浅层地热能抽水回灌试验
一、试验路段的选择
1.试验区水文地质条件
(1)安阳实验区
1)地下水埋藏条件及富水性:实验区位于安阳市西南部，属安阳河冲洪积扇。安阳河冲洪积扇是在中晚更新世和晚全新世二次复合堆积形成的，具有明显的上细下厚的二元结构。三面环山丘陵，向东开阔，呈向东倾斜的簸箕状，封闭条件好，形成完整的水文地质单元。
试验区地势平坦，表层多为粉土，有利于大气降水的补给。含水介质由中上更新统砂卵石层组成(图4-1)。试验区主要开采浅层地下水(100m以上)，赋存于安阳河冲洪积扇松散裂隙水储集介质中，底部为下更新统泥砾或粘土组成的隔断。
实验区主要储水介质为中上更新统冲洪积砾石和半胶结钙砾石层(图4-2)。此处砾石层顶板埋深26.4米，略向东倾斜，厚度约32米，成分主要为石灰岩，其次为应时砂岩，粒径0.2 ~ 5厘米，最大可达10厘米，磨圆度好，分选差，含砂量约10% ~ 30%，局部夹粘土透镜体。单井日涌水量约5000m3/5m，水位埋深37.5m，含水介质厚度21m。渗透系数大于200米/天
图4-1安阳试验区水文地质剖面图
图4-2安阳市三分庄抽水井地层结构直方图
2)地下水化学特征:实验区地下水化学类型为HCO3，矿化度一般小于1g/L，为淡水。
(2)郑州高新区实验区
1)地下水埋藏条件及富水性:实验区位于郑州高新开发区东北部惠城小区，含水层为第四系全新统及上更新统，冲洪积，其次为中更新统。150 ~ 200 m以上地下水可分为浅层地下水和中层地下水，二者有一定的水力联系，实际开采多为混合取水口。浅层地下水浅。在实验区，浅含水层底板约70m深，30m厚。目前，该地区已从前几年的农业区变为新的工业区。该市的供水水源是黄河九五滩水源地的地下水。此外，该地区耕地减少，中深层地下水开采受到限制，地下水开采强度较低。此外，实验区东临石佛沉砂池，地表水对地下浅层有较强的补给作用，地下水位有明显上升趋势。
中深层水主要为第四纪中、下更新统的冲湖沉积和新近纪的上湖沉积。实验区中深层含水层组顶板埋深约90m，中深层水是目前城市供水的主要开采层，井深约100 ~ 300m，含水层岩性为中砂、细砂和粗砂。200米处浅层含水层的总厚度约为50米
根据现有钻井和抽水资料(图4-3)，浅、中深层混合水位一般在30m左右。实际抽水深度为20m，单井出水量为70m3/h，渗透系数一般为8 ~ 10m/d..根据郑州市地下水资源评价结果，高新区地下水可开采模数为每年13.42×104m3/km2，目前开采利用率仅为46%，具有扩大开采的能力。实验区浅、中层混合水温为65438±07℃。
2)地下水化学特征:实验区浅层地下水水化学类型为HCO 3-Ca Mg型，矿化度604.28mg/L，总硬度428Mg/L；中深层为HCO3-Ca-Na型，盐度453.33mg/L，总硬度273.5428 mg/L
(3)郑东新区实验区
1)地下水埋藏条件及富水性:实验区位于黄河冲积平原，地表为粉土，埋深10.6m..根据钻探资料(图4-4)，90m * * *以上共有5个含水层，总厚度约44m，岩性主要为中细砂和粉细砂。实测水位降深9.6m，单井出水量51 m3/h，渗透系数4.04m/d，水温15.9℃。
2)地下水化学特征:实验区地下水化学类型为HCO 3-钙钠型，矿化度为1407mg/L，总硬度为630 mg/L..
