水源熱泵井群布置方案對地下水流場影響分析

韋 婷，車巧慧，韓玉杰

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009)

地下水源熱泵系統(tǒng)是以地下水作為低位熱源或熱匯向建筑物供暖和制冷的一種熱泵技術(shù)。［1］系統(tǒng)利用地下水系統(tǒng)溫度基本恒定這一特點，在夏季和冬季，將抽出的地下水，通過封閉管路經(jīng)熱泵機組后再回灌至含水層，解決夏季制冷和冬季供暖問題，實現(xiàn)“綠色”能源的開發(fā)利用［2］。地下水抽水和回灌是其中兩個非常關(guān)鍵的過程，對地下水流系統(tǒng)不可避免地造成一定的影響。為此，本文以某地下水源熱泵系統(tǒng)工程為例，在建立研究區(qū)地下水流數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)實測抽水試驗、抽水－回灌試驗數(shù)據(jù)，定量評價了不同的井群布置方案對地下水流場的影響范圍與影響程度。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃淮海平原南部，季風半濕潤氣候區(qū)，區(qū)域多年平均降水量、蒸發(fā)量分別為743.3 mm、1 040.4 mm。區(qū)內(nèi)地層為華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)，新生界松散層全區(qū)廣泛分布，厚達500 m左右。

1.1 含水層組間水力聯(lián)系

區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)分布條件比較穩(wěn)定，潛水含水層和承壓水含水層之間發(fā)育較厚且相對穩(wěn)定的粘土層，厚度平均15 m左右，兩層組之間的直接水力聯(lián)系較差，區(qū)域局部地段存在可形成越流補給的天窗。

1.2 補、徑、排條件

大氣降水是其主要補給來源，孔隙承壓水，主要接受側(cè)向徑流補給。現(xiàn)狀條件下，區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式有人工開采、潛水蒸發(fā)、越流排泄和側(cè)向徑流排泄。天然條件下，潛水與承壓水的區(qū)域徑流方向大致由西北流向東南;現(xiàn)狀條件下，在城區(qū)因承壓水開采形成降落漏斗，流向略有改變，即地下水由周邊地區(qū)流向漏斗中心區(qū)。

2 地下水流數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)所在地段，勘探孔所揭露的地層最大埋深為155.5 m，自上而下分為:

第一層:潛水含水層組(第一含水層)，為黃土以及粉砂夾粘土，分布深度為0～28.4 m;

第二層:隔水層組，為粘土層，分布深度為28.4～33.5m;第三層:承壓含水層組(第二含水層)，為中細砂、粉砂與粘土互層，分布深度為33.5 ～155.5 m;

第四層:隔水底板，為粘土層，分布深度大于155.5 m，本次鉆探未揭穿;根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)，該層分布穩(wěn)定、厚度大于10 m。

上述地層中，第三層為中細砂、粉砂與粘土互層，賦存孔隙承壓水，該層分布較穩(wěn)定、水量較豐富，是研究區(qū)所在區(qū)域城鎮(zhèn)供水的主要取水層位，該層也是本次研究的目標含水層組。

2.2 數(shù)學模型

依據(jù)概化的水文地質(zhì)模型，將研究區(qū)的地下水流概化為非均質(zhì)各項同性介質(zhì)中的準三維非穩(wěn)定流問題，建立相應(yīng)的數(shù)學模型:

式中:K是含水層滲透系數(shù)(m/d);H是地下水水位(m);M是承壓含水層厚度(m);W是單位體積流量，用以代表流進源或流出匯的水量(m3);μ*是彈性釋水系數(shù);H0是地下水初始水位(m);H1是模擬期邊界處的地下水水位(m);t是時間(d);q是流量(m3/d)，開采為負、回灌為正;D是模擬區(qū)范圍;Γ1為水頭邊界;Γ2為流量邊界。［3］

