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郑州市地下水源热泵应用适宜性与环境影响分析田良河;刘新号;闫震鹏;焦红军;杨坡;谭菊萍【摘要】本文在分析郑州市现有地温空调系统应用的基础上,从水文地质条件、浅层地温场特征、经济效益等方面分析了郑州市地下水源热泵应用的适宜性,研究了热泵运行对地下水环境的影响,认为地下水源热泵应用效果较好,经济社会效益明显,适宜推广应用,为城市地下水源热泵发展应用提供了依据。
%According to analysis of current application of geotherm air-conditioning systems,the application effect of Ground Source Heat Pump System（GSHPS）in Zhengzhou City is analyzed from the aspects of hydrogeological conditions,shallow geotherm characteristics and economybenefit,etc.,additionally,the environmental evaluation of GSHPS is researched.It is considered that the application effect of GSHPS is preferable,and the economy benefit is obvious.It is available to expand the application,which will provide a support for application of urban GSHPS development.【期刊名称】《城市地质》【年(卷),期】2011(006)004【总页数】6页(P51-56)【关键词】郑州市;地下水源热泵;水文地质;影响;适宜性【作者】田良河;刘新号;闫震鹏;焦红军;杨坡;谭菊萍【作者单位】河南省地质调查院,郑州450001;河南省地质调查院,郑州450001;河南省地质调查院,郑州450001;河南省地质调查院,郑州450001;河南省地质调查院,郑州450001;河南省地质调查院,郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TK5290 引言上个世纪70年代以来,能源和环境危机日趋严重.人们开始寻求传统能源之外的清洁、可再生的替代能源.正是在这种情况下,以清洁、可再生的浅层地热能为能源的地源热泵引起了人们的关注.地源热泵是一种先进的技术,它高效、节能、环保,有利于可持续发展.正是热泵技术使浅层地热资源得到有效利用.而地源热泵应用也日益广泛,并且受到各级政府的重视.地源热泵系统包括地下水地源热泵系统与地埋管地源热泵系统.郑州市浅层地热能的开发利用多采用地下水源热泵,土壤源热泵利用才刚起步.浅层地热能主要应用于包括宾馆、住宅、商场、写字楼、学校、医院、别墅、厂房等建筑节能方面.近年来,郑州市地下水源热泵应用发展迅速,在开发利用中也存在很多问题.如,不能完全回灌造成水资源浪费,井间距过小或抽回水量过大,造成运行期间地下水水温急剧升高(夏季)或降低(冬季),影响热泵系统运行效果,此外,地温空调运行对环境的影响问题也有待研究.1 地温空调应用现状1.1 地温空调井基本情况近年来,郑州市地下水源热泵技术发展迅速,现有浅层地热能中央空调用户百余家,抽回灌井200余眼,井深一般100～150m左右.个别小于80m或大于150m,市区东部和东北部井深较浅,市区西部和地下水降落漏斗区井深稍深.孔径一般500～600mm,井径一般300mm左右.单井出水量一般20～70m3/h,最大达100m3/h. 郑州市地温空调井因所处地貌位置不同,井深和开采层位有所不同.京广线以东为黄河冲积平原,井深一般较浅,开采层位一般为全新统、上更新统和中更新统砂层,含水层岩性为中细砂、细砂等,厚度20～40m,埋深一般在100m以上,由于这里水位埋藏较浅,故抽水水量较大,而回灌效果不佳.市中心附近,地下水埋藏较深,开采层位可达中更新统和下更新统砂层中.市区西部为塬前冲洪积倾斜平原区,井深一般稍深,开采层位主要为上更新统、中更新统和下更新统砂层,含水层岩性为细砂、中细砂、砂砾石,厚度25～50m,砂及砂砾石层局部钙质胶结成砂岩,影响空调井的出水量和回灌量.一般一组空调井需一眼抽水井和两眼回灌井.抽水井和回灌井间距一般20～30m,部分小于15m或大于30m.1.2 地温空调系统运行效果一般制冷期为5月底至9月底,供暖期为11月上旬至次年3月上旬.供热期间,井水进主机温度一般15～19℃,出主机温度一般45～55℃,回灌水温度8～15℃.室外环境温度-5～0℃时,室内环境温度可达到20℃左右;制冷期间,井水进主机温度一般16～20℃,出主机温度一般8～12℃,回灌水温度19～27℃.室外环境温度33～37℃时,室内环境温度可达到21℃左右.2 水文地质特征2.1 储水介质特征及富水性郑州市200m以浅松散地层岩性主要为第四系全新统、上更新统、中更新统冲积(局部为冲洪积的粉质粘土、粉土夹砂层;京广铁路以西,90～120m以下为下更新统或新近系粘土与砂互层.