对《浅层地热能不同开发方案对深层地下淡水咸化效应研究》一文商榷

尚银生，尚许雯

(1.山西省勘察设计研究院有限公司，山西 太原 030013；2.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032)

《水利学报》2022年第5期发表的《浅层地热能不同开发方案对深层地下淡水咸化效应研究》(以下简称《研究》)利用孔隙地下水渗流-热量运移-溶质运移多场耦合数值模型，探讨地下水源热泵系统应用对浅部咸水入侵深部淡水的影响。研习该文，提出几点商榷，以期说明充分掌握水文地质条件，选取合理的水文地质参数是决定模型可靠性的根本基础。

1 水文地质条件分析不够准确

《研究》在2.2水文地质条件中提出：各含水层的富水性好，但水质差异较大，并附有图2场地水文地质剖面图。(1)没有说明或标示场地在剖面图中的位置，结合下文，可以看出图2中的涌水量、降深数据并不能准确反映场地水文地质特征。一个明显的例证：场地水源热泵系统抽取第Ⅰ承压含水层的地下水，单井涌水量可达943.88 m/d；图2中钻井开采第Ⅰ、第Ⅲ承压含水层，但最大涌水量仅902.00 m/d。(2)图2中只有单井涌水量、降深数据，没有分层水文地质参数，因此，无法说明垂向上各含水层富水性特征；新市街井、唐闸面粉厂井，涌水量分别为810和347 m/d，降深分别为10.6和11.0 m，开采深度及取水层位相同，其它井结构等默认相同的情况下，两者的富水性具有明显的差异性：即垂向上各含水层的富水性未阐述清楚，水平方向上富水性具有较大的变化。(3)图2中未标明潜水含水层的值，但文中说明潜水、第Ⅰ承压水、第Ⅲ承压水TDS分别为800～1600、1100～1800和700 mg/L，表明仅垂向上第Ⅲ承压水与上覆含水层水质差异较大。新市街井、唐闸面粉厂井，第Ⅰ承压水TDS为1100～1820 mg/L，表明该层在水平方向水质差异较大；第Ⅲ承压水TDS为760～780 mg/L，表明该层在水平方向上水质差异相对较小。

水文地质条件中提及潜水与地表水有着密切的水力联系，但只是泛泛而谈，没有明确：(1)这种联系在场地、计算边界范围内是否有所体现；(2)有水力联系的地表水是通吕运河、还是其它；(3)水量、水质、水位等支撑数据。在随后的多场耦合模型模拟中，无论边界条件、还是数学模型等，没有体现这一密切的水力联系。

描述各层地下水位时，在水文地质条件中利用的是水位埋深，且第Ⅲ承压水水位埋深未说明；在水位拟合、模拟中利用的是水位。水位埋深数据应统一到水位数据，便于全文的理解与分析。

图5抽水试验地下水位拟合对比图及文中，没有说明：(1)井结构。(2)抽水试验孔位于场地内、还是场地外；位于场地内时，是抽水井、回灌井，还是观测井的抽水试验水位拟合。(3)由于不同含水层有不同的水位，是哪一含水层、还是混合水位的拟合？其中，实测水位<-1 m，结合模型各层含水层水位初始值从上往下依次为：0.87、0.73和-19.01 m，仍然不能明确是潜水、还是第Ⅰ承压水、还是混合水位的拟合。(4)2.2水文地质条件中仅提到潜水与地表水有着密切的水力联系，到3.1概念模型中却变为各含水层之间存在水力联系，且似乎认为由于各层存在水位差而引起。地质结构对于承压水的水质、水量等起着控制性作用。隔水顶板的存在，不仅使承压水具有承压性，更阻碍了承压水与上覆含水层的水力联系。显然，探讨开采利用第Ⅰ承压水、对第Ⅲ承压水产生淡水咸化的影响时，阐明第Ⅲ承压水隔水顶板的厚度、分布连续性、渗透性等，才是分析有无水力联系的关键，这种联系与含水层之间是否存在水头差无必然的因果关系。表1各层土体参数一览表中，第Ⅲ承压水隔水顶板(即第Ⅲ弱透水层)垂向渗透系数赋值为1×10m/d(1×10cm/s)，渗透性等级属于极微透水；其厚度约70余米，且连续稳定分布；水质明显不同于其上各含水层水质，可以说第Ⅲ承压水与其上各含水层无水力联系。这种水文地质结构体下，探讨地下水源热泵系统应用对浅部咸水入侵深部淡水的影响，没有多少实际意义。

水文地质条件论述中，无论文字、还是场地水文地质剖面图等，皆以TDS值反映水质、水化学变化规律，但第Ⅲ承压水水质咸化预测时，利用的是Cl浓度，既如此，应该在前述有关章节中提及。

