地下水熱源井結構的建構范文

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作者：譚長偉王繼軻董太穩常季青劉紅軍單位：青島市勘察測繪研究院中國海洋大學環境科學與工程學院

自然地理及地質概況

工作區面積約4．05km2，場區面積約1．6萬m2，位置詳見圖1。工作區內地形總體較平緩，總的趨勢是西高東低。地面標高4．2～53．2m。地貌成因類型主要有剝蝕、堆積準平原、沖洪積平原。青島屬北溫帶大陸季風氣候區，同時由于瀕臨黃海，明顯受海洋的調節作用。多年平均氣溫12．1℃，多年平均相對濕度72％，平均日照2515．5h／a。全區年平均降水量755．6mm。多年平均蒸發量為1461．1mm，最大凍土深度43cm。

該區域河流多為獨立入膠州灣的山溪性小河。所有河流流量明顯受降水控制，季節性變化明顯。臨近區域主要河流有白沙河、張村河、李村河。屬季節性泄洪的小型河流，無水文監測站。青島主要構造形跡為韌性剪切帶及脆性斷裂構造，其主體方位為NE向，次為NW向和EW向。區內脆性斷裂構造具控水作用，斷裂中NNE及NE向力學性質多屬壓扭性，與之對應的共軛斷裂多呈張性。壓扭性斷裂的影響帶和張性斷裂帶通常地下水豐富。

青島地區出露的地層除第四系松散地層以外，主要由中生代白堊系萊陽群、青山群、王氏群和古元古代變質巖系地層組成。青島地區的侵入巖分布廣泛，主要發育有新元古代晉寧期、震旦期和中生代燕山晚期的侵入巖。巖性以酸性花崗巖類為主，基性中細粒變輝長巖和中性閃長巖類分布局限。通常震旦期以前的侵入巖風化帶厚度較大，風化裂隙水較豐富，燕山期以后的侵入巖，風化裂隙水一般較貧。燕山晚期脈巖發育，一般為隔水構造。

場區水文地質條件

1地下水類型及賦存特征

區內地下水類型分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，水力性質均屬潛水。第四系松散巖類孔隙水含水巖組是工作區內供水開采的主要目的含水層。主要巖性為沖洪積砂礫石層、砂層，主要分布在河床兩岸、河漫灘及河流階地上，呈條帶狀展布，寬度300～500m。含水層厚度6～9m，滲透系數20～50m／d，單井涌水量500～1000m3／d。富水性和透水性良好?；鶐r裂隙水含水巖組可分為風化裂隙水和構造裂隙水2種類型，巖性以花崗巖類為主，富水性較弱，單井涌水量在10～120m3／d之間，水質較好。

2地下水補給、徑流、排泄條件

區內淺層地下孔隙水補給來源主要為大氣降水，汛期接受張村河、李村河滲漏補給和兩側基巖裂隙水的側向徑流補給。地表在接受大氣降水之后，部分轉化為地表徑流匯入地表水體，少量被蒸發，部分滲入地下，沿沖洪積層向下徑流，在河床兩岸或漫灘形成富水地段。在目前狀況下，地下水以轉化為地表水及向下游徑流排泄，另一種排泄方式為潛水蒸發排泄，人工開采排泄量較少。

3地下水動態特征

該區地下水動態變化曲線為水文氣象型，地下水動態基本處于自然狀態，年內受降水制約，季節性變化明顯，動態曲線呈波狀起伏。地下水位年變幅2～3m，多年呈現均衡狀態，沒有明顯的升降趨勢。

4地下水化學成分特征

勘察期間場區水溫為14．0～14．5℃。根據區域水文地質資料，地下水水溫年變化在12．0～15．0℃之間。11個熱源井水質分析表明，地下水水化學類型主要為：HCO3－Cl－Na型水，PH值6．7～7．0，為中性水；總硬度3．3～5．24，為微硬水，SO2－4、Cl－等離子含量統計指標詳見表1。4場區地下水資源評價

4．1勘探方法

本次地下水換熱系統水源勘察，充分利用了場區巖土工程勘察成果，開展了1／2000區域水文地質調查（4km2），系統收集研究了氣象水文資料及區域地質資料，現場進行了1組抽水、注水試驗，室內進行了二維流數值模擬計算，在上述工作的基礎上，簡化了勘察階段，按照“探采結合”的形式進行水源勘探?？碧近c沿河流方向布設，點距30～40m，每個勘探點先進行小孔徑取芯鉆探，再進行大口徑熱源開采井鉆探，成井后每個勘探點進行抽水、注水試驗，成井質量和出水量滿足設計要求后，該勘探點直接轉為開采熱源井。

4．2抽水、注水試驗

利用場地已有的2個完整井進行試驗，S1井井深12．5m，水位4．39m；S2井井深10．4m，水位4．9m；2井均為統一的粗礫砂含水層，井徑均為1．0m，井壁管均為水泥礫石濾水管。2井相距82m，S1為抽水井，S2為注水井，抽水與注水分2個落程同時進行，試驗成果詳見表2、3。

