水源热泵井群布置方案对地下水流场影响分析

以某地下水源热泵系统工程为例,依据工程场地实际抽水-回灌试验数据,建立研究区地下水流数值模拟模型,分析该地区适宜的井群布置方案,并定量研究不同井群布置方案对地下水流场的影响范围与程度,为确定合理的井群布置方案提供技术支撑。研究表明：对于同一含水层回灌,随着抽水-回灌时间的延长,就有利于抽水-回灌能力及尽量减小对周边地下水开采的影响而言,抽水井、回灌井交叉布置,部分回灌井集中布置的方案较为合理。     

陕北南梁白豹地区地下水合理开发利用方式研究

建立地下水的合理开发利用模式,对能源基地建设及缓解其水资源紧缺状况十分重要。在分析南梁白豹地区的地下水开采条件的基础上,选择了典型地区建立了三维地下水流概念模型和数值模型。通过模拟计算不同单井开采量、不同井间距开采方案作用下的降落漏斗形态,对该区内地下水资源的合理开发利用方式进行了分析研究,结果表明,在该区内地下水开采井应布设在较大的河谷区,以线状井排方式开采,以截取河流排泄量为开采量,地下水线状开采强度以不超过(0.02～0.03)×104m3/(d·km)为宜。     

基于数值模拟的含水层参数识别

利用地下水流数值模拟软件Modflow耦合大型抽水试验和长观孔水位两个模型的方法,对含水层参数进行了识别与校验,该方法求得的含水层参数避免了只利用抽水试验模型校验所带来的不确定性。同时利用抽水实验数据进行抽水与恢复的全过程曲线拟合,水位降深模拟相对误差小于6％,并且对均衡水量、泉水的溢出量以及末流场拟合程度进行了分析,均衡水量模拟相对误差最大为2．6％,泉水溢出量模拟相对误差最大为8．14％,末流场拟合程度也较好,从而提高了含水层参数的准确性。实例研究表明,这种求参方法精度高、切实可行,可以推广到其他的含水层参数确定中。     

咸阳地区地热采灌井最佳井距分析

采灌井合理井间距的确定是对井采灌,资源可持续利用的关键性问题[1]。采灌井间距过大,不利于发生水力联系,间距过小容易产生"热突破"[2]。对采灌井合理井间距的确定提供依据,以咸阳采灌区为例,在建立地下水流场和温度场耦合数学模型的基础上,借助Feflow软件以咸阳地区WH2为回灌井中心,开采井呈东西南北向排布的方式模拟。模拟分析表明:在采灌过程中地下水水位稳定时间随抽、灌水量的增加相应减少。水流连通的时间缩短,主要是由于抽、灌水共同作用下,地下水发生强迫对流作用加强,使天然流场的作用被忽略。在强迫对流作用的影响下,经过一定的时间形成新的渗流稳定场,当新的渗流稳定场形成之后,水流连通也将出现。以回灌使含水层下降2℃视为出现"热突破"现象,运行3 650天时,在防止抽灌井发生"热突破"的前提下,抽水井距灌水井合理的间距的下限为400 m左右。结合水力联系影响下的合理井距上限500 m,得出的研究区采灌井间合理的井间距范围为400~500 m。     

地源热泵系统抽灌模式对地下水流场和温度场的影响

通过建立三维水热耦合数值模型,对地下水地源热泵系统井群平行抽灌(即抽水井与回灌井平行布置)以及交叉抽灌(即抽水井与回灌井交错布置)两种调度运行模式下,系统运行后的含水层地下水流场及温度场情况进行了模拟计算、分析。结果表明:平行抽灌模式对含水层地下水流场、温度场的影响范围、程度均大于交叉抽灌模式,从系统运行效率以及对地温场的影响方面考虑,交叉抽灌模式均优于平行抽灌模式。     

长江漫滩抽水试验与水文地质参数计算

长江漫滩地区第四系是一个巨厚的复杂含水体,地下水丰富,对深大基坑施工影响极大。南京梅子洲过江通道连接线及青奥轴线地下交通系统工程位于长江下游漫滩,基坑最大开挖深度为27.5 m。为满足基坑降水设计及施工要求,勘察时选择有代表性的地段布置了3组抽水试验井,对潜水含水层及承压水含水层进行抽水试验,根据试验井类型和边界条件,选用潜水完整井稳定流、承压水完整井稳定流及非稳定流、承压水非完整井稳定流及非稳定流等多种地下水计算模型进行参数计算并综合分析,为设计提供水文地质参数,并实地验证了参数的合理性。     

应用水热运移数值模拟优化地下水源热泵系统抽灌井布局

合理布局抽水井和回灌井是地下水源热泵系统长期有效运行的关键因素。以郑州市郑东新区为例,利用HST3D软件建立水热运移数值模型,优化设计地下水源热泵系统抽灌水井布局,预测地下水源热泵系统长期运行后对含水层的水热影响。结果表明:介质比热容及渗透率分别对含水层温度及水位影响显著,是较敏感的参数。方案3(3个回灌井垂直天然流向分布且位于抽水井下游)为最佳布井方式。抽灌量900,1 200,1 500及2 000m3/d所对应的合理布井间距分别为50,65,70及75m。相应布井方案的水源热泵系统运行20a,对含水层温度场的影响仅限于200m×200m的范围,抽水井温度变化小于1℃。     

