地下水水源热泵浅层地热能开发条件及存在问题

赵洪满，聂维辰，柴 雨，孙亚红

1.吉林省地矿信息中心，吉林 长春 130061；2.吉林省地质环境监测总站，吉林 长春 130021

浅层地热能是一种可再生的新型环保能源，也是一种特殊矿产资源，利用前景广阔。开发利用浅层地热能对构建资源节约型和环境友好型社会、保障国家能源安全、改善我国现有能源结构、促进国家节能减排战略目标的实现具有非常重要的意义。地下水源热泵是以浅层地下水为介质来提取能量实现制热和制冷的系统。目前地下水源热泵技术用于建筑物取暖及制冷已在国内得到了充分应用，然而并不是全部地区均可使用地下水地源热泵技术，即使有条件使用地下水水源热泵，不正确的开发方案亦会对当地地下热能资源及地下水环境产生影响。本文以桦甸市地下水水源热泵浅层地热能开发调查为例，对地下水浅层地热能开发可行性及存在的问题进行分析。

1 地下水水源热泵技术概述

地下水水源热泵技术为地源热泵技术中的一种形式，主要开发方式为通过抽取地下水作为进行地面建筑物热交换的热源，对地面建筑物进行供热或制冷。地下水水源热泵的工作形式是通过将地下水及换热器（热泵）分别连接于工作系统的两端进行换热，换热后的地下水通过回注井重新回注于地下，如此往复循环，对浅层地热能进行利用。

2 地下水水源热泵浅层地热能开发条件

地下水水源热泵系统对浅层地热能的利用技术目前已在国内得到广泛应用，然而该项技术的开发利用需要合适的开发条件，并不是在所有地区均适用。地下水水源热泵对浅层地热能的开发应按照《浅层地热能勘查评价规范》对开发地进行详细调查，然后后判断是否具备开发条件。在进行地下水水源热泵浅层地热能开发之前，应首先对开发区域进行区域浅层地热能调查及场地浅层地热能勘查。

区域浅层地热能调查目的是通过地质、水文地质调查查明区域浅层地热能条件，进行适宜性分区和区域浅层地热能评价。利用地下水水源热泵进行浅层地热能开发的地热能适宜性分区主要考虑含水层岩性、分布、埋深、厚度、富水性、渗透性, 地下水温、水质、水位动态变化, 水源地保护、地质灾害等因素，主要指标见表1[1]。区域浅层地热能评价应根据该区域现有工程换热功率或通过抽水和回灌试验数据计算区域地下水循环利用量及区域换热功率。通过区域浅层地热能调查后适宜进行浅层地热能开发的区域在开发设计前还应进行场地浅层地热能勘查，进行可行性分析、环境评价、经济评价及提出开发利用方案。

表1 地下水换热方式适宜性分区指标Table 1 Suitability zoning index of groundwater heat transfermode

3 地下水水源热泵浅层地热能开发存在的问题

地下水水源热泵开发浅层地热能过程若不进行详细勘查及合理的设计会产生多种负面影响，其中有些甚至是不可逆的。根据我国的运行经验，常见的问题主要有如下三种：①改变地下水及土壤温度环境，多年后造成运行效果下降；②地下水回灌效果不良，导致地下水水文地质条件改变，严重时发生地质灾害；③回灌水质相对抽取水水质较差，对开发区域地下水水质产生影响。

表2 浅层地热能调查评价工作区坐标Table 2 Work area coordinate of shallow geothermal survey and evaluation

4 实例分析

本文以桦甸市城区地下水水源热泵开发浅层地热能调查评价工作过程作为实例进行分析。

4.1 调查区概况

4.1.1 调查区地理位置及范围

调查区范围西起桦郊乡，东至宏伟机械厂，南起辉发河沿岸，北到北台子吉林市经济技术开发区，地理坐标为：东径126°20′～126°34′；北纬43°58′～44°05′；调查区面积50 km2，为图幅范围内的辉发河谷地区。调查区拐点坐标见表2。

4.1.2 自然地理情况

（1）地形地貌∶调查区位于吉林省东部低山丘陵区。桦甸市城区辉发河河谷平原地貌。总体地势西南高东北低，海拔标高由300m逐渐变低为260m。调查区地貌成因类型较多，在各种构造控制与外营力的改造下，由西南向东北地貌成因类型依次为构造剥蚀地形及堆积地形。按地貌成因类型、成因形态与形态特征进一步划分二个成因类型、二个成因形态和四个形态单元，见表3。

（2）气候水文∶该区属北温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明，春季干燥少雨，多大风，日平均气温0～18 ℃；夏季温热多雨，日平均气温大于18 ℃；秋季秋高气爽，日平均气温18～0 ℃；冬季干燥寒冷，日平均气温0 ℃以下。多年平均温度为3.9 ℃，一月最冷，月最低平均气温-26.7 ℃，极端最低温度-40 ℃，七月最热，月最高平均气温22.1 ℃，极端最高气温38 ℃。日照2 379.3 h，多年平均降水量748.1mm，多集中在7～8月，多年平均湿度62%，多年平均蒸发度为1 167.9mm，多集中在3～6月，无霜期133天，冻结期由每年11月到翌年5月，冻结深度为1.80～2.00m，详见图1。

表3 地貌单元分区说明表Table 3 Partition and description of geomorphic units

图1 多年月平均气象要素图Fig.1 Month averagemeteorological chart ofmany years

调查区内主要河流为辉发河。辉发河属于第二松花江上游的一级支流，发源于辽宁省清源县龙头山脉中部，流经清源、东风、柳河、梅河、辉南、磐石、桦甸7个县（市），汇入松花湖，河流全长265 km，总流域面积14 376 km2。辉发河流域多年平均降雨量为780mm，最大洪峰流量9 350m3/s，洪峰对应洪水位276.03m，河水与河谷孔隙潜水水力联系密切。

