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1、传统水文地质勘察在水源热泵市场上的应用以北京人民警察学院水源热泵工程为例 王立发 江剑北京市地质工程勘察院 100037摘要 水文地质勘察技术是地下水地源热泵技术的核心，也是地下水地源热泵项目能否成 功运用于实践的关键。本文通过介绍北京人民警察学院水源热泵项目实例，对此做了论述。 关键词水源热泵水文地质勘察地下水0引言水源热泵技术由成熟的暖通空调技术、热泵机组技术和地质勘察技术组成。在我国， 暖通空调技术和热泵机组技术已经得到了长时间、广泛的应用，已非常成熟。因此，水源热 泵技术能否成功应用的关键是地质勘察技术能否解决能源的提取与水资源的保护的问题。在 推广水源热泵技术实践过程中，由于各地区地
2、质和水文地质条件的复杂性和多变性，导致各 地区岩（土）层的导热性和水文地质参数差异巨大，在一个地区能成功应用的地下换热系统， 在另一地区往往并不适用。目前，由于一些水源热泵工程承包方（主要为热泵机组厂家、系 统集成商和暖通空调安装公司）不了解各地区地质、水文地质条件和回灌工艺，盲目承包水 源热泵系统工程，导致出现了许多不该出现的问题，如抽取的地下水回灌不下去或回灌量不 足，不仅浪费了宝贵的地下水资源，还造成不良的生态、环境和经济后果。本文以北京人民 警察学院水源热泵项目为例，详细介绍了传统水文地质勘察技术在水源热泵市场上的应用。1项目简介北京人民警察学院位于昌平区南口镇辛庄村北，太平庄西侧，见
3、交通位置图1。工程总 建筑面积约18万m2。图-1北京人民警察学院交通位置图比例尺：1： 66666校区平面划分为四个区域：前区、中区、后区和山地区。前区为教学区，包括行政教 研楼、图书馆、教学实验楼、阶梯教室。中区为宿舍区，包括学员宿舍及食堂、警官宿舍及 食堂、教师宿舍。后区为场馆区，包括警务技能馆、体能馆、游泳馆、大礼堂、标准运动场、 干部研修楼。山地区为外研区，包括外研楼、物业楼、下沉式靶场。校区共有20余栋建筑，均为多层建筑。行政教研楼5层，地下1层；礼堂3层，地下 1层；其余为2-4层建筑。外墙材料为300厚加气混凝土砌块，传热系数为0.82W/( m2K)。 屋面保温材料为60厚的
4、聚苯板或金属保温板，传热系数为0.6-0.78W/( m2.K)。外窗铝合金 双玻窗，传热系数为3.5W/( m2-K)02热泵技术方案选择工程设计方在综合比较了各种传统的供暖、制冷方案后，决定采取经济、环保、节能 的热泵中央空调技术实现北京人民警察学院的冬季供暖、夏季制冷和常年生活热水。经设计 方计算，采暖热负荷为15153KW，空调冷负荷为16081KWo北京市地质工程勘察院受北京人民警察学院筹备处委托，承担了热泵技术方案的地下 换热系统的勘察设计与施工任务。由于热泵技术按换热器交换形式的不同分为：地埋管地 源热泵技术；地下水地源热泵技术；地表水地源热泵技术，其中地下水和地表水地源热 泵技
5、术就是常说的水源热泵技术。由于由于拟建场区周边无地表水可用，因此地表水地源热 泵技术不纳入考虑范围。在接受任务后，我院立即组织了地质及水文地质专家对现场进行了初步踏勘，并结合 分析、整理前人工作的成果资料，初步查明： 场区位于虎峪冲洪扇顶部，第四系地层以砂卵砾石层夹粉土、粘土层为主，埋深在4 0-90m之间，下伏蓟县系县雾迷山组灰岩，场区地层岩性见表1o表-1场区地层岩性表深度岩性深度岩性0一2.5m表土3035m泥含砂2.514.5m卵石含砂3543m卵石14.521m细砂含卵石4346m卵石2130m卵石4658m风化基岩 场区第四系含水层以砂卵砾石层为主，富水性不均一，单井出水量一般小于
