章丘区地下水地源热泵系统开发利用中的水文地质条件分析

孙明远 高志友 万世平 邵琦 孙云川

摘要：浅层地温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。通过对章丘区地下水的含水层组及特征、地下水补径排条件、地下水水位动态特征以及水化学类型的分析，判断出该区的水文地质条件有利于地下水地源热泵系统的开发与利用。

关键词：地下水;地源热泵;水文地质条件;水质分析

中图分类号：X37 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）12-0-02

Abstract：Shallow geothermal energy is a new renewable environmental energy source and a special mineral resource， which has a broad application prospect.By analyzing the aquifer group and characteristics of groundwater in Zhangqiu District，groundwater replenishment and drainage conditions，dynamic characteristics of groundwater level，and hydrochemical types，it is determined that the hydrogeological conditions in this area are conducive to the development and utilization of groundwater source heat pump systems.

Key words：Groundwater;Ground source heat pump;Hydrogeological conditions;Water quality analysis

1 含水层组及特征

调查区地质构造复杂、地层岩性多样，其含水岩组的分布受地层、岩性、构造、地形地貌和气象水文等多种因素影响和控制。调查区属鲁中南低山丘陵松散岩、碎屑岩、灰岩类为主的水文地質区，水资源在南部山区得到大量降水及地表水补充，由地表、地下向北径流补给。根据地下水的赋存条件、埋藏规律及各含水层间的水力联系，该区地下水划分为四种类型：碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层、碎屑岩类孔隙裂隙水、碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层、松散岩类孔隙含水层。

1.1 碳酸盐岩类裂隙岩溶含水层

该含水层区内分布较广，南部出露于地表，北部山前地带隐伏于第四系和煤系地层之下。裸露区面积约12.34km2，隐伏区面积26.78km2。其中奥陶系马家沟群岩性以厚层纯灰岩、豹皮状灰岩为主，夹薄层状泥质、白云质灰岩，裂隙岩溶发育，富水性较强。按其富水强弱可分成三个级别：（1）单井涌水量大于3000m3/d，分布于调查区东西麻弯泉群及以北地区、贺套庄北地带，面积约3.8km2，含水层为马家沟群灰岩，隐伏于煤系地层之下，裂隙岩溶极其发育，富水性强，水位埋深较浅。章丘城区附近枯水期地下水位埋深一般40～60m（如图1所示），丰水期局部可自流，为泉域岩溶地下水的自流排泄区，百脉泉群位于区内。

该区原建有西麻湾和贺套两个岩溶地下水水源地，后为保护泉水，西麻湾水源地于2005年4月关闭。贺套水源地现有4眼开采井循环运行（井深280～330m），平均日供水量约2.5万m3（2012年、2013年数据）。现该处城市供水水源地均由圣井杜家贺宋李福新建的两处水源地替代，实现了章丘区供水系统与泉水水源的全面分离，为保泉做出了积极的贡献。

（2）单井涌水量3000～1000m3/d，分布于章丘市市区至贺套庄周围地区，面积约13.4km2。马家沟群灰岩含水层隐伏于煤系地层之下，裂隙岩溶发育，水量较丰富。章丘市城区附近地下水位埋深一般大于60m（如图2所示）。

（3）单井涌水量100～1000m3/d，分布于调查区北部山前地带，面积约21.92km2，一部分隐伏于第四系或煤系地层之下（约9.58km2）。含水层岩溶裂隙发育程度一般，富水性中等，根据实测资料，2018年3-9月水位埋深一般50～160m（如图3所示）。

1.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

含水层主要为石炭-二叠系砂岩，除赭山和李家埠附近有小范围出露外，大部分被第四系覆盖。水位埋深15～57m，单井涌水量变化较大，一般小于100m3/d，类型为SO4·HCO3-Ca型。

1.3 碎屑岩夹碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层

包括石炭系本溪组-太原组，二叠系山西组、石盒子群，主要分布在山前地带煤系地层分布区，含水层岩性为砂岩夹灰岩，水位受季节影响，年内变化较大。含水层通常岩溶裂隙不发育，富水性较差，涌水量一般小于100m3/d，水质较差，地下水类型以SO4·HCO3-Ca·Mg型为主（贺套庄井），该层近底部，有厚约10m的灰岩（徐家庄灰岩），为煤系地层的主要层间岩溶含水层，在工作区局部构造发育地带，特别是在泉口附近，受断裂构造的作用，与下伏岩溶水连通，涌水量大增，单井涌水量一般小于500m3/d。

1.4 松散岩类孔隙含水层

主要分布在工作区北部山前地带及西南部的山大片区，含水层主要为山前冲洪积堆积物及河流冲洪积物，岩性为砂质粘土、粘质砂土夹碎石、砾石层，厚度一般在10～50m。枯水期一般水水量较小、水位埋深较大，平水期或丰水期局部地段数量充沛，在工作区北部部分地区是主要的农业灌溉水源（如吕家村-查旧一带）。西南部松散岩类孔隙水涌水量可达2000m3/d，水质较差，因总硬度和硫酸盐超标被评定为Ⅴ类水，地下水类型以SO4·HCO3-Ca·Mg型为主。

