地下水人工回灌研究進(jìn)展

  國外的地熱資源開(kāi)發(fā)利用程度高，更早開(kāi)展了回灌技術(shù)方面的研究。20 世紀初，為保護和重新分配有限的水資源，恢復水生和陸生的生態(tài)環(huán)境，更有效促進(jìn)水資源的循環(huán)利用，美國、歐洲等國正式開(kāi)始科學(xué)、有計劃地進(jìn)行人工回灌并開(kāi)展相關(guān)研究。上世紀中葉人工回灌補源的應用已經(jīng)較為普遍，研究集中于地表水進(jìn)行人工回灌以及如何增加地下水補給量、穩定地下水水位、控制地面沉降、建立地下水庫儲能、避免地下水質(zhì)污染等方面。地下水數值模擬技術(shù)也得到快速發(fā)展，利用計算機技術(shù)進(jìn)行地下水的分析與研究得到廣泛應用。

 

  1905 年美國地質(zhì)調查局在佐治亞、密歇根等地進(jìn)行人工回灌試驗，利用排水井恢復地下水位。1950 年后，W.R.Mill 研究了洛杉磯南端的盆地地下水回灌和廢水再利用。1976 年美國科學(xué)家 Pyne 首次提出“含水層儲水及恢復”（ASR-Aquifer Storage andRecovery）的概念，之后出現一批人工回灌的新方法，使地下水人工回灌工程在很多地區普遍開(kāi)展。在理論和實(shí)驗方面都獲得較大發(fā)展，包括自然條件下入滲量的確定、利用處理后的污水進(jìn)行回灌、攔蓄雨洪水回灌及回灌水對含水層的生物和水化學(xué)影響、利用同位素的方法確定入滲補給速率、回灌對海水和咸水入侵等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的恢復作用、回灌水對地下水溫度的影響等多個(gè)方面。針對人工補給方式、回灌水質(zhì)、淤塞處理等方5面的試驗和論證，美國內華達州的拉斯維加斯流域河谷進(jìn)行了將處理后的科羅拉多河水注入到深層含水層中的可行性論證，研究地下水與河水混合后方解石的溶解能力變化，并考慮生產(chǎn)井長(cháng)期注水的性能和使用壽命問(wèn)題。德克薩斯州的回灌設計考慮到補給水源、儲水空間和補給恢復設備等方面的條件，證明入滲盆地比入滲井補給效果更好。1992年加利福尼亞大學(xué) Asano.T 做了關(guān)于利用城市廢水進(jìn)行人工補給水質(zhì)標準的研究，給出了廢水的注水標準。

 

  上世紀90年代，澳大利亞Peter J.Dillon在南澳大利亞的Bolivar水廠(chǎng)建設回灌工程，主要研究含水層存儲和恢復中水質(zhì)的變化。勘察后選定灰巖含水層進(jìn)行回灌，利用暴雨水作水源，在回灌過(guò)程中對地下水水質(zhì)進(jìn)行監測，以 DOC（Dissolved Organic Carbon，溶解有機碳）為指標，深入分析了回灌井和周邊地區在回灌和抽水的各個(gè)階段水質(zhì)的變化規律。2001 年 Peter 等人對不同的補給方法進(jìn)行了比較分析，論述選擇補給方式時(shí)需要考慮的各種影響因素，并應用滲透膜進(jìn)行淤塞試驗。

 

  1950 年之后，荷蘭在人口眾多的沿海城市開(kāi)展了大規模的地下水補給工程。目的一是增大供水能力，遏制地下水位的持續下降和控制海水入侵；二是利用廉價(jià)的、天然過(guò)濾消毒入滲系統提供衛生的水資源。在阿姆斯特丹沙丘地區進(jìn)行了人工回灌試驗，根據其研究成果，1957 阿姆斯特丹供水公司開(kāi)始利用人工回灌工程防止咸水入侵，把河水經(jīng)處理后用于回灌，通過(guò)沙丘的天然過(guò)濾消毒作用凈化水。至 1990 年，荷蘭地下水的人工補給量達到 1.8 億 m3/a，96%的水是通過(guò)沙丘地區的入滲系統進(jìn)行補給。目前，荷蘭依據保護生態(tài)環(huán)境的總方針，開(kāi)始改進(jìn)設計地表入滲系統，增加井灌補給，減少地表入滲補給，以避免和減少地表補給對生態(tài)環(huán)境帶來(lái)不利影響。

 

  1981 年，前蘇聯(lián)首次在阿爾扎馬斯有計劃的建設人工補給地下水工程。利用已有的滲水裝置和地勢較高的上游地區蓄水池，積聚地表水補給地下水，使得地下水可開(kāi)采量大大增加。德國大多選擇河道入滲的的人工回灌方式， G.Massman 等人在 Oder河邊緣圍海造田地區進(jìn)行地球化學(xué)調查，分析河水入滲的地球化學(xué)作用。2001 年德國召開(kāi)兩年一屆的國際河岸入滲大會(huì )，研究入滲速率、水位上升以及有機物的轉化等。

 

