戈建民，王亞彬

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）

地下水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行對(duì)地下水溫度影響分析

戈建民1，王亞彬2

（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）

采用數(shù)值模擬方法，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)在短期內(nèi)對(duì)局部區(qū)域地下水溫度變化有一定影響，長期影響不大。系統(tǒng)對(duì)井冬夏互為采灌，形成相對(duì)冷熱水體，反季節(jié)使用具有一定儲(chǔ)能作用。

地下水源熱泵；水溫；數(shù)值模擬；儲(chǔ)能

截至2012年，天津市建成的地下水源熱泵系統(tǒng)共61家，井?dāng)?shù)306眼。按照“以灌定采”“采灌平衡”的原則，地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中的采水量不應(yīng)超過回灌量。筆者采用數(shù)值模擬的方法，分析地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)地下水溫度產(chǎn)生的影響。

1 數(shù)值模擬

以天津市塘沽區(qū)河管所地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行狀況為例，建立符合實(shí)際情況的模型，來模擬研究區(qū)地下水水流場和溫度場的變化。

1.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)情況和鉆孔的測井曲線，可將地面以下埋深0～295 m的地層概化為15個(gè)水平層，其中含水層7個(gè)。同時(shí)，可將研究區(qū)的地下水流系統(tǒng)概化為水平結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)各向異性、三維非穩(wěn)定流承壓含水層系統(tǒng)，如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

在地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中，地下水水流場和溫度場都發(fā)生變化。要求解研究區(qū)概念模型所描述的地下水流動(dòng)和熱運(yùn)移問題，可先分別建立相應(yīng)的地下水流方程和熱運(yùn)移方程，再通過達(dá)西公式進(jìn)行聯(lián)立求解。

1.3 模擬軟件

本次研究采用美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開發(fā)的HST 3D軟件對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖1 模型分區(qū)概化地層巖性柱狀圖

1.4 網(wǎng)格剖分

根據(jù)研究區(qū)的抽灌井布置和水位、溫度的影響范圍，通過試算，最終確定本次模擬計(jì)算范圍在平面上以3#井為中心點(diǎn)向四周各延伸500 m、在垂向上的

圖2 模型空間網(wǎng)格剖分圖（xy與z的比例尺不同）

圖3 模型井坐標(biāo)位置分布

1.5 定解條件

（1）邊界條件。模擬區(qū)的周邊基本沒有開采地下水，并且該區(qū)承壓含水層地下水的水力坡度很小，地下水流動(dòng)非常緩慢，可以近似忽略，據(jù)此可將模型的四周邊界概化為定水頭、定溫度邊界；模型區(qū)域的地表為水泥地，降水通過地下排水系統(tǒng)排走，降水入滲補(bǔ)給可以忽略不計(jì)，因此可將頂部邊界概化為隔水、定溫邊界；含水層底部為厚度較大的亞黏土層，因此可將底部作為隔水、定溫邊界。

（2）初始條件。根據(jù)研究項(xiàng)目配套設(shè)備監(jiān)測的水位和溫度數(shù)據(jù)，在2009年11月之前，模擬區(qū)域的地下水水流場和溫度場基本處于天然平衡狀態(tài)。模型的初始地下水位根據(jù)監(jiān)測資料的實(shí)際數(shù)據(jù)給出。模型的初始溫度場則根據(jù)研究區(qū)內(nèi)成井之后測量的井水溫度計(jì)算平均地溫梯度值，再推算不同深度的地層溫度。進(jìn)而，研究區(qū)按照上述方法建立溫度模型。模型的初始溫度場，如圖4所示。

（3）模擬時(shí)間。本次模擬選取冬季供暖期為模擬時(shí)間段，模型運(yùn)行的起始時(shí)間為2009年11月1日，終止時(shí)間為2010年4月1日，總計(jì)151 d。

（4）抽灌井的水量和水溫。根據(jù)設(shè)備監(jiān)測的流量數(shù)據(jù)，模擬期間的抽水井水量基本穩(wěn)定在40 m3/h；水源熱泵系統(tǒng)的回灌井運(yùn)行情況良好，僅有幾次回?fù)P，因此本次模擬研究可將回灌水量視為抽水井的出水量。

圖4 模型初始溫度場

根據(jù)項(xiàng)目配套監(jiān)測設(shè)備測量的溫度數(shù)據(jù)和水源熱泵機(jī)組出口水溫的記錄數(shù)據(jù)，抽水井的出水溫度在模擬期間基本不變，水溫大致穩(wěn)定在16.2℃；回灌井的水溫變化范圍較大，水溫取平均值13.1℃。

（5）模型參數(shù)分區(qū)。本次研究模擬的范圍為1 000 m×1 000 m×295 m，按照建立的概念模型將研究區(qū)的地層劃分為15層，地層巖性在垂向上以砂層和亞黏土層交替變化。由于模擬范圍較小，在平面上可以近似將各個(gè)地層看作均質(zhì)水平延伸，因此模型參數(shù)分區(qū)按照地層巖性的垂向變化分為15個(gè)參數(shù)區(qū)。

