武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分区_图文

1、文章编号:1672-8262(200905-143-04 中图分类号:P 641.4 文献标识码:B武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分区官善友*,龙治国,周淼* 收稿日期:2009 05 15作者简介:官善友(1968 ,男,在读博士,高级工程师,主要从事岩土工程技术管理及研究工作。(武汉市勘测设计研究院,湖北武汉 430022摘 要:影响地下水地源热泵系统应用适宜性的主要因素为水文地质条件和对环境的影响程度。文章阐述了武汉市区岩土的工程地质条件、水文地质条件,分析了地下水地源热泵系统应用对环境产生的影响,采用多种方法对武汉市区地下水资源量进行了计算,在此基础上,考虑水文地质条件和对环境的

2、影响程度两个主要因素,将武汉市区地下水地源热泵系统应用划分为适宜区、基本适宜区、适宜性差和不适宜区4个区,并进行了分区评价。关键词:城市;地下水;地源热泵系统;适宜性分区1 引 言热泵技术是一种能将低品位能源(空气、自然水体、土壤等提升到高品位能源的技术,该技术源于1912年瑞士的一个专利1。地源热泵技术作为热泵技术的一个分支,在北美及欧洲已有几十年的应用历史,它是以自然水体(江河、湖泊、地下水、岩土体(土、岩石作为冷源或热源,通过传能介质(水或添加防冻液的水溶液,冬季向热泵提供热量,夏季向热泵提供冷量,从而实现既可制冷又可供暖的功效。地源热泵系统根据地热能交换系统形式的不同,分为地埋管地源热

3、泵系统、地下水地源热泵系统和地表水地源热泵系统2。地下水地源热泵应用于工程实际已有50多年的历史34,在应用过程中,它的取热和回灌方式发生着变化,按照回灌方式可把地下水地源热泵分为直流式地下水地源热泵、导井回灌地下水地源热泵和同井回灌地下水地源热泵3种5。直流式地下水地源热泵由于没有回灌井,会造成地下水资源浪费和一定程度的地下水环境破坏;而同井回灌地下水地源热泵虽有占用更少场地、减少水井数量、节省初投资等优点,但其对含水层渗透性和回灌技术要求很高,适用范围受到限制;因此,目前武汉地区应用最多的是导井回灌地下水地源热泵系统。由于地下水地源热泵系统应用是否适宜主要取决于水文地质条件,以及预测评估在

4、运行过程中对环境的影响程度,因此,地下水地源热泵系统在推广应用时,应注重应用场地的水文地质条件和对环境的影响6,对该技术应用适宜性进行分区和评价。2 水文地质条件武汉市区地处江汉平原与鄂东南丘陵、山地的交接地带,具有明显的丘陵平原的地形特点,分为剥蚀丘陵、剥蚀堆积平原及堆积平原3种基本地貌类型。2 1 工程地质分区武汉市区分布古生界至新生界地层,按照地形地貌、地层岩性划分为4个工程地质区(表1:长江冲积一级阶地区( (分为一级阶地冲积平原亚区( 1、一级阶地湖积亚区( 2、长江冲积二级阶地区(!,又称隐伏老粘性土区、长江冲积三级阶地区(,又称老粘性土区、及剥蚀丘陵区(#。工程地质分区说明表 表

5、1区亚区分布及地貌主要地层岩性水文地质条件工程性能评价1汉口城区广泛分布,武昌城区、汉阳城区、东西湖区沿江一带分布,地形平坦。表层为厚度不大的人工填土,地面下1020m 深度内主要以软塑可塑状粘性土为主,其下至基岩以稍密密实状、厚度1540m 砂土为主,在砂土底部一般混夹有卵砾石。基岩以砂岩、泥岩为主。人工填土中含上层滞水,沿江一带粉土层含潜水,砂土中含全新统孔隙承压水,砂岩中含基岩裂隙水。上部填土强度低,软塑可塑状粘性土强度一般,砂土承载力相对较高,但地下水丰富,易坍塌。下伏基岩工程性质良好。2长江冲积一级阶地汉口及武昌临江地带广泛分布,原为湖区,大部分已被人工填平。武昌沙湖及东湖湖盆边缘零

6、星分布。表层为厚度不大的人工填土,地面下1020m 深度内主要以软流塑状的淤泥、淤泥质土及软流塑状的粘性土为主,其下至岩面以稍密密实状、厚度1840m 砂土为主,砂土底部一般混夹有卵砾石。基岩以砂岩、泥岩为主。人工填土中含上层滞水,粉土层含潜水,砂土中含全新统孔隙承压水,砂岩中含少量基岩裂隙水。上部填土、淤泥、淤泥质土及软粘性土强度低,淤泥、淤泥质土及软粘性土易触变,砂土承载力相对较高,但地下水丰富,易坍塌。下伏基岩工程性质良好。!分布在武昌青山区、东西湖区广大地区,地形平坦,局部地形相对低洼,形成湖区。表层为厚度不大的人工填土,地面下510m内主要为软可塑状粘性土,中部以硬塑状老粘性土为主,

