1、文章編號(hào):1672-8262(200905-143-04 中圖分類(lèi)號(hào):P 641.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分區(qū)官善友*,龍治國(guó),周淼* 收稿日期:2009 05 15作者簡(jiǎn)介:官善友(1968 ,男,在讀博士,高級(jí)工程師,主要從事巖土工程技術(shù)管理及研究工作。(武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢 430022摘 要:影響地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性的主要因素為水文地質(zhì)條件和對(duì)環(huán)境的影響程度。文章闡述了武漢市區(qū)巖土的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件,分析了地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響,采用多種方法對(duì)武漢市區(qū)地下水資源量進(jìn)行了計(jì)算,在此基礎(chǔ)上,考慮水文地質(zhì)條件和對(duì)環(huán)境的

2、影響程度兩個(gè)主要因素,將武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用劃分為適宜區(qū)、基本適宜區(qū)、適宜性差和不適宜區(qū)4個(gè)區(qū),并進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞:城市;地下水;地源熱泵系統(tǒng);適宜性分區(qū)1 引 言熱泵技術(shù)是一種能將低品位能源(空氣、自然水體、土壤等提升到高品位能源的技術(shù),該技術(shù)源于1912年瑞士的一個(gè)專(zhuān)利1。地源熱泵技術(shù)作為熱泵技術(shù)的一個(gè)分支,在北美及歐洲已有幾十年的應(yīng)用歷史,它是以自然水體(江河、湖泊、地下水、巖土體(土、巖石作為冷源或熱源,通過(guò)傳能介質(zhì)(水或添加防凍液的水溶液,冬季向熱泵提供熱量,夏季向熱泵提供冷量,從而實(shí)現(xiàn)既可制冷又可供暖的功效。地源熱泵系統(tǒng)根據(jù)地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)形式的不同,分為地埋管地源熱

3、泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)和地表水地源熱泵系統(tǒng)2。地下水地源熱泵應(yīng)用于工程實(shí)際已有50多年的歷史34,在應(yīng)用過(guò)程中,它的取熱和回灌方式發(fā)生著變化,按照回灌方式可把地下水地源熱泵分為直流式地下水地源熱泵、導(dǎo)井回灌地下水地源熱泵和同井回灌地下水地源熱泵3種5。直流式地下水地源熱泵由于沒(méi)有回灌井,會(huì)造成地下水資源浪費(fèi)和一定程度的地下水環(huán)境破壞;而同井回灌地下水地源熱泵雖有占用更少場(chǎng)地、減少水井?dāng)?shù)量、節(jié)省初投資等優(yōu)點(diǎn),但其對(duì)含水層滲透性和回灌技術(shù)要求很高,適用范圍受到限制;因此,目前武漢地區(qū)應(yīng)用最多的是導(dǎo)井回灌地下水地源熱泵系統(tǒng)。由于地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用是否適宜主要取決于水文地質(zhì)條件,以及預(yù)測(cè)評(píng)估在

4、運(yùn)行過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響程度,因此,地下水地源熱泵系統(tǒng)在推廣應(yīng)用時(shí),應(yīng)注重應(yīng)用場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件和對(duì)環(huán)境的影響6,對(duì)該技術(shù)應(yīng)用適宜性進(jìn)行分區(qū)和評(píng)價(jià)。2 水文地質(zhì)條件武漢市區(qū)地處江漢平原與鄂東南丘陵、山地的交接地帶,具有明顯的丘陵平原的地形特點(diǎn),分為剝蝕丘陵、剝蝕堆積平原及堆積平原3種基本地貌類(lèi)型。2 1 工程地質(zhì)分區(qū)武漢市區(qū)分布古生界至新生界地層,按照地形地貌、地層巖性劃分為4個(gè)工程地質(zhì)區(qū)(表1:長(zhǎng)江沖積一級(jí)階地區(qū)( (分為一級(jí)階地沖積平原亞區(qū)( 1、一級(jí)階地湖積亞區(qū)( 2、長(zhǎng)江沖積二級(jí)階地區(qū)(!,又稱(chēng)隱伏老粘性土區(qū)、長(zhǎng)江沖積三級(jí)階地區(qū)(,又稱(chēng)老粘性土區(qū)、及剝蝕丘陵區(qū)(#。工程地質(zhì)分區(qū)說(shuō)明表 表

