壹、試驗路段的選擇
1.試驗區水文地質條件
(1)安陽實驗區
1)地下水埋藏條件及富水性:實驗區位於安陽市西南部，屬安陽河沖洪積扇。安陽河沖洪積扇是在中晚更新世和晚全新世二次復合堆積形成的，具有明顯的上細下厚的二元結構。三面環山丘陵，向東開闊，呈向東傾斜的簸箕狀，封閉條件好，形成完整的水文地質單元。
試驗區地勢平坦，表層多為粉土，有利於大氣降水的補給。含水介質由中上更新統砂卵石層組成(圖4-1)。試驗區主要開采淺層地下水(100m以上)，賦存於安陽河沖洪積扇松散裂隙水儲集介質中，底部為下更新統泥礫或粘土組成的隔斷。
實驗區主要儲水介質為中上更新統沖洪積礫石和半膠結鈣礫石層(圖4-2)。此處礫石層頂板埋深26.4米，略向東傾斜，厚度約32米，成分主要為石灰巖，其次為應時砂巖，粒徑0.2 ~ 5厘米，最大可達10厘米，磨圓度好，分選差，含砂量約10% ~ 30%，局部夾粘土透鏡體。單井日湧水量約5000m3/5m，水位埋深37.5m，含水介質厚度21m。滲透系數大於200米/天
圖4-1安陽試驗區水文地質剖面圖
圖4-2安陽市三分莊抽水井地層結構直方圖
2)地下水化學特征:實驗區地下水化學類型為HCO3，礦化度壹般小於1g/L，為淡水。
(2)鄭州高新區實驗區
1)地下水埋藏條件及富水性:實驗區位於鄭州高新開發區東北部惠城小區，含水層為第四系全新統及上更新統，沖洪積，其次為中更新統。150 ~ 200 m以上地下水可分為淺層地下水和中層地下水，二者有壹定的水力聯系，實際開采多為混合取水口。淺層地下水淺。在實驗區，淺含水層底板約70m深，30m厚。目前，該地區已從前幾年的農業區變為新的工業區。該市的供水水源是黃河九五灘水源地的地下水。此外，該地區耕地減少，中深層地下水開采受到限制，地下水開采強度較低。此外，實驗區東臨石佛沈砂池，地表水對地下淺層有較強的補給作用，地下水位有明顯上升趨勢。
中深層水主要為第四紀中、下更新統的沖湖沈積和新近紀的上湖沈積。實驗區中深層含水層組頂板埋深約90m，中深層水是目前城市供水的主要開采層，井深約100 ~ 300m，含水層巖性為中砂、細砂和粗砂。200米處淺層含水層的總厚度約為50米
根據現有鉆井和抽水資料(圖4-3)，淺、中深層混合水位壹般在30m左右。實際抽水深度為20m，單井出水量為70m3/h，滲透系數壹般為8 ~ 10m/d..根據鄭州市地下水資源評價結果，高新區地下水可開采模數為每年13.42×104m3/km2，目前開采利用率僅為46%，具有擴大開采的能力。實驗區淺、中層混合水溫為65438±07℃。
2)地下水化學特征:實驗區淺層地下水水化學類型為HCO 3-Ca Mg型，礦化度604.28mg/L，總硬度428Mg/L；中深層為HCO3-Ca-Na型，鹽度453.33mg/L，總硬度273.5428 mg/L
(3)鄭東新區實驗區
1)地下水埋藏條件及富水性:實驗區位於黃河沖積平原，地表為粉土，埋深10.6m..根據鉆探資料(圖4-4)，90m * * *以上共有5個含水層，總厚度約44m，巖性主要為中細砂和粉細砂。實測水位降深9.6m，單井出水量51 m3/h，滲透系數4.04m/d，水溫15.9℃。
2)地下水化學特征:實驗區地下水化學類型為HCO 3-鈣鈉型，礦化度為1407mg/L，總硬度為630 mg/L..
(4)新鄉市東郭實驗區
1)地下水埋藏條件及富水性:實驗區位於新鄉市北部生產性運河以北，地貌為古河漫灘。淺地層巖性為粉質粘土，40 ~ 60m深有3 ~ 4層細砂，總厚度30 ~ 40m，5m深單井湧水量500 ~ 1000m3/d..滲透系數為10 ~ 15m/d，水位約為10m，水溫為16.0℃。
2)地下水化學特征:地下水化學類型為HCO 3-鈣鈉鎂，礦化度為1183.2mg/L，總硬度為572.5 mg/L..
