含水层构造对抽灌水温变特性的影响

周学志，高 青，于 鸣，赵晓文，朱天奎

（1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.吉林大学 热能工程系，长春 130022；3.吉林大学 材料科学与工程学院，长春 130022）

0 引 言

地下水源作为地下浅层能量资源在地源热泵和地下蓄能中得到应用，它的应用不但面临地下水源生态安全问题，还涉及应用过程中地下热贯通和热交互的能源效率问题。其中，井群布控、含水层构造、热流场演变等一直困扰地下含水层蓄能和热泵应用的科学发展［1-3］。

1982年，Bodvarsson等［4］研究了冷水回灌地下裂隙储层的热传输问题，指出回灌冷水沿地下裂隙流动，吸取围岩热量，直至抽水井。1981年，Tsang等［5］对一季节性含水层储能实验建立了数学模型，分析地下水回灌过程温度变化规律，模拟的温度变化和能源回收率与实测数据吻合。此后多维有限差分模型被逐渐应用到含水层储能研究中，涉及水力各向异性作用、热对流与热传导及相邻受限地层热损失等［6］。国内水源热泵系统的研究集中在同井及对井抽灌系统［7-8］，涉及到群井抽灌的研究较少［9］。对于群井抽灌系统，含水层运动更加复杂，往往与含水层构造直接牵连，并涉及流固耦合流动和传热传质问题。

一般来说地下水源热泵地面系统基本相同，但地下系统却因地而异，影响其发展的主要技术瓶颈为地下系统研究。含水层构造对抽灌井区温度场变化起着至关重要的作用，因此本文建立了抽灌井群地下水热运移实验系统，寻找避免和减轻抽灌井群间热贯通及热交互的有效途径。

1 实验装置与方法

1.1 实验设计依据

采用砂槽渗流模拟室内实验方法，根据地下水渗流模拟中的相似模拟理论来揭示实际含水层抽灌过程的地下水流动换热规律。

实验依据的基本原理是，不论实验砂箱中，还是在实际含水层中，渗流场中任一点的渗流服从达西定律v＝－k×grad H，其中v为渗流速度，k为渗透系数，grad H为水力坡度。只要给出相似的定解条件，砂箱和被模拟的原型应有相似的解。这样，根据解，就可以推理原型多孔介质中水流的运移规律和传热过程。假定水在储水层中的流动是水平的，并且垂直方向的热传递可以忽略，那么：

式中：H为水头值；μ＊为水流速度；ε为应变；T为水温；λx为x方向热力弥散系数；λy为y方向热力弥散系数；λz为z方向热力弥散系数；φ为有效孔隙度；ρw为流体密度；cw为流体比热容；ρs为孔隙介质密度；cs为孔隙介质比热容。

所谓定解条件相似，首先要求两个被研究对象的几何相似，即在原型与模型的有限空间内，对应点的坐标或长度应满足固定的比值；其次要求时间相似，即模型和原型的运行时间在整个运行过程中保持固定比值；再次要求参数相似，即两个系统中对应物理参数必须保持线性关系。另外还要求初值相似，即两个系统中对应物理量的初值和边值应满足固定比值。利用相似条件可以使模型出现原型的地下水运移状态。

1.2 实验系统

本文建立了含水层岩土槽热湿运移实验系统，基本构成如图1所示。槽体尺寸为2.2m×1.2m×0.5m（长×宽×高），由近于岩土导热系数的聚丙烯材质做成围护结构，槽体包括槽首、槽身和槽尾三部分。其中，槽身可渗流岩土结构体为1.8m×1.0m，槽首和槽尾为宽距0.2m水位调节水箱，模拟地下水自然流动，并在槽首、槽身和槽尾三部分间隔板上开有均布整流孔，孔径为1mm，进一步提高模拟地下水自然流动的均匀性。因此，该实验不但可进行静态含水岩土热湿运移实验研究，还可以开展不同流速的地下水自然流动态含水岩土热湿运移实验研究。岩土槽内充满按设定要求的中砂及砾石，模拟天然含水层。

图1 实验系统及构造Fig.1 Experiment system and structure

抽灌井布置方式采用工程置井方法。各井均采用内径25mm、长1.2m的塑料管作为井壁管。整个置井包括井孔、井壁管、滤水管和沉砂管。滤水管在塑料管下端部分，0.2m长段均布打孔，缠绕过滤丝网，防止砂子进入；滤水管周围布置砾石，防止出现跑砂现象。沉砂管取用下端0.1m长度，避免抽水井内的细颗粒沉淀，防止滤水管淤塞。