顶板埋深由西部的20～40m至东部的10m左右;底板埋深:西部以新近系湖冲(洪)积中厚层含砾中、粗砂为底界,埋深120～140m,其中含水层厚度40～60m;东部以中更新世中部黄河冲积厚层中、细砂为界,埋深160m左右,其中含水层厚度50～110m(图1).含水层富水性可划分为三个区:强富水区分布于东北部沿黄一带,含水层以粗砂为主,夹中砂或细砂,顶板埋深4～23m,降深5m单井涌水量3000～5000m3/d,局部大于5000m3/d.水位埋深一般5～10m;富水区分布于整个平原区,含水层岩性由中砂、粗砂、细砂及少量砂砾石组成,单井涌水量1000～3000m3/d,个别大于3000m3/d.水位埋深由东部的小于5m向西部逐渐增加为大于20m;弱富水区分布于袁河、郭小寨、西胡垌一带,含水层岩性为中细砂,局部夹有粉砂,单井出水量19.8m3/h,水位埋深大于50m(图2).2.2 地下水循环特征垂向上接受降水入渗、地表水渗漏补给,通过开采排泄.于开采量大于垂向补给量,在市区范围内形成了水位降落漏斗(最大水位埋深80.4m);水平上主要为来自北部黄河河道带和西部的侧向径流补给.2.3 含水层回灌能力含水层的回灌能力是影响地下水源热泵适宜性的主要条件之一.地下水回灌量的大小受成井结构与质量、水文地质条件等多种因素影响,回灌能力与含水层颗粒大小、富水性、水位埋深等有密切关系.根据已完成的"河南省重点城市浅层地热能评价与开发利用研究"成果,按单井回灌量进行将郑州市200m以浅含水层回灌能力分为4个区(图2).总体来看,回灌能力由沿黄一带冲积平原区的1500～3000m3/h向西南丘陵区逐渐减弱至小于500m3/h.综合含水层富水性与回灌能力,郑州市除西南部丘陵区外,其他地段均适宜或较适宜地下水源热泵应用.2.4 水化学类型与化学组分特征郑州市区地下水水化学类型主要为HCO3型,自西南丘陵区向北、东北、东南方向,大致分为HCO3-Ca、HCO3-Ca.Mg和HCO3-Na.Ca(Mg)型三个区,反映出了水化学类型由丘陵区逐渐向平原区过渡的分布规律.地下水中影响热泵系统运行效果和使用寿命的主要化学组分特征值见表1.表1 郑州市地下水化学组分特征值表按地源热泵水质要求(DZ/T 0225-2009),根据郑州市22个水样分析结果,浅层地下水硬度全部超标,Cl-、SO和游离CO2局部超标.总体来看,地下水除硬度外,基本满足水源热泵水质需要,个别元素局部超标.特征值 pH值总硬度(mg/l)总碱度(mg/l) Cl-(mg/l) CaO (mg/l)(mg/l) 2-SO4矿化度(mg/l)游离CO2 (mg/l)最大值 7.6 612 469 147 262 233 1139 23最小值 7.1 218 208 12 69 17 501 4平均值 7.4 398 319 74 140 86 786 103 浅层地温场特征根据郑州市潜水位以下2m深处水温观测结果,市区一带地下水埋深较大、温度稍高,一般18～20℃,局部大于20℃;向外围逐渐降低至16～18℃.郑州市西郊地下水埋藏较深,含水层颗粒较细,局部呈胶结状,导水性较差,地下水水温较高,200m深水井的地下水温可达20℃左右;郑州市东北郊,浅层含水层为黄河冲积物,埋藏较浅,颗粒较粗且松散,导水性能好,黄河侧渗补给强烈,浅层地温场温度较低,另外,在郑州市地下水降落漏斗区,因地下水位埋深较大,水温略偏高.浅层地温场特征见表2.表2 浅层地温场特征值表区域温度(℃) /水位埋深(m)市中心区温度(℃) /水位埋深(m)近郊区温度(℃) /水位埋深(m)恒温带深度(m)/温度(℃)浅层地温场平均温度(℃) 15.9～17.0/<20 18～20/>40 16～18/10～50 27/15.7 18.4～18.7地温增温率:根据井中垂向测温资料,市区东北一带增温率为2.13℃/100m,小于正常地热增温率,可能与浅层地下水补给速度快有关;市区西南一带增温率为3.53℃/100m.从本区浅层地温场特征来看,地下水温度变化范围在热泵系统要求范围内,可以满足热泵应用要求.4 经济环境效益分析地温空调系统以电能为辅助能源,将地下浅层地温的低位能量转变为可利用的高位能,实现冬季供暖、夏季供冷,又能将部分热量加以利用形成生活热水.通常消耗1kW的电能,地温空调系统可获取4kW的热量或冷量,这要比电锅炉加热节省2/3以上的电能,比燃料锅炉节省1/3以上的能量;水源热泵的热源温度全年较为稳定,其制冷制、热系数可达3.5～4.0,与传统的空气源热泵相比,要高出40%左右,其运行费用为普通中央空调的50%～60%,足见水源热泵的节能性.地温空调系统不仅具有较高的GOP(能效比)值,还在一定程度上解决了洗浴用水的供应问题.以河南省老干部疗养院地下水源热泵空调系统为例:河南省老干部疗养院共施工地温空调井8眼,其中抽水井3眼,回灌井5眼,井间距12～15m,空调应用面积22000m2.冬、夏季均使用120天,夏季室内温度降低12℃,冬季室内温度升高20℃.运行效果较好.其经济效益对比见表3.表3 省老干部疗养院地温空调与其他空调效益对比表目空调类型备注地温空调燃煤空调燃气空调电空调空调面积(m2) 22000 22000 22000 22000基本投资(万元) 330 365 410 340运行费用(元/m2.