地下水回灌工程存在问题及优化解决

地下水回灌工程存在问题及优化解决

1、应用中需解决的问题

水源热泵空调系统由于其所具有的节能环保等特点，近年来该项技术在引入到我国后，应用发展较快。我公司通过对多个施工项目的总结和跟踪并对河南、山东、河北、北京等地的调研，认为热泵主机运行效果稳定过关，但在利用管井采灌地下水方面，如回灌井结构、回灌工艺方法、地面回灌装置、运行维护管理等方面还存在着问题，会影响到水源热泵的正常使用，应当引起高度重视。其问题如下:

1.1灌井的地面装置不科学，井口、管路没有密封，回灌过程会使空气随着水一起灌到含水层，造成气相堵塞，破坏人工回灌的进行，时间一长，使井的使用年限降低，甚至会使管井报废。另外有的井由于井身结构不合理或使用操作不当，新井在使用一段时间后回灌量逐渐减少，甚至完全阻塞不能回灌，致使大量地下水在机组提取温度后白白流失。

1.2管井的井身结构不合理，有的回灌井仍采用开采井的单网滤水管或桥式、水泥管等滤水管结构，在采、灌双向水流的冲击作用下，过滤层砾料排列顺序破坏，造成井水上砂。

1.3操作方法不当，缺乏定期的排污和回扬，致使回灌水中所含有的粘土颗粒、结垢物等逐步淤塞过滤层，影响井的透水性能。有的或采或灌只有单一性能(如两眼采灌对井中仅一眼井下泵)，冬、夏二季长期如此，根据我们的经验，这样操作使用结果不仅不能合理利用地下储能作用而且会使单纯的回灌井造成气阻，物理和生物化学堵塞，长期使用会使回灌井报废。

针对以上问题，我们认为水源热泵技术的关键是管井的采、灌技术。只有达到地下水灌采平衡，才能实现真正意义上的节能效果，节约地下水资源和运行费用。

2. 采(灌)水目的层的选择

依采灌井的作用而言，应尽力加大井的出水量，一般出水量和回灌量是成正比的，即出水量增加则回灌量也相应增加。水温是充分发挥热泵机组效能的关键指标。所以，在设计井时应在19-23℃范围内选取富水性强、渗透性好的含水层成井。在河南、津京、河北、山东及江浙地区都分布有第四系冲击相、河湖相松散沉积层。含水组岩性以粉细砂、中粗砂、砂砾岩为主，一般条件下，粒度自上而下由细变粗，渗透系数影响半径亦随深度增加而减小，地下水温逐渐升高。这样都具有开凿采灌井的水文地质条件。

根据地源热泵所需的水量、水温及水质要求，按该区域的地温梯度通过计算确定取水层深度。以富水性好的含水砂层为采水目的层。

根据实际回灌效果对比，应尽量选取静水位较低含水层，一般静水位70^'90 m有利于增加回灌

量。

3、成井结构及成井工艺

3.1成井结构设计前分析了以前造成回灌量小、涌砂的原因。包括含水层颗粒细、滤水结构不合理、孔径偏小、洗井不彻底等原因，针对以上的分析结果，具有针对性的做了如下的分析：

◆孔径应满足泵室管及滤水管和填砾厚度的要求。普通松散层供水井规范要求孔径一般要大于φ400mm。钻孔涌水量随着口径的增加而增加，但增加到一定数值后，口径再增加，钻孔出水量增加的数量逐渐减少，甚至不再增加。考虑到灌采井的特殊作用及双滤网滤水管的口径加大，其孔径应≥φ600mm

◆管井过滤器类型选用是否得当，是取得最大出水量，最小出水含砂量的关键。为了增大管井单位出水量，必须使水流向管中的各项阻力减至最小，阻力中以井孔附近的紊流摩阻损失和水流经过滤器时的摩阻损失为主。为了减少紊流损失必须加大井壁附近的渗透性，一般采用加厚井外填砾的方法。为了减少水流经过滤器的摩阻损失，必须降低水流进井的速度，如果该速度过大，不仅大大增加水头损失(水头损失与流速的平方成正比)，而且将带动井外的细砂，使之逐渐聚集堵塞在过滤器外面，随着井的开采，堵塞将逐渐严重，使井的采、灌量减少。故此，滤水管采用笼状双层填砾过滤器(两层滤网均为约翰逊式)。内层为φ228mm低碳钢塑料喷涂滤网，缠丝间隙1.2mm，孔隙率25%;外层滤网形式与同层滤网相同，直径φ334mm,缠丝间隙1.0mm，孔隙率25%。双层滤网之间充填2-3mm石英砂。滤水管与孔壁之间的环状间隙充填1.0-5.0mm磨圆度好的石英海砂。采用不同砾径的双层过滤层，不仅加大了过滤层厚度，而且在采、灌不同方向的水流冲击作用下，能保持相对稳定的砾料排列顺序，保证过滤性能。外填砾充填高度应高于顶层滤水管以上20-30m，以防止砾料继续下沉时上部粘土封闭滤水管。