5、1區(qū)亞區(qū)分布及地貌主要地層巖性水文地質(zhì)條件工程性能評(píng)價(jià)1漢口城區(qū)廣泛分布,武昌城區(qū)、漢陽(yáng)城區(qū)、東西湖區(qū)沿江一帶分布,地形平坦。表層為厚度不大的人工填土,地面下1020m 深度內(nèi)主要以軟塑可塑狀粘性土為主,其下至基巖以稍密密實(shí)狀、厚度1540m 砂土為主,在砂土底部一般混夾有卵礫石。基巖以砂巖、泥巖為主。人工填土中含上層滯水,沿江一帶粉土層含潛水,砂土中含全新統(tǒng)孔隙承壓水,砂巖中含基巖裂隙水。上部填土強(qiáng)度低,軟塑可塑狀粘性土強(qiáng)度一般,砂土承載力相對(duì)較高,但地下水豐富,易坍塌。下伏基巖工程性質(zhì)良好。2長(zhǎng)江沖積一級(jí)階地漢口及武昌臨江地帶廣泛分布,原為湖區(qū),大部分已被人工填平。武昌沙湖及東湖湖盆邊緣零

6、星分布。表層為厚度不大的人工填土,地面下1020m 深度內(nèi)主要以軟流塑狀的淤泥、淤泥質(zhì)土及軟流塑狀的粘性土為主,其下至巖面以稍密密實(shí)狀、厚度1840m 砂土為主,砂土底部一般混夾有卵礫石。基巖以砂巖、泥巖為主。人工填土中含上層滯水,粉土層含潛水,砂土中含全新統(tǒng)孔隙承壓水,砂巖中含少量基巖裂隙水。上部填土、淤泥、淤泥質(zhì)土及軟粘性土強(qiáng)度低,淤泥、淤泥質(zhì)土及軟粘性土易觸變,砂土承載力相對(duì)較高,但地下水豐富,易坍塌。下伏基巖工程性質(zhì)良好。!分布在武昌青山區(qū)、東西湖區(qū)廣大地區(qū),地形平坦,局部地形相對(duì)低洼,形成湖區(qū)。表層為厚度不大的人工填土,地面下510m內(nèi)主要為軟可塑狀粘性土,中部以硬塑狀老粘性土為主,

7、下部以厚度130m礫質(zhì)砂土為主。下伏基巖主要為白堊下第三系砂礫巖。人工填土中含上層滯水,礫質(zhì)砂土中含上更新統(tǒng)孔隙承壓水,砂礫巖中含基巖裂隙水。上部填土強(qiáng)度低,軟可塑狀粘性土強(qiáng)度一般,老粘性土強(qiáng)度較高、但遇水易軟化,礫質(zhì)砂土承壓水豐富,易坍塌。下伏基巖工程性質(zhì)良好。分布在武昌、漢陽(yáng)廣大地區(qū),地形較平坦,部分地段波狀起伏,局部地段地勢(shì)低洼,形成湖區(qū),中南路沿線東側(cè)為原長(zhǎng)江古河道。表層為厚度不大的人工填土和軟可塑狀一般粘性土,中部一般為硬塑狀老粘性土,局部夾碎石,下伏基巖以志留系砂巖、泥巖為主,局部為灰?guī)r和泥盆系石英砂巖。中南路一帶老粘性土下部分布有碎石、卵石及礫質(zhì)砂土。人工填土中含上層滯水,卵石及

8、礫質(zhì)砂土含上更新統(tǒng)孔隙承壓水,砂巖及石英砂巖含少量基巖裂隙水,灰?guī)r中含裂隙巖溶水。上部填土強(qiáng)度低,軟可塑狀粘性土強(qiáng)度一般,老粘性土強(qiáng)度較高、但遇水易軟化,碎石、卵石及礫質(zhì)砂土強(qiáng)度高,但卵石、礫質(zhì)砂土承壓水豐富,易坍塌。下伏基巖工程性質(zhì)良好。#分布在武昌、漢陽(yáng)的殘丘,原始地形起伏大。表層為薄層殘坡積土,下部為志留系砂巖、泥巖、泥盆系砂巖,局部有厚度不大的老粘性土混碎石。人工填土含少許上層 滯水,砂巖中含少量基巖裂隙水。殘坡積土強(qiáng)度一般,基巖及老粘性土混碎石強(qiáng)度高,但遇水易軟化。2 2 水文地質(zhì)條件武漢市區(qū)地下水類(lèi)型及含水巖組劃分7 表2地下水類(lèi)型含水巖組水文地質(zhì)參數(shù)松散巖類(lèi)孔隙水全新統(tǒng)孔隙上層滯

