区域水文地质条件评价

如前所述，浅层地温能资源开发水文地质条件评价工作分为区域性水文地质条件评价和场地性水文地质条件评价两类。区域性水文地质条件评价工作主要是为区域浅层地温能开发利用适宜性评价、开发利用区划及开发利用方式决策等服务。

区域地下水埋藏条件、含水层富水性、水质和地层温度等水文地质条件是影响区域浅层地温能资源开发利用潜力及开发利用方式的重要因素。为科学地开发利用浅层地温能资源，确保热泵采能工程的效率和效益(主要指经济效益和环境效益)，有效保护地下水资源，减小工程采能活动对周围生态环境的负面影响，必须开展区域水文地质条件调查和评价工作，对区域浅层地温能的储量、开发利用条件、开发方式、地层的储能和水热调蓄能力等一系列制约区域浅层地温能开发利用的关键性因素进行充分研究和客观评价。

一般而言，区域性水文地质条件评价工作主要包括如下内容:

①进行含水层(组)划分，查明不同含水层与隔水层的空间分布状况及厚度变化规律;②查明地下水的埋藏条件，评价不同含水层的水文地质参数(渗透性、富水性、涌水量及回灌率等)及其空间变化规律;③评价各含水层中地下水水质状况，分析区域地下水的化学特征及变化规律;④评价地下水污染状况、咸水体空间分布特征及咸水体与淡水体的接触关系等;⑤基本掌握地下水(水位、水质及水温)动态变化规律;⑥分析地下水的补给、径流、排泄条件。

鉴于浅层地温能资源的成因机制、赋存特点及其开发利用方式，浅层地温能区域水文地质条件评价的范围和深度与供水水文地质条件评价工作有所不同。一般而言，浅层地温能区域水文地质条件评价的重点范围是具有地温能开发利用可能性的区域，评价深度通常在300m以内。对于无人居住区、农田、地表水域等地源热泵工程建设可能性极小的地区，以及300m深度以下的地层，其水文地质条件评价可以不作为重点。

选择部分与浅层地温能密切相关的水文地质条件，阐述其评价工作的重点内容和要求。

(一)含水层分布及其水文地质特征

含水层空间分布状况及其水文地质特征在很大程度上反映了区域浅层地温能开发利用的经济性和适宜程度，是地温能资源开发利用潜力评价、适宜性评价和开发利用区划的重要指标，应作为区域水文地质条件评价的重点内容之一。

1.含水层空间分布状况

一般而言，开采目标层埋深越浅、厚度越大且水平方向上变化小，越有利于浅层地温能的开发利用。相对而言，开采目标层的岩性为松散岩类孔隙介质，其钻井施工费用比基岩层要低。

含水层空间分布规律评价需从地下水形成条件和赋存层位着眼，查明地表至评价深度内不同地层层序的组合关系和水平展布情况，划分地下水含水层(组)，分析不同地层厚度、埋藏深度等地层条件，并对区域地下水的埋藏条件进行评价。需要强调的是，浅层地温能的开采目标层及其上覆、下伏层位一定要作为评价的重点对象。

2.地下水赋存条件

地下水赋存条件(地层岩性、地下水埋藏条件及地下水水位等)是制约地源热泵采能工程设计的重要因素。一般而言，松散孔隙介质的钻井费用较基岩要小。对于地下水源热泵采能系统而言，如果回灌目标层为承压含水层，地下水回灌通常需要加压，回灌难度较潜水含水层要大。地下水水位埋深也是影响地下水回灌的一个重要因素。含水层水位埋深越大，可利用的自然压力水头越大，单井的回灌能力就越大。

可见，在水文地质条件评价工作中，需要对不同评价层位的岩性特征、地下水埋藏条件、地下水水位埋深等情况进行细致的分析和评价。

3.水文地质参数

地下水是地下水源热泵采能系统的传热载体。对于某一区域或某一具体场地而言，浅层地温能是否适宜选用地下水源热泵系统进行开发，必须论证该区域或工程靶区是否具备充足的供水条件和优良的回灌性能。相对而言，区域的富水性越好、回灌能力越高，工程建设所需的生产井的数量越少，建设费用也就越低。

