296武汉地区地下水资源及其可利用的潜能

武汉地区地下水资源及其可利用的潜能

武汉科技大学文远高

湖北省地质环境总站肖尚德熊启华

摘要以水文资料为基础，结合武汉地理气候特点，确定了武汉地区夏季和冬季可资利用的潜能。根据武汉市的气候特点，按四个月需要空调，以10℃利用温差计算夏季提取的冷量为63.73×1011GJ。以3个月、10℃利用温差计算冬季提取的热量为47.80×1011GJ，相当于163077.5吨标准煤所提供的热能。

关键词地下水，能量利用，资源，武汉

1 武汉地理气候特点

武汉位于江汉平原东缘，东经113°41′-115°05′，北纬29°58′-31°22′。世界第三大河流长江和其最大支流汉水在城中汇合，将市区分为武昌、汉口、汉阳三镇。市区及郊县的总面积为8467.11平方公里。武汉处于丘陵地带，经平原边缘向低山丘陵过渡地区，中部低平，南部丘陵、岗垄密集，北部低山林立，80%以上面积为岗垄平原和平坦平原地区。武汉淡水资源丰富，以长江为主干，构成庞大的水网，水域总面积2187平方公里。对这些水资源在暖通空调中加以利用具有重要意义。

武汉夏季湿度大、气温高，昼夜温差小，日高气温≥35℃的天数达21天，有的年份甚至达40天以上；由于城市热岛效应，实际气温达40℃时常有之，是全国有名的“火炉”。在冬季潮湿寒冷，一年中大部分时间里建筑热环境处于不舒适状态，是典型的冬冷夏热地区。随着社会生活水平的提高，武汉地区空调迅速普及，至2006年每百户家庭拥有家用空调器144.6台[1]。而空调的使用，特别是风冷热泵的使用，会导致城市环境的恶化[2]。近年来武汉市已建成的地下水源热泵空调工程有20多项，因此有必要探讨整个地区地下水资源及其可利用的潜能。

2 武汉的水文地质概况

武汉地区处于长江中游,长江、汉江汇聚武汉并穿城而过,第四系沉积主要受长江、汉江控制,沿河两岸分布着一级阶地冲洪积地层,具有典型的河流相二元沉积结构,上部为粘性土,下部为砂性土,总的特征为上细下粗,在粘性土和砂性土之间大多有一定厚度的粉土、粉砂、淤泥质土交互土层,习惯称“过渡层”。一级阶地后缘的局部分布有湖积地层,淤泥及淤泥质土厚度最大可达20ｍ以上。一级阶地范围内有以下几种类型的地下水[3][4]。

①上层滞水:普遍分布于城区地表厚度不等的人工填土中,受大气降水、生活下水等的补给,未形成统一的地下水位及一致的地下水动态联动性。水位一般在地面下1～2ｍ,因生活下水长期补给,水位季节变化不大。对浅开挖即有影响,开挖面积大时,可明排处理,但大量排水可能引起以填土为地基的建筑物沉降。

②潜水或弱承压水:分布于沿江一带浅部的粉土层中,埋藏在地面下3～4ｍ,厚度3～4ｍ,受大气降水、生活下水和丰水期江水补给,联通性较好,水位一般在地面下2～3ｍ,季节变化较大。对开挖影响大,易于形成侧壁流砂、流土。

③孔隙承压水:是一级阶地的主要含水层,其分布面积二百多平方公里。埋藏深度自地面下8～10ｍ至基岩,总厚度20～40ｍ。此含水层以厚层粉细砂为主,砂质较纯,分选好。其顶部过渡层厚度3～7ｍ,有的地方厚达10ｍ多或更大,具有明显的层状构造,垂直渗透系数远远小于水平渗透系数。其底部为中粗砂或砾卵石层,厚度一般为2～5ｍ。从长期整体角度而言,以垂向下渗补给为主,由于含水层被长江、汉江等大河流切穿,江河成为地下水的天然排泄区,并形成互补关系。水位一般在地面下1～3ｍ,年变化幅度3～5ｍ。对开挖影响大,可能引起坑底突涌。

在河流的二、三级阶地以形成时代较早的冲洪积粘性土为主,古河道区下伏有粗颗粒土。二、三级阶地范围内有以下几种类型的地下水。

①上层滞水:普遍分布于城区地表厚度不等的人工填土以及坳沟低洼部位的粘性土层裂隙中,受大气降水、生活下水和湖塘沟渠等地表水的补给,水位因地势不同而深浅不一,水位季节变化不大。对浅开挖即有影响,开挖面积大时,可明排处理。

