水源热泵开发对地下水动力场影响范围研究

李海林

(河南省地质矿产勘查开发局 第一地质环境调查院，河南 郑州 450045)

1 研究区概况

研究区属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量573.6 mm。研究区位于洹河冲洪积扇上游，地下水源热泵主要开采层和回灌层为100 m以浅含水层，岩性以中、上更新统的冲洪积卵砾石、砾石和中粗砂为主，厚度30 m左右，地下水补给及赋存条件优越、富水性和回灌能力较强，换算成5 m降深，单井出水能力>5 000 m3/d，单井回灌能力>5 000 m3/d，含水层调节能力强。区内包气带岩性以杂填土、粉土、粉质粘土为主，地形平坦，地表径流缓慢，有利于大气降水入渗补给，大气降水补给是该区地下水的主要补给来源。

安阳市金秋科创大厦位于河南省安阳市文峰区弦歌大道与峨眉大街交叉口东南角。该工程采用地下水换热方式，共设热源井4眼，井深均为120 m，井径0.6 m，运行模式为一抽两回一备用。工程所在地含水层属于松散岩类孔隙含水层组，含水层的主要岩性为砂砾层、粗砂层和砂层，在水平方向上厚度变化不大。含水层富水条件较好，属中等富水区，单井出水量在3 000～1 000 m3/d。

2 基于Tough2的数值模型

2.1 Tough2软件介绍

TOUGH2是一套功能强大、应用广泛的模拟孔隙或裂隙介质中多相流、多组分及非等温的水流及热量运移的数值模拟程序软件。TOUGH是Transport of Unsaturated Groundwater and Heat(非饱和地下水流及热运移)的缩写。TOUGH代码的前身是由美国劳伦斯-伯克利国家实验室在20世纪80年代初期开发的名为MULKOM的模拟程序。TOUGH和后续的TOUGH2中有较多的方法和思路是基于MULKOM程序开发而来。用于水-气两相流的TOUGH于1987年公开发布，它在美国高放射性核废料地质处置项目中的运用代表了当时该程序的主要应用领域。之后，包括五个状态方程(EOS)功能模块的更新版TOUGH2向公众发布，1999年升级到2.0版本。该版本新增了几个水流特性模块，并提供增强过程模拟的能力，例如储层与井管水流的耦合能力，沉淀和溶解效应(EWASG模块)等。同时该版本对早期发布的模块进行了大量的改进，增加了新的用户特性，例如增强了线性方程的求解以及图形化文件的输出。

2.2 数值模型的建立

2.2.1 概念模型及边界条件

根据不同模拟条件下压力的试算结果，以及本次研究目的和已有观测孔位置，水平方向上模型的范围确定为800×1 200 m2。垂向上，结合水源热泵系统热源井的成井深度及地层岩性特征，模型的范围确定为从地表到地下120 m的深度。

根据地层结构及水动力场的分析，水平方向上，西侧、南侧和北侧概化为流量边界，南侧和西侧均为流入边界，北侧为流出边界，东侧由于与流场方向基本垂直，因此概化为零通量边界；垂向上，地表作为模型的上边界，通过该边界，与系统外发生垂向上的水量交换，模型底部为定压力边界。

2.2.2 参数取值

模型中的水文地质参数是影响数值模拟精度与评价结果准确性的重要因素。水文地质参数包括孔隙度和渗透率。参考相关的文献和已有的成果报告，在综合分析水文地质条件的基础上，数值模拟中参数取值如下：孔隙度：砂砾0.3、粗砂0.4、砂0.25、粉质粘土0.45、粘土0.5；水平渗透系数(m/d)：砂砾2.024 1，粗砂1.349 4，砂0.210 8，粉质粘土0.008 4，粘土0.007 6；垂向渗透系数(m/d)：砂砾0.202 41，粗砂0.134 94，砂0.021 08，粉质粘土0.000 08，粘土0.000 08。

2.2.3 初始条件

利用安阳市等水位线图，计算出模拟区的水力梯度大约为1/1 000，根据初始时刻对应的中棉孔的水位观测资料，为模型赋值压力场，通过压力场来反映地下水位埋深情况。

图1 中棉观测孔水位拟合曲线

2.2.4 水文地质参数与源汇项的识别

通过调整地层的渗透率和孔隙度以及某些源汇项，最后将计算得到的地下水流场和观测孔过程线与实测进行对比，从而实现对本次所建立的模型的水文地质参数及源汇项参数进行识别。

