梁靜，郭全成

（新鄉(xiāng)市節(jié)約用水辦公室，河南新鄉(xiāng)453000）

河南新鄉(xiāng)地?zé)峄毓嘣囼?yàn)及可行性分析

梁靜，郭全成

（新鄉(xiāng)市節(jié)約用水辦公室，河南新鄉(xiāng)453000）

回灌是解決地?zé)崴^(guò)度開(kāi)采引發(fā)的一系列問(wèn)題的有效辦法，也是地?zé)衢_(kāi)發(fā)管理中最重要的手段之一。在對(duì)新鄉(xiāng)市地?zé)峋毓嘣囼?yàn)的基礎(chǔ)上，從回灌空間、回灌能力和開(kāi)采量3個(gè)方面對(duì)回灌的可行性進(jìn)行分析，探討了回灌時(shí)間、回灌水源、回灌場(chǎng)地和回灌方式等地?zé)峄毓嗟淖⒁馐马?xiàng)。

河南新鄉(xiāng)；地?zé)峋换毓嘣囼?yàn)；可行性分析；注意事項(xiàng)

0 引言

地?zé)豳Y源是一種寶貴的清潔能源。積極開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源對(duì)緩解我國(guó)能源資源壓力，實(shí)現(xiàn)非化石能源目標(biāo)，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。但是，由于地?zé)豳Y源形成歷史漫長(zhǎng)，地?zé)崴a(bǔ)給途徑遠(yuǎn)，徑流緩慢，再生能力較弱［1］，如果長(zhǎng)期大規(guī)模開(kāi)采，不僅會(huì)降低熱儲(chǔ)溫度和壓力，也會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，并產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題，更有可能加劇地面沉降。

新鄉(xiāng)市地?zé)崽镂挥诎碴?yáng)湯陰縣凹陷沉積盆地埋藏型地?zé)崽锬喜浚責(zé)犷愋鸵猿练e盆地型（傳導(dǎo)型）為主，熱儲(chǔ)類型為層狀熱儲(chǔ)，熱源供給主要是大地?zé)崃鱾鲗?dǎo)及深部熱能沿?cái)嗔淹ǖ缹?duì)流兩種形式。目前，新鄉(xiāng)市已有地?zé)峋?0余眼，井深為900～1 500m，單井出水量為20～60m3／h，年地?zé)崴_(kāi)采量約為90× 104m3，主要用于供暖、洗浴等。隨著周邊地?zé)衢_(kāi)發(fā)持續(xù)發(fā)展，地下水位不斷下降。為預(yù)防并解決新鄉(xiāng)市地?zé)崴o本地環(huán)境帶來(lái)的問(wèn)題，2014年，新鄉(xiāng)市節(jié)水辦和河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘探局合作，開(kāi)展了地?zé)峋毓嘣囼?yàn)。（A3）為試驗(yàn)井。試驗(yàn)井的基本信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)地?zé)峋拘畔⒈鞹ab.1 Test geothermal well basic information

1 地?zé)峋毓嘣囼?yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

地?zé)峋毓嘣囼?yàn)的目的是了解回灌量與涌水量、回灌水頭及滲透系數(shù)等參數(shù)的關(guān)系。

1.2 試驗(yàn)井基本情況

該回灌試驗(yàn)選取向陽(yáng)路與和平大道交叉口常青藤小區(qū)地?zé)峋ˋ1）、振中路師大嘉苑小區(qū)地?zé)峋ˋ2）、健康路與解放路交叉口翰林國(guó)際小區(qū)地?zé)峋?/p>

1.3 繪制回灌曲線

回灌試驗(yàn)采用同層回灌?；毓嗨?jīng)由水量控制閘閥和計(jì)量表回灌入井內(nèi)。A1回灌井的回灌試驗(yàn)于2014年7月31日8時(shí)開(kāi)始，至2014年8月4日08時(shí)結(jié)束，總計(jì)96 h，回灌量Q為15.2m3／h。A2回灌井的回灌試驗(yàn)于2014年10月13日11時(shí)開(kāi)始，至2014年10月18日07時(shí)結(jié)束，總計(jì)116 h，回灌量Q為30.1m3／h。A3回灌井的回灌試驗(yàn)于2014年11月29日6時(shí)開(kāi)始，至2014年12月3日07時(shí)結(jié)束，總計(jì)97 h，回灌量Q為30.1m3／h。根據(jù)3眼地?zé)峋姆€(wěn)定回灌觀測(cè)資料，繪制回灌曲線如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可知，在回灌期間，A1回灌井水頭共升高20.41m，回灌量穩(wěn)定時(shí)間在60 h以上；A2回灌井水頭共升高49.08m，回灌量穩(wěn)定時(shí)間在40 h以上；A3回灌井水頭共升高76.28m，回灌量穩(wěn)定時(shí)間在50 h以上。

