如何解决好水源热泵的成井、回灌、勘探、钻探等问题，2011年6月11日，中国地质调查局浅层地温能研究与推广中心刘清晓在由中国制冷学会空调热泵专业委员会主办的水源热泵系统回灌技术交流与工程应用研讨会上进行了主题为“不同的水文地质需采用不同的回灌方法”的发言。
 

　　刘清晓在开篇中介绍，地质学与水文学交叉渗透形成的水文地质学，目前已经形成了若干分支学科。其中属于基础性的学科分支为：水文地质学基础、地下水动力学、水文地球化学、水文地质调查方法、区域水文地质学等。结合各种专门目的的水文地质学分支正在不断形成，其中比较成熟的有供水水文地质学、矿床水文地质学、古水文地质学、同位素水文地质学等。在调查中，发现由于人类活动强烈干预地下水及其赋存介质，导致一系列与人的价值判断相联系的利益冲突，必须用社会科学的方法加以处理。
 

　　我国水资源总量为28124亿m3/年，世界排名第六位。其中地下水8288亿m3/年，地表水27115亿m3年，人均占有水量为2220 m3（1997年人口），为世界平均水平的1/4，居世界第110位。2030年中国人口将达到16亿，人均水资源量只有1760m3，将进入用水紧张国家（1700m3）。我国目前人均1000m3，北京今年人均约100m3。我国水资源地区分布不均匀 ：南多北少，东南多西北少；81%分布在长江以南地区。年内（6-9月占60-80%）和年际不均。地表水和地下水比例不均（南方4:1；北方1:0.6）。近年来，水质不断恶化，由短缺向奇缺快速转化，全国1/3以上河段受到严重污染。
 

　　在开采的过程中，由于过量开采地下水造成区域地下水位持续下降，水源枯竭，生态环境受到破坏。全国土地荒漠化面积262.2万平方公里，占国土总面积的27.3%，目前沙化面积仍以每年2460平方公里的速度在扩展。华北地区近30年地下水超采300多亿方，漏斗几万平方公里；北京超采100多亿方，水位下降几十米 。此外，还出现地面沉降、地表开裂和塌陷等地质问题、水质恶化与水质污染问题、不合理利用水资源造成土壤次生盐渍化和次生沼泽化等诸多问题。
 

　　地下水资源分类及评价方法

　　地下水资源与其他矿产资源相比，流动性和可恢复性更强；与地表水相比，储存空间和调蓄能力巨大。按存在形式可分为气态水、吸着水、薄膜水、毛细管水、重力水和固态水等。按含水层埋藏特征可分为包气带水、潜水（地表以下第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下水。自由水面称潜水面，潜水面相对于基准面的高程称潜水位）和承压水（充满于上下两个隔水层之间的具有承压性质的地下水）。按含水层（地下水面以下饱水的透水层）空隙特点可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。按水质和水温的特点可分为：矿化水、高矿化水、热水等。构成含水层的条件：有储存重力水的空隙；下伏有隔水层。根据含水层的岩性和单井出水量，可以编制富水性分区图，作为开采利用地下水的依据和参考。隔水层指重力水不能透过的土层或岩层。一般孔隙很小的粘土层、重亚粘土、以及致密岩层（如页岩、火成岩、变质岩）等都是隔水层。由于隔水层的存在，使上下含水层没有水力联系。
 

　　在干旱、半干旱地区，地表水与地下水转化往往具有多重性，这种转化过程中，对生态环境具有不同的作用。因此在进行地下水资源评价时，更要充分考虑这种转化关系，以不破坏生态环境为前提，合理使用水资源。
 