(4)新乡市东郭实验区
1)地下水埋藏条件及富水性:实验区位于新乡市北部生产性运河以北，地貌为古河漫滩。浅地层岩性为粉质粘土，40 ~ 60m深有3 ~ 4层细砂，总厚度30 ~ 40m，5m深单井涌水量500 ~ 1000m3/d..渗透系数为10 ~ 15m/d，水位约为10m，水温为16.0℃。
2)地下水化学特征:地下水化学类型为HCO 3-钙钠镁，矿化度为1183.2mg/L，总硬度为572.5 mg/L..
(5)新乡市南芦苞实验区
1)地下水埋藏条件及富水性:实验区位于新乡市凤泉区西南部芦苞。浅层岩性为粉质粘土和细砂。45m深度内有两个含水层，总厚度22m，含水介质为细砂。水位埋深为11m，2.95米深单井实测涌水量为37.19m3/d，渗透系数为12.3m/d，水温为16.0℃。
2)地下水化学特征:地下水化学类型为HCO 3 Cl-Mg Ca Na型，矿化度为999.66mg/L，总硬度为547.5 mg/L..
图4-3郑州高新区油水井地层结构
2.试验场地布局
五组抽水和回灌试验点分别位于冲积扇、山前冲积平原和冲积平原，代表冲积砾石、冲积湖泊、冲积粗砂、中砂和细砂含水层的抽水和回灌能力(表4-1)。抽水和回灌方式包括一次抽水和两次抽水(图4-5)。比如新乡市的东郭实验就采用一次抽水。在试验过程中，超过回灌井回灌能力的水被回灌到抽水井中。
图4-4郑州新区抽注水井及地层结构
表4-1试验井基本情况
图4-5新乡东郭注水试验场平面布置图
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二、测试方法和质量
1.检测方法
抽水试验分别采用单孔稳定流法和孔组不稳定流法。回灌试验采用自流回灌方式，回灌时保持回灌孔内水位稳定，并计量注水量。
(1)观测内容和精度
试验期间，观测了抽水孔和观测井的水位，抽水孔的出水量、水温和气温，注水孔的回灌量和水位。
主要观测工具为双平行线和水位计，观测精度:抽水孔水位读数cm，观测井水位读数mm；抽水量和回水量用水表计量，读数达到0.1 m3；；水温和气温读数为0.5℃。
(2)观察法
1)单孔稳流抽水试验:单孔稳流抽水试验进行一次最大减深的稳流抽水。抽水试验期间，动态水位和出水量的观测时间为抽水开始后每5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟和30分钟观测一次。每2小时同步观测水温和气温。泵送稳定持续时间不得少于8小时停止抽水后，观测水位恢复情况，观测频率与抽水开始时一致，直至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。
2)孔组非恒定流抽水试验:抽水过程中，抽水孔出水量保持稳定。水位观测频率为抽水开始后1，2，3，4，6，8，10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120分钟。抽水结束后，观测抽水孔和观测井的恢复水位，观测频率与抽水开始时一致，直至水位趋于稳定或抽水前的静止水位。
3)回灌试验:采用自然重力回灌法。充值时及时调整充值金额。考虑到回灌过程中水位的实际上升，回灌孔水位埋深一般稳定在2 ~ 4m。观测方法和频率与稳流抽水试验相同。
(3)采集水样
抽水试验结束前，取完整的水质分析样品，填写水样记录卡，并将水样送至实验室进行检测。
分析项目包括含砂量、颜色、气味和味道、浊度、可见物、pH值、氯离子、硫酸盐、碳酸氢盐、碳酸盐、氢氧化物、钾离子、钠离子、钙离子、镁离子、总硬度、总溶解固体、铵离子、总铁、磷、硝酸盐、亚硝酸盐、氟化物和高锰酸盐指数。
2.测试质量
1)抽水回灌试验技术标准主要有:《供水水文地质勘察规范》(GB50027-2001)、《浅层地热能勘探与评价技术规范》、《水样采集、保存与检验规范》、《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)。