研究中，首先利用抽水試驗中實測水位、流量數(shù)據(jù)，對數(shù)學模型進行識別;利用識別后的模型，模擬不同布置方案下的地下水流場。

3 地下水流系統(tǒng)影響分析

水源熱泵系統(tǒng)工作過程中對地下水流系統(tǒng)形成影響的途徑是:開采井抽取地下水，使含水層中地下水形成一個水位下降的附加流場;回灌井對含水層進行補給，使地下水水位形成一個上升的附加流場;水源熱泵系統(tǒng)對地下水流系統(tǒng)形成的總影響，是上述兩個附加流場的迭加后形成的影響效果。［3－5］

3.1 回灌方式與方案

圖1 抽、灌井布置方式

方案(a):抽水井直線集中，回灌井集中布置;

方案(b):抽、灌井1:1交叉，剩余回灌井集中布置;

方案(c):抽、灌井1:1交叉，剩余回灌井直線布置;

方案(d):抽、灌井交叉，部分回灌井直線布置;

方案(e):抽、灌井交叉，部分回灌井集中布置。

實例中，地下水回灌屬于回灌承壓含水層［6］;由于回灌目的層滲透性好、水位埋深也比較大(靜水位埋深在18 m左右)，所以可采用管井真空回灌(無壓、自流)方式。為了進一步確定回灌的效果和回灌井井數(shù)，按有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，進行了多孔抽水試驗、抽水～回灌聯(lián)合試驗。依據(jù)單井回灌能力分析的有關(guān)數(shù)據(jù)，項目最大需水量490 m3/h，單井抽水量約為55 m3/h，單井回灌量約為30 m3/h。因此，偏安全考慮，可采用“10抽20回”的形式(設(shè)1口備用抽水井，2口備用回灌井)，試驗100%回灌方案。

3.2 井群布置方案

井群抽、灌井位布置是地下水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計的一個重要參數(shù)。依據(jù)識別后的模型，在100%回灌條件下，采用不同的井群布置方案，對上述兩個流場進行抽水、水位恢復模擬，定量預測水源熱泵系統(tǒng)對地下水流系統(tǒng)形成的影響，分析其影響規(guī)律。

圖2 井群布置方案制冷、采暖期末流場

表1 回灌井附近井群布置方案制冷、采暖期末地下水位變化影響

表2 抽水井附近井群布置方案制冷、采暖期末地下水位變化影響

由上圖及表得到以下認識:

(1)抽水井、回灌井附近的水位隨著井群布置方案的不同有明顯的升降，方案布置e，水位降深最小，降深大于0.5 m的影響范圍明顯減小;

(2)采用真空回灌時，回灌井水位上升越小越利于回灌，抽水井降深越大抽水越難，降深范圍擴大將會影響周邊市政用水泵房的抽水能力;

(3)綜合考慮水位降升以及影響范圍，采用e方案。

4 結(jié)語

在研究區(qū)及其水文地質(zhì)條件類似的地區(qū)，孔隙承壓含水層水量較豐富、回灌條件較好，在井群布置方案為e的條件下，對周邊地下水的開采影響甚微。水源熱泵系統(tǒng)是一個完全封閉的水循環(huán)系統(tǒng)，其正常運行過程中對地下水水質(zhì)(除水溫變化外)基本不產(chǎn)生影響，具有較好的推廣潛力。

［1］殷平.地源熱泵在中國［G］.現(xiàn)代空調(diào)－空調(diào)熱泵設(shè)計方法專輯.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001:1－8.

［2］H.O.Paksoy，O.Andersson，etc.Heating and cooling of a hospital using solar energy coupled with seasonal thermal energy storage in an aquifer［J］.Renewable Energy.2000，19:117 – 122.

［3］汪佳，陶月贊等.水源熱泵系統(tǒng)對地下水流系統(tǒng)的影響評價［J］.地下水.2009，31(4):43.

［4］ A.Michopoulos，N.Kyriakis.A new energy analysis tool for ground source heat pump systems［J］.Energy and Buildings.2009，41:937 –941.

［5］陳崇希，林敏.地下水動力學［M］.1版.武漢:中國地質(zhì)大學出版社，1999:48－57.

［6］倪龍，押淑芳等.地下水地源熱泵熱源井設(shè)計方法研究［J］.暖通空調(diào).2010，40(9):83－84.