7、下部以厚度130m砾质砂土为主。下伏基岩主要为白垩下第三系砂砾岩。人工填土中含上层滞水,砾质砂土中含上更新统孔隙承压水,砂砾岩中含基岩裂隙水。上部填土强度低,软可塑状粘性土强度一般,老粘性土强度较高、但遇水易软化,砾质砂土承压水丰富,易坍塌。下伏基岩工程性质良好。分布在武昌、汉阳广大地区,地形较平坦,部分地段波状起伏,局部地段地势低洼,形成湖区,中南路沿线东侧为原长江古河道。表层为厚度不大的人工填土和软可塑状一般粘性土,中部一般为硬塑状老粘性土,局部夹碎石,下伏基岩以志留系砂岩、泥岩为主,局部为灰岩和泥盆系石英砂岩。中南路一带老粘性土下部分布有碎石、卵石及砾质砂土。人工填土中含上层滞水,卵石及

8、砾质砂土含上更新统孔隙承压水,砂岩及石英砂岩含少量基岩裂隙水,灰岩中含裂隙岩溶水。上部填土强度低,软可塑状粘性土强度一般,老粘性土强度较高、但遇水易软化,碎石、卵石及砾质砂土强度高,但卵石、砾质砂土承压水丰富,易坍塌。下伏基岩工程性质良好。#分布在武昌、汉阳的残丘,原始地形起伏大。表层为薄层残坡积土,下部为志留系砂岩、泥岩、泥盆系砂岩,局部有厚度不大的老粘性土混碎石。人工填土含少许上层 滞水,砂岩中含少量基岩裂隙水。残坡积土强度一般,基岩及老粘性土混碎石强度高,但遇水易软化。2 2 水文地质条件武汉市区地下水类型及含水岩组划分7 表2地下水类型含水岩组水文地质参数松散岩类孔隙水全新统孔隙上层滞

9、水含水岩组全新统孔隙潜水含水岩组渗透系数/m/d0 260 678全新统孔隙承压含水岩组渗透系数/m/d10 1032 48上更新统孔隙承压含水岩组渗透系数/m/d115碎屑岩类裂隙孔隙水上第三系裂隙孔隙承压含水岩组渗透系数/m/d2 0615 64碎屑岩类裂隙水白垩下第三系裂隙承压含水岩组单井涌水量/m3/d10100碳酸盐岩裂隙岩溶水三叠系下统碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组单井涌水量/m3/d65 651828石炭系上统二叠系下统碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组渗透系数/m/d0 153 098武汉市区被长江、汉江分割,形成3个大的相对独立的水文地质单元,各单元发育的地层岩性有所不同,相应形成不同的地下

10、水赋存空间。根据地下水的赋存状况,将武汉市区地下水分为4种类型,8个含水岩组(表2。从地下水类型、分布、含水层厚度及渗透性等方面综合分析,全新统孔隙承压含水岩组是武汉市区地下水地源热泵系统应用较理想的含水层。3 地下水地源热泵系统应用对环境的影响应用地下水地源热泵系统,在地下水抽取与回灌过程中,可能造成的环境影响主要表现为1:一是引发或加剧地下水质恶化及污染,导致地下水质量下降;二是在岩溶地面塌陷潜在危险区,易引发岩溶地面塌陷;三是大面积应用,当地下水回灌效果难以保证时,将形成区域降水漏斗或产生地面沉降。(1地下水质量变化集中开采地下水往往会造成地下水化学组分天然状态的破坏,导致地下水质量下降

11、。武汉市区第四系孔隙承压水含水层中有机质成分达30余种9,其中以苯及相关苯系物为主,这些化合物的毒性很大,会对环境和人体产生严重的影响。这些有机质污染的主要原因可能与工业生产的废水排放或污水泄漏相关,而且工业化程度高的汉口城区、汉阳城区的地下水有机质污染高于工业化程度相对较低的东西湖区。此外,武汉市区的全新统孔隙承压水的亚铁(Fe2+离子含量较高,此离子遇到空气易氧化,形成红色三价铁离子(Fe3+化合物后沉淀,回灌后将造成地下水污染10。(2岩溶地面塌陷在岩溶地面塌陷潜在危险区,如武昌陆家街 毛坦港、汉阳中南轧钢厂一带(图1,由于覆盖型碳酸盐岩与第四系松散砂土直接接触,全新统孔隙承压水与碳酸盐

12、岩裂隙岩溶水存在互补关系,因此在这些区域应用地下水源地源热泵系统,将改变地下水动水力条件,引发岩溶地面塌陷。图1 武汉市区碳酸盐岩分布图(3地面沉降不合理开采地下水,将使含水层中地下水位下降,使土层中孔隙水压力降低,土颗粒自重压力增加,导致地层固结,造成地面沉降。在地下水源地源热泵技术推广应用过程中,若地下水不能及时回灌或回灌量不足,致使地下水位持续下降,则可能造成地面沉降;若沉降量较大或差异沉降过大,可能导致地面建(构筑物受损或破坏。4 地下水地源热泵系统应用适宜性分区评价4 1 地下水资源量地下水地源热泵系统应用的首要条件就是地下水资源能够满足应用区域内可取水总量的要求。地下水资源量采用水