2)为保证试验质量，抽水前应对参与观测的人员进行观测技术培训，统一观测记录的格式和要求；
3)抽水前，所有设备准备就绪，排水工程完成，观测工具和人员到位。
4)测线采用柔性小的优质双股平行线，减少观测误差。
5)同一观测井中的观测人员和测量工具固定，观测数据填写及时、准确、清晰、完整。
6)及时整理观测资料，及时解决发现的问题，保证资料的完整性。
第三，测试结果
1.参数计算方法和结果
根据单孔稳定流抽水试验资料，含水层渗透系数k按下式计算。
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根据注水孔的测试数据，渗透系数K由下式近似计算。
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按下式计算单位抽水量Q或单位回注量Q:
q抽= q抽/s；Q = q /S
式中:k为渗透系数，单位为米/天；q为稳定产水量或注水量，单位为立方米/日(m3/d)；h为潜水含水层的厚度，单位为米(m)；s为水位的深度或增加量，单位为米(m)；r为影响半径，取经验值，单位为m；r是过滤器半径，单位为m；l为试验段或过滤器的长度，单位为米
计算结果见表4-2。收集的部分回注试验结果见表4-3。
表4-2抽水和回灌试验结果汇总
表4-3回灌试验收集结果
2.回灌量的影响因素分析。
回灌量受多种因素影响，如井的结构和质量、水文地质条件等。
含水层的岩性是决定补给量的基本因素。从表4-2可以看出，不同含水层抽水和注水试验得到的渗透系数比值为:以粗砂和砾石为主的含水层为65，438+0.96 ~ 2.865，438+0，以中砂和细砂为主的含水层为3.28 ~ 8.50。结果表明，含水层颗粒越粗，抽水和补给能力越接近，即含水层颗粒越粗，越容易补给。
水位埋深对总补给量有明显影响，补给量与水位埋深成正比。对比郑州高新区和郑东新区两组回注试验，发现含水层岩性相似，含水层渗透率相似。郑州高新区静水位埋深为34m，郑东新区静水位埋深仅为10.6m，郑州高新区回注量为42m3/h，郑东新区静水位埋深仅为12.56m3/h/h..
滤管的结构对回灌量有直接影响。在含水层岩性相似的地段，钢桥过滤管井的回注量明显大于水泥过滤管井(表4-3)。
发现砾石含水层地区单位补给量大于单位抽水量的70%；在粗砂和中砂含水层地区，单位补给量约为单位出水量的70% ~ 40%；在中细砂含水层地区，单位补给量约为单位出水量的50% ~ 30%；在有细砂和粉砂含水层的地区，单位补给量不到单位出水量的30%。
3.确定抽水井和回灌井的比例
单位抽水量与单位回注量的比值可作为确定回注井数的主要依据。根据上述试验结果，考虑到回灌井在长期回灌过程中可能发生的堵塞，在地下水位埋深大于10m的情况下，地热空调井抽灌井比例确定如表4-4所示。
4.地热空调井运行对地下水环境的影响
(1)对地下水温度的影响
研究区地热空调井抽水井水温一般在16 ~ 20℃左右，回水管线水温一般在10 ~ 15℃，比抽水井地下水温度低2 ~ 7℃，降温期一般在18 ~ 25℃，比抽水井地下水温度高1 ~ 8℃。根据对地热空调井地下水温度的监测(图4-6和图4-7)，地热空调的运行对地下水温度有明显的阶段性影响。
表4-4地热空调井抽水井和回灌井比例的确定
图4-6郑州儿童医院抽水井地下水埋深与水温动态曲线
图4-7郑州市嵩阳中学回灌井地下水埋深和水温动态曲线
冷却期回注水温度一般在19 ~ 30℃之间，最高可达35℃；采暖期回注水温度一般在8 ~ 15℃左右。由于回注水温度的影响，地下水温度在冷却期略有升高，在加热期略有降低，但在一个完整的冷却和加热循环中，地热空调井的回注对地下水温度的整体可持续性没有明显影响。多年温度动态曲线(图4-8至图4-13)也表明，研究区地热空调的运行并未引起地下水或土壤温度的持续升高或降低。没有观察到明显的热污染。