含水层的渗透性、有效孔隙度和含水层厚度等参数是表征含水层导、储水性能的最主要参数，也是制约含水层富水性和回灌性能的重要参数。一般而言，含水层的渗透性越好、有效孔隙度越大，其富水性通常越强、回灌性能也越高。

在水文地质条件评价工作中，需要重点对含水层的渗透性、有效孔隙度、孔隙发育状况进行定量分析，并对规划开采层的富水性(单位涌水量)和回灌目标含水层的回灌率进行重点评价，为区域浅层地温能的开发潜力及开发利用方式选取提供重要的评判依据。上述参数一般需要通过水文地质勘探、野外试验及数值模拟反演参数等多种途径获取。需要指出的是，某一水文地质单元或行政区内的地下含水层通常是非均质的。为提高评价精度，常需要将评价区划分为若干个亚区。对于各个亚区，各项水文地质参数取相同值。

(二)地下水补径排及动态特征

1.地下水补径排条件

地下水的补给、径流和排泄是地下水循环的三个基本环节，也是地下水水量和水质形成的最重要控制因素。已有研究结果表明，浅层地温能开发的并不是存储于地下的静态能量，而是参与循环或调节的能量，其中不仅包括来自地球内部的能量、太阳辐射的能量，还包括人为注入或汲取的能量。在地下水的补给与排泄过程中，地下水与外界环境不仅有物质交换，还伴随着能量与信息的交换。因此，地下水补给、径流和排泄条件也是制约区域地层热量循环和调节能力的重要因素。在区域地下水的补给、径流和排泄条件评价工作中，通常需要对如下内容进行分析和评价:

(1)地下水的补给来源和排泄方式。补给来源一般包括大气降水入渗补给、地表水体入渗补给、各种人工补给方式等。地下水的排泄方式因含水层的类型和埋藏条件而异，主要包括潜水蒸发、地下水向地表水体排泄(包括泉排泄)以及数量占绝对优势的人工开采等。需要补充强调的是，对于存在多层含水层的地区，还需要分析和评价不同含水层之间的越流补给或排泄关系及强度。

(2)地下水的补给和排泄条件。为了解区域地下水系统与外界之间及系统内部不同子系统之间地下水量、化学成分及热量的交换作用的强弱情况，需要对区域地下水补给和排泄条件进行评价，并为浅层地温能开发利用的影响评价研究提供基础信息和评判依据。

(3)地下水的径流条件。地下水径流是连接地下水补给和排泄的中间环节，或者说是地下水补给量转化为排泄量的中间过程。地下水径流条件不仅表征地下水资源的更新能力，也在很大程度上决定了地下水与所流经岩土介质及外围环境之间的物质和能量交换作用的强弱。因此，研究地下水的径流特征是研究地下水资源数量、水质及水温形成的一项必不可少的内容。

地下水径流条件的好与差，取决于一系列的地质及自然地理因素，其中最重要的影响因素是含水层的渗透性和地下水水力坡度。一般说，岩层的渗透性愈好，水力坡度越大，径流条件越好，二者必须同时具备，缺一不可。

地下水径流条件评价通常需要查明区域地下水的径流方向、水力坡度、径流速度等。

2.地下水动态变化特征

地下水动态是指地下水各要素随时间的变化规律，包括水位、流量、流速、流向、水质和水温等。

从地源热泵采能系统的运行角度考虑，地下水的动态变化越小，系统的运行通常越稳定。但在某些特殊的情况下，地下水的动态变化往往也会对地源热泵采能产生有利的影响。如地下水流速的增加将有助于采能区温度场的恢复，减小因采能活动(储存热量或汲取热量)引发的温度场变化幅度及影响范围。

地下水动态变化特征评价需要对区域地下水的水位、流速、流向、水质及水温等参数的季节性波动情况及趋势性变化规律进行评价，以便为地源热泵采能工程设计提供参考依据。

需要特别指出的是，目前我国许多地区的地下水处于严重超采状态，地下水水位一直持续下降。有些地区因地下水的过量开采，甚至出现了较为严重的地面沉降、海水入侵等环境地质问题。对于这些地区，在地下水动态变化评价工作中，需要对地下水位、水质及水温变化趋势进行分析和预测。