1.4 回灌參數(shù)計(jì)算

地?zé)崴毓嗍浅樗哪孢^(guò)程。對(duì)于同一含水層而言，地?zé)崴樗睦碚摴酵瑯舆m用于地?zé)崴毓啵?］。本試驗(yàn)采用公式（1）計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)。計(jì)算時(shí)，取水頭近似穩(wěn)定時(shí)段回灌水量平均值代替出水量，用回灌水頭近似穩(wěn)定時(shí)段內(nèi)水頭升高平均值代替抽水過(guò)程中的水位降深。

圖1 A1井回灌曲線Fig.1 A1 well reinjection curve

圖2 A2井回灌曲線Fig.2 A2 well reinjection curve

圖3 A3井回灌曲線Fig.3 A3 well reinjection curve

式中：K為滲透系數(shù)，m／d；H為水頭升高，m；Q為抽水井流量，m3／d；R為影響半徑，m，取600m；M為含水層厚度，m；r為地?zé)峋霃絤；

經(jīng)計(jì)算，各回灌井的回灌參數(shù)如表2所示。

表2 地?zé)峋毓嘣囼?yàn)與抽水試驗(yàn)對(duì)比表Tab.2 Geotherm al w ell reinjection test and water pum ping test com parison

從表2可以看出，滲透系數(shù)與單位回灌量呈正相關(guān)關(guān)系，滲透系數(shù)越大，則相應(yīng)單位回灌量越大。采用穩(wěn)定流計(jì)算公式計(jì)算的回灌滲透系數(shù)為0.283～0.482m／d，抽水滲透系數(shù)為0.47～1.2m／d，前者是后者的40%～60%。于是，對(duì)于單井回灌來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間回灌將導(dǎo)致井溫下降，用水水溫得不到保障。因此，單井回灌運(yùn)行基本不可取。

1.5 回灌量、單位回灌量與水頭升高關(guān)系

回灌井回灌水量與水頭升高關(guān)系曲線如圖4所示，單位回灌量與水頭升高關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖4可知，回灌水量與水頭升高呈正相關(guān)性，大致符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。但是，隨著回灌量的增大，水頭升高幅度要大大快于回灌量增大幅度。

由圖5可知，回灌井單位回灌量與水頭升高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，變化趨勢(shì)大致呈對(duì)數(shù)函數(shù)類型。

1.6 熱儲(chǔ)溫度場(chǎng)變化分析

圖4 回灌水量與水頭升高關(guān)系曲線圖Fig.4 Reinjection water quantity and waterhead elevate relation s

圖5 單位回灌量與水頭升高關(guān)系圖Fig.5 Unit reinjection quantity and waterhead elevate relation

回灌對(duì)原熱儲(chǔ)含水層熱水溫度的影響主要取決于水源水與回灌熱儲(chǔ)層中熱水之間溫度差的大小。同時(shí)，還與回灌量及回灌過(guò)程間隔時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。溫度差大，回灌量大，回灌過(guò)程連續(xù)或間斷時(shí)間短，回灌水對(duì)熱儲(chǔ)層水溫度影響就大，影響時(shí)間也長(zhǎng)；反之，對(duì)熱儲(chǔ)中熱水溫度影響也就小，影響持續(xù)時(shí)間也短。

由于試驗(yàn)井附近沒(méi)有可供監(jiān)測(cè)熱儲(chǔ)溫度的觀測(cè)井，因此，不能從平面上具體掌握回灌水對(duì)熱儲(chǔ)水溫度影響范圍和影響程度究竟有多大。理論上，隨著回灌的進(jìn)行，水源水與熱儲(chǔ)含水層水交界面向外逐步推移，靠近回灌井處，熱儲(chǔ)中水溫與水源水溫度接近，向遠(yuǎn)處，則與原熱儲(chǔ)水溫度相仿。因此，以回灌井為中心，向外影響程度越來(lái)越小。具體到本次回灌試驗(yàn)，A1、A2、A3回灌井出水口溫度分別為64℃、40℃和42.7℃?；毓嗔肯鄬?duì)于龐大的地下熱水儲(chǔ)量，微乎其微。因此，短期回灌不會(huì)對(duì)熱儲(chǔ)層熱水溫度產(chǎn)生明顯影響。