（6）模型的識(shí)別與驗(yàn)證。根據(jù)以上模型參數(shù)校正步驟，基于4#觀測井的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終得出模型參數(shù)。地下水相關(guān)參數(shù)按20℃時(shí)的值選?。罕葻崛? 182 J/（kg·℃），熱導(dǎo)率為0.6 W/（m·℃），熱膨脹系數(shù)為2.0×10-4℃-1，黏滯系數(shù)為0.001 Pa·s。

圖54 #觀測井溫度動(dòng)態(tài)擬合曲線

根據(jù)上述模型識(shí)別校正的最終結(jié)果曲線表明，計(jì)算值與觀測值的擬合效果較為理想，溫度計(jì)算值和觀測值的誤差在0.1～0.5℃。其中，誤差在0.1～0.3℃的擬合點(diǎn)占60%，誤差在0.4～0.5℃的擬合點(diǎn)占40%。從圖5可以看出，溫度計(jì)算值曲線與觀測值曲線的動(dòng)態(tài)變化趨勢基本一致。由此可見，模型比較符合地溫場變化的實(shí)際情況，可以用來預(yù)測研究區(qū)未來的地溫場變化趨勢。

2 溫度場變化預(yù)測

項(xiàng)目進(jìn)行地溫場數(shù)值模擬研究的目的是利用已校正的模型對(duì)研究區(qū)未來的地溫場變化情況進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測的起始時(shí)間為2009年11月1日，終止時(shí)間為2014年11月1日，為期5 a。在當(dāng)年11月至來年4月的冬季供暖期，3#井作為抽水井使用，2#井作為回灌井使用，地下水的抽灌量為960 m3/d，回灌水的溫度為13.1℃；在6—10月的夏季制冷期，2#井作為抽水井使用，3#井作為回灌井使用，地下水的抽灌量為960 m3/d，回灌水的溫度為22.4℃。

按照編制的方案進(jìn)行采灌，則在未來的5 a的運(yùn)行過程中（2009年11月1日至2014年11月1日），2、3、4#井的溫度變化曲線如圖6—8所示。3#井的溫度變化幅度較大，溫度變化范圍在15.2～22.3℃，在夏季回灌熱水后溫度明顯升高，在冬季抽水供暖時(shí)溫度便逐漸下降。2#井在冬季供暖期溫度較低，主要受到低溫回灌水的影響，溫度變化范圍在13.2～16.1℃。4#井由于距離3#井較遠(yuǎn)，距離2#井較近，因此主要受冬季低溫回灌水的影響，溫度在13.3～16.2℃。

圖63 #井溫度變化范圍曲線

圖72 #井溫度變化范圍曲線

圖84#井溫度變化范圍曲線

圖9 為第5年制冷期末的地溫場剖面等值線圖，圖10為埋深145 m的細(xì)砂層第5年制冷期末的地溫場平面等值線圖。

圖9 第5年制冷期末（2014年9月31日）地溫場剖面等值線

圖10 第5年制冷期末（2014年9月31日）地溫場平面等值線

3 結(jié)論

（1）地下水源熱泵系統(tǒng)地下水采灌對(duì)地下水溫度場的影響不會(huì)超過對(duì)地下水水流場的影響范圍。

（2）地下水采灌在短期內(nèi)對(duì)地下水溫度變化有一定影響，供暖期有所下降，制冷期有所上升，溫度變化為3～7℃，長期影響不大。

（3）天津地區(qū)地下水源熱泵采灌系統(tǒng)對(duì)井冬夏互為采灌，形成相對(duì)冷熱水體，反季節(jié)使用具有一定儲(chǔ)能作用，可以節(jié)能環(huán)保。

[1]天津市水文水資源管理中心.井水源熱泵技術(shù)應(yīng)用后評(píng)價(jià)報(bào)告[R].天津：天津市水文水資源管理中心，2008.

[2]天津市地質(zhì)調(diào)查研究院.天津市地下水可持續(xù)利用調(diào)查評(píng)價(jià)成果報(bào)告[R].天津：天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，2011.

[3]天津市塘沽區(qū)水資源管理中心.天津市塘沽區(qū)水源熱泵系統(tǒng)回灌儲(chǔ)能工程研究報(bào)告[R].天津：天津市水文水資源管理中心，2011.

[4]薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，2003.

[5]上海市水文地質(zhì)大隊(duì)地下水人工回灌編寫組.地下水人工回灌[R].上海：上海市水文地質(zhì)大隊(duì)地下水人工回灌編寫組，1977.

TV213.4；P641.8

：B

：1004-7328（2017）01-0051-03

2016—11—10

戈建民（1969—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水文學(xué)及水資源研究工作。模擬范圍為從地表至埋深295 m的地層。模型在xy平面上為1 000 m×1 000 m區(qū)域，空間上為長方體的模擬范圍。模型網(wǎng)格剖分的空間效果，如圖2所示，圖中ab之間的部分代表模擬區(qū)域的含水層。各井的坐標(biāo)位置分布情況，如圖3所示。

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.016