水文地质参数对浅层地温能的影响分析

朱常春，刘佩贵，周 蜜

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥，230009)

浅层地温能，现已成为国内外节能减排的重要替代能源之一，具有广阔的开发利用前景。就现状而言，国内外对地下水中地温能应用与理论研究，多集中于富水性强、渗透性好、温度较稳定的含水层，而对储能条件稍差的浅、薄含水层热运移规律的研究较少，其应用价值未得到应有重视，理论研究基本处于起步阶段[1，5]。对于地下水运动比较活跃的热泵采能区域，热对流传热方式对热泵采能区域的温度场演化起主导作用，由Darcy定律解释得，孔隙度和渗透率是表征含水层导水和储水性能的最主要的水文地质参数，地下水在含水层介质孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失，因此地下水渗流情况是影响含水层地温能动态变化的关键因素[3，4，6]。为此，基于丘陵区河流一级阶地区域内浅、薄含水层中地下水作为水源的热泵系统，建立数值模型模拟浅层地下水水热运移，分析水文地质参数对浅层地下水温度场的影响[2]。

1 研究区概况

研究区河谷平原分布于青弋江及其支流中、下游地区，一般宽1 km，泾县城一带平达5km左右，地貌组合包括河漫滩和河流低阶地，组成物下部为砾石层，上部为亚砂土、亚粘土。属于北亚热带、副热带季风湿润性气候。年平均温度15.6℃，多年平均降雨量 1 550.5 mm，多年平均水面蒸发量749.5 mm。

研究区所在地段位于青弋江出山口的相对开阔的一级阶地上，该地段发育有厚度为10～20 m的松散堆积物，松散堆积物下部的砂砾层，厚度5～8 m、埋深1～10 m，属典型的浅薄含水层，地层剖面上呈典型的二元结构。区域含水层渗透能力较强、富水性较好，单井涌水量300～500 m3/d。

研究区内排泄方式主要有潜水蒸发和侧向径流排泄，承压水排泄方式主要向河流补给。地下水补给来源主要来自大气降水，区内地形较平坦、沟渠与河道纵横，入渗补给条件就比较好，水位埋深也较浅，一般在0.5～1.5 m左右、潜水年变幅1～3 m。

2 数值模型

2.1 水文地质概念模型

研究区地层自上而下分为:第一层为粉质粘土夹粉土层，分布深度为 0～6.0 m;第二层为砂砾石层，分布深度为6.0 ～16.0 m，厚度约为 10.0 m;第三层为紫色泥岩，分布深度为16.0～129.0 m，第一层为由素填土、粘土层组成的弱透水层组分部深度为0～6 m;第二层为由砂砾石组成的更新统(Q1-2)含水层组，分布深度为6～16 m;第三层为上第三系安庆组(N2a)，分布深度为16～129 m，该层虽局部胶结不十分紧密，总体富水性差，可视为隔水层组。研究区水文地质剖面图如图1所示。

2.2 水热运移数学模型

忽略流体和多孔介质之间热平衡所需时间，即假设多孔介质和周边流体温度相同;忽略热辐射作用、化学反应效应及粘滞引起的热耗散;忽略流体和多孔介质的水文地质参数和热物性参数等物理性参数随温度、流体浓度变化得到三维均匀介质在非等温条件下的地下水水热运移耦合数学模型:

式中:Φ0为狄利克雷边界条件上的恒定温度值;Q0为诺依曼边界条件上的定单宽热通量;Q为源汇项。

水-热运移模拟中，含水层主要参数有:有效孔隙度、渗透率、含水层的厚度、热弥散度和比热容等。孔隙度、渗透率和含水层厚度是表征含水层导水和储水性能的最主要的水文地质参数。

图1 水文地质剖面示意图

依据模拟区边界形状和水文地质条件，得到温度边界条件和稳定的压强，将模拟区下部边界设定为隔水定温度边界;其中，底部边界为给定的温度边界处理，依据岩性温度取18.5℃;研究区模型的东北、西南两侧边界设为给定水头边界，水头值由水力梯度线性插值得到;由给定枯水年的月平均水位计算得到;与青弋江相对的东山为含水层尖灭带，为零通量边界，即隔水隔温边界。