3.2 成井工艺

◆首先用φ430mm鱼尾或三翼刮刀式钻头钻至设计深度，然后用终孔口径牙轮拼装扩孔钻头进行扩孔，扩孔中反复划孔不少于二遍，以保证孔径规格。钻进中严格控制钻压，均匀给进以保证钻孔垂直度，确保滤水管周围有厚度均匀的填砾层。

◆成孔后利用电子测井仪器(一般利用其电阻率及自然电位)方法确定采水目的层位置。

◆对采水层采用筒状园牙钻具进行井壁刮切，以保证透水层通畅。经泥浆调整后下管，滤水管上部及井底必须加焊支撑架用以导正，确保滤水管的居中性。

◆下管后再进行不少于24小时的充分换浆，待泥浆比重稀释至1.08g/cm3后再进行填砾。填砾沿井孔四周均匀缓慢填入，当证实填砾高度满足要求后，先经一阶段洗井，洗井中丈量填砾高度，如有降落还须补填。然后用红粘土进行上部井孔封闭。

◆洗井采用先用活塞法后用拉负压法二种方法进行。活塞法洗井应分层、自上而下逐段清洗，至水清砂净为止。再采用负压法强力抽洗。

只有在施工中严格执行技术操作规程，对井孔直径、垂直度、泥浆性能指标严格掌握，保证其符合《供水管井设计与验收规范》的要求，才能为以后采水、回灌的正常运行打下良好的基础。

3.3成井结构和成井工艺特点

◆井孔孔径大于φ600mm，配合使用双滤网过滤器使过水断面增大，利于增加井的采、灌量。由于滤网内的砾料相对固定，不因采、灌时的双向水流冲击作用改变原有的排列顺序，故而能保持管井长期的灌、采运行。

◆双层滤网内预填的2-3mm砾料和管外间隙充填的1.0-5.0mm砾料形成梯级填砾反滤层，可以阻挡采水和回扬时细颗粒进入井内。

◆填砾高度高于滤水管20-30m，可以防止因长期抽、灌亏砂，粘土下滑阻塞含水层。

◆洗井采用正压活塞洗井和负压的复合式洗井方法，洗井较为彻底，达到了清除泥皮、水清砂净，增加单位出水量的效果。

◆井内安装水位测管，可以在运行中随时进行水位观测，掌握井的运行状况。

按此种方法成井，经过测试证实，在粉细砂地层一般都可得到出水量90t/h以上、单位出水量:3.5t/h.m以上(如取中粗砂含水层可达5t/h.m)、含砂量:<1/20000的良好效果

4.采灌装置与工艺流程的要求

采灌装置

采灌装置是指采、灌管井的配套设施，安装在热泵机组和管井相连接的管路部分。采、灌管路应随井数的不同而分别设计。

管路系统是采水、回灌的主要设施之一。由输水管线、回灌管线、排水回扬管段、共同管段、井口密封装置和潜水泵、水位测管等部分构成。它们各具不同功能，可用阀门调控，从而形成一个完整的管路体系。上述管路的各部分，应满足如下要求:

(1)实现每个单井的采水、回灌、排污(回扬)的任意切换。

(2)泵管回灌管段是连接泵管与机组排水管的管段，为进行真空回灌要求密封性应能保持-0.05MPa的真空度在8小时以上。

(3)每个单井管路都应装有计量水表和压力表，能随时观测采、灌水量和采、灌水管路的压力。

(4)密封装置是封闭井口的专用设施。由井口法兰、胶垫、密封盘、出水弯头、潜水泵动力电缆密封口、排气管出口等组成。安装于井口，其下部连接潜水泵管，而上部连接输水管线。其作用除输水与泵管回灌的通道外，主要是封闭井口，防止压力回灌时造成回灌水外溢，并且在泵管真空回