13、动力学法进行计算,可取水量分别采用均衡法、有限单元法、R-C%电网络模拟法进行计算。综合计算成果列表311。4 2 武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分区评价根据含水层类型、性质、渗透性,地下水资源量,地下水地源热泵系统应用对环境可能的影响程度,将武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分为适宜区、基本适宜区、适宜性差区和不适宜区4个区,其中不适宜区进一步细分为2个亚区(图2。适宜区、基本适宜区、适宜性差区和不适宜区的面积百分比分别为46 4%、13 5%、3 7%、36 4%。分区评价详见表4。武汉市区地下水资源量 表3行政区地下水类型区域地下水资源量104m3/a武昌城区全新统孔隙承压水徐家

14、棚地区1290武钢胡家墩2587白沙洲地区875裂隙岩溶水白沙洲武汉工程大学277.155029.15汉口城区全新统孔隙承压水汉口城区29812981汉阳城区全新统孔隙承压水黄金口地区560鹦鹉洲地区637裂隙岩溶水鹦鹉洲、太子湖78.251275.25东西湖区全新统孔隙承压水慈惠墩走马岭辛安渡3998上更新统孔隙承压水东流港三店农场367碎屑岩裂隙水东流港水岗2604625合计13910.4武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分区评价 表4分区及代号分布范围面积km2地下水类型地下水资源量/104m3/a适宜性评价适宜性需注意的问题适宜区(分布于武昌徐家棚地区、武钢胡家墩、白沙洲,汉口城区,

15、汉阳鹦鹉洲、黄金口,东西湖慈惠墩走马岭辛安渡。575.73全新统孔隙承压水11325适宜的含水层为厚度1540m全新统粉细砂、及其底部厚度0.55.0m的砾卵石,渗透性较好,地下水资源丰富、与长江和汉江水互补。适宜地下水地源热泵系统应用。应科学规划地下水地源热泵系统的应用,采取切实有效的地下水回灌措施,避免大规模、过度开采地下水而造成地面沉降。基本适宜区(!分布于东西湖东流港三店农场、东流港水岗。167.48上更新统孔隙承压水、碎屑岩裂隙水627可供地下水地源热泵系统的含水层为厚度415m的上更新统砂土、砾卵石,以及上第三系碎屑岩裂隙水,为含偏硅酸的饮用天然矿泉水。应适当限制地下水地源热泵系统

16、应用。地下水为含偏硅酸的饮用天然矿泉水,属液体矿产资源;东西湖啤酒厂因过渡开采地下水,已造成地下水位降落漏斗,应适度限制地下水地源热泵系统应用,避免对地下水的污染和造成地面沉降。适宜性差区(分布于武昌白沙洲武汉工程大学,汉阳鹦鹉洲太子湖南湖。45.4裂隙岩溶水355.4可供地下水地源热泵系统的含水层为碳酸盐岩裂隙岩溶水,含水层上覆上更新统粘性土。受地质构造、裂隙、岩溶发育程度及连通性等因素影响,地下水量变化大。局部区域应用地下水地源热泵系统时应科学论证,并避免产生岩溶地面塌陷。不适宜区(#地下水贫水区(#1分布于武昌、汉阳、东西湖的长江冲积三级阶地。425.52少量上层滞水、碎屑岩裂隙水贫水为

17、地下水贫水区,不适宜应用地下水地源热泵系统。不宜应用地下水地源热泵系统。岩溶地面塌陷危险区(#2分布于武昌陆家街毛坦港,汉阳中南轧钢厂。25.85全新统孔隙承压水、裂隙岩溶水全新统孔隙承压水与碳酸盐岩裂隙岩溶水存在互补关系,易引发岩溶地面塌陷。不适宜应用地下水地源热泵系统不适宜应用地下水地源热泵系统。图2 武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分区图5 结 语武汉市降雨充沛、地下水较丰富,具备应用地下水地源热泵系统的基础条件。但由于地质构造较复杂、岩土性质变化大,主城区有隐伏碳酸盐岩分布,地下水地源热泵系统应用可能产生地下水污染、岩溶地面塌陷和地面沉降等环境问题。根据武汉市区含水层类型、性质、渗

18、透性,地下水资源量,地下水地源热泵系统应用对环境可能的影响程度,将武汉市区地下水地源热泵系统应用适宜性分为适宜区、基本适宜区、适宜性差区和不适宜区4个区,面积百分比分别为46 4%、13 5%、3 7%、36 4%。适宜区水文地质良好,适宜应用地下水地源热泵系统;基本适宜区水文地质条件一般,局部已形成地下水位下降漏斗,宜适度控制地下水地源热泵系统应用;尽量避免在适宜性差区应用地下水地源热泵系统;不应在不适宜区应用地下水地源热泵系统。参考文献1 肖建华,廖建生,官善友.武汉市应用地源热泵技术的有关问题探讨J.城市勘测,2006(42 G B50366-2005.地源热泵系统工程技术规范C.3 H

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