水文地质模拟分析及在地下水源热泵中的应用.docx

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水文地质模拟分析及在地下水源热泵中的应用

沈阳城区水文地质模拟分析及在地下水源热泵中的应用

摘要:

用数字模拟方法分析了沈阳城区地下水系统的水文地质条件。

基于分析结果结合解析方法提出了沈阳城区地下水源热泵抽水井和回灌井的取水条件以及抽水井之间、回灌井之间、抽水井与回灌井之间的合理间距。

对于指导沈阳城区地下水源热泵项目的建设具有直接的指导作用。

关键词:

沈阳城区;地下水水源热泵;地下水;影响半径

中图分类号:

P641.8 文献标识码:

A文章编号:

1007-2284（2011）04-0014-04

0引言

地下水源热泵空调系统是一种利用浅层地热能进行制冷和供暖的采能技术，最早出现于美国20世纪40年代，由于其环境效益显著，运行效率较高，在欧洲及美国迅速发展[1-3]。

我国于20世纪末引入该技术，在全国各地得到了推广应用。

水源热泵理论上可以利用一切的水资源，但在实际工程中，不同的水资源利用的成本差异是相当大的。

所以在不同的地区是否有合适的水源成为水源热泵应用是限制水源热泵技术的一个重要限制，而且还受含水层结构的限制。

水源热泵若利用地下水，必须考虑水源的回灌，对于回灌技术，必须结合当地的地质情况，确保可以在经济条件下打井找到合适的水源，保证地下水源热泵的利用效率，才能使地下水源热泵得到广泛的推广应用。

但是在地下水源热泵的相关研究中，国内外文献多见于单井地下水源热泵对地下水的影响变化研究，对大区域大规模多井群地下水源热泵应用研究目前很少，缺少理论指导[4-8]。

本文在考虑地下含水层水及其地质条件影响基础上针对沈阳城区地下水源热泵井间距问题统进行研究探索，为地下水源热泵可持续健康发展提供参考[3-6]。

1研究区域概况

研究区沈阳处于东经123°16′-123°35′、北纬41°42′-41°55′之间。

区域总面积为468km2。

地处新华夏第二隆起带与第二沉降带之交界地带，是辽宁省东部山地和中部平原的过渡带，断裂带比较多，基岩出露面积较小，由东北走向西南，但地壳较稳定。

其地表为第四纪冲积层所覆盖，黏土、沙砾、砾石交互成层，堆积很厚。

地层由下更新统、上更新统及全新统冲洪积堆积物构成。

地貌形态包括构造剥蚀丘陵，山前冲洪积扇和冲积平原。

沈阳地区以平原为主，地势平坦。

北部部分地区为辽北丘陵，地势由东北向西南缓缓倾斜，西部是辽河、浑河冲积平原，东部为低山丘陵，属于辽宁东部山区的一部分。

据统计，截至2007年底，沈阳市地源热泵技术应用面积已达1840.41万m2，已建地源热泵项目中地下水地源热泵项目占到了总项目数的90%，占总供热面积的98.4%。

沈阳城区2007年可利用地下水资源总量为17.33亿m3，能充分满足地下水源热泵的发展需求。

2水文地质数学模型的建立

2.1 沈阳城区水文地质概念模型

对沈阳城区地下水系统及环境分析，可将其地下水系统的概念模型做如下归纳:

区域内虽然有全全新冲洪积砂砾石空隙潜压系统、上更新统冲洪积砂砾石空隙潜水和微承压水压系统及其中下更新统冰水沉积、局部承压水压系统。

但考虑3个亚系统之间并无连续稳定的隔水系统，相互间具有密切的水力联系，且区域内地下水开采几乎皆为统一开采，故可将其视为一个统一的潜水含水系统。

系统内含水介质其透水性为空间坐标有关，为非均质;但任一点各方向的渗透性能相同，二者综合可将其含水层归为非均质各项同性含水层。

2.2 沈阳城区地下水系统数学模型

通过分析沈阳市的地质条件和水文地质条件，含水层厚度与水文地质参数随空间变化而变化，但地下水流水平运动流速缓慢，符合达西定律。

结合以上结构的概化，将区域内的地下水流系统概念化为非均质各项同性、二维平面、非稳定地下水流系统，建立如下数学模型:

式中:

K为含水层渗透系数，m/d;Ω为计算区域;h为水位，m;t为时间，d;m为含水层厚度，m;S为含水层的给水度;W（x，y，t）为垂向补排强度，m/d;Q（xj，yj，t）为t时第j号井抽水量，m3/d;h0初始时刻水位值，m;h1（x，y，t）为第一轮边界水位值，m;q（x，y，t）第二类边界的单位长度流量，m3/d;Γ1第一类边界;Γ2第二类边界;