2 主要水文地质参数取值不够合理

如上所述，因为原文未阐明抽水试验井位置、井结构、是否分层进行试验等，那么如何能准确利用抽水试验反演模型的水力学参数。以表1中渗透系数值为例，赋值依据并不充分，事实上也不够合理。(1)潜水含水层岩性为粉砂，第Ⅲ弱透水层岩性为粘性土，水平向渗透系数取值皆为1×10m/d(1×10cm/s)？(2)第Ⅰ弱透水层岩性为黏性土，水平向渗透系数为1×10m/d(1×10cm/s)。极小的渗透系数表明所谓的潜水含水层、弱透水层都属于极微透水，对照有关经验数据，是否存在取值偏小？

潜水含水层给水度赋值0.006，明显偏小，对比粉砂给水度一般经验值0.10，减小15.7倍。

Cl浓度赋值规律不够合理。2.2水文地质条件中从潜水到第Ⅲ承压水，水质特性及TDS浓度依次为：水质微咸，800～1600 mg/L；水质差，1100～1800 mg/L；水质好，700 mg/L，表现出先增加后减小的规律性，反映水质最差的是第Ⅰ承压水。而3.3模型识别、验证中Cl浓度赋值依次为：2570、1630、128 mg/L，表现出依次减小的规律性，反映水质最差的是潜水。两者之间自相矛盾。

3 多场耦合模拟方案与规范矛盾

通政规[2021]4号市政府关于修改 《南通市地下水管理办法》的决定第26条：“地下水地源热泵系统热源井的施工，……，不得凿穿第Ⅰ承压含水层底板”，当该水源热泵系统水源井、回灌井等施工照此执行时，其井结构将不同于图2场地水文地质剖面图中钻井结构。因此，有必要详细掌握采灌井所反映的水文地质资料。

图6—8 G2观测井埋深55、90、125 m处温度拟合对比，对照图2场地水文地质剖面图，基本处于第Ⅰ承压含水层界域，而其下分布连续稳定、厚度很大、垂向渗透系数很小为10m/d(1×10cm/s)的隔水层，也无第Ⅲ承压含水层与上覆含水层水力联系密切的论据。因此，通过在第Ⅰ承压含水层中的温度拟合，来预测第Ⅲ承压含水层的温度变化，立论难以成立。

图5—8进行了水位、不同深度处温度的拟合，但缺少对Cl浓度的拟合。

原设计方案预测结果：Cl浓度增大了28.11 gm/L，得出结论“深部淡水水质咸化，即第Ⅲ承压淡水Cl浓度升高，而由于第Ⅲ承压含水层上部弱透水层厚度较厚，Cl浓度增大幅度有限”；改进方案预测结果：采用方案8(利用温差9 ℃，夏季灌采比60%)第Ⅲ承压淡水Cl浓度上升幅度最小为15.35 mg/L，增大利用温差对深层地下淡水咸化的控制效应更为显著。通政规[2011]6号《南通市地下水管理办法》第21条第1款指出：采取可靠回灌措施，确保置换后的地下水全部回灌到同一含水层，并不得对地下水造成污染。《地源热泵空调系统工程技术规范》(GB 50366—2005)(2009版)5.1.1：地下水换热系统应根据水文地质勘察资料进行设计。必须采取可靠回灌措施，确保置换冷量或热量后的地下水全部回灌到同一含水层，并不得对地下水资源造成浪费及污染。灌采比100%及不得浪费水资源的强制性要求，淘汰了改进方案中绝大多数设计方案，因为过低的灌采比不符合法律法规及规范要求。由于改进方案设计的缺陷，两者对比没有实际意义。

4 其它问题

(1)应该说明地下水水位、水质、水量开采等动态资料，以便多场耦合模型模拟在正确的基础上进行。

(2)西部水化学演化以正常的水-岩作用为主，……沿海地区深层水以淡水为主，但由于大规模开采，上下含水层和深层咸淡水之间的天然平衡遭到破坏，从而引起上部咸水体越流补给和海域咸水体西移，使主采层地下淡水逐渐咸化。水源热泵场地位于南通市西部，因此《研究》场地(西部沿江)浅部咸水开采，造成浅部咸水入侵深部淡水的立论，与前人研究成果——东部沿海深层水开采，引起深层水水质咸化的结论大相径庭。

(3)地下水源热泵系统工程布置1口抽水井和1口回灌井，即一抽一灌。改进方案减小灌采比后，其余的水资源如何利用？

5 结语

多场耦合模型模拟的理想与否，不是检验建模合理、正确的根本标准。正确分析与应用水文地质条件、取得依据充分的水文地质参数、对有关层位的合理概化等，才是这一过程的关键所在。