2 回灌可行性分析

2.1 回灌空間

新鄉(xiāng)市熱儲(chǔ)層水位埋深為56～157m，特別是市中心一帶，水位埋深大，回灌自然水頭大，有較大回灌空間。因此，具備回灌條件。

據(jù)天津、北京、河北等省市地?zé)峄毓嗲闆r，當(dāng)熱水水頭埋深降到60m左右后，進(jìn)行回灌比較適宜?？紤]到新鄉(xiāng)市地?zé)衢_(kāi)發(fā)實(shí)際情況，建議地?zé)崴^埋深降低到60m應(yīng)進(jìn)行回灌，降低到80m必須進(jìn)行回灌。

2.2 回灌能力

2.2.1 自然回灌模式

根據(jù)試驗(yàn)，在自然回灌條件下，A1井回灌水量為15.2m3／h，水頭升高20.41m，單位回灌量為0.745 m3／（h·m）；A2井回灌水量為30.1m3／h，水頭升高49.08m，單位回灌量為0.613m3／（h·m）；A3井回灌水量為52.0m3／h，水頭升高76.28m，單位回灌量為0.682m3／（h·m）。但是，隨著回灌時(shí)間的延長(zhǎng)，回灌井通常會(huì)發(fā)生堵塞，熱儲(chǔ)層回灌滲透系數(shù)大大減小，回灌能力隨之大幅度降低。

2.2.2 加壓回灌模式

據(jù)天津、北京等地地?zé)峒訅夯毓嘌芯壳闆r，加壓回灌會(huì)比自然回灌取得較明顯效果。

2.3 開(kāi)采量

目前，新鄉(xiāng)市有50余眼地?zé)嵘a(chǎn)井，年開(kāi)采量約90×104m3。不論是從已開(kāi)發(fā)的地?zé)峋當(dāng)?shù)量，還是從地?zé)崴F(xiàn)狀開(kāi)采量上來(lái)看，相對(duì)于整個(gè)地?zé)崽铮€有一定的開(kāi)發(fā)潛力。

3 回灌應(yīng)注意問(wèn)題

3.1 回灌時(shí)間

地?zé)峋毓鄷r(shí)間易選在供暖期，可保障有充足的熱棄水水源。另外，在供暖期，地?zé)崴_(kāi)采量最大，水位埋深增大，有相對(duì)較大的回灌水頭差。因此，確定回灌時(shí)間宜在當(dāng)年11月至來(lái)年3月。

3.2 回灌水源

以淺層和深層地下水及可利用的地?zé)釛壦嘟Y(jié)合作為回灌水源，條件允許時(shí)，地?zé)釛壦疄閮?yōu)先選擇。

3.3 回灌場(chǎng)地

（1）熱儲(chǔ)滲透性能好，回灌流暢地段。

（2）水源井與回灌井距離適中。盡量減少長(zhǎng)距離輸水管道的鋪設(shè)，同時(shí)不宜太近，否則會(huì)過(guò)早造成熱突破，導(dǎo)致生產(chǎn)井水溫降低。

根據(jù)天津武清地?zé)崽锘毓噘Y料研究，經(jīng)數(shù)學(xué)模擬預(yù)測(cè)，回灌水量為50.4m3／h時(shí)，冷鋒面運(yùn)移到距離回灌井800m地方需要39年時(shí)間（熱儲(chǔ)平均厚度按12m計(jì)，熱儲(chǔ)總厚度的10%），即當(dāng)生產(chǎn)井距離回灌井800m時(shí)，在20～30年內(nèi)不會(huì)引起熱突破。而實(shí)際操作過(guò)程中，回灌工作只在冬季取暖期進(jìn)行，其余時(shí)段，回灌水將從巖體吸收更多的熱量，進(jìn)一步減緩熱儲(chǔ)冷卻速度。由于新鄉(xiāng)市主要熱儲(chǔ)回灌層為館陶組，同天津武清地?zé)崽锞哂邢嘟責(zé)岬刭|(zhì)條件，因此，新鄉(xiāng)市水源井與回灌井距離宜在800～1 000m。