天)夏季 0.09 0.16 0.20 0.11冬季 0.10 0.20 0.18 0.13从以上各表可看出,利用热泵技术开发利用浅层地热能,能够节约能源,保护环境,投资运行成本低,社会效益及经济效益明显.浅层地热能是一种清洁的,可再生的能源,是国家要求大力探索和发展的新能源.随着我国能源结构政策的调整和地源热泵技术的逐步提高完善,城市对浅层地热能需求不断加大,浅层地热能所占的比重也将愈来愈高.5 热泵系统运行对地下水环境的影响5.1 对地下水温度的影响郑州地区地温空调井抽水井中水温一般约16～20℃,回水管道中水温在供暖期一般在10～15℃,比抽水井中地下水温度低2～7℃;制冷期一般在18～25℃,比抽水井中地下水温度高1～8℃.根据对地温空调井中水温度监测,地温空调运行时对地下水温度阶段性影响较明显:受回灌水温度的影响,制冷期地下水温度略有升高,供暖期略有下降.但在一个完整的制冷与供暖周期内(图3、4),地温空调井回灌对地下水温度持续性影响不明显.5.2 对地下水水质的影响根据儿童医院地温空调井制冷期运行前(5月5日)、运行期间(8月21日)及运行(10月29日)后的水质全分结果,并收集了2003年8月份水质资料进行对比,见表4.表4 儿童医院地温空调井不同时段下水水质对比表分析项目含量(mg/l) 03.08.11 08.05.05 08.08.21 08.10.29 03.08.11 08.05.05 08.08.21 08.10.29含量(mg/l) 分析项目K+ 0.72 1.45 0.80 1.09 Zn / 0.02 0.01 / Na+ 97.61 115.79 55.56 77.60 Cu / 0.01 0.01 / Ca2+ 93.80 159.32 157.11 159.12 Pb / 0.01 0.01 / Mg2+ 18.00 36.21 27.22 37.66 Cd / 0.005 0.005 / Fe3+ 0.23 1.20 0.01 0.05 Se / 0.00 0.0001 / Fe2+ / 0.002 0.002 0.002 Hg / 0.0001 0.0001 / Al3+ / 0.01 0.01 0.05 Mn 0.05 0.02 0.01 / NH4阳离子0.02 0.10 0.02 0.02 As / 0.00 0.00 /合计 314.07 240.69 275.52 Ag / 0.01 0.01 / +Cl- 93.25 130.81 114.15 125.49 Cr6+ / 0.002 0.00 / SO42- 70.64 172.91 107.59 143.13 总硬度 308.30 546.50 504.00 552.20 HCO3-357.60 436.90 369.17 432.02 永久硬度 15.30 188.50 201.50 198.00 CO32- 0.00 0.00 0.00 0.00 暂时硬度 293.00 358.00 302.50 354.00阴离子OH- / 0.00 0.00 0.00 负硬度 0.00 0.00 0.00 0.00 NO3--13.34 72.00 60.00 55.13 总碱度 293.00 358.00 302.50 354.00 NO20.001 0.03 0.01 0.02 总酸度 22.40 7.10 18.80 F- 0.35 0.20 0.36 0.32 H2SiO3 22.00 28.60 29.90 26.00 Br- / / / / 游离CO2 14.08 19.69 6.22 16.58 PO43- / / / / CODMn / 1.03 0.51 0.53合计 / 812.85 651.28 756.13 氰化物 / 0.001 0.001 /色度 / 100 2 5 酚类 / 0.002 0.002 /口味 / 无无无矿化度 600.00 1148.92 914.97 1051.65气味 / 无无无固形物 930.47 730.38 835.65浊度 4.11 49 1 5 pH值 7.65 7.30 7.50 7.40变化较为明显的成分主要有Na+、Mg2+、Cl-、SO、HCO、NO等,与2003年(收集资料)相比,总体以含量升高为主,并引起总硬度、矿化度等指标的升高.变化最大的NO含量升高了4倍以上.但就本次采取的3组水样对比来看,各组分却呈现出运行期含量较低,运行期前后含量较高的现象,且总体上有所降低.其中5月5日水质中同时存在有NH、NO、NO,表明水已受污染一定时间.而后期的水样中这3种离子含量逐渐降低.经调查,该水样采取前(4月底)机组曾进行调试,因此该水样异常应为机组试运行引起的污染所至.因此,在浅层地热能开发利用时应严格控制污染源.6 结论⑴郑州市平原区含水层岩性为中砂、中细砂,富水性好,可满足地下水源热泵供水与回灌需求.⑵郑州市地下水温度一般18～20℃,适宜地下水源热泵运行.地下水中化学组分除硬度外,基本满足水源热泵水质需要,个别元素局部超标.⑶郑州市地下水源热泵应用效果较好,经济社会效益明显,适宜热泵推广应用.⑷地温空调运行时对地下水温度阶段性影响明显,但在一个完整的制冷和供暖周期内,地下水温度没有明显的持续性变化.地温空调运行过程中应注意防护,以减少可能对地下水造成的污染.综上所述,地下水源热泵在郑州市应用较为适宜.