9、水含水巖組全新統(tǒng)孔隙潛水含水巖組滲透系數(shù)/m/d0 260 678全新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組滲透系數(shù)/m/d10 1032 48上更新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組滲透系數(shù)/m/d115碎屑巖類(lèi)裂隙孔隙水上第三系裂隙孔隙承壓含水巖組滲透系數(shù)/m/d2 0615 64碎屑巖類(lèi)裂隙水白堊下第三系裂隙承壓含水巖組單井涌水量/m3/d10100碳酸鹽巖裂隙巖溶水三疊系下統(tǒng)碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組單井涌水量/m3/d65 651828石炭系上統(tǒng)二疊系下統(tǒng)碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組滲透系數(shù)/m/d0 153 098武漢市區(qū)被長(zhǎng)江、漢江分割,形成3個(gè)大的相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元,各單元發(fā)育的地層巖性有所不同,相應(yīng)形成不同的地下

10、水賦存空間。根據(jù)地下水的賦存狀況,將武漢市區(qū)地下水分為4種類(lèi)型,8個(gè)含水巖組(表2。從地下水類(lèi)型、分布、含水層厚度及滲透性等方面綜合分析,全新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組是武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用較理想的含水層。3 地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)環(huán)境的影響應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng),在地下水抽取與回灌過(guò)程中,可能造成的環(huán)境影響主要表現(xiàn)為1:一是引發(fā)或加劇地下水質(zhì)惡化及污染,導(dǎo)致地下水質(zhì)量下降;二是在巖溶地面塌陷潛在危險(xiǎn)區(qū),易引發(fā)巖溶地面塌陷;三是大面積應(yīng)用,當(dāng)?shù)叵滤毓嘈Чy以保證時(shí),將形成區(qū)域降水漏斗或產(chǎn)生地面沉降。(1地下水質(zhì)量變化集中開(kāi)采地下水往往會(huì)造成地下水化學(xué)組分天然狀態(tài)的破壞,導(dǎo)致地下水質(zhì)量下降

11、。武漢市區(qū)第四系孔隙承壓水含水層中有機(jī)質(zhì)成分達(dá)30余種9,其中以苯及相關(guān)苯系物為主,這些化合物的毒性很大,會(huì)對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。這些有機(jī)質(zhì)污染的主要原因可能與工業(yè)生產(chǎn)的廢水排放或污水泄漏相關(guān),而且工業(yè)化程度高的漢口城區(qū)、漢陽(yáng)城區(qū)的地下水有機(jī)質(zhì)污染高于工業(yè)化程度相對(duì)較低的東西湖區(qū)。此外,武漢市區(qū)的全新統(tǒng)孔隙承壓水的亞鐵(Fe2+離子含量較高,此離子遇到空氣易氧化,形成紅色三價(jià)鐵離子(Fe3+化合物后沉淀,回灌后將造成地下水污染10。(2巖溶地面塌陷在巖溶地面塌陷潛在危險(xiǎn)區(qū),如武昌陸家街 毛坦港、漢陽(yáng)中南軋鋼廠一帶(圖1,由于覆蓋型碳酸鹽巖與第四系松散砂土直接接觸,全新統(tǒng)孔隙承壓水與碳酸鹽

12、巖裂隙巖溶水存在互補(bǔ)關(guān)系,因此在這些區(qū)域應(yīng)用地下水源地源熱泵系統(tǒng),將改變地下水動(dòng)水力條件,引發(fā)巖溶地面塌陷。圖1 武漢市區(qū)碳酸鹽巖分布圖(3地面沉降不合理開(kāi)采地下水,將使含水層中地下水位下降,使土層中孔隙水壓力降低,土顆粒自重壓力增加,導(dǎo)致地層固結(jié),造成地面沉降。在地下水源地源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用過(guò)程中,若地下水不能及時(shí)回灌或回灌量不足,致使地下水位持續(xù)下降,則可能造成地面沉降;若沉降量較大或差異沉降過(guò)大,可能導(dǎo)致地面建(構(gòu)筑物受損或破壞。4 地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)4 1 地下水資源量地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的首要條件就是地下水資源能夠滿(mǎn)足應(yīng)用區(qū)域內(nèi)可取水總量的要求。地下水資源量采用水

