李海林

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045)

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬于典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量573.6 mm。研究區(qū)位于洹河沖洪積扇上游，地下水源熱泵主要開采層和回灌層為100 m以淺含水層，巖性以中、上更新統(tǒng)的沖洪積卵礫石、礫石和中粗砂為主，厚度30 m左右，地下水補(bǔ)給及賦存條件優(yōu)越、富水性和回灌能力較強(qiáng)，換算成5 m降深，單井出水能力>5 000 m3/d，單井回灌能力>5 000 m3/d，含水層調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。區(qū)內(nèi)包氣帶巖性以雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土為主，地形平坦，地表徑流緩慢，有利于大氣降水入滲補(bǔ)給，大氣降水補(bǔ)給是該區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源。

安陽市金秋科創(chuàng)大廈位于河南省安陽市文峰區(qū)弦歌大道與峨眉大街交叉口東南角。該工程采用地下水換熱方式，共設(shè)熱源井4眼，井深均為120 m，井徑0.6 m，運(yùn)行模式為一抽兩回一備用。工程所在地含水層屬于松散巖類孔隙含水層組，含水層的主要巖性為砂礫層、粗砂層和砂層，在水平方向上厚度變化不大。含水層富水條件較好，屬中等富水區(qū)，單井出水量在3 000～1 000 m3/d。

2 基于Tough2的數(shù)值模型

2.1 Tough2軟件介紹

TOUGH2是一套功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的模擬孔隙或裂隙介質(zhì)中多相流、多組分及非等溫的水流及熱量運(yùn)移的數(shù)值模擬程序軟件。TOUGH是Transport of Unsaturated Groundwater and Heat(非飽和地下水流及熱運(yùn)移)的縮寫。TOUGH代碼的前身是由美國(guó)勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)80年代初期開發(fā)的名為MULKOM的模擬程序。TOUGH和后續(xù)的TOUGH2中有較多的方法和思路是基于MULKOM程序開發(fā)而來。用于水-氣兩相流的TOUGH于1987年公開發(fā)布，它在美國(guó)高放射性核廢料地質(zhì)處置項(xiàng)目中的運(yùn)用代表了當(dāng)時(shí)該程序的主要應(yīng)用領(lǐng)域。之后，包括五個(gè)狀態(tài)方程(EOS)功能模塊的更新版TOUGH2向公眾發(fā)布，1999年升級(jí)到2.0版本。該版本新增了幾個(gè)水流特性模塊，并提供增強(qiáng)過程模擬的能力，例如儲(chǔ)層與井管水流的耦合能力，沉淀和溶解效應(yīng)(EWASG模塊)等。同時(shí)該版本對(duì)早期發(fā)布的模塊進(jìn)行了大量的改進(jìn)，增加了新的用戶特性，例如增強(qiáng)了線性方程的求解以及圖形化文件的輸出。

2.2 數(shù)值模型的建立

2.2.1 概念模型及邊界條件

根據(jù)不同模擬條件下壓力的試算結(jié)果，以及本次研究目的和已有觀測(cè)孔位置，水平方向上模型的范圍確定為800×1 200 m2。垂向上，結(jié)合水源熱泵系統(tǒng)熱源井的成井深度及地層巖性特征，模型的范圍確定為從地表到地下120 m的深度。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)及水動(dòng)力場(chǎng)的分析，水平方向上，西側(cè)、南側(cè)和北側(cè)概化為流量邊界，南側(cè)和西側(cè)均為流入邊界，北側(cè)為流出邊界，東側(cè)由于與流場(chǎng)方向基本垂直，因此概化為零通量邊界；垂向上，地表作為模型的上邊界，通過該邊界，與系統(tǒng)外發(fā)生垂向上的水量交換，模型底部為定壓力邊界。

2.2.2 參數(shù)取值

模型中的水文地質(zhì)參數(shù)是影響數(shù)值模擬精度與評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。水文地質(zhì)參數(shù)包括孔隙度和滲透率。參考相關(guān)的文獻(xiàn)和已有的成果報(bào)告，在綜合分析水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬中參數(shù)取值如下：孔隙度：砂礫0.3、粗砂0.4、砂0.25、粉質(zhì)粘土0.45、粘土0.5；水平滲透系數(shù)(m/d)：砂礫2.024 1，粗砂1.349 4，砂0.210 8，粉質(zhì)粘土0.008 4，粘土0.007 6；垂向滲透系數(shù)(m/d)：砂礫0.202 41，粗砂0.134 94，砂0.021 08，粉質(zhì)粘土0.000 08，粘土0.000 08。

2.2.3 初始條件

利用安陽市等水位線圖，計(jì)算出模擬區(qū)的水力梯度大約為1/1 000，根據(jù)初始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的中棉孔的水位觀測(cè)資料，為模型賦值壓力場(chǎng)，通過壓力場(chǎng)來反映地下水位埋深情況。

圖1 中棉觀測(cè)孔水位擬合曲線

2.2.4 水文地質(zhì)參數(shù)與源匯項(xiàng)的識(shí)別

通過調(diào)整地層的滲透率和孔隙度以及某些源匯項(xiàng)，最后將計(jì)算得到的地下水流場(chǎng)和觀測(cè)孔過程線與實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本次所建立的模型的水文地質(zhì)參數(shù)及源匯項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。

本次用于模型水文地質(zhì)參數(shù)擬合的資料主要有：2012年12月地下水等值線圖和2008年1月-2012年12月中棉觀測(cè)孔水位觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2012年12月地下水位等值線擬合結(jié)果可知?？梢钥闯?，計(jì)算出來的流場(chǎng)基本反映了模擬區(qū)地下水流動(dòng)特征。地下水南部埋深淺，向北東方向逐漸變深，地下水整體從南向北流動(dòng)。流程形態(tài)整體擬合效果較好，但局部出現(xiàn)偏差，主要是由于一些未知的外部應(yīng)力的影響不容易掌握與控制，如人工開采等。