但在使用过程中应加强地下水监测管理,以确保地下水完全回灌,同时为研究热泵系统运行对地下水环境的长期影响提供资料,促进地源热泵技术健康发展.参考文献[1] 赵军,戴传山.地源热泵技术与建筑节能应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.(Zhao Jun, Dai Chuanshan.Geothermal heat pump technique and architecture energy saving application [M].Beijing∶ China achitecture industry press, 2007).[2] 中国资源综合利用协会地温资源综合利用专业委员会.地温资源与地源热泵技术应用论文集.第一集[M].北京:中国大地出版社,2007.( Professional committee of geothermal resource utilization, association of Chinese resource utilization.Proceedings of geothermal energy and geothermal heat pump technique application, volume 1 [M].Beijing∶ China land press, 2007). [3] 国土资源部地质环境司组织编写.浅层地热能-全国地热(浅层地热能)开发利用现场经验交流论文集[M].北京:地质出版社,2007.( Geological environment department of ministry of land and resources.Shallow geothermal energy- Proceedings of national conference of geothermal energy development and utilization experiences communication [M].Beijing∶ Geology press, 2007).[4] 北京市地质矿产勘查开发局,北京市地质勘查技术院编著.北京浅层地温能资源[M].北京:中国大地出版社, 2008.( Beijing geological mineral survey and exploitation bureau, Beijing geological survey technique institute,etal.Shallow geothermal energy of Beijing [M].Beijing∶ China land press,2008).。
郑州沿黄区地下水资源开发利用邓晓颖【摘要】为实现郑州沿黄区地下水资源可持续开发利用,避免或减少地下水水源地集中开采对区域生态地质环境产生不利影响,对区内地下水位、水质、开采量等环境地质条件进行了近10年的连续监测.利用实测、遥感解译、水均衡及数值模拟计算等方法,重新计算验证了各项水文地质参数,对水源地的允许开采量进行了复核性开采验证.研究结果表明:地下水水源地开采不会对黄河大堤稳定性及黄河河道造成大的影响;小浪底水库运行后,造成水源地水位降深增加了1.5 m,但黄河的补给量基本未变;河道北移在800 m以内时对水源地的影响不大.针对水源地范围内存在农渔业用水模式的改变及对地下水的无序开发问题,提出了应加强对水源地的立法保护,采取地表水、地下水联合调度和"采补调蓄"措施,是实现沿黄地下水资源可持续开发与生态环境和谐的关键.【期刊名称】《水资源保护》【年(卷),期】2010(026)001【总页数】5页(P44-48)【关键词】地下水开采;动态监测;环境问题;黄河【作者】邓晓颖【作者单位】河南省地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队,河南,郑州,450053;河南省郑州地质工程勘察院,河南,郑州,450053【正文语种】中文【中图分类】TV213.9由于郑州以下黄河河床高出两岸平原区,自古以来人们习惯于自流引水的供水方式。
郑州市自1970年开始兴建引黄供水工程,分别于1972年、1978年先后建成邙山提灌站和花园口提灌站,成为郑州市城市用水的主要水源。
然而,黄河下游自20世纪70年代以后,多次发生断流,黄河水量的减少趋势和水质污染问题日益突出,加之黄河水泥沙含量高,其水质净化工艺复杂,沉淀和清淤费用高。
基于以黄河水作为水源的诸多弊端,地下水供给越来越受到人们的重视。
20世纪90年代初,郑州市开始在郑州市北郊黄河影响带勘探、建设以开采浅层地下水为主的特大型集中供水水源地。
为合理开发地下水资源,减少开采地下水给环境带来的消极影响,及时有效地保护地质和生态环境,维护黄河大堤安全,实现地下水资源可持续开发利用,开展了郑州市北郊沿黄区地下水动态及环境地质监测工作,监测工作贯穿水源地建设、开采运行的全过程,历时近10年,获得了丰富的实测资料。
郑州地下空间利用情况刘爱彬近年来，现代城市面临着环境污染、生态失衡、交通拥挤等诸多问题。
城市人口大幅增长和城市用地大规模扩展造成的生态空间和生存空间的矛盾，已成为21世纪人类面临的巨大挑战。
向地下要土地、要空间是现代城市发展的必然趋势。
要达到既控制城市人口增长，又增加城市容量和人类活动空间，既缓解交通堵塞，同时不占或少占土地的目的，开发地下空间将成为必然的选择。