4．3水文地質參數計算

本次抽水試驗和注水試驗同時進行，用一般地下水動力學公式法計算較復雜，難以達到較高的計算精度。故采用數值法建立該場區地下水水流數值模型，利用抽水試驗、注水試驗取得的水位、抽注水量等觀測數據，進行模型識別，從而得到該區的水文地質參數。

4．3．1水文地質概念模型

計算區內主要含水層為第四系松散巖類孔隙水含水巖組，主要巖性為沖洪積砂礫石層、砂層，可概化為均質各向同性含水層；在抽水、注水試驗期間，周邊無地下水開采，附近的張村河內有少量污水在河中心已砌護防滲性良好的溝槽內流過，與地下水沒有水量交換；地下水位埋深大于3．5m可不考慮潛水蒸發；試驗期間有小雨，但場區附近多為硬化地面，對地下水的補給作用微弱，忽略不計。本次抽水量和注水量相等，對影響半徑以外范圍的影響可忽略不計，即按照與計算邊界以外沒有水量交換計算。第四系孔隙含水層的地下水自西向東、自南向北近于水平流動，故把此含水層邊界均概化為流量邊界；因第四系含水層下伏的基巖裂隙含水層透水性極弱，故此含水層各邊界概化為零流量邊界。

4．3．2數值模型

采用無壓（潛水）二維流偏微分方程：根據建立的上述地下水流數學模型，采用有限差分法建立起數值模型。數值模型計算單元共劃分160×100個活動單元，每個單元大小為5m×5m（見圖2）。通過參數調整，使得模型計算水位曲線與抽、注水試驗實際觀測曲線基本擬合，得到含水層水文地質參數K、μ。擬合曲線見圖3、4，計算得到的水文地質參數見表4。水文地質參數分區見圖5。

4．4水量、水位預測與評價

4．4．1水量評價

開采后能在短期內得到充分補給保證的地下水，即為地下水的可采資源［10］。該工程中央空調擬采用地下水換熱系統，地下水總需水量200m3／h。場區淺層地下孔隙水主要補給來源為大氣降水，汛期接受東側張村河滲漏補給和南側、東側的地下水側向徑流補給。經初步估算，場區地下水補給量遠大于需水量，同時，該類水源熱泵系統采用抽水與回灌近于同時的開采形式，對地下水的實際消耗量非常小。因此，場區地下水資源完全滿足開采要求。利用前面建立的數值模型，進行布井方案優化。結合現場施工條件，通過調整抽、注水井的位置，進行水位變化預測計算，取保證系數1．85，井距30～40m，最終得到如下布井方案（見圖6）。預計施工16口熱源井即可滿足370m3／h的抽、注水量

4．4．2水位預測與評價

按照上述布井方案，空調系統以370m3／h的抽注水量連續運行1a時，利用數值模型預測地下水位降深如圖7。從上圖可以看出，水位下降除抽水井附近以外，其它地段一般小于2m；水位升高除注水井附近以外一般不大于2m。該計算未考慮區域水位升降的影響，當區域水位升降變化時，場區內水位會略有升降。

4．5開采利用地下水對建筑物影響評價

場區內高層建筑物均采用的樁基礎，樁端持力層為花崗巖各風化帶，抽水對其影響較小；場區內2個多層建筑物采用人工墊層柱下條形基礎，但由于這2個樓與抽灌區尚有一定距離，且兩者之間存在連續的止水帷幕，水位升降2m左右，抽水對其影響較小。另外，抽水與回灌近于同時進行，不會形成不斷擴大的降水漏斗。因此不會出現開采使用地下水而導致地面沉降及誘發建（構）筑物的開裂、不均勻沉降等環境問題。

由于抽取地下水使用后的回灌水是在密封條件循環使用，不與外界接觸，水不易受到污染，回灌地下后，對含水層也不易產生二次污染，對地下水水質基本無影響。

熱源井設計及運營

通過地下水換熱系統水源勘察研究成果表明，場區水文地質條件簡單，已有井抽、注水試驗取得滿意的效果，場區臨河一側預計施工16口熱源井即可滿足需水及環境要求。為了節省造價，縮短工期，經業主同意，決定采用“探采結合”的形式進行勘探，即先施工小口徑勘探孔，查明地層結構及含水層巖性、厚度及顆粒組成，估算單孔涌水量；再施工大口徑勘探開采井，水量、含砂量經試驗合格后，直接成井轉為工程使用的熱源井。

1熱源井成井結構設計及有關技術要求

1．1成井結構及鉆探技術要求

（1）開孔口徑1000mm，終孔口徑325mm，第四系井徑1000mm，從基巖面變徑325mm。井深以打穿第四系入巖5m為準，初步確定為20m。孔斜10／100m，孔深誤差不大于2％。（2）采用回轉鉆進、泥漿護壁的鉆探工藝，泥漿粘度16～18s，密度1．05～1．1g／cm3，含沙量小于8％。

