吉林市城區地下水源熱泵淺層地熱能開發利用前景分析

高 山

吉林省地質環境監測總站，吉林 長春 130021

吉林市城區水文地質研究程度較高，河谷階地分布著豐富的第四系松散巖類孔隙水，大部分地區涌水量已滿足《淺層地熱能勘查評價規范》DZ/TD225-2009規定的適宜區和較適宜區的要求。2012年至2013年吉林省地質環境監測總站先后在九站工業園區、樺皮廠—孤店子—九站工業區依據《淺層地熱能勘查評價規范》DZ/T0225-2009和項目任務書，在工作區300 km2范圍內，充分搜集前人資料，補充控制性水文地質鉆探試驗，進行了專項地下水源熱泵淺層地熱能調查評價工作，基本查清了吉林市城區地下水源熱泵淺層地熱能條件和開發利用前景。

1 吉林市城區第四系含水層分布特征

松花江階地區：廣泛分布區內，從西部鰲龍河上游河谷，至東部的二松岸邊，為松花江階地。地下水位埋深以西部的鰲龍河谷和東部的階地前緣（漫灘不發育）最淺，一般埋深4～6m，松花江階地中后緣埋深較大8～10m，局部大于10m。含水層分為兩部分，上部為全新統沖積層，中東部為卵石,漂石，中西部為含卵砂礫石；粒徑由西向東變粗，埋深一般≦25m,厚10～15m；下部含水層下更新統（Q1fgl）冰水砂礫石，夾粉質粘土含粘土包裹礫石，含礫粘土等凸鏡體，Q4al含水層間連續的隔水層。含水層厚8～10m，含水層含有粘土，透水性與Q4al相比較差。埋深≤45m。再東部九站酒精廠，因基底隆起，缺失Q1含水層，含水層厚度僅9m第四系厚度18.20m。

黃土崗地區：分布于九站西的頭臺子至孤店子鎮南的冠家屯 .曹家窩鋪.等地，位于黃土臺地與階地間的過渡地段，表層為上更新統黃土狀粉質砂土。含水層為Q3al粗砂.礫石和下更新統Q1fgl砂礫石之間夾含礫粘土。含水層厚15～22m；水位埋深10.0～16.5m。西部東勝屯上部Q3gal相變為亞粘土，含水層僅為Q1fgl砂礫石，演變為局部承壓含水層。

黃土臺地區：分布與西部樺皮廠至山東屯，西南部孫家油坊。表層為Q2hal+l黃土狀粉質粘土。含水層Q2al+l砂礫石和下部Q1bfgl砂礫石含粘土成分，透水性變弱，地下水受地形變化影響一般埋深12～20m之間，溝谷發育的臺地埋深大，前緣埋深淺。面積30.21 km2占分區12.56%。

丘陵區：調查區西北一隅，巖性為Qel+dl含碎石風化粉質砂土，含水層孔隙裂隙均差。

調查區中西部樺皮廠鎮、孤店子鎮以農業為主，主要為農業化肥、農藥、居民生活對地下水產生污染，由于地下水循環交替能力較強、 容量大、污染程度多為中度。在河谷階地后緣，分布有養魚塘，對附近地下水污染影響較大。東部九站工業園區沿江為老工業基地，居民集中，沿江建有排放居民生活和工業廢水的明渠，地下水受污染較重。本區第二松花江段為污染最重的江段，沿江地下水、江水互為補排。

2 適宜區劃分

2.1 分區的依據

（1）第四系全新統、下更新統（Q4+Q1）含水層混合開采適宜區；

（2）全新統（Q4）含水層適宜區；

（3）不適宜區∶除上述適宜區外為不適宜區。

2.2 分區的特征

2.2.1 第四系全新統、下更新統（Q4+Q1）含水層

混合開采適宜區

表1 淺層地熱能勘察評價分區條件Table 1 Investigation and evaluation partitioned condition of shallow geothermal energy

圖1 適應性分區圖Fig.1 Adaptability zoningmap

分布于九站工業園區的吉林市農科院以北的，吉林市第一苗圃，陳家屯、蓮花泡、趙家崗子沿江階地，距松花江≥500m的島狀地段，單位涌水量高達1 650.50～4 329.36m3/dm，回灌量1 944.00～4 440.00m3/d，回灌率37.49%～151.59%，單井最大允許回灌量15 476.08～23 070.76m3/d，地下水中鐵離子質量濃度＜1.0mg/L。部分＜DL為微量。分布面積21.20 km2，約占全區面積的9%。