(5)新鄉市南蘆苞實驗區
1)地下水埋藏條件及富水性:實驗區位於新鄉市鳳泉區西南部蘆苞。淺層巖性為粉質粘土和細砂。45m深度內有兩個含水層，總厚度22m，含水介質為細砂。水位埋深為11m，2.95米深單井實測湧水量為37.19m3/d，滲透系數為12.3m/d，水溫為16.0℃。
2)地下水化學特征:地下水化學類型為HCO 3 Cl-Mg Ca Na型，礦化度為999.66mg/L，總硬度為547.5 mg/L..
圖4-3鄭州高新區油水井地層結構
2.試驗場地布局
五組抽水和回灌試驗點分別位於沖積扇、山前沖積平原和沖積平原，代表沖積礫石、沖積湖泊、沖積粗砂、中砂和細砂含水層的抽水和回灌能力(表4-1)。抽水和回灌方式包括壹次抽水和兩次抽水(圖4-5)。比如新鄉市的東郭實驗就采用壹次抽水。在試驗過程中，超過回灌井回灌能力的水被回灌到抽水井中。
圖4-4鄭州新區抽註水井及地層結構
表4-1試驗井基本情況
圖4-5新鄉東郭註水試驗場平面布置圖
河南省城市淺層地熱能
二、測試方法和質量
1.檢測方法
抽水試驗分別采用單孔穩定流法和孔組不穩定流法。回灌試驗采用自流回灌方式，回灌時保持回灌孔內水位穩定，並計量註水量。
(1)觀測內容和精度
試驗期間，觀測了抽水孔和觀測井的水位，抽水孔的出水量、水溫和氣溫，註水孔的回灌量和水位。
主要觀測工具為雙平行線和水位計，觀測精度:抽水孔水位讀數cm，觀測井水位讀數mm；抽水量和回水量用水表計量，讀數達到0.1 m3；；水溫和氣溫讀數為0.5℃。
(2)觀察法
1)單孔穩流抽水試驗:單孔穩流抽水試驗進行壹次最大減深的穩流抽水。抽水試驗期間，動態水位和出水量的觀測時間為抽水開始後每5分鐘、10分鐘、15分鐘、20分鐘、25分鐘和30分鐘觀測壹次。每2小時同步觀測水溫和氣溫。泵送穩定持續時間不得少於8小時停止抽水後，觀測水位恢復情況，觀測頻率與抽水開始時壹致，直至水位趨於穩定或抽水前的靜止水位。
2)孔組非恒定流抽水試驗:抽水過程中，抽水孔出水量保持穩定。水位觀測頻率為抽水開始後1，2，3，4，6，8，10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120分鐘。抽水結束後，觀測抽水孔和觀測井的恢復水位，觀測頻率與抽水開始時壹致，直至水位趨於穩定或抽水前的靜止水位。
3)回灌試驗:采用自然重力回灌法。充值時及時調整充值金額。考慮到回灌過程中水位的實際上升，回灌孔水位埋深壹般穩定在2 ~ 4m。觀測方法和頻率與穩流抽水試驗相同。
(3)采集水樣
抽水試驗結束前，取完整的水質分析樣品，填寫水樣記錄卡，並將水樣送至實驗室進行檢測。
分析項目包括含砂量、顏色、氣味和味道、濁度、可見物、pH值、氯離子、硫酸鹽、碳酸氫鹽、碳酸鹽、氫氧化物、鉀離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子、總硬度、總溶解固體、銨離子、總鐵、磷、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物和高錳酸鹽指數。
2.測試質量
1)抽水回灌試驗技術標準主要有:《供水水文地質勘察規範》(GB50027-2001)、《淺層地熱能勘探與評價技術規範》、《水樣采集、保存與檢驗規範》、《地源熱泵系統工程技術規範》(GB50366-2005)。
2)為保證試驗質量，抽水前應對參與觀測的人員進行觀測技術培訓，統壹觀測記錄的格式和要求；
3)抽水前，所有設備準備就緒，排水工程完成，觀測工具和人員到位。