1.3 测量及布井方式

测试参数包括各抽水、回灌水温度和流量，以及岩土槽内特征点温度。温度测量采用K型热电偶，用日本YOKOGAWA多点记录仪进行自动记录。循环流体流量测量采用转子流量计，并置于各抽灌井。

采用单排结构布置抽灌井组，如图2所示。前者设置两口井（1＃和2＃），井间距0.2m；后者设置3口井（3＃、4＃和5＃），井间距0.2m。抽水井组和回灌井组两井排间距为1.2m，含水层厚度0.4m。岩土初始温度12℃，抽、灌水温差5℃，即抽水12℃，回灌7℃。为保证岩土槽初始温度的恒定，每做一个实验工况，都对槽内温度场进行人工调配，待多点记录仪显示槽内各点温度为12℃后，方才进行实验。本实验暂未设置地下水自然流动。

图2 井群布置图Fig.2 Arrangement of well group

1.4 含水层构造

不同地区是否有合适水源是限制地下水资源利用的重要因素，它受含水层构造限制，含水层构造差异会对其开发利用产生重要影响。在抽灌井结构相同的情况下，含水层储水量大小取决于场地水文地质条件，水文地质条件优越，不仅会使抽水能力增强，也会加大回灌井的回灌能力，反之亦然。

表征含水层水文地质条件参数有：含水层厚度、渗透率、给水度、有效孔隙度等，上述参数变化往往能够对含水层的储水、给水能力产生重要影响。由于浅水含水层主要为砂类介质，因此本实验设定了不同的含水层构造，分别为中砂和砂砾，图3（a）为均匀中砂含水层，图3（b）为非均匀砂砾含水层。同时，为研究含水介质分布状态的影响，实验将非均匀砂砾含水层进行了搅拌，使得中砂层和砾石层充分均匀分布，图3（c）为均匀砂砾含水层。

图3 含水层构造Fig.3 Aquifer structure

2 结果分析

在抽水井、回灌井相同抽灌量和井的几何参数相同的条件下，实验针对不同含水层构造与地温场的演化关系进行研究，分析不同含水层构造抽水温度变化规律及热贯通影响特性。

2.1 含水层岩性影响

图4、图5为抽灌量为12L／min时，不同含水层岩性抽灌井区1＃、2＃井抽水温度变化。其中，抽灌井各井为均匀抽灌量，即单井抽水量为6 L／min，单井回灌量为4L／min。

图4 1＃抽水井抽水温度变化Fig.4 Pumping water temperature change of 1＃well

图5 2＃抽水井抽水温度变化Fig.5 Pumping water temperature change of 2＃well

从图4可以看出，含水层介质为砂砾情况下，1＃井抽水温度从第4min开始迅速下降；含水层介质为中砂时，抽水温度下降时刻为第24min，热贯通时间得到了有效延迟。图5显示，2＃井具有与1＃井相同的热贯通变化特性。综上，含水层岩性的变化对抽灌井区热贯通发生时间的影响较大。

由图4、图5比较还可知，热贯通发生后，不同含水层岩性的抽水温度下降趋势大致相同，处于相近的下降斜率，即热贯通发生前期抽水温度急剧下降，后期渐缓。显然，含水层岩性的变化对热交互影响程度较小，更明显的作用是热贯通时间差异。综上可知，对于砂砾含水层，由于砂砾颗粒块体结构增大，导致抽灌井区热贯通时间明显缩短，且岩性的变化对热交互影响程度较小。

2.2 分布状态影响

2.2.1 抽灌各井流量均匀变化

图6为抽灌各井流量偏高工况时，含水介质均匀与非均匀分布抽水单井温度变化。其中，抽水单井抽水量为6L／min，回灌单井回灌量为4 L／min。

图6 抽灌各井流量偏高工况（12L／min）Fig.6 High flow condition of even each well（12L／min）

图6（a）显示，含水层介质均匀分布时，1＃、2＃抽水井的温降始点时刻相同，即同时发生热贯通，热交互影响程度也基本一致。因此，含水层介质均匀分布时，抽灌过程中各抽水井抽水温度发生热贯通的时间及热交互影响程度基本相同。事实上，图6（a）反映出两井抽水温度有一点差别，主要是实验测量误差和难以保证含水层结构完全均匀所致。

