地温空调回灌水对地下水温度场影响程度研究

李海林

（河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南郑州450045）

1 概况

安阳市地势总趋势是西高东低，自西向东呈阶梯状下降，大致以京广铁路为界，西部为山丘区，兼有小型盆地，山间盆地较平坦，因此有利于降水和地表水对地下水的入渗补给，地下水与地表水相互转化密切；东部为冲积平原，广泛分布着承压水，承压含水层主要由砂砾石与中粗砂层组成，隔水顶、底板多由粉质粘土组成，且连续性较差，含水层产状复杂；承压含水层大多在地面以下30～50m即可遇到，主要是接受垂向补给和侧向径流补给，人工开采是该层地下水排泄的主要方式。

2 研究方法

灰色系统理论和方法是我国学者邓聚龙于20世纪80年代提出的，灰色理论主要是将“部分信息已知”的研究对象作为“小样本”和“贫信息”的不确定系统进行分析。由于在地下水温度场长期监测过程中，地下水水位埋深、水温、气温和降水量变化等为已知信息，而由于地下水水位埋深变化、气温变化和降水量变化等引起的地下水温度变化响应规律为未知信息，因此可将地下水温度场作为典型的灰色系统进行研究。

3 实例应用

本次研究选取安阳市第五人民医院地温空调系统为实例工程，对长期开发利用条件下回灌水对地下水温度场的影响程度进行分析预测。

安阳市第五人民医院位于安阳市梅东路与文明大道交叉口东北角（图1），该地温空调采用地下水换热方式。为了分析地温空调长期运行对区域地下温度场的影响，在回水井1周边施工3口地温分层监测井（图2），监测时间为2013年11月至2014年9月。

图1 安阳市第五人民医院地温空调井孔位置分布图

图2 分层温度监测井孔位置分布图

3.1 地下水分层监测温度影响因素的确定

地温空调在运行过程中，地下水温度除受到气温、降水量和水位埋深影响外，还受到2个回水井温度变化的影响。为便于分析地温空调运行在垂向上对地下水温度的影响程度，确定具有地下水温度分层监测数据的2013年11月至2014年9月作为本次分析的时间区间，包含了该地温空调供暖期、间歇期和制冷期。

3.2 地温空调监测系统监测结果分析

监测时间段内气温、降水量、1号和2号回水井温度的监测结果如表1所示，气温在2013年的12月份出现最低值，2014年7月出现最高值；2014年1月的降水量最低为0mm，2014年7月的降水量达到最高的172mm；1号回水井和2号回水井的温度变化规律较为一致，即供暖期的低温期和制冷期的高温期。

表1 安阳第五人民医院气温、降水量、1号回水井温度和2号回水井温度变化表

为对比分析地下水温度垂向上分布及其对地温空调运行的响应关系，分别对3个分层观测井不同深度的地下水温度和埋深进行统计分析（表2）。

1号分层观测井地下水温度监测深度分别为22m、32m和42m，水位埋深在供暖期初下降后表现出平稳的趋势，制冷期初升高后表现出较为平稳的趋势；对比分析22m、32m和42m三层地下水温度变化规律可以看出，在供暖期内均出现了显著的温度降低趋势，在间歇期内地下水温度显著升高，制冷期时地下水温度出现了显著的再次升高的趋势。

2号分层观测井地下水温度监测深度分别为26m、36m、46m和58m，水位埋深在供暖期初显著下降后表现出平稳的趋势，制冷期初水位埋深升高后表现出较为平稳的趋势；对比分析26m、36m、46m和58m四层地下水温度变化规律可以看出，在供暖期内均出现了显著的温度降低趋势，在间歇期内地下水温度显著升高，到了制冷期时地下水温度出现了显著的再次升高的趋势，只是不同深度温度变化的程度有较为明显的差异。

3号分层观测井地下水温度监测深度分别为26m、36m和48m，地下水水位埋深在供暖期初显著下降后表现出平稳的趋势，制冷期初水位埋深升高后表现出较为平稳的趋势；对比分析26m、36m和48m三层地下水温度变化规律可以看出，在供暖期内均出现了显著的温度降低趋势，在间歇期内地下水温度显著升高，到了制冷期时地下水温度出现了显著的再次升高的趋势。