4)測線采用柔性小的優質雙股平行線，減少觀測誤差。
5)同壹觀測井中的觀測人員和測量工具固定，觀測數據填寫及時、準確、清晰、完整。
6)及時整理觀測資料，及時解決發現的問題，保證資料的完整性。
第三，測試結果
1.參數計算方法和結果
根據單孔穩定流抽水試驗資料，含水層滲透系數k按下式計算。
河南省城市淺層地熱能
根據註水孔的測試數據，滲透系數K由下式近似計算。
河南省城市淺層地熱能
按下式計算單位抽水量Q或單位回註量Q:
q抽= q抽/s；Q = q /S
式中:k為滲透系數，單位為米/天；q為穩定產水量或註水量，單位為立方米/日(m3/d)；h為潛水含水層的厚度，單位為米(m)；s為水位的深度或增加量，單位為米(m)；r為影響半徑，取經驗值，單位為m；r是過濾器半徑，單位為m；l為試驗段或過濾器的長度，單位為米
計算結果見表4-2。收集的部分回註試驗結果見表4-3。
表4-2抽水和回灌試驗結果匯總
表4-3回灌試驗收集結果
2.回灌量的影響因素分析。
回灌量受多種因素影響，如井的結構和質量、水文地質條件等。
含水層的巖性是決定補給量的基本因素。從表4-2可以看出，不同含水層抽水和註水試驗得到的滲透系數比值為:以粗砂和礫石為主的含水層為65，438+0.96 ~ 2.865，438+0，以中砂和細砂為主的含水層為3.28 ~ 8.50。結果表明，含水層顆粒越粗，抽水和補給能力越接近，即含水層顆粒越粗，越容易補給。
水位埋深對總補給量有明顯影響，補給量與水位埋深成正比。對比鄭州高新區和鄭東新區兩組回註試驗，發現含水層巖性相似，含水層滲透率相似。鄭州高新區靜水位埋深為34m，鄭東新區靜水位埋深僅為10.6m，鄭州高新區回註量為42m3/h，鄭東新區靜水位埋深僅為12.56m3/h/h..
濾管的結構對回灌量有直接影響。在含水層巖性相似的地段，鋼橋過濾管井的回註量明顯大於水泥過濾管井(表4-3)。
發現礫石含水層地區單位補給量大於單位抽水量的70%；在粗砂和中砂含水層地區，單位補給量約為單位出水量的70% ~ 40%；在中細砂含水層地區，單位補給量約為單位出水量的50% ~ 30%；在有細砂和粉砂含水層的地區，單位補給量不到單位出水量的30%。
3.確定抽水井和回灌井的比例
單位抽水量與單位回註量的比值可作為確定回註井數的主要依據。根據上述試驗結果，考慮到回灌井在長期回灌過程中可能發生的堵塞，在地下水位埋深大於10m的情況下，地熱空調井抽灌井比例確定如表4-4所示。
4.地熱空調井運行對地下水環境的影響
(1)對地下水溫度的影響
研究區地熱空調井抽水井水溫壹般在16 ~ 20℃左右，回水管線水溫壹般在10 ~ 15℃，比抽水井地下水溫度低2 ~ 7℃，降溫期壹般在18 ~ 25℃，比抽水井地下水溫度高1 ~ 8℃。根據對地熱空調井地下水溫度的監測(圖4-6和圖4-7)，地熱空調的運行對地下水溫度有明顯的階段性影響。
表4-4地熱空調井抽水井和回灌井比例的確定
圖4-6鄭州兒童醫院抽水井地下水埋深與水溫動態曲線
圖4-7鄭州市嵩陽中學回灌井地下水埋深和水溫動態曲線
冷卻期回註水溫度壹般在19 ~ 30℃之間，最高可達35℃；采暖期回註水溫度壹般在8 ~ 15℃左右。由於回註水溫度的影響，地下水溫度在冷卻期略有升高，在加熱期略有降低，但在壹個完整的冷卻和加熱循環中，地熱空調井的回註對地下水溫度的整體可持續性沒有明顯影響。多年溫度動態曲線(圖4-8至圖4-13)也表明，研究區地熱空調的運行並未引起地下水或土壤溫度的持續升高或降低。沒有觀察到明顯的熱汙染。
圖4-8安陽市文峰時代廣場回灌井水溫動態曲線