在剔除異常觀測(cè)值后，對(duì)中棉觀測(cè)孔觀測(cè)水位與模擬值分別進(jìn)行擬合(圖1)。從圖中可以看出，觀測(cè)孔水位過程線擬合效果較好，變化趨勢(shì)一致，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差值較小。觀測(cè)孔水位整體呈上升趨勢(shì)，反映了模擬區(qū)地下水位處于多年正均衡狀態(tài)，模型中通過控制邊界流量體現(xiàn)出水位的整體變化趨勢(shì)。但由于模擬區(qū)內(nèi)還可能受到其他人工補(bǔ)排項(xiàng)的影響，而模型主要考慮了自然因素的影響，因此模擬水位過程線并沒有完全體現(xiàn)出實(shí)際水位過程線的局部細(xì)節(jié)波動(dòng)。

綜上所述，通過對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)、源匯項(xiàng)參數(shù)的識(shí)別，識(shí)別后的參數(shù)基本能反應(yīng)該區(qū)水動(dòng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化特征。識(shí)別后的水文地質(zhì)參數(shù)、源匯項(xiàng)參數(shù)準(zhǔn)確可靠，可用該參數(shù)進(jìn)行模型預(yù)測(cè)與分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)狀條件下水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水動(dòng)力場(chǎng)的影響

由于觀測(cè)資料的限制，現(xiàn)有模型只對(duì)水源熱泵系統(tǒng)2012年11月15日至2013年5月30日的一個(gè)完整的供暖期和恢復(fù)期進(jìn)行了數(shù)值模擬。其中，供暖期于2013年3月15日結(jié)束，歷時(shí)120 d。為了更好的分析水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水的影響，將模型運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)到恢復(fù)期結(jié)束，恢復(fù)期結(jié)束時(shí)間定為5月30號(hào)，總時(shí)長(zhǎng)為196 d。選取埋深在31.0～42.4 m的砂礫層為研究分析對(duì)象。該層是模型中的主要含水層之一，具有一定代表性。

選取系統(tǒng)開始運(yùn)行后第11 d，第96 d，第120 d(供暖期結(jié)束)和第196 d(恢復(fù)期結(jié)束)的地下水動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。地下水動(dòng)力場(chǎng)模擬結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，抽水井附近含水層中的水頭迅速降低，水位降深穩(wěn)定在0.6 m左右；回灌井附近水頭迅速抬升，水位升幅穩(wěn)定在10 m左右?；厮乃簧黠@大于抽水井的水位降深。受抽灌水的影響，地下水流場(chǎng)局部發(fā)生變化。但是地下水的區(qū)域流場(chǎng)受抽灌水作用的影響范圍較小，影響半徑小于100 m。抽灌水井之間的等水位線最為密集，水力坡度最大；向外，等水位線迅速變疏，水力坡度趨于平緩。這表明，在抽灌水過程中，抽灌井附近的水動(dòng)力場(chǎng)變化最為顯著，而外圍水動(dòng)力場(chǎng)變化程度逐漸減弱；從地下水流向上看，回灌水由回灌井處流向抽水井方向。由于本采能系統(tǒng)抽灌水量較小，且含水層滲透性能相對(duì)較好，地下含水層的水動(dòng)力場(chǎng)很快便達(dá)到新的平衡狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入恢復(fù)期后，抽灌水停止，地下水流場(chǎng)很快得以恢復(fù)。

3.2 長(zhǎng)期開發(fā)利用情況下水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水動(dòng)力場(chǎng)的影響

未來五年每年供暖期結(jié)束時(shí)水動(dòng)力場(chǎng)的變化如圖所示。受抽灌水的影響，地下水流場(chǎng)局部發(fā)生變化。但地下水的區(qū)域流場(chǎng)受抽灌水作用的影響范圍較小，影響半徑小于100 m。抽灌水井之間的等水位線最為密集，水力坡度最大；向外，等水位線迅速變疏，水力坡度趨于平緩，接近自然狀態(tài)。系統(tǒng)在多年運(yùn)行的情況下，同期地下水流場(chǎng)基本相同。系統(tǒng)對(duì)地下水流場(chǎng)的影響范圍比較穩(wěn)定，沒有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。

4 結(jié)語

本次工作選取安陽市金秋科創(chuàng)大廈地下水源熱泵系統(tǒng)為實(shí)例工程，以TOUGH2為計(jì)算核心的Petrasim軟件建立地下水熱耦合數(shù)值模型，利用識(shí)別后的模型對(duì)現(xiàn)狀條件下和長(zhǎng)期開發(fā)利用條件下地源熱泵系統(tǒng)對(duì)下水動(dòng)

力場(chǎng)特征進(jìn)行分析。

從模擬結(jié)果可以看出，現(xiàn)狀條件下，抽水井附近水位降深穩(wěn)定在0.6 m左右；回灌井附近水位升幅穩(wěn)定在10 m左右，且抽灌水影響半徑小于100 m。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入恢復(fù)期后，抽灌水停止，地下水流場(chǎng)很快得以恢復(fù)。長(zhǎng)期開發(fā)利用情況下，地下水的區(qū)域流場(chǎng)受抽灌水作用的影響范圍較小，影響半徑小于100 m。系統(tǒng)在多年運(yùn)行的情況下，同期地下水流場(chǎng)基本相同，系統(tǒng)對(duì)地下水流場(chǎng)的影響范圍比較穩(wěn)定，沒有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。

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