　　根据我国的水资源条件，刘清晓认为在未来水源地地段，进行较长时间的抽水试验，根据开采量－降深(Q-s)关系，对地下水可开采资源量进行评价。水文地质条件复杂，一时难以查清而又急需做出水资源评价的地区，主要指中小型水源地的地下水资源，进入水文地质详勘阶段后，必须进行抽水试验，运用开采试验法进行可开采资源量评价。水位观测结果可能出现两种情形：①在长期抽水过程中，如果水位达到设计降深并趋近稳定状态，即钻孔水位下降值保持在一个稳定的水平上，不再随时间继续下降，并且抽水量大于或等于需水量；停抽后，水位又能较快地恢复到原来的水平，这就表明实际抽水量小于开采条件下的补给能力，按需水量开采是有保证的。这时，实际的抽水量就是可开采资源量。②如果在长期定流量抽水过程中，井中水位不稳定，特别是观测孔水位具有持续下降的趋势；停抽后，水位虽有恢复，但始终达不到原始水位。说明抽水量已超过开采条件下的补给能力，按此抽水量开采是没有保证的。评价地下水资源，通用的一般有试验外推法、补偿疏干法、解析法、数值法等多种方法。

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　　水井施工及工艺要求

　　地下水与其周围岩土构成统一的力学平衡系统。地下水位的变动会破坏其原有的平衡而产生种种效应。地下水的迅速渗流会冲刷淘蚀松散沉积物而使之变形破坏。地下水是一种重要的地质营力，其主要作用是应力的传递者与热量及化学组分的传输者。在地下水的参与下，地壳乃至地幔中的组分迁移，在地下水的排泄带与不同组分地下水的接触带形成矿床。水在岩浆作用、变质作用、岩石圈的形成与改造，乃至地球演变中所起的作用，正受到人们愈来愈多的注意〔沈照理等，1985〕，某些利用地下水及其赋存介质的方面也值得加以注意。
 

　　一个地区地下水埋藏、分布、运动、以及水质和水量等特征的总称。根据工作目的水文地质条件可分为区域水文地质条件、供水水文地质条件、矿区水文地质条件等。只有正确掌握地区水文地质条件，才能合理开发地下水资源。在实际工作中,往往需要反映某一地段在一定深度内的含水层的埋藏与分布、地下水位以及地下水的补给、径流、排泄情况，地下水化学类型及其垂向变化资料和图件。通过水文地质调查、物探勘查、水文地质钻探（水井施工与抽水试验）、资源评价等手段来获取项目地区水文地质条件和确定地下水补给、径流、排泄工作。刘清晓强调，水源热泵工程方案选择前必须请有资质单位进行水资源论证。
 

　　在施工时需注意孔隙度和渗透性。孔隙度是岩石孔 （空）隙体积Vn和岩石体积V之百分比，孔隙度的大小取决于颗粒分选性、排列情况、形状以及充填胶结情况粘性土具有团粒结构，孔隙度一般比较大，岩石颗粒表面具有电性。孔隙中存在结合水、重力水、毛细水、气态水等岩石的渗透性和孔隙大小、孔隙度和孔隙的连通性等有关——并非孔隙度越大，渗透性就越好，在孔隙细小的多孔介质中只存在结合水，渗透性很差，比如粘性土。
 

　　施工工艺包括钻机选择、钻头与钻具组合、循环液、防斜和事故处理等环节。成井工艺包括下管（井壁管和滤水管）、填料、止水和洗井等主要工序的钻探工艺。据介绍，我国发现最古老的水井是浙江余姚河姆渡井，成井距今约5700年。河姆渡井虽然深度只有1.35m，但却用200多根圆木支撑保护，结构精巧〔树荣等，1985〕。至少在公元前7世纪，亚美尼亚就有了坎儿井〔iswas，1970〕。在公元前约200年的我国汉代，在四川为开采卤水，在坚硬基岩中开凿了深逾百米的自流井。
 