6、150m3/d， 由于场区位于冲洪扇顶部，地下水埋藏较深，如场区内原有一农业井水位埋深达到77.20m， 含水层几乎被疏干。 场区第四系地下水补给来源主要有：雨季洪水形成地表径流入渗补给；大气降水入渗 补给；山区基岩地下水侧向径流补给。场区地下水消耗主要为：侧向径流和人工开采。 场区地下水动态明显具有冲洪扇顶部潜水动态特征，雨季来临前地下水处于最低水 位，雨季来临后水位迅速回升，水位变幅在10-20m。由上述水文地质条件可以分析得出，如果在场区采用地埋管地源热泵技术存在以下两 个主要问题： 初步测算，为了满足系统最大负荷运行，按每孔深度100m，下入单U，PE管计算， 需凿孔4000个左右，由
7、于场区地层主要为砂卵砾石层，施工小口径孔（150mm）难度巨 大，几乎不可能完成，如果加大成孔口径则成本大幅度上升。 如果按正方形布置4000个孔，需占地超过10万m2,很明显场区是无法找出这么大 面积的空地。运用初步的水文地质勘察结论，通过上述分析可以得出：地埋管地源热泵技术在场区 存在两个无法解决的技术障碍，不能采用。3水源热泵地下水换热系统勘察通过初步的水文地质勘察论证，场区唯一能采用的热泵技术方案只有地下水地源热泵 方案。经设计部门计算，系统按最大负荷运行时，总计需水量1170m3/h。场区第四系含水层富水性不均一，受季节性影响较大，旱季时含水层已部分被疏干， 不具有稳定供水意义。至此
8、，一般非地质勘察专业的水源热泵工程承包方将放弃该项目，认 为该区无可供地下水资源或盲目在第四系地层凿井取水，最终导致出现主机、外管线、室内 中央空调系统已安装就绪的情况下却无水可取的局面，带来巨大的经济损失。因此，通过地 质勘察技术能否找到足够的地下水资源已成为北京人民警察学院水源热泵供暖、制冷工程能 否上马的关键。我院地质勘察专家在初勘时已发现场区下伏基岩为蓟县系雾迷山组白云岩、白云质灰 岩。该地层为北京地区三大基岩岩溶地下水供水岩层之一（奥陶系灰岩、寒武系灰岩和蓟县 系白云岩），也是北京地区地热资源主要开采目的层。因此，勘察场区下伏蓟县系雾迷山组 白云岩、白云质灰岩含水层的水文地质条件成为
9、本次勘察工作的重点。3.1勘察工作任务、方法勘察工作任务是：评估拟建场区基岩（蓟县系雾迷山组）含水层小时取水量1170m3的可 行性；如果取水可行，进一步评估所取水量全部回灌的可行性；然后设计抽、灌井数量、分 布、结构等。我院在拟建场区地质及水文地质研究程度较高，本次勘察工作搜集、整理和分析前人研 究成果为主，并适当补充地下水位动态观测。3.2勘察工作分级及工作区范围经设计部门计算，系统最大负荷运行时，需水量为1170m3/h，也就是高峰日需水量已 达28080m3。按供水水文地质勘察规范（GB50027-2001）要求，符合中型水源地标准 （1万m3/dW 需水量5万m3/d）。场区附近地质
10、构造极为复杂，断裂发育，主要为北东向和北西向构造，在场区西南2.5 -3km处分布有南口一孙河断裂，场区西北2.5km处分布有南口山前断裂及阳坊一西沙屯断 裂（区域地质构造图略）。场区下伏蓟县系雾迷山组含水层位于岩溶地下水补给区，埋藏较 深，富水性不均一，按水文地质条件复杂程度分类定为中等。我院在该区已进行了一定的水文地质勘察工作，已有多份勘察成果报告，据此将场区勘 察阶段定为勘探。按勘察工作分级确定勘察工作区范围（勘察工作区范围图略）。3.3勘察工作成果通过一个月左右勘察工作，我院地质及水文地质专家查明了场区下伏蓟县系雾迷山组含 水层的岩性、埋藏分布特征、富水性等，成果简述如下。3.3.1勘
11、察工作目的层岩性特征蓟县系雾迷山组白云岩、白云质灰岩主要分布于太平庄山前至平原地带，隐伏于山前第 四系冲洪积物之下，在场区成NE-SW条带状分布。岩性主要为灰白色白云岩、白云质灰 岩、燧石团块白云质灰岩及结晶白云岩。3.3.2勘察工作目的层水文地质特征场区下伏蓟县系雾迷山组岩石风化破碎严重，岩溶裂隙发育，特别是在断裂构造带附近 岩溶裂隙尤其发育，表明该含水层富水性好，储存量大，渗透性强，回灌能力强是理想的供 水水源目的层。据前人抽水试验资料，该含水层涌水量可达150m3/h。近年来，由于地下水 位持续下降，出水量应该有所降低。3.3.3勘察工作目的含水层补、迳、排条件场区下伏蓟县系雾迷山组含水