2.2.2 全新統（Q4）含水層適宜區

分布于九部鎮北部三臺子、新立屯、孤店鎮北部的四臺子、趕牛道、張家店等東北部邊界。含水層為含漂石卵石，厚度10～15m，成井深度≤23m水量豐富，富水性1 000～2 000m3/dm，鐵質量濃度＜1mg/L，部地段原質量濃度＜DL為微量。與下部Q1含水層混合后鐵離子質量濃度＞3mg/L，當地居民說：“打井不超23（m），不吃銹水。分布面積37.49 km2，占全區15.8%”。

2.2.3 不適宜區

除上述適宜區外為不適宜區。其主要原因是鐵離子質量濃度高，大部分地段地下水中鐵質量濃度＞3mg/L，最高達25.34mg/L不宜回灌。面積179.31 km2，占全區75.3%。以上各適宜性分區特征見圖1。

3 回灌井抽水試驗分析

3.1 適宜回灌井抽水試驗、回灌試驗曲線分析

抽水—回灌試驗是本項勘查的最關健的核心。它決定能否取得地下水淺層地熱能和開發利用的布局。在每處試驗場的兩個水文地質鉆井，進行相互間的，一抽一灌的試驗。試驗是按DZ/0225—2009淺層地熱能勘查規范的相關規定進行的。

在勘查區適宜回灌試驗場有九站鎮趙家崗子試驗場、九站鎮吉林市種畜場試驗場和吉林市第一苗圃試驗場。曲線圖反映的共同特點是：回灌主井抽水試驗水量大涌水量160～180m3/h，穩定快，一般抽水0.5 h后穩定。附近觀測井水位的變化與主井脈動一致，一般滯后0.5～1.0 h后穩定。回灌主井曲線與抽水類似回灌量與抽水量相同，水位抬升穩定快，一般在回灌1.0 h內穩定。附近觀測井水位滯后0.5～1.0 h后穩定。無論是抽水還是回灌，曲線極為正常，完全符合地下水動力學平衡條件。各試驗場的鐵質量濃度＜1.0mg/L，有的＜DL為微量。

3.2 不適宜井的抽水試驗，回灌試驗曲線分析

在勘查區內的砬子屯、雙吉衛生院、吉潤肥業、東褔米業、頭臺子及吉林市農科院等6個試驗場。回灌過程中，回灌井的水位隨時間的延伸待續抬升，抬升的速率隨時間的延長在不斷加快。附近的觀測井水位抬升逐步減緣，經過3～5 h后水位穩定。這十分顯然與地下水動力平衡條件相悖。井間距離＜3m的觀測井回灌水位穩定，而回灌主井水位抬升的速率在回快。這說明了回灌井與觀測井之間的滲水通道發生淤塞，淤塞人程度在不斷加重。

按D1/T025-2009淺層地熱能勘察評價規范中規定地下水淺層地熱能適宜性分區條件見表1。

4 地下水換熱開采循環量和井點布局確定

依據抽水—回灌實驗數據Q4+Q1開采區，單井開采循環量為4 000m3/d；Q4開采區開采循環量為3 000m3/d。抽水井間距300m，回灌井距抽水井＞100m；回灌井數是抽水井的1.5倍。設備運轉期耗能較高，主要是抽水和換熱泵用電量高。經濟效益的大小主要用投入的用電量和換取的熱量比值。這主要決定于地下水的溫度，溫度高，效益越大，當溫度過于低時，可能產生負效益，即換取的熱量可能低于投入的電能量。吉林市地理緯度較高，全年地下水溫一般6～10 ℃，在12～4月間受氣溫影響地下溫僅6～7 ℃，可用溫差2～3 ℃。僅以抽水用電一項與提取熱能功率相比較，以功率為11 kw，抽水量100m3/h的水泵，以回灌水溫降至4 ℃。當水溫8～9 ℃時，為經濟效益中等至較好。

由于地下水中鐵離子的質量濃度具有不確定性，因而在建立地下水淺層地熱能開采井的鉆井成井前，應對井水鐵離子的質量濃度進行判別，不能盲目成井。

依據本地區地下水的水富水性，便于使用出水量200～250m3/d的標準潛水泵，抽水井管徑≥400mm，鉆孔徑≥650mm；回灌井井徑≥500mm ，鉆孔徑≥700mm.濾水管孔隙率＞30%，水位埋深以上砂層也要下置濾管，可以提高回灌能力。地下水淺層地熱能在開采過程中，對地下水環境擾動很大，容易引發地下水污染，應設立保護區。在抽水井影響范圍內，不能有污染水體，包括水生動物養殖池等，遠離污染工程。