(三)地温条件评价

尽管地源热泵采能技术对地层的温度要求不是非常苛刻，我国绝大部分地区均具备浅层地温能开发利用所需的地层温度条件，但是，从系统长期、稳定、高效运行和采能活动负面影响较低的角度考虑，区域开采目标层应具备较适宜的温度环境。为此，在水文地质调查和评价工作中应对地层温度分布、水温分布及其动态变化进行调查和评价，确定恒温带的温度和深度。

一般而言，热交换目标层及地下水的温度应高于6℃，温度太低，将导致供暖区的回水温度过低。但温度也不宜超过30℃，否则制冷期的回水温度将偏高。对于有冷暖需求的采能系统，热交换目标层的环境温度在10℃～25℃为宜。

(四)地下水水质评价

地下水水质评价是水文地质条件评价中一项非常重要的内容。对于浅层地温能开发利用而言，地下水水质能否符合要求，是否需要经过特殊的处理，是浅层地温能开发利用决策及采能工艺设计必须慎重考虑的一项重要因素。浅层地温能开发利用的地下水水质评价工作主要包括水质现状评价和水质预测评价两部分内容。具体而言，就是根据现阶段国家颁布的规范、标准，按照浅层地温能开发对水质的要求进行水质现状定量评价，查明区域地下水的物理性质、化学成分及其变化规律，分析和研究地下水水质对地源热泵采能系统设备的潜在影响，并评价和预测浅层地温能开发活动(工程建设施工及系统运行)对区域水质的潜在负面影响。

从地源热泵采能系统长期、稳定运行的角度考虑，需要结合地源热泵采能系统的实际特点开展区域水质评价工作，分析和研究区域地下水对地源热泵采能工程(地下取水工程、热交换系统等)的影响。

对地源热泵用地下水水质的基本要求是澄清、水质稳定、无腐蚀性、不滋生微生物或生物、不结垢、不阻塞等。地下水对水源热泵机组的有害成分有铁、锰、钙、镁、二氧化碳、溶解氧、氯离子等，酸碱度也是对水源热泵机组有影响的因素之一。水源热泵用地下水水质参考标准如表2－13所示。

区域地下水水质可参照《地下水质量标准》(GB/T14848－93)进行评价。鉴于地源热泵采能系统的建设与运行特点，除常规的区域地下水水质评价项目外，还需要重点对地下水的腐蚀性和结垢性进行评价。

1.腐蚀性评价

应对地下水中由于Cl^－，SO^2－₄，CO^2－₃等的存在而导致对金属(如铜和碳钢)的腐蚀性作出评价。另外，地下水对管线设施的腐蚀影响，一般应在工程中通过试验(最基本的试验是挂片试验)作出评价，确定不同材料的腐蚀率。可参照工业用腐蚀系数来衡量地下水的腐蚀性，具体评价方法如下:①若腐蚀系数K_k>0，称为腐蚀性水;②腐蚀系数K_k<0，并且K_k+0.0503Ca²⁺>0，称为半腐蚀性水;③腐蚀系数K_k<0，并且K_k+0.0503Ca²⁺<0，称为非腐蚀性水。

表2－13 地下水地源热泵水质要求表

①引自《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019－2003)。

②引自赵峰等，2005。在此文中矿化度≤500mg/L。

腐蚀性系数的计算:

对酸性水K_k=1.008×(rH⁺+rAl³⁺+rFe²⁺+rMg²⁺－rHCO^－₃－rCO^2－₃)

对碱性水K_k=1.008×(rMg²⁺－rHCO^－₃)

式中:r———离子含量的每升毫克当量(毫摩尔)数。

2.结垢性评价

地下水中的钙盐是造成空调系统结垢的主要成分。要对地热流体中所含钙、镁和铁等组分产生结垢的可能性作出评价，评述结垢程度。对结垢较严重的地下水，在工程中还应做防垢试验，提出较为经济合理的解决办法。可参照工业用锅垢总量来衡量地下水的结垢性，具体评价方法如下:①若锅垢总量H₀<125，称为锅垢很少的地下水;②锅垢总量H₀=125～250，称为锅垢少的地下水;③锅垢总量H₀=250～500，称为锅垢多的地下水;④锅垢总量H₀≥500，称为锅垢很多的地下水。