本次用于模型水文地质参数拟合的资料主要有：2012年12月地下水等值线图和2008年1月-2012年12月中棉观测孔水位观测数据。

2012年12月地下水位等值线拟合结果可知。可以看出，计算出来的流场基本反映了模拟区地下水流动特征。地下水南部埋深浅，向北东方向逐渐变深，地下水整体从南向北流动。流程形态整体拟合效果较好，但局部出现偏差，主要是由于一些未知的外部应力的影响不容易掌握与控制，如人工开采等。

在剔除异常观测值后，对中棉观测孔观测水位与模拟值分别进行拟合(图1)。从图中可以看出，观测孔水位过程线拟合效果较好，变化趋势一致，计算值与实测值的差值较小。观测孔水位整体呈上升趋势，反映了模拟区地下水位处于多年正均衡状态，模型中通过控制边界流量体现出水位的整体变化趋势。但由于模拟区内还可能受到其他人工补排项的影响，而模型主要考虑了自然因素的影响，因此模拟水位过程线并没有完全体现出实际水位过程线的局部细节波动。

综上所述，通过对水文地质参数、源汇项参数的识别，识别后的参数基本能反应该区水动力场的动态变化特征。识别后的水文地质参数、源汇项参数准确可靠，可用该参数进行模型预测与分析。

3 模拟结果分析

3.1 现状条件下水源热泵系统对地下水动力场的影响

由于观测资料的限制，现有模型只对水源热泵系统2012年11月15日至2013年5月30日的一个完整的供暖期和恢复期进行了数值模拟。其中，供暖期于2013年3月15日结束，历时120 d。为了更好的分析水源热泵系统对地下水的影响，将模型运行时间延长到恢复期结束，恢复期结束时间定为5月30号，总时长为196 d。选取埋深在31.0～42.4 m的砂砾层为研究分析对象。该层是模型中的主要含水层之一，具有一定代表性。

选取系统开始运行后第11 d，第96 d，第120 d(供暖期结束)和第196 d(恢复期结束)的地下水动力场进行对比分析。地下水动力场模拟结果表明：当系统开始运行时，抽水井附近含水层中的水头迅速降低，水位降深稳定在0.6 m左右；回灌井附近水头迅速抬升，水位升幅稳定在10 m左右。回水井的水位升幅明显大于抽水井的水位降深。受抽灌水的影响，地下水流场局部发生变化。但是地下水的区域流场受抽灌水作用的影响范围较小，影响半径小于100 m。抽灌水井之间的等水位线最为密集，水力坡度最大；向外，等水位线迅速变疏，水力坡度趋于平缓。这表明，在抽灌水过程中，抽灌井附近的水动力场变化最为显著，而外围水动力场变化程度逐渐减弱；从地下水流向上看，回灌水由回灌井处流向抽水井方向。由于本采能系统抽灌水量较小，且含水层渗透性能相对较好，地下含水层的水动力场很快便达到新的平衡状态。当系统进入恢复期后，抽灌水停止，地下水流场很快得以恢复。

3.2 长期开发利用情况下水源热泵系统对地下水动力场的影响

未来五年每年供暖期结束时水动力场的变化如图所示。受抽灌水的影响，地下水流场局部发生变化。但地下水的区域流场受抽灌水作用的影响范围较小，影响半径小于100 m。抽灌水井之间的等水位线最为密集，水力坡度最大；向外，等水位线迅速变疏，水力坡度趋于平缓，接近自然状态。系统在多年运行的情况下，同期地下水流场基本相同。系统对地下水流场的影响范围比较稳定，没有进一步扩大的趋势。

4 结语

本次工作选取安阳市金秋科创大厦地下水源热泵系统为实例工程，以TOUGH2为计算核心的Petrasim软件建立地下水热耦合数值模型，利用识别后的模型对现状条件下和长期开发利用条件下地源热泵系统对下水动

力场特征进行分析。

从模拟结果可以看出，现状条件下，抽水井附近水位降深稳定在0.6 m左右；回灌井附近水位升幅稳定在10 m左右，且抽灌水影响半径小于100 m。当系统进入恢复期后，抽灌水停止，地下水流场很快得以恢复。长期开发利用情况下，地下水的区域流场受抽灌水作用的影响范围较小，影响半径小于100 m。系统在多年运行的情况下，同期地下水流场基本相同，系统对地下水流场的影响范围比较稳定，没有进一步扩大的趋势。

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