1．2熱源井濾水管技術要求

井壁管及濾水管采用HDPEΦ580mm雙壁波紋管，該管具有造價低、耐腐蝕、無公害、耐沖擊、施工方便、使用壽命長（50a）的特點，脆化溫度－700℃，軟化溫度1260℃，抗壓強度18～25MPa，抗拉強度20～35MPa。濾水管自行加工，孔隙率大于20％，外包沙網。

1．3濾料及填礫技術要求

（1）濾料采用水洗礫石，濾料直徑根據含水層特征確定。砂土：D50＝（6～8）d50，碎石土：D50＝（6～8）d20；濾料不均勻系數小于2。（2）填礫采用動水填礫法，填礫高度超過含水層1．0m。（3）井口以下至靜止水位以上分層回填黏土球，以防污水下滲。

1．4洗井技術要求

采用活塞和CO2聯合洗井，活塞洗井時間大于4h／井，CO2洗井每井至少1次，洗井結束后應撈取井內沉淀物。

2抽水－回灌試驗技術要求

2．1抽水試驗技術要求為求取含水層的水文地質參數和單井出水能力，每井穩定流抽水試驗1個落程，抽水穩定時間不小于12h。采用電力潛水泵抽水，水位測量采用電測水位計，水量采用標準三角堰箱或水表測量，采用水銀溫度表觀測水溫和氣溫，抽水試驗采集的數據應齊全并滿足計算要求。

2．2回灌試驗技術要求為了保證回灌正常進行，必須保證施工井徑符合設計要求，保證濾管孔隙率、濾料質量符合設計要求，保證洗井符合設計要求。為求取各井的回灌量和回灌效率，對每個井進行回灌試驗，每井1個落程?；毓喾€定時間不小于36h［11］，采用1級定流量回灌，水位測量采用電測水位計，水量采用標準三角堰箱或水表測量。

2．3抽水、回灌聯合試驗技術要求為了確定場區總的允許開采量和注水效率，在管井全部施工完成后，采用一井對另一井大流量一次降深穩定流抽水、回灌試驗。穩定時間不小于36h，統一觀測水位、水量、水溫。每井取水樣一件，進行水質簡分析及含砂量測試。要求含砂量不大于1／200000（體積比）。

3熱源井運行過程技術要求

3．1地下水長期觀測及熱源井維護要求

熱源井（包括抽水井和回灌井）投入使用期間，要求對地下水水溫、水位、水質等進行長期觀測，建立檔案，以便及時了解和分析其變化情況。具體觀測周期要求：第一個水文年，每星期測取一次水溫、水位，每季度采取水樣一組進行水質分析；從第二個水文年開始，水溫、水位可每月測取二次，春、夏季各取一次水樣進行分析。熱源井運行期間，應安排專人進行監測和維護。在正常使用情況下，一般1～2a應進行一次洗井和維護（保養），確保設備及熱源井出水正常。

3．2其它方面的要求

（1）抽水井與回灌井在運行一定時間后應相互轉換以利于開采、洗井、巖土體和含水層的熱平衡，時間以1～2a為宜。抽水井與回灌井間應設排氣裝置，以避免將空氣帶入含水層。

（2）為防止氧氣與水井內存在的低價陽離子反應形成氧化物，產生氣體黏合物，引起回灌井阻塞，要求熱源井井口密封以消除空氣侵入現象。

（3）地下水供水管和回灌管禁止與市政管道連接，以防污染自來水和浪費地下水。抽水管和回灌管上均應設置水樣采集口和監測口。

運行結果及效益比較

該系統自2008年6月開始運行，3a運行實踐表明，熱源井水質、水量沒有發生明顯變化，周邊建筑及道路未發生不均勻沉降，地下水水溫未發生明顯變化，未發生回灌難的現象，該地下水換熱系統完全滿足設計要求。

按照冷負荷2000kW，地下水熱源井井深20m，井徑1000mm，單井涌水量45m3／h，井數16個；U形地埋管熱源井井深100m，井徑150mm，單井熱交換功率4．0kW，井數500個；中央空調系統采用市政熱力＋國產制冷機組；采暖期140d，供冷120d，電價￥0．8／（kW•h），按上述條件在不考慮系統末端造價的前提下，3種熱源方式初期投資、運行費用、工期見表5。

結論

（1）利用抽水－注水試驗成果擬合的數值法求取水文地質參數是可行的，水文地質參數的精度取決于建立水文地質模型與實際的水文地質條件的符合性；（2）采用HDPE雙壁波紋管做井壁管及濾水管具有造價低廉、安裝方便、抗腐蝕性的特點，在熱源井中廣泛使用具有推廣價值；（3）開發利用淺層地下水資源是淺層地熱能開發過程中應優先考慮的問題。只要淺層地下水水量滿足要求，即應優先采用地下水換熱系統。（4）熱源井的合理設計和精心施工是保證熱泵系統運營過程中最大限度地減少對環境影響的關鍵措施之一。科學合理的井距，等流量抽注地下水技術可以很好解決地面沉降等環境工程地質問題。