13、動(dòng)力學(xué)法進(jìn)行計(jì)算,可取水量分別采用均衡法、有限單元法、R-C%電網(wǎng)絡(luò)模擬法進(jìn)行計(jì)算。綜合計(jì)算成果列表311。4 2 武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)根據(jù)含水層類(lèi)型、性質(zhì)、滲透性,地下水資源量,地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)環(huán)境可能的影響程度,將武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分為適宜區(qū)、基本適宜區(qū)、適宜性差區(qū)和不適宜區(qū)4個(gè)區(qū),其中不適宜區(qū)進(jìn)一步細(xì)分為2個(gè)亞區(qū)(圖2。適宜區(qū)、基本適宜區(qū)、適宜性差區(qū)和不適宜區(qū)的面積百分比分別為46 4%、13 5%、3 7%、36 4%。分區(qū)評(píng)價(jià)詳見(jiàn)表4。武漢市區(qū)地下水資源量 表3行政區(qū)地下水類(lèi)型區(qū)域地下水資源量104m3/a武昌城區(qū)全新統(tǒng)孔隙承壓水徐家

14、棚地區(qū)1290武鋼胡家墩2587白沙洲地區(qū)875裂隙巖溶水白沙洲武漢工程大學(xué)277.155029.15漢口城區(qū)全新統(tǒng)孔隙承壓水漢口城區(qū)29812981漢陽(yáng)城區(qū)全新統(tǒng)孔隙承壓水黃金口地區(qū)560鸚鵡洲地區(qū)637裂隙巖溶水鸚鵡洲、太子湖78.251275.25東西湖區(qū)全新統(tǒng)孔隙承壓水慈惠墩走馬嶺辛安渡3998上更新統(tǒng)孔隙承壓水東流港三店農(nóng)場(chǎng)367碎屑巖裂隙水東流港水崗2604625合計(jì)13910.4武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià) 表4分區(qū)及代號(hào)分布范圍面積km2地下水類(lèi)型地下水資源量/104m3/a適宜性評(píng)價(jià)適宜性需注意的問(wèn)題適宜區(qū)(分布于武昌徐家棚地區(qū)、武鋼胡家墩、白沙洲,漢口城區(qū),

15、漢陽(yáng)鸚鵡洲、黃金口,東西湖慈惠墩走馬嶺辛安渡。575.73全新統(tǒng)孔隙承壓水11325適宜的含水層為厚度1540m全新統(tǒng)粉細(xì)砂、及其底部厚度0.55.0m的礫卵石,滲透性較好,地下水資源豐富、與長(zhǎng)江和漢江水互補(bǔ)。適宜地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用。應(yīng)科學(xué)規(guī)劃地下水地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用,采取切實(shí)有效的地下水回灌措施,避免大規(guī)模、過(guò)度開(kāi)采地下水而造成地面沉降。基本適宜區(qū)(!分布于東西湖東流港三店農(nóng)場(chǎng)、東流港水崗。167.48上更新統(tǒng)孔隙承壓水、碎屑巖裂隙水627可供地下水地源熱泵系統(tǒng)的含水層為厚度415m的上更新統(tǒng)砂土、礫卵石,以及上第三系碎屑巖裂隙水,為含偏硅酸的飲用天然礦泉水。應(yīng)適當(dāng)限制地下水地源熱泵系統(tǒng)

16、應(yīng)用。地下水為含偏硅酸的飲用天然礦泉水,屬液體礦產(chǎn)資源;東西湖啤酒廠因過(guò)渡開(kāi)采地下水,已造成地下水位降落漏斗,應(yīng)適度限制地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用,避免對(duì)地下水的污染和造成地面沉降。適宜性差區(qū)(分布于武昌白沙洲武漢工程大學(xué),漢陽(yáng)鸚鵡洲太子湖南湖。45.4裂隙巖溶水355.4可供地下水地源熱泵系統(tǒng)的含水層為碳酸鹽巖裂隙巖溶水,含水層上覆上更新統(tǒng)粘性土。受地質(zhì)構(gòu)造、裂隙、巖溶發(fā)育程度及連通性等因素影響,地下水量變化大。局部區(qū)域應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)時(shí)應(yīng)科學(xué)論證,并避免產(chǎn)生巖溶地面塌陷。不適宜區(qū)(#地下水貧水區(qū)(#1分布于武昌、漢陽(yáng)、東西湖的長(zhǎng)江沖積三級(jí)階地。425.52少量上層滯水、碎屑巖裂隙水貧水為