边界的法线方向。

3参数分区与水流模拟模型验证

 根据水文地质概念模型，并结合本水文地质资料，利用GMS软件中的TINS模块和solid模块对研究区进行三维网格剖分，共剖分三角网4391个，形成数据节点2280个，每个三角网的面积为0.10km2。

根据工程勘察资料，在平面上将研究区域划分为8个参数分区（图1、表1）。

图1沈阳城区渗透系数及给水度分区图

Fig.1ThesectorizedpictureofosmoticcoefficientandspecificyieldinShenyangcity

表1模拟模型参数校正参数表

Tab.1Thecalibrationparametersofimulationmodel

沈阳城区大部分地区的渗透系数在30~60m/d之间，浑河沿岸更高达80~100m/d，但在城区的东北部，渗透系数仅为5~10m/d。

给水度的分布规律与渗透系数基本一致。

城区大部分地区的给水度在0.15~0.30之间，浑河沿岸高达0.30~0.32，城区的东北部给水度在0.05~0.10。

根据沈阳城区地下水系统的观测资料，地下水的模拟实践选取2004年4月开始，2008年9月结束。

根据研究区地下水位观测资料的实际情况，利用2008年4月和2008年9月的历史观测资料对模型进行验证。

利用已识别的模型和识别后的参数，运行模拟模型，与实测水位进行拟合、对比，以验证模拟模型的适用性和所求参数的准确性，验证结果如图2和图3。

图22008年4月水位拟合曲线

Fig.2ThegroundwatertablefittingcurveinApril2008

图32008年9月水位拟合曲线

Fig.3ThegroundwatertablefittingcurveinSeptember2008

通过拟合曲线可以看出各观测井的计算水位与观测水位的水位变化趋势基本一致，除个别点处的水位变化步调偏离较大外，多数点位的步调变化基本同步。

对具有代表性的20个观测井统计分析表明:

对于80%以上的点位，模型计算水位与观测水位的绝对误差在?

0.5m以下，该模型拟合效果比较好，说明所建立的数学模型、各类边界条件概化、水文地质参数筛选、源汇项的处理是正确的，适合研究区的实际情况，能够反映地下水动态的变化，具有一定的代表性，达到了对地下水系统的仿真效果。

4基于GMS软件模拟结果分析

4.1 上更新统底板以上含水层开采影响半径的确定

在取水井水位降深为1m的条件下，沈阳城区地下水的影响半径多为60~80m。

浑南新区略偏小，大部分在50~60m;南运河与文化路之间，影响半径略大，达90~100m，长白地区更高达100~130m（图4）。

在取水井水位降深为5m的条件下，沈阳城区地下水的影响半径多为300~400m。

浑南新区的影响半径为200~350m;南运河与文化路之间影响半径达480~500m，长白地区为560~640m（图5）。

图4上更新统底板以上含水层影响半径等值线图（Sw=1m）

Fig.4ThecontourthatradiusofinfluenceofaquiferuptheupperPleistocenebottomslab（Sw=1m）

图5上更新统底板以上含水层影响半径等值线图（Sw=5m）

Fig.5ThecontourthatradiusofinfluenceofaquiferuptheupperPleistocenebottomslab（Sw=5m）

4.2 上更新统底板以上含水层厚度

沈阳城区的绝大部分地区地下水埋深均在10m以上，仅在浑河沿岸和城区的东北部小范围区域埋深不足5m，而大东望花的局部地区地下水埋深超过25m。

浑河以北大部分区域厚度在20~40m之间，厚度不足20m低值区主要分布在辽宁中医、128中学和西塔附近。

厚度大于40m的高值区主要分布在机车车辆厂附近、玉屏路附近、省科技馆附近。

浑河南岸由于地下水位埋深较大，含水层厚度大部分区域厚度不到20m（图6）。

5地下水地源热泵合理井间距的确定

5.1 地下水地源热泵取水回灌条件分析

从上述水文地质条件研究结果分析得出以下结论。

（1）从上更新统底板以上含水层厚度来看，除城区东北部偏薄，不足20m外，大部分地区第四系地层厚度基本在40~80m之间，第四系松散堆积物厚度足以满足取水降深需要。