图4-8安阳市文峰时代广场回灌井水温动态曲线
图4-9安阳市第五中学回灌井水温动态曲线
图4-10中国农业科学院棉花研究所回灌井水温动态曲线
图4-11安阳市广电局回灌井水温动态曲线
②对地下水质量的影响
根据郑州儿童医院地热空调井运行前(5月5日)、运行中(8月21日)、运行后(10月29日10日)(表4-5)水质采样分析和安阳市部分抽水井、回灌井运行期间水质采样分析(表4-6)。通过比较发现，浅层地热能在开发利用过程中对地下水水质影响不大；补给井中元素锌明显增加。主要原因是锌容易氧化成锌离子进入水中。因此，建议不要使用镀锌钢管。
图4-12安阳市公安局回灌井水温动态曲线
图4-13安阳市喜相逢酒店回灌井水温动态曲线
5.抽水井和回灌井间距的确定
抽水井和回灌井之间的合理间距以不发生热短路为原则。回注水到达抽油井的时间(热短路时间)可用下式表示:
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其中n是含水层的有效孔隙度；π是圆周率；d是抽油井和注水井之间的距离；b是含水层的厚度；q为稳定注水量。
根据上述公式，可以确定热短路抽回灌井的临界距离为:
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当抽水井和回灌井之间的距离小于合理距离(d)时，就会发生热短路。以儿童医院为例:
儿童医院地热空调工程的抽水井和灌溉井数量为6口，其中抽水井深98m，回灌井深70m。抽水回灌井运行方式为二抽四灌，3 #和6 #为抽水井，其余4口为回灌井。运行期间，单井抽水量为100m3/h，单井回注量为50m3/h..抽水井、灌溉井和观测井的位置分布见图4-14。
图4-14抽灌井分布图
表4-5郑州儿童医院地热空调井不同时段污水水质对比表
根据冷却期热泵运行时间120d，含水层厚度15.9m，孔隙度0.30，d为85m，即回灌量50m3/h时(相当于台前冲积平原区)，抽灌井距离大于85m时不会发生热短路。如果单井回注量达到85m3/h(相当于黄河冲积平原)，抽灌井距离大于111m时不会发生热短路。
事实上，3号抽水井和2号回灌井之间的距离是36米..6号抽水井和5号回灌井之间的距离只有55米..图4-7显示了系统运行时6 #抽水井的水温曲线。从温度变化来看，明显发生了热短路，降温期最高温度为23 ~ 24℃，比背景值(20℃)高3 ~ 4℃。采暖期最低温度为17 ~ 16℃，比背景值低3 ~ 4℃左右。
一般热泵机组正常工作时，要求水的温度在2℃-35℃之间，以保证系统的正常运行。因此，虽然回注水造成热短路，但温度变化仍在热泵允许范围内，可以保证系统的运行效率，满足建筑冷热负荷的要求。另一方面，城市中的大部分建筑工地无法满足理论计算的抽灌井间距要求。大量观测数据也表明热短路现象普遍存在。然而，由于回注水的温度适中，水源热泵空调系统的运行效率可以得到保证。抽灌温度变化在采暖期和冷却期呈现周期性波动，也反映了水源热泵空调系统长期运行过程中水动力场影响范围内某一点地下水温度波动的规律性，即在水源热泵空调系统长期运行过程中冷热交替的影响范围内，地下水温度不会出现明显的、持续的上升或下降。
表4-6抽水井与回灌井水质对比表
因此，地热空调井距的确定不应仅以热短路为依据，而应考虑回注水影响范围内的水温变化能否满足热泵系统的运行要求、对地质环境的影响及其运行经济性。但在条件允许的情况下，应尽可能满足井距的要求，以减少热短路的影响，保证系统的运行效率。在实际工程中，补给量与含水层厚度相差很大。根据对现有地热空调系统运行效果的调查和抽灌试验结果，建议细粒地层抽灌井间距不小于40m，砾石含水层间距不小于80 m，在实际工程应用中可根据具体情况进行调整。