12、层补给来源除少量大气降水通过入渗补给第四系，再进一 步渗透补给本层外，主要为北部裸露基岩山区接受大气降水入渗补给后侧向迳流补给。人工 开采和向南侧向迳流出本区是含水层主要排泄渠道。3.3.4勘察工作目的层水化学特征、水温据前人资料，场区下伏蓟县系雾迷山组含水层地下水水化学类型单一，属HCO-3-Ca2+- Mg2+型水，矿化度400mg/l左右，总硬度220mg/l左右，水质良好，符合饮用水卫生标准 （GB5749-85）。根据前人资料，该区地下水实测水温为15C。3.3.5勘察工作目的层地下水动态特征场区下伏蓟县系雾迷山组含水层地下水位埋深约在80m左右，每年6、7月份水位最低， 8、9月份
13、水位最高，年均变幅在5m左右。3.4勘察成果综合评估蓟县系雾迷山组含水层岩溶裂隙发育，富水性好，渗透性强，单井涌水量可达150m3/ h，并且其储存量大，水质良好，施工8眼水井即可满足水源热泵项目的用水需求。蓟县系雾迷山组含水层补给区位于北部山区，补给面积大，加之所取水量在提取能量 后还要全部回灌入地下，因此取水量是完全有保证的。蓟县系雾迷山组含水层水质、水温均符合水源热泵项目要求，但由于水位埋深大，需 多耗电能从井中抽水。为尽量将抽取的地下水回灌入同一含水层中，还需施工8眼与抽水井完全相同结构的 回灌井。因单井回灌量小于取水量，还需施工4座沉砂回灌辐射井，其原因是减少造价昂贵 的基岩井数目，
14、从水文地质角度讲由于场区第四系地下水渗透补给蓟县系雾迷山组含水层地 下水，因此地下水回灌入第四系地层中后，实际上也能渗透补给基岩水。因此，只要抽、灌井分布、设计合理，场区隐伏蓟县系雾迷山组含水层完全可以满足 水源热泵工程需水量的要求。4抽、灌井分布、设计、施工4.1抽、灌井分布水源热泵空调系统夏季制冷和冬季供暖运行时，必然会改变区域地下水原始流场。在 抽水井周围地下水等水位线呈“锥”状，相反在回灌井周围地下水等水位线呈“漏斗”状。 地下水温度场也会随着地下水流场的改变而改变。具体的说，随着回灌水在含水层中的缓慢 流动，回灌水的温度会逐步与地下水常温趋一致，也就是回灌水在地下含水层中会有一个“温
15、 度影响半径”，其大小受到回灌量、回灌温度与地下常温的差值大小、含水层的渗透性和热 传导率等因素控制。如果抽、灌井之间的距离小于“温度影响半径”，将发生“热突破”现 象，导致在夏季制冷期，抽水井处的温度将升高，而在冬季供暖期，抽水井处的地下水温度 降低。其结果最终会导致水源热泵空调系统的运行效率降低。因此，合理的抽、灌井间距是 水源热泵空调系统高效运行的重要因素。开采井、回灌井的布设原则应是在充分了解当地水文地质条件的基础上结合以下因素 共同确定： 工程的开采（回灌）水量； 地下水开采时温度和回灌温度（能量提取大小）； 地下含水层的渗透性和空隙率； 地下含水层厚度、地下静、动水位及地下水流场； 应尽量避免对地下水的自然状态产生影响，不能产生相关的环境地质问题。在综合考虑了上述因素后，抽、灌井和沉砂辐射井分布方案见图-4。该地区水源上游为 东北方向，8个供水井沿校区西、南边界隔布置，西南方向是该区域地下水的下游方向，井 的间距200-300米左右。8个回灌井布置在校区中部较大范围内，使回水回灌至上游，以保 证水源的充足、稳定。4.2抽、灌井设计抽、灌井设计严格按供水管井技术规范(GB50296-99)要求进行。泵室段深度需 综合考虑抽水试验成果资料、地下水位年变幅和近年来由于连续干旱造成的地下水位持续下 降的情况确定。4.3抽、灌井施工抽、灌井施工严格