在一般规模的城市，煤气、自来水管道、地下污水管道、电力通讯管道等是必需的地下设施．在超过 100 万人口的大或特大城市，除了以上设施外，还有地下停车场、地下行人通道、地下商业街、地下铁道等地下设施。
城市地下空间的开发利用，已成为世界性发展趋势，并以此为衡量城市现代化的重要标志．但是，地下空间的建造难度大、投资大、建设周期较长，建成后改建维修困难．因此，对于地下空间的开发利用须慎重，才能避免重复建设、投资增大和对地下资源造成不必要的破坏．近几年，郑州市经济发展和城市化进程速度加快，人口迅速增加、土地资源紧张、生态日益恶化等问题越来越突出．郑州同其他大城市一样，出现了“城市综合征”———人口密度越来越大，交通越来越拥挤，可用的土地空间越来越少．因此，如何拓展新的城市发展空间，推进郑州市城市化的可持续发展，是当前应该解决的首要任务．一、郑州市地下空间开发利用的必要性（1）郑州市已出现了“城市综合征”，迫切需要向地下要空间。
近几年来，随着经济发展和城市化进程速度的加快，同其他大城市一样，郑州市出现了“城市综合征”：人口密度越来越大，交通越来越拥挤，可用的土地空间越来越少。
因此，如何拓展新的城市发展空间，推进郑州市城市化的可持续发展，成为当前要解决的首要问题。
当前，郑州市的交通堵塞已成为公众议论的焦点，行车难和停车难已成为郑州市的大难题。
因此建设地下车库成为必然趋势。
（2）缓解交通压力交通拥挤、行车难、停车难已成为我国大中型城市普遍存在突出问题。
当前，郑州的交通堵塞已成为公众议论的焦点，因此，需要大量修建地下停车库和车位，同时也可以通过地下通道、地铁、地下街道与地下商业、服务业等公共建筑相结合，提高交通疏导能力，解决停车难问题．（3）改善生态环境城市车辆的日益增多导致交通、空气、噪声等环境污染．我国多数城市都存在大气污染和地下水污染，环境污染已严重影响了居民的物质生活和精神生活．为了消除城市的这种弊端，可以将城市大量停车设施及小区配套公共服务设施转入地下，如地下商场、地下影剧院、地下餐馆、地下娱乐城等等，使地面增加许多开敞空间，保证绿化面积，改善城市生态环境质量。
18EXPERIENCE 区域治理郑州市地下水资源动态分析及管理建议*郑州大学水利科学与工程学院，水利与环境国家级实验教学示范中心 汪月月，盛春美，孙梦雲，魏世辰摘要：水是生命之源，而地下水是水资源很重要的一部分，其密切关系到人类生活和经济建设。
地下水是郑州市主要的供水来源，文章通过分析郑州市近些年来地下水的水位、水质等变化情况，对其造成的环境地质问题和污染问题给出相应的保护建议，以实现地下水资源可持续利用。
关键词：地下水；动态变化；问题；建议中图分类号：TV211.1+2文献标识码：A文章编号：2096-4595（2020）37-0018-0002一、郑州市气候及水资源情况郑州市总面积约为7446.2平方公里，全市水面面积约为11.4平方公里。
但随着南水北调中线工程的实施以及郑州市生态水系工程的开展，郑州市的水域面积将会不断增加。
郑州境内流域面积较大的河流有29条，分属于黄河和淮河两大水系，其中黄河流域6条，淮河流域23条。
流经郑州段的黄河长约150.4公里，黄河是郑州市主要的生活用水水源地。
郑州市属暖温带-北亚热带过渡型大陆型季风气候，冷暖适中、四季分明、雨热同期、干冷同季。
春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗日照长，冬季寒冷少雨。
根据2019年《郑州市水资源公报》，郑州市地下水资源量为5.2876亿m³，其中山丘区地下水资源量3.6427亿m³，平原区地下水资源量2.0988亿m³，平原区与山丘区地下水重复计算量0.4539亿m³。
平原区地下水资源量中，降水入渗补给量1.1605亿m³，地表水体入渗补给量0.8073亿m³，山前侧渗量0.1310亿m³，井灌回归量0.1163亿m³，总补给量为2.2151亿m³；扣除井灌回归量后，平原区地下水资源量为2.0988亿m³。
[1]二、地下水水位变化规律从近十几年的地下水实测资料分析看，地下水的水位变化与开采量的变化趋势基本一致，即开采量少，地下水位埋深下降、开采量增加，则地下水位埋深上升、水位下降。
郑州地下水均衡试验场的改建工程——试验介质的选择与试验土柱建造宋高举; 王帅; 李俊亭; 黄继超; 张公; 王继华; 王琳【期刊名称】《《水文地质工程地质》》【年(卷),期】2019(046)006【总页数】7页(P19-25)【关键词】包气带岩性; 试验土柱; 模拟沉降试验【作者】宋高举; 王帅; 李俊亭; 黄继超; 张公; 王继华; 王琳【作者单位】河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院河南郑州 450053; 长安大学环境科学与工程学院陕西西安 710054; 干旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室陕西西安 710054; 河南省地质环境览测院河南郑州 450016【正文语种】中文【中图分类】P641.2试验土柱是地下水均衡试验场的核心装置。
原试验场用于试验的土样均为单一岩性，代表性较差，阻碍了试验成果的实际应用[1～4]。