②孔隙承压水:呈条带状分布于古河道下部的砂卵石及粘性土与粉土的混合土层中,含水层顶板埋藏深度15ｍ以下,厚度数米至数十米不等。具有承压性质。此含水层以含粘性土的砂卵石为主,其渗透性因粘性土含量不同而变化很大,含水层较为封闭,补给相对困难。对深开挖(如人工挖孔桩扩底清底)有影响,难以用降水方法处理。武汉地区基岩以海陆交互相的碎屑岩、碳酸盐岩为主。基岩中的地下水比较重要的是岩溶裂隙水,分布于向斜核部石炭、二叠及三叠系灰岩中,埋藏深度一般大于30ｍ,对深开挖作业有时有影响。石灰岩与一级阶地第四系砂层直接接触时,可能因潜蚀引起地面塌陷。

3 地下水类型及分布状况

武汉市区内地貌形态明显地表现为两种基本类型，其一是以内动力构造运动并经外动力的剥蚀作用形成的构造剥蚀地貌形态；其二是晚近期构造运动以及外动力共同作用所形成的剥蚀堆积和侵蚀堆积地貌形态。根据武汉的水文地质特点，将区内地下水划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩裂隙水及碳酸盐岩溶裂隙水，其中松散岩类孔隙水根据其水力性质可进一步划分为松散岩类孔隙承压水及松散岩类孔隙潜水两个亚类。

岩溶水次之。开采地下水主要用于工业冷却降温、啤酒酿造及饮料行业，少量用于生活用水，总体上开发利用程度较低，地下水开采量约占允许开采量18%，有较大开采潜力，但应科学规划、合理开采，同

时要特别防范因开发利用地下水资源诱发的环境地质问题。表1给出了武汉市城区和郊区的地下水分布及开采现状。

3 可资利用的潜能

地热资源是地壳内可供开发利用的地热能、地热流体及其有用组分。按国家标准《地热资源地质勘查规范》(ＧＢ11615-89),地热资源按温度分为高温、中温、低温三类。世界各国利用地热的经验表明,高温地热资源(在150℃以上)主要用于发电,地热发电后排出的热水可供直接利用;中低温地热资源(在150℃以下)则以直接利用为主，不进行能量转换。

低温热能资源是指温度接近环境温度（0～40℃）的热源，可资利用的能量是温差显热。它包括地表水温差能源、低温地热能等。这些资源由于温度低，一般直接利用比较困难，利用的水平较低。对这些能源如何有效利用是一个值得研究的课题。

水源热泵是以水为热源的可进行制冷/制热循环的一种热泵型空调装置。它利用地球表面浅层水，如地下水、地热水、地表水、海水及湖泊中吸收的太阳能和地热能而形成的低位热能资源,并采用热泵原理,通过少量高位电能的输入,实现低位热能向高位热能转移。地球表面浅层水源温度一般都十分稳定。与风冷热泵相比，水源热泵的出力稳定，制冷制热效率高，能效比可达3.5～4.5 以上，无结霜除霜问题。通常水源热泵消耗 1kW 的能量，用户可以得到 4kW 以上的热量或冷量。

在夏季，水源热泵机组在制冷时通过地下水把冷凝器释放的热量带走，提取地下水中的冷量；在冬季制热时地下水把蒸发器释放的冷量带走，提取地下水中的热量。在这个过程中，水源热泵所能提取的冷量或者热量Q为

=ρ∆

Q CV t

式中 Q——水源热泵所能提取的冷量或者热量，kJ/a；

C——水的定压比热，kJ/kg ℃；

ρ——水的密度，kg/m3；

t∆——所利用的地下水温差，℃。

地下水作为水源热泵的冷热源要满足制冷和制热的要求，只能采取两种途径：一种是增加地下水流量，一种是加大机组进出口的地下水的温差。要增加地下水流量就要增加钻井数量或井的直径，这会增加费用，不可取。因此在保证机组制冷和制热性能的前提下，增加地下水利用温差以尽可能地利用其潜能。

为了节约地下水的取水量，减少取水井及回灌井的数量，从而达到减少投资和节能的目的，就要尽可能的加大地下水在蒸发器内的进出口温差，充分利用地下水所蕴藏的潜能。如果在冬季蒸发器的进出口水的温差由8℃增加为10℃，那么地下水流量可以减少20% 。

表2 按10℃、5℃、8℃温差确定的武汉市地下水可利用能量