沈阳城区的绝大部分地区均具有一定的含水层空间，基本能够满足地下水地源热泵的回灌水位抬升空间需求。

（2）从水文地质条件来看，沈阳城区的大部分地区渗透系数在30~60m/d，给水度在0.15~0.30，基本可以满足地下水地源热泵项目的取水和回灌需要。

而城区东北部的渗透系数仅为5~10m/d，给水度在0.05~0.10，难以满足地下水地源热泵的取水需求。

同时，在如此水文地质条件下，地下水地源热泵的回灌需求更难以满足。

综合上述分析，沈阳城区的大部分地区可以进行地下水地源热泵项目建设，但在城区的东北部，不适宜发展地下水地源热泵。

图6沈阳城区上更新统底板以上含水层厚度等值线图

Fig.6ThecontourthatthicknessesofaquiferuptheupperPleistocenebottomslab

综合上述分析，沈阳城区的大部分地区可以进行地下水地源热泵项目建设，但在城区的东北部，不适宜发展地下水地源热泵。

5.2 建设项目取水井间距的确定

建设项目取水井间距的确定应根据工程场地条件情况、场区的水文地质条件和允许的井间干扰系数来确定。

根据实验，平均井间干扰系数宜为25%~30%，一般条件下，水源地取水井之间的间距控制在沈阳城区上更新统底板以上含水层影响半径的1.5倍左右[9，10]。

考虑到地下水地源热泵的取水为间断性取水（一天的取水时间一般在12h之内）和建设场地的局限性，地下水地源热泵取水井之间间距控制在沈阳城区上更新统底板以上含水层影响半径半径的1倍左右为宜。

5.3 建设项目回灌井间距的确定

有关回灌试验影响半径和回灌井合理间距的确定方法，目前研究成果很少，有的理论认为可以采用相应的取水计算公式进行计算。

但是稳定流取水渗透系数的计算方法有较大差异。

同时，由于地下水的回灌还要受到气堵以及井管堵塞等问题影响，目前回灌技术理论尚不完整，不建议采用取水计算公式计算回灌影响半径，应侧重于通过回灌试验观测，确定其回水影响半径[9，10]。

回灌井间距可根据场区条件确定，建议最小间距应大于沈阳城区上更新统底板以上含水层影响半径2倍以上。

一般条件下，应大于50m为宜。

5.4 建设项目取水与回灌井间距的确定

基于地下水对流和弥散在“热突破”事件中的作用和热弥散计算的复杂性，本次研究中，采用稳定态纯对流双井条件下，地下水运移锋面运移公式:

式中:

tc为到达取水井所需时间;h为含水层的厚度;n为含水层孔隙度;L为抽灌井之间距离;Q为取水量。

来对取水与回灌井间距问题进行探讨。

考虑地下水地源热泵持续运行的时间，则根据上式确定发生热突破的抽灌井间距为:

式中:

tm为地下水地源热泵持续运行的时间。

结合沈阳城区含水层的实际情况，参考相关资料，确定的沈阳城区含水层的孔隙度见表2。

表2沈阳城区含水层孔隙度值表

Tab.2thetableofporosityofaquiferinShenyangcity

对于大部分地下水地源热泵工程而言，一般不存在连续运行24h的情况，表3-6为按照每天运行10h、共计运行1520h（152d）采用式（3）计算的不发生热突破的最小抽灌井间距成果。

表3砾石含水层取水与回灌井间距计算成果

Tab.3Thetableisthatthedistancecalculationresultbetweenpumpingwellandrechargingwellofgravelaquiferm

表4粗砂含水层取水与回灌井间距计算成果

Tab.4Thetableisthatthedistancecalculationresultbetweenpumpingwellandrechargingwellofcoarsesandaquiferm

表5中砂含水层取水与回灌井间距计算成果

Tab.5Thetableisthatthedistancecalculationresultbetweenpumpingwellandrechargingwellofmediumsandaquiferm

表6细砂含水层取水与回灌井间距计算成果

Tab.6Thetableisthatthedistancecalculationresultbetweenpumpingwellandrechargingwellofgravelfinesandm

回灌水温对取水井水温的影响除了对流作用，还存在宏观水动力弥散以及水和固体颗粒的直接导热，造成热突破之前取水井处地下水温度就可能受到回灌井的影响。

因此，抽灌井间距的设计除上述参考值外，可根据取水井的允许水温变化程度来综合确定。

6结语

（1）水源地取水井之间的间距控制在有效影响半径的1.5倍左右。

考虑到地下水地源热泵的取水为间断性取水和建设场地的局限性，地下水地源热泵取水井之间间距控制在有效影响半径的1倍左右为宜。

（2）回灌井间距可根据场区条件确定，建议最小间距应大于回灌试验中形成的锥形地下水丘半径2倍以上。

一般条件下，应大于50m为宜。

（3）项目取水与回灌井间距应根据项目区的含水层厚度与含水层孔隙度等因素计算求得。

合理确定地下水源热泵热源井井深和保证地下水地源热泵回灌，将地下含水层系统的影响控制在最小程度，可保护项目区的地下水资源;解决同一和不同地下水地源热泵热源井相互影响问题，实现地下水地源热泵高效运行，对于保证地下水地源热泵的可持续、健康发展，保护地下水资源均具有十分重大的现实和科学意义。

作者简介:

周浩（1982-），男，博士研究生，研究方向为农业节水与水资源。