17、地下水貧水區(qū),不適宜應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)。不宜應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)。巖溶地面塌陷危險(xiǎn)區(qū)(#2分布于武昌陸家街毛坦港,漢陽(yáng)中南軋鋼廠。25.85全新統(tǒng)孔隙承壓水、裂隙巖溶水全新統(tǒng)孔隙承壓水與碳酸鹽巖裂隙巖溶水存在互補(bǔ)關(guān)系,易引發(fā)巖溶地面塌陷。不適宜應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)不適宜應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)。圖2 武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分區(qū)圖5 結(jié) 語(yǔ)武漢市降雨充沛、地下水較豐富,具備應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。但由于地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜、巖土性質(zhì)變化大,主城區(qū)有隱伏碳酸鹽巖分布,地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用可能產(chǎn)生地下水污染、巖溶地面塌陷和地面沉降等環(huán)境問(wèn)題。根據(jù)武漢市區(qū)含水層類(lèi)型、性質(zhì)、滲

18、透性,地下水資源量,地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)環(huán)境可能的影響程度,將武漢市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分為適宜區(qū)、基本適宜區(qū)、適宜性差區(qū)和不適宜區(qū)4個(gè)區(qū),面積百分比分別為46 4%、13 5%、3 7%、36 4%。適宜區(qū)水文地質(zhì)良好,適宜應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng);基本適宜區(qū)水文地質(zhì)條件一般,局部已形成地下水位下降漏斗,宜適度控制地下水地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用;盡量避免在適宜性差區(qū)應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng);不應(yīng)在不適宜區(qū)應(yīng)用地下水地源熱泵系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 肖建華,廖建生,官善友.武漢市應(yīng)用地源熱泵技術(shù)的有關(guān)問(wèn)題探討J.城市勘測(cè),2006(42 G B50366-2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范C.3 H

19、 atte m M J.G round w ater heat pu mp i ng:Lessons learned in43years at one bu il d i ngG/A S HRAE T rans,1992,98(1:103110374 龔宇烈,趙軍,李新國(guó)等.地源熱泵在美國(guó)工程應(yīng)用及其發(fā)展J/全國(guó)熱泵和空調(diào)技術(shù)交流會(huì)議集.北京:建筑工業(yè)出版社,2001:2492535 倪龍,馬最良.地下水地源熱泵回灌分析J.暖通空調(diào),2006,V o.l36(66 劉立才,王金生,張霓等.北京市城市規(guī)劃區(qū)水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用適宜性分區(qū)J.水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006(6 7 官善友,龐設(shè)典,龍治國(guó).

20、論武漢市環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題J.工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2007,V o.l15S U PPL:186190 8 寧國(guó)民,陳國(guó)金,徐紹宇等.武漢城市地下空間工程地質(zhì)研究J.水文地質(zhì)工程地質(zhì),2006(69 王焰新,李義連,付素蓉等.武漢市區(qū)第四系含水層地下水有機(jī)污染敏感性研究J.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,27(510 官善友,陳浩.地溫空調(diào)(水源地下水開(kāi)采設(shè)計(jì)J.城市勘測(cè),2005(311 龍治國(guó),官善友等.武漢市地源熱泵技術(shù)推廣應(yīng)用地源資源評(píng)價(jià)報(bào)告R.武漢市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2006The Adaptive Partiti on ofGroundwater Source HeatPu m p Syste m Application inW uhan C ityGuan ShanYou,Long Zh i G uo,Zhou M iao(W uhan Geo technical Eng i n eering and Survey i n g Instit u te,W uhan430022,ChinaA bstract:The m a i n i n fluence factor to g r oundw ater source heat pum p syste m app lication is hydro l o g ic geology con d ition and t h e i