4.1.3 区域地质背景

（1）地层岩性∶调查区在区域地质构造上处于龙岗背斜与吉林盆地分界线的辉发河深断裂带上（抚顺—桦甸）。属吉林小区，分布有古生界、中生界、新生界地层及华力西期、燕山期、喜山期岩浆岩。调查区内主要发育新生界地层，外围可见古生界二叠系及喜山期花岗岩。

调查区内分布的为新生界地层，由老至新依次为新生界古近系下统桦甸组（E1h）和新生界第四系全新统松散堆积物（Q4al）。

（2）地质构造与区域稳定性∶调查区位于的一级构造单元为天山—兴安地槽褶皱区，亚一级构造单元为吉黑褶皱系，二级构造单元为吉林优地槽褶皱带，三级构造单元为吉林复向斜，四级构造单元为蛟河—桦甸褶皱束。

调查区分布在吉林优地槽褶皱带的吉林复向斜南部。该区域自古生代以来经历了多次地壳运动，形成了规模不等、性质不同的一系列断裂构造和岩浆岩。桦甸盆地位于辉—敦岩石圈断裂中段，与桦甸—双河镇断裂的交汇部位，受其控制而形成的新生代盆地，辉—敦断裂带由两条走向50°的断裂组成，构成地堑，区内地质构造条件较复杂，新构造运动强烈。

（3）水文地质条件∶调查区内地下水类型为松散岩类孔隙水，含水层上部有粘性土覆盖层，一般厚度0.5～4.50m。水位埋深一般1.0～4.0m，局部大雨4.0m。地下水位自盆地边缘向河床渐低，局部低洼地段水位较低，见附图3（地下水埋深及等水位线图）。含水层岩性为中粗砂、砂砾石及卵砾石等，颗粒粗大，厚度3～8m，含水层透水性好，单井出水量一般为100～300m3/d.m，个别地段可达300～500m3/d.m。水化学类型为H-C型。局部H-CN或NC型。受人类活动影响，区内大部分地段出现以SO42-命名的地下水类型，出现S.H型水， SO42-质量浓度虽不超标，但是毫克当量百分数达到了命名标准，质量浓度多在100mg/L以上，主要是由于城区燃煤及其周边采掘油页岩而导致的空气中大量富集含硫气体，在降雨条件下而进入土壤和地下水之中。

评价区内地下水NO3-质量浓度普遍严重超标，质量浓度为36～180mg/L，出现硝酸型水。分析其主要原因是由于评价区属于城市居民生活区及近郊农业生产区，受生活垃圾、工业污染及农药、化肥等污染严重，致使地下水中NO3-质量浓度过高。矿化度小于1.0 g/L，pH值6.5～7.5，渗透系数200～400m/d，该含水层与地表河水水力联系密切。局部为封闭或半封闭的还原环境，铁质量浓度大多数超标，质量浓度大于10.0mg/L。

该调查区位于山区河谷地段，大多数时间为地下水补给河水，仅在丰水期河水对河漫滩有瞬时补给作用。调查区地下水资源利用很少，城区多饮用自来水（上游山区水库），只有少数近郊农业区域用于浇灌，开发利用强度很小，主要是由于水质较差的缘故。

4.2 适宜性评价

根据《浅层地热能勘查评价规范》，对于以地下水为换热方式的试验，主要是通过抽水回灌来确定勘查区的适宜性。本次调查选定了两处勘查试验场所，场地一为为桦甸市白云宾馆（二期）院内，场地二桦甸市永吉街道大城子村委会院内，对上述两个试验场地分别进行抽水试验及回灌试验。试验结果见表4。

试验计算结果表明，场地一抽水水位持续下降，为疏干型含水层，并且水温受附近胶合板厂废弃热水注入地下含水层（回渗井）影响很大，水温多在11～15 ℃之间，地下水中铁离子含量大于10mg/L，回灌水井过滤器极易堵塞，单位涌水量和回灌率均不符合规范的适宜性标准，因此该试验场地不适宜采用地下水进行换热。

场地二抽灌水条件较好，地下水补给源充足（距离老辉发河仅150m左右），位于辉发河古河道上，水位埋深浅，含水层颗粒较粗大，径流通畅，水质较好，单位涌水量和水质符合浅层地热能规范的要求，该区为地下水水源热泵的适宜区。但是由于该区位于古河道上，并且地下水潜藏，水位埋深仅为1.15m，在冻土层之中，受气温和冰雪融化影响十分明显（抽水时间为5月初），水温变化较大，抽水后水温为5.0 ℃，采用水源热泵提取温度的空间很小，虽然有足够的水资源，但是按水源热泵的要求应该有适宜的取温空间才能达到经济和环境效益，因此该试验场地不适宜采用地下水进行换热。

表4 试验场地地下水换热方式适宜性判别表Table 4 Heat exchangemode suitable identi fi cation of the test area groundwater

5 结论

（1）地下水源热泵利用浅层地热能需要合适的利用条件，应根据《浅层地热能勘查评价规范》进行勘查；

（2）浅层地热能利用不仅要通过适宜性标准进行判别，还要综合考虑环境效益及经济效益，最终决定是否可以进行地下水水源热泵的开发；

（3）不合理的开发方式不仅达不到预期的热泵工作效果，而且还会引发环境问题及地质灾害。

[1] DZ/T0225-2009,浅层地热能勘查评价规范[S].