圖4-9安陽市第五中學回灌井水溫動態曲線
圖4-10中國農業科學院棉花研究所回灌井水溫動態曲線
圖4-11安陽市廣電局回灌井水溫動態曲線
②對地下水質量的影響
根據鄭州兒童醫院地熱空調井運行前(5月5日)、運行中(8月21日)、運行後(10月29日10日)(表4-5)水質采樣分析和安陽市部分抽水井、回灌井運行期間水質采樣分析(表4-6)。通過比較發現，淺層地熱能在開發利用過程中對地下水水質影響不大；補給井中元素鋅明顯增加。主要原因是鋅容易氧化成鋅離子進入水中。因此，建議不要使用鍍鋅鋼管。
圖4-12安陽市公安局回灌井水溫動態曲線
圖4-13安陽市喜相逢酒店回灌井水溫動態曲線
5.抽水井和回灌井間距的確定
抽水井和回灌井之間的合理間距以不發生熱短路為原則。回註水到達抽油井的時間(熱短路時間)可用下式表示:
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其中n是含水層的有效孔隙度；π是圓周率；d是抽油井和註水井之間的距離；b是含水層的厚度；q為穩定註水量。
根據上述公式，可以確定熱短路抽回灌井的臨界距離為:
河南省城市淺層地熱能
當抽水井和回灌井之間的距離小於合理距離(d)時，就會發生熱短路。以兒童醫院為例:
兒童醫院地熱空調工程的抽水井和灌溉井數量為6口，其中抽水井深98m，回灌井深70m。抽水回灌井運行方式為二抽四灌，3 #和6 #為抽水井，其余4口為回灌井。運行期間，單井抽水量為100m3/h，單井回註量為50m3/h..抽水井、灌溉井和觀測井的位置分布見圖4-14。
圖4-14抽灌井分布圖
表4-5鄭州兒童醫院地熱空調井不同時段汙水水質對比表
根據冷卻期熱泵運行時間120d，含水層厚度15.9m，孔隙度0.30，d為85m，即回灌量50m3/h時(相當於臺前沖積平原區)，抽灌井距離大於85m時不會發生熱短路。如果單井回註量達到85m3/h(相當於黃河沖積平原)，抽灌井距離大於111m時不會發生熱短路。
事實上，3號抽水井和2號回灌井之間的距離是36米..6號抽水井和5號回灌井之間的距離只有55米..圖4-7顯示了系統運行時6 #抽水井的水溫曲線。從溫度變化來看，明顯發生了熱短路，降溫期最高溫度為23 ~ 24℃，比背景值(20℃)高3 ~ 4℃。采暖期最低溫度為17 ~ 16℃，比背景值低3 ~ 4℃左右。
壹般熱泵機組正常工作時，要求水的溫度在2℃-35℃之間，以保證系統的正常運行。因此，雖然回註水造成熱短路，但溫度變化仍在熱泵允許範圍內，可以保證系統的運行效率，滿足建築冷熱負荷的要求。另壹方面，城市中的大部分建築工地無法滿足理論計算的抽灌井間距要求。大量觀測數據也表明熱短路現象普遍存在。然而，由於回註水的溫度適中，水源熱泵空調系統的運行效率可以得到保證。抽灌溫度變化在采暖期和冷卻期呈現周期性波動，也反映了水源熱泵空調系統長期運行過程中水動力場影響範圍內某壹點地下水溫度波動的規律性，即在水源熱泵空調系統長期運行過程中冷熱交替的影響範圍內，地下水溫度不會出現明顯的、持續的上升或下降。
表4-6抽水井與回灌井水質對比表
因此，地熱空調井距的確定不應僅以熱短路為依據，而應考慮回註水影響範圍內的水溫變化能否滿足熱泵系統的運行要求、對地質環境的影響及其運行經濟性。但在條件允許的情況下，應盡可能滿足井距的要求，以減少熱短路的影響，保證系統的運行效率。在實際工程中，補給量與含水層厚度相差很大。根據對現有地熱空調系統運行效果的調查和抽灌試驗結果，建議細粒地層抽灌井間距不小於40m，礫石含水層間距不小於80 m，在實際工程應用中可根據具體情況進行調整。