为使试验成果能较好地用于实践，试验土样的岩性、结构应接近实际地层。
为此，由专家系统依照不同地貌单元地层岩性与迭置关系进行概化，经试装填、模拟沉降试验、试验土样装填、沉降稳定性观测等步骤，完成试验土柱的建造[5～8]。
1 包气带岩性分区河南省总体地势西高东低，以黄河为界，黄河以北地势由西南向东北缓倾，黄河以南地势由西北向东南缓倾。
黄河以北地区的海拔高度从西部山前的150 m左右向东下降至40～50 m，在濮阳市台前县成为黄河以北地区的地势最低点，地面平均坡降0.14‰～0.25‰；黄河以南的海拔高度从山地边缘的120 m左右逐渐下降至东部的50 m以下，淮滨沿淮河一些地方降至30 m以下，成为本省地势最低处，其地面平均坡降约为0.2‰～0.5‰。
图1 黄河冲积平原地貌分区图Fig.1 Geomorphological zoning map of the yellow river alluvial plain河南省地貌单元包气带岩性分布规律主要表现为：河南省中部和北部为黄河下游冲积平原，主要是由黄河冲积形成的广阔平原，为华北大平原主体的东南缘部分，其由黄河多次决口泛滥改道而成(图1)。
郑州市人民政府办公厅关于印发郑州市农田灌溉机井升级改造工程实施意见的通知文章属性•【制定机关】郑州市人民政府•【公布日期】2010.04.07•【字号】郑政办[2010]41号•【施行日期】2010.04.07•【效力等级】地方规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】城乡建设综合规定正文郑州市人民政府办公厅关于印发郑州市农田灌溉机井升级改造工程实施意见的通知（郑政办〔2010〕41号二○一○年四月七日）各县（市、区）人民政府，市人民政府有关部门，各有关单位：《郑州市农田灌溉机井升级改造工程实施意见》已经市政府同意，现印发给你们，请认真抓好落实。
郑州市农田灌溉机井升级改造工程实施意见为加快改善农业生产条件，促进粮食生产稳步发展和农民持续增收，根据《郑州市农田灌溉机井升级改造工程规划（2010-2013）》（以下简称《规划》），制定本实施意见。
一、指导思想和实施原则（一）指导思想深入贯彻落实科学发展观，坚持以人为本的可持续发展治水思路，不断提升农业抗御自然旱灾能力，确保粮食生产安全，以水资源的可持续利用保障全市经济社会的可持续发展。
（二）实施原则1.突出重点：重点放在粮食增产潜力大、农业综合生产能力能够明显提高的区域；2.统筹兼顾：充分考虑水资源承载能力，实行总量控制、定额管理，促进农业结构调整；3.因地制宜：根据实际情况，制定适宜的升级改造方案，同时积极采用新技术、新材料、新工艺；4.整体推进：根据财政投入的可能和地方经济发展的实际需要，先急后缓，集中连片，整乡推进；5.鼓励先进：优先安排前期工作扎实、配套资金到位、机井产权落实到位、管护措施到位的县（市、区）。
二、总体目标和主要任务（一）总体目标以确保粮食安全、保证全市井灌区有效灌溉面积和农田灌溉机井保有量不减少为目标，针对全市农田灌溉机井使用现状，把机井工程作为主要对象，升级改造，配套完善。
工程建成后，保证机井出水量达到30m3／h以上，平原区灌溉保证率达到75％以上；山丘区灌溉保证率达到50％以上。
郑州市地下水水质总体良好
作者：周强杜佳音严珊珊
来源：《资源导刊》 2015年第6期
周强杜佳音严珊珊
近日，由河南省地矿局第二地质环境调查院和郑州市节水办共同完成的2014年郑州市地下水动态监测报告通过验收。
据了解，本次监测将地下水划分为浅层地下水（埋深80米以浅）、中深层地下水（埋深80～350米）、深层地下水（埋深350～800米）和超深层地下水（埋深800～1200米）4个含
水层组。
本次监测历时1年，从地下水动态分析、水质监测与评价等方面进行了监测，地表水
共取样15组；地下水取样层位涵盖浅层、中深层、深层和超深层地下水，共取样65组。
检测发现，水源水为Ⅰ类水，郑州周边河流贾鲁河等综合判定属劣Ⅴ类水。
浅层地下水、
中深层地下水、深层地下水、超深层地下水水质类别为良好，适用于集中式生活饮用水水源及
工农业用水；30项检测指标均满足《生活饮用水卫生标准》的要求。
调查还发现，枯水期时，浅层地下水80米等高线圈定的降落漏斗总面积为443.73平方千米，与上年同期相比有所扩大；中深层地下水60米等高线圈定的降落漏斗总面积为392.52平
方千米，与上年同期相比有所扩大；深层地下水30米等高线圈定的降落漏斗总面积为286.25
平方千米，与上年同期相比有所扩大；超深层地下水0米等高线圈定的漏斗面积为31.74平方
千米，与去年同期相比有所缩小。
该项目通过建立和完善以城市为中心的地下水动态监测网，及时掌握地下水动态变化情况，为地下水资源评价、科学管理及环境地质问题的研究和防治提供科学依据，同时为政府科学合
理管理地下水提供技术支撑。
（作者单位:河南省地质矿产勘查开发局）。