埋藏型岩溶地下水源地的三维数值模拟——以天津市宁河北岩溶地下水源地为例

根据宁河北岩溶地下水源地已有的水文地质勘查成果和大型抽水试验资料,对研究区水文地质条件进行概化,建立地下水流三维非稳定流数学模型并进行数值计算,对开采性抽水试验的地下水位变化过程进行模拟。结果表明,该模型可以刻画埋藏型水源地地下水流场的变化过程,用它对规划的水源地三种开采方案的开采动态进行预测计算也取得了良好的效果。模拟计算中将开采条件下浅层第四系含水层对深层奥陶系灰岩含水层的越流补给处理为边界条件,可以刻画埋藏型水源地在开采条件下获得的补给增量。      

某地下空间承压含水层抽水试验及成果分析

由于地下水突涌风险,地下空间在施工作业中有必要通过抽水试验确定承压含水层的水文地质参数。依据勘察报告的初步评价,基坑开挖15.5m时,场地内第⑦1层承压含水层有可能产生突涌,为确保工程安全施工,需开挖前进行承压含水层抽水试验,取得场地承压含水层水文地质参数及降水引起的沉降特征,为地下空间设计和施工提供可靠依据。本次布设抽水井、观测井、分层沉降标组、孔隙水压力观测孔及地面沉降观测点,依据抽水试验技术要求获取渗透系数、抽水影响半径等相关水文地质参数。最后,针对工程场地内承压水情况及特点进行分析,提出基坑开挖时的承压水降压建议方案。     

新疆和什托洛盖煤田白杨河北洼地含水层特征分析

为了合理地开发地下水资源,依据大量的勘探钻孔和抽水试验资料,分析研究区含水层特征。在对研究区水文地质详查的基础上,通过水文地质钻探、抽水试验、样品分析等手段,查明含水层的结构、埋深以及流量等参数,探讨各含水层之间的水力联系,并分析研究区地下水的动态特征。为今后该地区地下地下水资源的开发利用提供科学依据。     

安阳市地下水源热泵系统建设水资源管理区划研究

为从赋存条件和水资源管理两个层面进行地下水源热泵系统建设的区划研究,实施技术与管理的结合,通过分析水文地质条件、水动力条件和水化学条件,结合水资源管理分区,建立了安阳市地下水源热泵系统水资源管理区划评价体系。采用云模型改进的层次分析法进行了一级评价,在此基础上结合水资源管理分区利用GIS空间分析功能完成二级评价,将研究区地下水源热泵系统划分了3个等级。结果表明:研究区范围内地下水源热泵系统适宜发展区面积为117.45 km2,主要分布在安阳河冲洪积扇扇体中心强富水区,部分分布在扇缘的外围区域;限制发展区面积为459.26 km2,分布在扇缘的西南和北部丘陵弱富水区以及扇体中心的地下水降落漏斗区;禁止发展区面积为24.02 km2,分布在水源地和南水北调保护区以及铁路和高速公路两旁,在研究区交错分布。在适宜性分区的基础上结合水资源管理的区划研究更全面合理,可为地下水源热泵系统科学布局及合理的开发利用提供参考。     

增强型地热系统采热性能影响因素分析

为了综合分析增强型地热系统各参数对系统采热性能的影响,以及参数相互之间的影响规律,以云南腾冲热海热田为地质背景,利用正交设计思想通过数值模拟方法对井间距、注入流量、注入温度、储层渗透率等因素的变化进行了分析。结果表明：注入流量是影响系统采热性能的关键因素,并对注入温度、井间距的确定有显著影响;注入流量越大,系统稳定采热时间和运行寿命越短,且注入流量较小的变化（提高0.06 m³/s）会对系统采热温度产生较大的影响（降低47℃）;增加注入温度可以提高系统的采热温度和运行寿命,但注入温度升高30℃、运行50 a后采热温度只提高10℃,效果有限;井间距、渗透率、开采压力对系统采热性能的影响相近,且远小于注入流量。     

天然冷源对地下水源热泵的影响规律

东北某些地区长期存在着一定规模的地下冻土,在地下水源热泵的运行中可视为天然冷源。天然冷源对地下水源热泵的利用产生一定的影响。为了提高地下水源热泵运行效率,运用室内外实验和数值模拟方法探寻冷源对地下水源热泵影响规律。对加格达奇地区的冷源场地进行了室内热物性试验和现场岩土热响应试验。研究表明：该地区砂、砾的热物性参数（比热容、导热系数）随深度增加呈现离散现象,砂岩、花岗岩热物性参数变化不大;岩土体导热系数花岗岩最大,砾、砂最小,砂岩居中;比热容受深度影响波动较大,特别是不同深度的砾、砂层比热容差别较大。依据该场地的地质条件,构建数值模型,开展模拟研究,对多井抽灌系统下热突破现象以及影响范围进行模拟分析,模拟结果显示冷源对该场地地下水源热泵的影响范围在150 m以内,而且在小于75 m的范围内对地下水源热泵的影响最为显著,为未来该地区地下水源热泵的设计、选址提供理论基础和参考依据。     