锅垢总量的计算:

H₀=S+C+36rFe²⁺+17rAl³⁺+20rMg²⁺+59rCa²⁺

式中:S———地热流体中的悬浮物含量(mg/L);

C———胶体含量，C=SiO₂+Fe₂O₃+Al₂O₃(mg/L);

r———离子含量的每升毫克当量数。

对氯离子含量高(超过25%摩尔当量)的地下水，可采用拉申指数(LARSON)判断碳酸钙的结垢趋势。拉申指数按下式计算:

浅层地温能资源评价

式中:L_i———拉申指数;

Cl———氯化物或卤化物浓度;

SO₄———硫酸盐浓度;

ALK———总碱度。

三项均以等当量的CaCO₃(mg/L)表示。

当L_i>0.5时，不结垢;当L_i<0.5时，可能结垢。

3.地下水污染评价

在地下水污染区、枯咸水赋存区及地下水中存在热敏感组分的区域开发浅层地温能，如果开发利用不合理或未采取妥善的措施，容易引发含水层地下水污染问题。为避免污染的发生，需要对区域地下水环境、污染状况及潜在的热污染问题进行分析和评价，以便提前制定妥善的对策和措施。

(1)地下水污染状况评价。地下水污染问题是当前我国地下水面临的一个非常重要的问题。由于人类活动的影响，加上缺乏有效的管理与保护措施，许多地区的浅层地下水遭受不同程度的化学污染。在浅层地温能开发利用过程中，由于工程设计和施工不合理，浅层地温能开发活动沟通了上下含水层之间的联系，从而诱发未污染含水层中的地下水污染问题。为解决地下水诱发污染问题，在进行区域水质评价时，需要对区域地下水污染状况、污染源的类型及空间分布特征等进行调查和评价，分析浅层地温能开发活动对相邻地下水含水层的潜在污染风险和影响，以便提前制订处理方案和应对措施。

(2)区域劣质水调查与评价。由于地质成因作用，有些水文地质单元中不同含水层的水质相差较大。有些含水层的水质较好，是当地地下水开发利用的重要目标层位;而有些含水层的水质较差，不适宜生活或其他用途。浅层地温能开发利用过程中，钻井施工及地下水混层开采和异层回灌，容易导致不同含水层的混层污染。如华北一些地区浅层地下水为咸水，一些沿海地区也分布有局部入侵咸水体。如果处理不当，极易引发相邻含水层的污染。为防止此类事件的发生，需要对不同层位地下水水质进行分层评价，分析和预测混层污染的可能性及其影响，提前做好防范设计和制定应对措施。

(3)热敏感物质评价。有些工程采能负荷较大，且冬夏两季的供暖和制冷负荷悬殊或系统只设计单冷或单暖模式。此类热泵采能系统的长期运行，将导致局部地温场的陡增、陡降或趋势性变化，在浅部地层中形成所谓的“热堆积”和“冷窟”。如果含水层中存在对温度变化比较敏感的化学物质，可能因热污染造成水质的显著变化。因此，需要对区域水质中是否存在热敏感物质进行认真分析和调查研究，评价和预测热化学污染作用对地下水水质的潜在影响及其影响范围和程度，为区域浅层地温能资源开发利用决策及水质热污染应对措施的制定提供重要依据。

(五)区域地质环境评价

由于近年来人类活动的影响，加上特殊的地质条件，我国许多地区存在地面沉降、地裂缝、地面塌陷等地质环境问题。为防止浅层地温能开发诱发地质灾害，同时避免地质灾害对地源热泵采能系统的破坏和影响，指导浅层地温能的开发利用规划和地源热泵采能系统的选型和工程布局，需要对区域地质环境问题进行调查和评价。

区域环境问题调查和评价工作需要对区内地质灾害问题、发生的频率及严重程度进行调查和统计，如地面沉降、地裂缝的位置、分布范围、迹象、危害程度、形变速率等，分析诱发地质灾害的主要原因，预测地质灾害的发展趋势。