郑州地下水均衡试验场的改建工程——总体思路与应用展望李俊亭;王帅;宋高举;乔晓英;王继华【摘要】郑州地下水均衡试验场的改建,是由中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一,由河南省地质环境监测院具体负责实施.文章详细论述了改建工程的总体思路、各实施环节的具体做法、运行及其应用前景.在改建时充分考虑到试验介质对河南省的代表性;试验柱要有较好的力学、热学性能;数据采集要全面自动化;监测面适当拓宽等.在总体思路下,设计了由玻璃钢材质构建的试验筒,选取河南省5个典型地貌单元采集的试验介质,构成了模拟包气带多层地质结构的1,2,3,5,7 m试验柱共计25个.围绕试验柱设计了能模拟控制水位埋深的自动补水仪25台,以及为了探测试验柱内水分运移信息设置了负压传感器140只、水分传感器(含温度)140只.数据采集采用了逐级集成的方法,大大简化了线路布设,据此设计了一台数据采集箱,可及时获得实验过程的环境信息.在试验场设置了能测定空气温度、空气湿度、气压、风向、风速、降水量、蒸发量的小型(主杆3 m)气象站一座;在试验场设置了太阳全辐射、太阳净辐射与太阳直射的观测仪各一台.试验场还设置了0.3 m2和1 m2口径的蒸发量(含降水量)对比观测设施一处.要真正解决试验成果的实际应用问题,应注意开展野外包气带参数的研究.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2019(046)004【总页数】7页(P58-63,72)【关键词】试验介质;试验柱;自动补水仪;蒸发对比试验;参数变异性【作者】李俊亭;王帅;宋高举;乔晓英;王继华【作者单位】长安大学环境科学与工程学院,陕西西安 710054;干旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西西安710054;河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院,河南郑州 450053;河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院,河南郑州 450053;长安大学环境科学与工程学院,陕西西安 710054;干旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室,陕西西安710054;河南省地质环境监测院,河南郑州 450016【正文语种】中文【中图分类】P641.12应用试验柱(试验筒中装入试验介质)研究包气带水分运移机理，在我国已有半个多世纪的历史，据不完全统计，试验柱的累计数量已达数百座以上。
这些试验柱大致分为两类：称重式试验柱与非称重式试验柱。
由于我国的业务部门以及所研究内容与解决问题的侧重点不同，农田水利部门多使用称重式试验柱；而地质矿产部门多应用非称重式试验柱。
河南郑州地下水均衡试验场(始建于1981年)与新疆昌吉地下水均衡试验场(始建于1992年)，是地质部门建场时间较早、监测时间较长、且取得了丰硕成果的两个试验场[1-4]。
由于现代科学技术的进步，这两试验场的各种监测设施均显有所落后。
为适应新形势的需要，国家地下水监测工程决定对这两试验场进行升级改造[5]。
本文就此详细介绍郑州地下水均衡试验场在升级改造过程中的一些做法。
1 改建工程中的试验柱构建原郑州地下水均衡试验场，始建于1981年，1983年开始监测，截至2016年已运行33年，曾被列为“六五”国家重点科技攻关项目。
改建前的试验场如图1(a)所示。
图1 郑州地下水均衡试验场改建前后对比Fig.1 Overview of Zhengzhou groundwater experiment site before reconstruction and top view of the Zhengzhou groundwater balance experiment site after reconstruction试验柱是地下水均衡试验场的核心构筑物。
原有试验场的试验柱(直径50.46 cm、材质为聚氯乙烯)置于以排气孔为中心的直径8 m、总高11.5 m的半地下式建筑。
试验柱有1，2，3，5，7 m五种长度，组成5组。
试验柱中的试验介质，主要取自黄河冲积平原、淮海平原与豫西黄土区。
共计25个试验柱，呈环形放射状排列布置在以排气通道为中心的地下监测室周围。
从现代科学技术发展水平看，原试验场由于历史原因存在的主要不足是：试验柱介质岩性单一，监测范围较窄，观测手段落后，采集数据未能实现自动化，对解决实际问题尚有差距。
于是在改建时充分注意到：(1)试验柱中的介质对于试验结果应用于河南省范围必须有代表性；(2)材质为聚氯乙烯的试验柱对试验的力学、热学性能都欠佳，口径又太小，人难以直接进入试验柱内做某些必要的操作；(3)必须全面提升数据采集手段；(4)监测范围适当拓宽，例如增加太阳辐射观测、降水与蒸发对比试验观测等，以便提高研究水平。
改建后的郑州地下水均衡试验场见图1(b)。
由于试验土质及结构的选择是构建试验柱的核心问题，决定着试验结果的代表性及其以后在生产中的实际应用。
为此在2016—2017年间多次邀请河南省内从事水文地质与工程地质的老专家进行论证，将全省的包气带岩性按地貌特征分为黄北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原南阳盆地、豫西黄土丘陵等五个单元。
通过实际考察分析对比，对五个单元7 m深度范围内的包气带岩性及其叠置关系进行概化，最终形成了能表征五个单元的岩性柱的典型剖面。
用于地下水均衡研究的试验柱，从理论上讲，只需要一个7 m的试验柱就够了，通过建模就可计算出7m内任意一种长度所需要的结果。