从图6（b）可看出，含水层介质非均匀分布时，1＃、2＃抽水单井由于局部渗流阻力差异，导致各井热贯通时刻和后期的热交互程度出现一些不同。其中，2＃井温度下降趋势相对较快，温降幅度较大。因此含水层介质非均匀分布时，1＃、2＃抽水井的热交互程度与含水介质均匀分布相比出现了明显的差异性，说明含水层介质分布状态对热交互程度影响较大。

为进一步辨识不同抽灌量的上述共性特点，实验进行了抽灌各井流量偏低工况的相应实验，如图7所示。其中，抽水单井抽水量为4L／min，回灌单井回灌量为2.7L／min。

图7 抽灌各井流量偏低工况（8L／min）Fig.7 Low flow condition of even each well（8L／min）

图7（a）显示，含水介质均匀分布时，1＃、2＃井的温降始点时刻相同，约从第12min开始发生热贯通，热贯通发生后两者的热交互影响程度基本一致。

图7（b）表明，含水介质非均匀分布情况下，1＃、2＃抽水单井发生热贯通的时间与含水介质均匀分布情况很接近，基本从第12min发生热贯通。不过，由于含水介质非均匀分布的局部渗流阻力差别，导致2＃抽水井的温度下降趋势较快，温降幅度较大，即1＃、2＃抽水井热交互影响程度差异性增大，与上述抽灌量12L／min时的情况相同，只是这种差异性随着抽灌量的降低和渗流速度的减小，表现的更加充分。

显然，含水介质分布状态的变化对热贯通发生后抽水井的热交互程度影响较大，对抽灌井区热贯通时间的影响不尽显著。且抽灌量降低，渗流速度减小，贯穿能力有限，而使各抽水井的抽水温度差异性增大。

2.2.2 抽灌各井流量非均匀变化

为进一步分析抽灌各井流量非均匀变化的影响，分别在含水介质均匀和非均匀分布情况下，研究各井抽灌量偏配情况抽灌井场热贯通及热交互特性。实验采用抽灌各井非均匀变化，表现出抽水量一侧偏大（见图2上部），另一侧偏小（见图2下部），产生流场偏移，即1＃和2＃井抽水量分别为5.3L／min和2.7L／min，3＃、4＃、5＃回灌井回灌量分别为3.5L／min、2.7L／min和1.8L／min。图8为抽灌各井流量非均匀变化情况下，含水介质均匀和非均匀分布的抽水单井温度变化曲线。

图8 抽灌各井流量非均匀工况（8L／min）Fig.8 Flow condition of non-uniform each well（8L／min）

对比图7（a）、图8（a）发现，抽灌各井流量非均匀变化工况下，1＃井抽水温度下降较快，热交互影响程度较大，同时各井热贯通发生时间明显缩短，说明各井采用抽灌量偏配模式，使得抽灌井场局部区域抽水量偏大，渗流能力增强，热交互程度加深。因此，含水层介质均匀分布时，要使抽灌量尽量均匀分配，避免出现各井流量分配不均的情况。

从图8（b）可以看出，对于含水介质非均匀分布，较大抽水量的1＃井热交互影响程度较小，说明采用一定的抽灌量偏配模式，能够使两抽水井温时变化趋于一致，有利于各井抽水温度均衡性的修正。因此可以通过调整各井流量偏配的方式来改善含水介质非均匀分布带来的不利影响。

综上所述，实际工程应加大水文地质的勘查、评价和设计，合理规划地下水开采布局中各井的配置，选择适宜的运行方案，最大限度地避免热贯通和热交互影响，这样有利于地下水多井开采的合理利用，提高能源利用效率。

3 结 论

（1）含水层岩性的变化对井场热贯通时间的影响较大，对后期热交互影响略小；对于粒块体结构较大砂砾含水层构造，其井场热贯通时间明显缩短。

（2）对于砂砾含水层介质非均匀分布的情况，鉴于局部孔隙率等的差别，导致流动能力差异。实验中含水层介质分布状态对热交互影响较大，对热贯通时间的影响有大有小。且抽灌量降低，渗流速度减小，贯通能力有限，而使各井抽水温度差异性增大。

（3）对于含水介质均匀分布，各井抽灌量应尽量均匀分配，推迟热贯通发生和减弱热交互影响；对于含水介质非均匀分布，采用各井配置流量调整，可有效改善热湿均衡性，避免含水介质非均匀分布的不利影响。因此，工程实施中应注意根据地下含水层岩性及含水介质分布状态进行适当的多井配置和流量调整，最大限度地减轻热贯通及热交互影响，实现浅层地热资源的充分有效利用。

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