　　施工时，需进行抽水试验，测定含水层富水性和水文地质参数的试验活动。试验类型可分为稳定流、非稳定流抽水试验；单孔、多孔、干扰抽水试验等。目的是通过在水井或钻孔中抽水，观测记录水量、水位随时间的变化，利用水位与流量间的函数关系，计算含水层渗透系数和井、孔的出水能力。如果有一定数量的观测孔，还可同时确定影响半径和降落漏斗的形状、岩层给水度和含水层与地表水及各含水层间的水力联系等。稳定流抽水试验要求在一定的持续抽水时间内流量和水位同时相对稳定（即不超过一定的允许波动范围），一般进行1—3个落程的抽水，抽水后还要对水位恢复情况进行观测和记录，稳定流抽水试验主要用于计算含水层的渗透系数。非稳定流抽水试验：在抽水钻孔中仅保持水量稳定并使水位不断变化，或仅保持水位稳定使水量不断变化的抽水试验。目的是用人工控制的方法，使钻孔周围含水层中发生地下水的非稳定运动，通过测定水位随时间的变化过程（或水量随时间的变化过程），来测求含水层中地下水的水文地质参数。如导水系数、压力传导系数、渗透系数、给水度或释水系数等。
 

　　水源热泵中的回灌是世界性难题。由于硬度高、Ca+Mg沉淀、铁锈带来的结垢、由悬浮物堵塞过滤段形成的淤积堵塞、由自流回灌带入气泡形成的气相堵塞、由藻类、细菌繁殖, 铁细菌、硫磺菌造成的生物堵塞、由回灌方式不当、无监测维护等管理不善引起的诸多方面导致回灌问题成为了水源热泵施工中的“老大难”。
 

　　回灌不下去或回灌不当引发的问题包括水资源浪费引发地面沉降，导致水源热泵方式一票否决、水污染、热干扰。

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　　北京浅层地温能勘查情况

　　为合理开发利用资源，2006年4月28日北京地勘局向市政府提交了《北京市浅层地温能开发利用现状、问题与对策战略研究》报告，该报告得到市政府高度重视。《北京市浅层地温能资源勘查》得到市财政局专项资金支持，项目周期为2006.10－2008.12。既定目标为初步查明北京平原区浅层地温能资源形成、赋存和开发利用的条件，在此基础上，初步划分浅层地温能资源开发利用适宜区，计算资源量和可开采资源量；通过开展监测工作，评估浅层地温能开发利用对地质环境的影响，为合理开发利用浅层地温能资源提供技术支持，为政府宏观规划、科学管理提供决策依据。
 

　　水文地质条件在很大程度上依赖于地质条件，特别是松散层的颗粒度、分层结构、孔隙度。孔隙度是地下水流动、储存的空间，水动力条件的变化导致了地温场在不同区域温度变化，引起能量的对流，对于能量运移具有推动作用，因而这也是分区的依据之一。
 

　　调查中发现，北京地区地埋管式地源热泵适宜区和较适宜区面积3496km2，冲洪积扇中下部和洪积平原地区。地埋管式地源热泵单位面积平均可供暖为2.28×105m2。地下水式地源热泵适宜区和较适宜区面积为1345km2，主要为各冲洪积扇中上部。地下水式地源热泵适宜区单位面积平均可供暖在1.2×105m2 ，并且具有从冲洪积扇顶部到下游逐渐减小的趋势。经计算温差1℃，北京平原区浅层地温能静态储量（远景储量）为1.9×1015kJ，5.39×1011kwh, 折合标准煤6.62×107t标准煤。浅层地温能资源可利用量为冬季可开采利用量4.48×1014KJ，合1.24×1011KWh，折合标准煤1.53×107t,夏季制冷量为8.95×1014KJ，合2.48×1011kwh。经可利用资源量计算，北京平原区浅层地温能资源潜力可观，北京平原区浅层地温能可供暖面积为9.59×108m2，可制冷面积16.02×108m2。根据市政管委规划到2010年全市城镇供热需求不低于6.5×108m2，2020年达到10×108m2，能够为供暖需求提供保障。