  相對于國外，我國的人工回灌工程起步較晚。上世紀五十年代中期，石油、紡織等工業(yè)部門(mén)開(kāi)始試行深井人工回灌補給，到六、七十年代東部沿海地區開(kāi)始采用地下水回灌，目的是補給地下水源，緩解供水緊張，并防止地面沉降和海水入侵。1966 年起，上海在中心市區進(jìn)行管井回灌，有效控制了地面沉降，總結了控制堵塞的經(jīng)驗，尤其在深井回灌方面獲得了大量的實(shí)際資料，積累了豐富的經(jīng)驗。1965 年，處于華北地區的北京市開(kāi)始回灌試驗研究，選擇永定河沖積扇作為試驗區，使用多種方法進(jìn)行回灌，6分別以夏季雨水、冬季河道基流和工業(yè)廢水為水源，利用平原水庫、舊河道、廢棄砂石坑以及深井進(jìn)行回灌試驗研究，試驗結果表明，利用水庫和舊河道進(jìn)行地下水補給是可行的，并可改善地下水水質(zhì)。北京市在 1981 年推廣深井人工回灌工作，發(fā)展較快，后來(lái)因為轉產(chǎn)、停產(chǎn)、回灌井堵塞、工藝改造等原因，原有的大部分回灌井停灌。目前考慮到回灌影響因素，將水文地質(zhì)條件較好的北京西郊作為重點(diǎn)的回灌區域開(kāi)展研究，采用了大口井人工回灌方式模擬研究，表明西郊是建設地下水庫的良好場(chǎng)所，可以有效補給地下水。

 

  天津中低溫地熱資源非常豐富，有關(guān)地熱開(kāi)發(fā)與保護的研究開(kāi)展較早。在上世紀70 年代末，分別在大港和塘沽對明化鎮組和館陶組熱儲層進(jìn)行了對井回灌、多井回灌數值模擬及回灌理論的研究。對回灌設備、系統工藝、技術(shù)方法等初步探索，發(fā)現地層吸水指數與回灌水溫度成正相關(guān)。1997 年做了基巖熱儲層回灌試驗，研究了自然狀態(tài)下和加壓狀態(tài)下基巖熱儲層的吸水能力，分析回灌水壓力、溫度及回灌方式對地層吸水能力的影響。1997 年至 2001 年，進(jìn)行了回灌條件下熱儲層壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的變化規律研究。近幾年，天津更是加大了地熱資源保護和可持續發(fā)展研究，建設了地熱資源梯級循環(huán)利用工程，采用地板采暖、熱泵調峰、自動(dòng)化監控、回灌等技術(shù)，提高地熱資源的利用率，地熱水的回灌率達到 90%以上，避免了因排放造成的熱污染，有效節約了地熱資源，減緩了區域水位下降速度?？紫缎?a href="http://keyinmall.com/t/熱儲.html" >熱儲回灌是一個(gè)世界性難題，長(cháng)期以來(lái)沒(méi)有得到很好解決，回灌難度非常大。2010 年 3 月份天津濱海新區的地熱回灌技術(shù)研究獲得突破，將石油廢井射孔改造為新近系地熱井，建成一采兩灌的地熱開(kāi)發(fā)系統，回灌能力達到 100%。這也是天津市新近系孔隙型砂巖熱儲回灌工作取得的重大突破，屬于國內領(lǐng)先技術(shù)。當前天津基本上實(shí)現“在保護中開(kāi)發(fā)，在開(kāi)發(fā)中保護”、“節能減排、保護環(huán)境”的資源政策。另外河南、河北、山東等省也加快了在人工回灌方面的研究步伐。

 

  地下水人工回灌作為水資源開(kāi)發(fā)與保護的一種有效手段，已成為世界范圍內重要的地熱田生產(chǎn)運行中的一項日常工作，在美國、冰島、新西蘭、意大利、法國、日本等多個(gè)國家得到了廣泛的應用。在國內，以北京、天津為首的地熱水回灌技術(shù)研究亦有快速發(fā)展。近些年對人工回灌的相關(guān)理論研究的區域和深度也逐步擴大，區別于各地不同的地質(zhì)條件和氣候水文條件，人工回灌技術(shù)的研究與發(fā)展將受到越來(lái)越多的關(guān)注。

 

  存在的問(wèn)題開(kāi)封市地熱資源豐富，地熱水開(kāi)發(fā)利用程度高，但對地下熱水資源進(jìn)行的保護措施7還不夠，地下水位降落速度增加，中心城區已形成了明顯的水位降落漏斗區。并且設置的觀(guān)測井也很少，缺乏相關(guān)的持續性水位、水溫、水質(zhì)等觀(guān)測數據?？傊?，在現有的條件下，對開(kāi)封市區超深層地熱水進(jìn)行回灌補源研究是必要的，但研究中也存在以下問(wèn)題和困難。

 

  （1）開(kāi)封市區的地熱水資源開(kāi)發(fā)目前仍是處于只采不補的狀態(tài)，尚未對超深層地熱水進(jìn)行過(guò)回灌補源，更缺乏回灌的水位、水溫、水質(zhì)等試驗或觀(guān)測數據。無(wú)法采用先進(jìn)的現代數值模擬軟件對回灌過(guò)程進(jìn)行模擬，取得的回灌水文地質(zhì)參數存在一定的誤差。

 

  （2）開(kāi)封市開(kāi)采的超深層地熱水資源主要是蘊藏于新近系松散含水層中的孔隙水，含水層主要由細砂、中砂、粉細砂、粉砂巖等組成。一般來(lái)說(shuō)，在孔隙型熱儲層中回灌難度大，實(shí)際回灌中，需要解決的問(wèn)題很多。

 

  （3）國內對淺層地下水回灌方面的研究成果較多，而針對超深層地熱水的回灌研究相對較少，僅有北京、天津、上海、西安等地開(kāi)展過(guò)深層地熱水的回灌試驗和回灌工程研究。