由于原试验场的试验柱为1、2、3、5、7 m等五种情形，考虑到传统习惯及试验结果的验证对比，新的试验柱仍采用水位埋深分别为1、2、3、5、7 m的五种规格。
以实际采样时在现场对各类岩性测得的干容重及颗分结果为依据，在设计好的试验筒中(图2)装入介质(滤料)以用于模拟试验。
试验柱顶面填充10 cm的砂砾，是为了防止大降雨状态下产生的泥皮效应[6]。
试验筒采用玻璃钢材质。
筒的内直径为100 cm，以便于两个人能在其中进行必要的操作。
筒壁厚1 cm，经过力学分析，其强度完全可以满足试验要求。
据此，在试验场组成总高为205 cm的试验柱5个、305 cm的试验柱5个，405 cm的试验柱5个、605 cm的试验柱5个、805 cm的试验柱5个，共计试验柱25个。
在构建施工试验柱时，预先依据概化的岩性柱中各层岩性厚度设计的采样点，在试验筒的壁上按设计的开孔直径凿孔，以便装置各类数据采集传感器。
传感器的设置至少要保证能测得各种岩性的脱湿与吸湿两种状态下的水分特征曲线，通过数学模拟获取包气带水分运移的若干参数。
25个试验柱共设置了140个负压探头及传感器 [7]、140个含水率传感器(5TM含温度)。
25个试验柱亦呈环形放射状排列布置在以排气通道为中心5个地下监测室中(图1)。
每个地下检测室中置放不同地貌单元同一高度的试验柱，并给予相应的标注。
试验柱有以下特点：图2 用于模拟试验的试验筒Fig.2 Test tube for simulation(1)具有很好的隔温性能，当气温变化时，由于筒壁传热系数小，较好地减弱了温度效应；(2)筒的内表面，有特殊工艺构成的“嚰砂面”，较好地克服了水流的边界效应；(3)筒口留有15 cm的空间(图2)，可以较好地保留特、大降水的信息，为研究有压入渗状态下包气带水分运移提供了重要信息；(4)经实际检验在有效荷载内不会变形。
每个试验柱都应有独立的供水系统，以保证每个试验柱在设置的“水位控制埋深线”(图2)处的水均衡，这一均衡是由自动供水仪提供保障的 [8-9]。
自动供水仪有两个功能：(1)为蒸发提供连续补给水源；(2)接受降水入渗量，通过平衡杯将超出“水位控制埋深线”的降水余量排至计量筒。
每一个试验柱配有一套自动供水仪，共计有25套自动供水仪。
考虑到城市供水到达试验场的水压经多次测量约为2.2 kg，为了使自动供水仪能在一个安全状态下运行，特在地表面设置了一个供水房(图1)。
供水房内设有一个释压水罐。
由城市管网提供的水源，经过滤清器滤清与测压(掌握城市管网供水压力)再注入释水罐，释水罐内的压力保持在约0.8 kg。
由供水房引出两根供水管道：城市管网供水管直接连接于试验柱的供排水口；释压水罐的供水管道首先连结每一个试验柱的自动供水仪之后，再与试验柱的供排水口通过三通连接。
25个试验柱的供水网络如图3所示。
图3 25个试验柱的供排水网络Fig.3 Water supply and drainage network of25 test columns适于土建工程的需要，1，2，3 m三个试验柱的排水，经各自串联后直接通到五试柱区排水立管，再连同5 m试验柱区的排水一同排至窨井，7 m试验柱区的直接串联排至窨井。
2 蒸发(含降水)对比试验区蒸发与降水是制约包气带水分运移的重要因素[10]，其时空变化信息一直由气象部门提供，使用的信息采集工具为直径200 mm的蒸发皿及相应口径尺寸的雨量计。
近几年来,使用的蒸发皿已改进为皿口面积3 000 cm2的蒸发筒，命名为E—601型，为了应用气象部门的历史资料，许多业务部门通过试验亦取得了直径为200 mm蒸发皿与E—601蒸发筒的数据换算系数。
但这些成果对研究地下水均衡试验的试验场显然是不够的。
尤其像郑州地下水均衡试验场周边已是高楼林立，完全失去了应用气象部门信息的可能。
为此，必须自行建立蒸发(含降水)对比试验观测。
对比观测试验装置有两套，一套是E—601，另一套是自行设计的双圈水面蒸发筒(图4)。
自行设计的双圈水面蒸发筒(图4a)，内圈直径为1.128 m，深1m，筒口面积1 m2，筒的壁厚10 mm，在总体结构上与E—601是一致的。
外圈水位低于外筒壁上沿15 cm，当水位低至25 cm时，需要人工补水；当水位高于此值时，余的水(如降水引起)通过外圈溢流口接埋管排至土中。
双圈水面蒸发筒内侧，距上沿15 cm处有一半圆形的开孔连接内环溢流管，控制内环中水面高度(即平衡水面)。
内环溢流管连接于供水房内自动补水仪(图4b)。
当内环的水位因蒸发而下降时，自动补水仪通过平衡杯向其补水。
当降水引起内环中的水位升高时，高于平衡水面的水通过自动补水仪的平衡杯流入雨量计。
E—601与双圈水面蒸发筒相距2 m，蒸发、降水的历时动态，均同时被数据采集系统自动采集，据此即可算得两者的蒸发、降水量的折算系数。
这对试验柱的建模十分重要，因为它是上边界条件。
根据双圈水面蒸发筒与自动补水仪供水筒的直径，可以算得自动补水仪下降2.5 mm，相当于水面下降0.1 mm。
由此可见，双圈水面蒸发筒的精度很高。
为了深入研究蒸发机理，在试验区旁边设置一个太阳三辐射观测仪。
太阳三辐射是指太阳全辐射、太阳净辐射与太阳直射。
“三辐射”的观测结果，可以用来判断蒸发与太阳中的哪一种辐射相关性最强，以及每天蒸发强度的峰值，以便合理安排采样频率。