天然状态下地下水初始水位分布以泾县年平均水位为参考，模拟区的初始水位埋深取4.50 m，设定模拟区的初始流场和温度场，模拟区的初始压力分布按边界上的压力值通过插值计算给定(见图2、图3)。

图2 平面网格剖分示意图

图3 垂向网格剖分示意图

弱透水层的渗透系数可以根据渗水试验结果取得;目标含水层渗透系数及各层岩层介质热物理参数见表1。

如果模拟只考虑含水层有效孔隙度的影响分析时，以研究区含水层介质作为研究对象，其有效孔隙度的经验值为0.15～0.35之间，其中浅层含水层厚度不变，水的比热容取值为4 180 J/kg℃，水的密度为1 000 kg/m3;弱透水层为粉质粘土层，介质骨架比热容为 1 000 J/kg℃，密度为 1 800 kg/m3，有效孔隙度模拟分别赋值 0.15、0.25、0.35。

表1 各分区水文地质参数表

3 水文地质参数对浅层含水层地温能影响分析

在“十二五”规划中曾提出不断促进第三产业的发展，优化产业结构，提高第三产业比重的期许，而不断促进第三产业的发展有利于促进我国经济的发展，对于实现我国的可持续发展具有重要的意义。扩大增值税征收范围对于不断促进我国产业结构优化具有重要的意义，也符合经济发展的规律。

如图4，水源热泵系统在一个循环周期运行内其它水文地质参数相同，不同有效孔隙度下(有效孔隙度分别为0.15、0.25、0.35)抽水井段含水层温度随着时间变化曲线关系图。一年循环周期内不同孔隙度的变化对抽水井温度产生的影响有较为明显差异，其最大温度差值约为1.4℃。

3.1 含水层孔隙度的影响

酚酞变色范围是pH 8.2～10.0。当pH＞8.2时为红色的醌式结构，酚酞的醌式或醌式酸盐，在碱性介质中很不稳定，它会慢慢地转化成无色羧酸盐式。酚酞试剂滴入浓碱液时，酚酞开始变红，很快红色退去变成无色，当遇到氢离子后即变回红色[2]，在pH＜8.2的溶液里为无色的内酯式结构。通过溶液中酚酞颜色突变时计算机显示溶液的pH了解中和反应接近完成。

截至10月21日，本季美豆优良率稳定在66%，略高于去年同期61%。此前美豆主产区天气潮湿，导致收割进度缓慢，截至11月18日当周美豆收割率为91%，低于五年同期均值96%。未来短期内美豆主产区潮湿天气情况未有好转，但由于本季收割已接近尾声，预计不会对收割进度造成重大影响。

单位体积含水层等效比热容计算公式为:，得到单位体积等效比热容如表2;其中:分别为含水层介质有效孔隙度、密度(kg/m3)、比热容(J/kg℃);分别为水的密度(kg/m3)、比热容(J/kg℃)。

表2 不同有效孔隙度条件下的等效比热容

省人大常委会党组和机关党组历来十分重视机关文化建设和干部职工的身心健康。按照于晓明副主任“要围绕创建全国文明单位，积极开展丰富多彩的文化体育活动”的要求，省人大机关举办了以“我运动、我健康、我快乐”为主题的运动会。运动会设置了拔河、托球接力跑等两个集体比赛项目和搭桥过河、自行车慢骑、趣味投篮等8个个人项目，突出了参与性、趣味性和团队协作，比赛现场气氛热烈而活跃，展示了机关干部职工奋发有为、健康向上的精神风貌。最后进行的拔河比赛由机关25个工会小组组成的8个队参加，各队势均力敌、争夺激烈，把运动会的气氛推向了高潮，使这次运动会成为了一次欢乐、精彩、难忘的运动会。

图4 不同有效孔隙度抽水井温度随时间的变化曲线图

热传导和热对流是含水层中热运移中主要的两种方式，且同时存在，表现为地下水流场与温度场的耦合。当地下水的渗流速度达到一定程度时，热对流在热运移中起主要作用，热传导的作用基本上可以忽略不计。对于地下水运动比较活跃的热泵采能区域，主要考虑的是热对流作用对区域地下水温度场的影响。因此，含水层的孔隙度、渗透率等是影响水-热运移及水源热泵运行效率的主要水文地质参数。

由Darcy定律可知，地下水渗流速度 V等于含水层的渗透系数K与水力坡度J的乘积:

由上表2可知，如果含水层介质有效孔隙度越大，其单位体积的等效比热容也越大，含水层温度影响就越小。

黄源深版：“难道就因为我一贫如洗、默默无闻、长相平庸、个子瘦小，就没有灵魂，没有心肠了？——你不是想错了吗？——我的心灵跟你一样丰富，我的心胸跟你一样充实！……我不是根据习俗、常规，甚至也不是血肉之躯同你说话，而是我的灵魂同你的灵魂在对话，就仿佛我们两人穿过坟墓，站在上帝脚下，彼此平等——本来就是如此！”

上式中:J为水力坡度;△h为过水断面的水头差(m)，本例为水源热泵抽水-回灌系统中抽、灌段之间的水头差;L为过水断面之间的距离(m)，本例为水源热泵系统中为抽水井段中心与回灌井段中心之间的等效距离;K是渗透系数(m/s);k是渗透率(m2);ρ是水体的密度(kg/m3);g是重力加速度(m/s2);μ是动力粘滞系数(kg/ms)。

在模拟有效孔隙度不同值情况下，抽水-回灌井的水头变化一致，而上式中其它参数不会随着有效孔隙度变化而发生变化，含水层温度变化主要为热对流的影响，因此浅层含水层回灌井段地下水温度和流速影响着抽水井段温度，如果不受回灌井影响，抽水井段的含水层地温能动态变化情况也会受含水层有效孔隙度值的变化而影响。

3.2 含水层渗透系数的影响

地下水流动中，垂直方向的渗透系数要小于水平方向的渗透系数。本次选择的是不同渗透性含水层介质对含水层地温能动态变化进行模拟分析，首先含水层介质孔隙度不变，孔隙度赋值为0.35，按照含水层介质渗透系数的经验值，选取中细砂、粗砂和砾石3种介质进行模拟分析;其它水文地质参数选取见表3。

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表3 含水层为不同岩性时水文地质参数表

浅层含水层采能系统，地下水源热泵抽水-回灌井滤管位置相同情况下进行模拟的。研究区目标含水层富水性、导水性好，含水层渗透系数较大;图5可以得出，含水层渗透系数赋值不同情况下含水层温度动态差异有较明显的变化，其最大温度差值约为1.3℃，如果渗透系数减小，则温度的变化幅度增大。

在城市化不断深入和经济不断发展的过程中，乡愁是一种人们在物质生活得到极大满足后产生的文化和精神层面的需求和情感，是一种对远离城市生活中的家乡、过去时间片段的回忆和思念[15]，这是推动乡村旅游可持续发展的根本动力，在满足人类亲近自然最本质的需求上同时发挥了休闲功能，缓解城市人对长期或短期生活和工作的地域产生倦怠和麻木的感觉：这正是乡村旅游在历经一世纪的发展中长盛不衰的魅力所在。

图5 不同渗透系数抽水井温度随时间变化曲线

由Darcy定律可知，重力加速度g值为常量，L为定值，当含水层的温度变化较小时，的变化影响较小可以忽略不计，因而地下水的渗透速率V主要取决于渗透率和抽水段与回灌段之间水头差的乘积。渗透速率V大，抽水井附近温度受回灌井水的影响，温度的变幅就增大，如图6、图7分别为粗砂和细砂介质下制冷期4个月末流场图。

图6 粗砂条件下制冷期末流场图

图7 细砂条件下制冷期末流场图

含水层有效孔隙度和渗透系数等水文地质参数对抽水段含水层温度影响较小，其主要原因是热对流对含水层温度的变化起主导影响作用，因此浅层含水层抽水-回灌井群的回灌水温度和流速影响抽水井温度变化。

4 结语

通过概化水文地质概念模型，建立地下水水-热运移数值模拟模型，分析水文地质参数对温度场的影响规律。随着孔隙度和渗透系数的增加，制冷期地温场温度变幅有所降低，供暖期地温场变幅有所增加。温度变幅较为明显。因此在实际工程中，孔隙度和渗透系数对地温能的影响不可忽略。孔隙度和渗透系数越小的含水层，其在单位时间内提取的地下水就越少，且地下水水位下降越明显。因此，在相同的条件下尽量选取孔隙度和渗透系数较大的含水层。

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