4 回灌水对地下水分层监测温度影响的相关性分析

基于灰色关联度计算方法，分别计算1号、2号及3号观测井各监测深度地下水温度与气温、降水量、1号回水井温度、2号回水井温度和地下水水位埋深之间的相关系数，如表3所示。

1号观测井22m深度及32m深度地下水温度关联系数最大的是1号、2号回水井温度，其次是气温和地下水位埋深，最小的是降水量，因此22m深度及32m深度地下水温度最主要影响因素是1号、2号回水井的温度；42m深度地下水温度关联系数最大是水位埋深，其次是1号、2号回水井温度，最小的是气温和降水量，说明42m深度地下水温度变化的最主要影响因素是地下水水位埋深。

2号观测井26m深度地下水温度关联系数最大的是1号、2号回水井的温度，其次是气温和地下水位埋深，最小的是降水量，因此26m深度地下水温度最主要的影响因素是1号、2号回水井的温度；36m深度地下水温度关联系数最大是地下水水位埋深，其次是气温、1号和2号回水井温度，最小的是降水量，因此36m深度地下水温度最主要的影响因素是地下水位埋深；46m及58m深度地下水温度关联系数最大是地下水水位埋深，其次是1号和2号回水井温度，最小的是气温和降水量，说明42m深度及58m深度地下水温度变化的最主要影响因素是地下水水位埋深。

表2 1号、2号、3号分层观测井埋深和温度变化表

3号观测井26m深度地下水温度关联系数最大是气温，其次是1号和2号回水井温度，最小的是地下水水位埋深和降水量，因此26m深度地下水温度最主要的影响因素是气温；36m及48m深度地下水温度关联系数最大是地下水水位埋深，其次是气温、1号和2号回水井温度，最小的是降水量，因此36m深度及48m深度地下水温度最主要的影响因素是地下水位埋深。

从1号、2号、3号观测井不同深度气温的相关系数可以看出，地下水温度与气温变化的相关系数随着深度的增加而逐渐降低，说明地下水温度变化受到气温的影响程度逐渐降低；与气温类似，降水量的影响程度也随着深度的增加而呈现逐渐降低趋势；地下水温度变化与地下水水位埋深的相关系数随着深度的增大而增加，说明越深受到地温梯度变化影响作用逐渐显著。

对比分层监测井不同深度地下水温度变化的控制因素可以看出，深度较浅的地下水温度变化主要受到1号回水井温度和2号回水井温度的影响，随着深度的增加，地下水温度变化的控制因素逐渐从回水井温度变为地下水水位埋深。

对比分析3个地下水温度监测井的分析结果可以看出，随着距离回水井增大，气温的影响程度增大，回水井温度的影响程度逐渐降低，地下水水位埋深的影响也逐渐增大。

5 结论

综上所述可以看出，安阳市第五人民医院地下水温度地下水温度变化影响因素的总体规律表现为：水平方向上，在回灌井周围，地下水温度的主控因素为回灌水，随着与回灌井距离的增大，回灌水温度的影响程度降低，地下水温度变化的主控因素转变为气温和地下水水位埋深；垂向上，第一含水层地下水位附近，地下水温度变化的主控因素为回灌水，随着深度的增大，回灌水温度和气温的影响程度降低，地下水温度变化的主控因素转变为地下水水位埋深。

表3 1号、2号、3号分层观测井温度相关性分析结果表

参考文献：

[1] 张国建，刘玉忠，尹红梅，宋丽红.安阳市地温空调对地下水影响浅析[J].水文地质工程地质，2005.

[2] 王慧玲.地温空调系统抽回灌模式对地下水流场和温度场的影响[J].水文地质工程地质，2009.

[3] 杨武成，陈赫，李国正.地下水源热泵采能区水热耦合模拟研究[J].水电能源科学，2012.

[4] 胡继华，张延军，于子望，等.水源热泵系统中地下水流贯通极其对温度场的影响[J].吉林大学学报，2008.