地下水源热泵系统布井方案分析

对于地下水源热泵而言,"热突破"现象普遍存在。但不同的布井方案,即抽、灌井间距和井位的不同,可能引起抽水井的温度变化差异很大,进而影响地温空调系统采能功效。本文结合郑州市儿童医院地温空调实例工程,应用HST3D程序对细颗粒含水层地区1抽2灌模式下不同布井方案进行了分析。结果表明,该区的最佳井间距为50m左右;选择直线型布井,抽、灌井连线平行于天然水力坡度方向,且天然水力坡度由抽水井指向回灌井的方式效果最好。     

地下水地源热泵系统应用对地温场的影响

通过建立地下水地源热泵系统试验场,运行热泵系统,并进行地下水温度连续监测,分析应用地下水地源热泵系统对地温场的影响。抽水井与回灌井之间以及回灌井附近的地下水温度随系统运行明显变化。系统运行后,回灌水体将以不规则边缘的透镜体贮存于含水层中,以回灌井为中心向外围扩展,水温最低或最高点位于含水层中部。粘性土相对隔水层的温度变化幅度、影响范围均小于含水层。由于热量的累积效应,即使是冷热负荷均衡的热泵系统,运行一个采暖、制冷周期后也将在热源井附近的抽、灌水含水层以及相邻的隔水层中形成冷量或热量的小范围聚积。     

地埋管换热器动态热负荷下地层温度场的解析解

垂直地埋管换热器（borehole heat exchanger,BHE）是利用浅层地热能的主要换热装置,如何确定合理的地埋管间距对地源热泵系统（ground source heat pump system,GSHPs）的传热性能与经济性影响很大。以往工程应用中未考虑地埋管热负荷的动态变化,常采用最大延米热/冷负荷（即最不利情况下）的影响半径作为设计依据,使设计参数趋于保守,很难实现地源热泵系统的技术和经济优化,而考虑负荷变化的数值模拟方法耗时复杂,不便于工程应用。文章提出了一种在地埋管实际热冷负荷动态变化条件下,计算地埋管换热器影响半径的简单数学方法。该法首先推导了地埋管换热器在周期性热流边界条件下,井筒周围地层温度场的解析解,在此基础上将地面建筑物全年周期下的实际波动热冷负荷进行傅里叶级数近似展开,最后通过线性叠加每个周期函数对应的解析解,得到建筑物实际动态热冷负荷下的地层温度动态分布。提出的解析解实时耦合了地面建筑动态热冷负荷,计算结果接近实际应用,具有计算精度高、简单方便快捷的优点,便于在工程实际中推广应用。     

Neural network approach to prediction of temperatures around groundwater heat pump systems

A fundamental aspect in groundwater heat pump (GWHP) plant design is the correct evaluation of the thermally affected zone that develops around the injection well. This is particularly important to avoid interference with previously existing groundwater uses (wells) and underground structures. Temperature anomalies are detected through numerical methods. Computational fluid dynamic (CFD) models are widely used in this field because they offer the opportunity to calculate the time evolution of the thermal plume produced by a heat pump. The use of neural networks is proposed to determine the time evolution of the groundwater temperature downstream of an installation as a function of the possible utilization profiles of the heat pump. The main advantage of neural network modeling is the possibility of evaluating a large number of scenarios in a very short time, which is very useful for the preliminary analysis of future multiple installations. The neural network is trained using the results from a CFD model (FEFLOW) applied to the installation at Politecnico di Torino (Italy) under several operating conditions. The final results appeared to be reliable and the temperature anomalies around the injection well appeared to be well predicted.     

矿井水深层回灌过程量质耦合模拟分析

矿井水深井回灌是矿井水“转移存储”处理的主要形式,根据鄂尔多斯盆地煤矿区地质和矿井水特征,从回灌目的层地下水与矿井水的匹配性、上下岩层的隔水性、回灌层的渗透性以及封闭性角度提出了矿井水回灌目的层选取依据。并以地下水达西定律和Dupuit理论为基础,建立极坐标系完整注水井稳定流数学模型,得出在稳定注水条件下,回灌量与注水层渗透系数、厚度、回灌压力、水位埋深以及回灌井直径正相关,与影响半径负相关,与回灌层埋深无关。提出了矿井水深层回灌水动力和溶质运移耦合仿真模型构建方法,并以矿井水回灌试验案例为分析对象,模拟得出矿井水回灌过程中含水层水压形成以注水井为中心的“高位水丘”,且注水压力越大,回灌量增加较为明显,模型分析结果与现场试验结果基本一致。溶质运移范围形成以注水井为中心的“圆柱状”弥散形态,特征离子浓度沿回灌井两侧变化剧烈,回灌层特征离子浓度被迅速稀释,随着时间的延伸,弥散稀释范围增加相对较小,说明矿井水回灌对深部高浓度含水层地下水水化学影响程度不大,研究成果可为西部煤矿区矿井水高效回灌处理提供科学依据。