（3）減少溶氣影響。熱儲(chǔ)中含有較多水溶氣時(shí)，使回灌水流運(yùn)動(dòng)受阻，徑流不暢，影響回灌井回灌能力。因此，回灌井盡量選在地?zé)峋泻軞廨^少的地段。

（4）宜選在地?zé)峋悍植济芗?、開(kāi)采強(qiáng)度較大、地?zé)崴畯搅魃嫌畏较颍?］。

3.4 回灌方式

宜采用自然結(jié)合壓力回灌?；毓嗄Ｊ讲捎猛瑢訉?duì)井回灌（回灌井注水層與開(kāi)采井取水層位于同一熱儲(chǔ)層）或同層兩采一灌（同一熱儲(chǔ)層位上布設(shè)2眼開(kāi)采井和1眼回灌井）。

回灌期間注意回?fù)P?；?fù)P以每次抽完渾水后出清水為準(zhǔn)，并注意密切關(guān)切生產(chǎn)井水溫、水質(zhì)和水頭等。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）回灌井回灌水量與水頭升高呈正相關(guān)關(guān)系。在自然回灌條件下，單位回灌量為單位涌水量的40%～60%。因此，單井回灌運(yùn)行基本不可取。

（2）新鄉(xiāng)市地?zé)崴宦裆?0～147m，自然回灌產(chǎn)生的壓力差不同。其中，市中心一帶水位低，壓力差較大，有較大的回灌空間。因此，結(jié)合熱儲(chǔ)層水文地質(zhì)條件及開(kāi)采現(xiàn)狀，建議在市中心開(kāi)采較集中的區(qū)域開(kāi)展回灌工作。

（3）加強(qiáng)地?zé)崴畡?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。所有地?zé)峋惭b監(jiān)測(cè)設(shè)備（測(cè)水管、壓力表、流量表及溫度計(jì)等），對(duì)地?zé)峋畨毫?、水溫、水量及水質(zhì)進(jìn)行定期觀測(cè)，以便掌握地?zé)崴^壓力場(chǎng)、流場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)等動(dòng)態(tài)變化特征。

（4）受條件限制，本次回灌試驗(yàn)井?dāng)?shù)少，且時(shí)間較短。在適宜的條件下，建議開(kāi)展生產(chǎn)性回灌試驗(yàn)。在大規(guī)模的回灌工程之前，開(kāi)展多次不同位置的規(guī)范化回灌試驗(yàn)［4］，并進(jìn)行以同層地下水為回灌水源及加壓回灌方面的嘗試。

［1］高宗軍，郭加朋，李哲，等.東營(yíng)市城區(qū)地?zé)醿?chǔ)人工回灌條件及分區(qū)研究［J］.地下水，2009（5）：4－8.

［2］楊海軍，楊芳，茹爽英.深層地下水回灌試驗(yàn)與研究［J］.投資與合作，2012（10）：206－207.

［3］張新文，胡彩萍，胡松濤，等.東營(yíng)市中心城區(qū)地?zé)崽锏責(zé)峄毓嗫尚行苑治觯跩］.2009（8）：18－19.

［4］朱紅麗.開(kāi)封市超深層地?zé)崴斯せ毓嘌a(bǔ)源研究［D］.鄭州：河南理工大學(xué)，2011.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

On Xinxiang Geothermal Reinjection Test and Feasibility Analysis

LIANG Jing，GUO Quan－cheng
（Water-saving Office of Xinxiang City，Xinxiang 453000，Henan，China）

Reinjection is an effective way to solve a series of the problem of excessive exploitation of geothermal water，is also one of the most important means of geothermal development and management.On the basis of Xinxiang geothermal well reinjection test，this paper analyzes the feasibility of reinjection from the reinjection space，reinjection ability and exploitation quantity three aspects，and discusses the matters needing attention of geothermal reinjection，such as the reinjection time and reinjection water，reinjection area and reinjection mode.

Xinxiang city of Henan province；geothermal well；reinjection test；feasibility analysis；attention matters

TV213.6

B

10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2016.03.013

2016-04-27

梁靜（1976－），女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，主要從事節(jié)水和水資源管理方面的工作。