2 地下水补径排条件

章丘地区南部基岩裸露，接受大气降水的垂直入渗补给，顺地形及地层層面向北径流，受山前煤系地层阻挡，岩溶水由无压变为承压，最终在适宜的地形、地貌及构造条件下，以泉水形式排泄。受地形地貌、岩性及构造等因素的控制，地下水赋存与运动规律反映出与地形、地貌相吻合的特征。水位变化与地形地貌、降雨量、岩溶裂隙发育程度及地下水开采规模相关性大。

2.1 补给条件

大气降水是调查区岩溶地下水的主要补给来源。补给区广泛分布于工作区南部山区，灰岩裸露，地表及地下裂隙岩溶较发育，特别是在构造作用下，发育有NW向和NE向两组裂隙，在裂隙带及裂隙交汇部位，往往发育较多的溶洞、网络状溶蚀裂隙，有利于降水及地表水的入渗。在补给区，岩石大多裸露或只覆盖薄层第四系松散堆积物，地形切割严重，沟谷发育，地表水、地下水流向与地层倾向基本一致，这些都极有利于降水的入渗。

2.2 径流条件

调查区为断块构造所形成的独立的水文地质单元，区内岩层倾向、地形坡降、地表水、地下水流向基本是一致的，即岩溶地下水顺岩石层面由南向北径流，汇入山前排泄区。此外地表分水岭以南地段，岩溶地下水流向顺岩石层面由南向北径流，部分地下水以泉的形式排出，顺地形坡降向南流出;西边界附近地下水顺地形坡降向北西、北西西方向径流，至西边界后，受文祖断裂的阻隔，顺构造阻水带向北径流;泉域东边界附近，在不开采的条件下自然向北流，自20世纪90年代中后期至今，受局部水源地开采影响，改变了岩溶水流向。据收集的水位观测资料，地下水流向由向北径流改为向东，即向断裂带流动;东南部低山、丘陵区岩溶地下水汇集于山前地带之后，由潜水变为承压水，于泉群排泄。但由于山前地带分布的多个水源地对岩溶水的大量开采，形成了数个地下水降落漏斗，局部改变了地下水流向。

2.3 排泄条件

排泄区位于调查区岩溶水系统的北部，山前平原地带，灰岩含水层隐伏于第四系及石炭、二叠系地层之下。地层以奥陶系灰岩、石炭-二叠系砂岩为主。灰岩岩溶十分发育，形成了以溶孔、溶隙、溶洞为主的网络岩溶水系统，构成了近东西向的岩溶水强富水带。巨厚的灰岩和强烈的岩溶发育空间，构成了巨大的天然岩溶地下水库，含水层导水性强、富水性大，单井涌水量大于1000m3/d，局部富水地带达3000m3/d以上。该区是岩溶水系统的主要排泄地带，排泄方式主要有泉水排泄、人工开采及煤矿排水三个方面。

3 地下水水位动态特征

多年长期观测资料显示，在地下水补给区、径流区、排泄区，地下水动态特征明显不同;在不同水文地质单元分区，地下水位动态特征也不一样。按不同地下水类型，分别对区内地下水动态特征分述如下：

3.1 松散岩类孔隙水动态特征

其总的水位特征为：因绣源河上游河床底部做了防渗漏措施，故而河流上游一带水位无法接受河流侧向补给，顺河流流向，地下水位逐渐变浅，从20多米水位埋深过度到河流下游的2m以下;地下水水力坡度在大站水库以北表现为最大，在5‰左右;区内含水富水性与水位埋深间关系不明显，与河流间距离对地下水位影响也不明显。

3.2 碳酸盐岩类岩溶水动态特征

该类地下水总体特征为：隐伏性较强，含水岩层埋藏较深，并且覆盖深厚的黏土层，属于一种封闭的地下水系统，至今尚未得到开采，因此该类地下水水位动态比较稳定。

4 结语

综上所述，区内含水层富水性较大、地下水流动性好、渗透性强，根据浅层地温调查评价项目的抽水回灌试验数据显示，全区回灌率均在80%以上，部分地区可实现同层100%回灌，这为地下水地源热泵系统的开发利用提供了诸多便利。但因区内均为结构性较多的地下水，且水质评价多为Ⅳ类和Ⅴ类水，运用层次分析法和指标法相结合的原则，在不考虑明水泉域地下水禁采区的情况下，全区85%以上的区域被划为地下水地源热泵系统适宜性中等区。

参考文献

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[2]刘立才，王金生，张霓，等.北京城市规划区水源热泵系统应用适宜性分区[J].水文地质工程地质.2006（6）：15-17.

[3]田光辉，王曦，林黎，等.天津市浅层地热能开发利用试点工作成果浅析[J].地下水，2012，34（1）：64-65.

收稿日期：2019-09-21

作者简介：孙明远（1988-），男，汉族，本科学历，工程师，研究方向为水工环、环境工程、地热开发。