處理，水文地質參數計算結果見表1。

通過以上水文地質參數計算結果分析可知，該地區東西方向上的滲透性、含水系統的水力聯系較南北方向上為好；這與構成含水層導水通道的裂隙結構有關，符合裂隙含水層的基本特征。

2.2 回灌試驗及其結果分析

本次回灌試驗分別于抽水孔和回灌孔處設置水表，對抽水孔流量和回灌孔流量進行現場測量。回灌試驗結果見表2。

表1 水文地質參數計算結果表Table 1 Calculated results of the hydrogeological parameters

表2 回灌試驗數據表Table 2 Data of recharge test

按照規范要求，灌采比為在抽水水位下降值和回灌水位上升值相同時回灌水量和抽水水量的比值。以下對本次灌水試驗數據進行分析：

（1）當回灌量為42 m3/h 時，回灌孔水位回升1.54 m，大于抽水孔降深1.40 m，Q灌/s’=27.27；因此，實際灌采比應小于76.36%；如若對該數值進行線性修正，回灌孔水位抬升值為1.40 m 時，回灌量為38.18，進而得灌采比為69.42%。

（2）當回灌量為49 m3/h 時，回灌孔水位回升3.28 m，Q灌/ s’=14.94；由Q灌/s’的變化表明：抽水量一定時，回灌量的變化率隨著回灌水位抬升值的增大而減小，即回灌孔抬升相同的水位時所需的回灌量在減少；因此，當回灌孔水位抬升值為1.40 m 時，回灌量必大于（1）的線性修正值38.18 m3/h，進而其實際灌采比將大于69.42%。參見圖1。

綜上，敦化市地區玄武巖孔洞裂隙水含水層的灌采比為69.42%～76.36%。

3 淺層地熱地下水換熱方式適應性分析

3.1 適宜性評價

根據本次抽水試驗結果，區內的玄武巖孔洞裂隙水的單位涌水量為942.86 m3/[d.m]；灌采比為69.42%～76.36%；根據敦化市多年地下水位動態監測數據顯示，除個別水源地年水位下降在0.5 m左右，該地區地下水位年下降量均小于0.8 m。參照以上標準，將敦化市玄武巖孔洞裂隙水所處區域劃分為較適宜區。

3.2 地下水換熱功率計算

按照規范要求，地下水換熱功率為：

△T—地下水利用溫差，參照已運營的淺層地熱能案例，地下水利用溫差△T取為3 ℃；

圖1 回灌量與水位抬升值關系示意圖Fig1.The relationship between the recharge volume and raising value of water level

表3 淺層地熱能地下水換熱方式適宜性分區標準Table 3 Divided standards of groundwater heat transfer suitability of shallow geothermal energy

ρw—水密度（kg/m3）；

Cw—水比熱容 [kJ/（kg·℃）]。

敦化市玄武巖孔洞裂隙水為承壓含水層，因此，開采后的地下水最大水位埋深應保證在含水層隔水頂板之上。但由于含水層受多期次巖漿活動控制，使得含水層隔水頂板埋深難以控制，因此，本次地下水循環利用量采用含水層的調節儲量，即地下水位年變動帶內的水量進行計算。根據水文地質調查結果及地下水動態監測資料，區域內玄武巖孔洞裂隙水的水位年變幅在1.01～1.58 m，按△h=1.00 m，μ*=0.006 3 計算，參照以上計算方法可得出單位面積的玄武巖孔洞裂隙水含水層的換熱功率為2.51×10-6kW。

4 結語

（1）敦化地區玄武巖孔洞裂隙水的鐵錳含量較高，將會影響抽水井、回灌井及換熱設備的使用壽命。在淺層地熱能的開發運營過程中應改進成井工藝，減少地下水在空氣中暴露的機會，并采取必要的過濾或除鐵錳措施。

（2）地下水水源熱泵淺層地熱能與地下水動態條件關系密切，在開發過程中應進行精確細致的水量、水位、水溫和水質動態監測工作，在保證水源供給的基礎上，避免造成地下水位的持續下降以及區域水環境的破壞。

（3）從能量守恒的角度出發，地下水水源熱泵淺層地熱能的開發是一個“以能換能”的過程，其前期需投入較大的人力、物力資源，建設成本較高，在其運行過程中亦有其他的能源消耗，并需進行適時維護和管理；因此，地下水水源熱泵在某一地區的適用性還將綜合當地的能源需求和社會經濟條件進行綜合研究。

[1] DZ/T0225-2009,淺層地熱能勘查評價規范[S].