水源热泵井群布置方案对地下水流场影响分析

韦 婷，车巧慧，韩玉杰

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009)

地下水源热泵系统是以地下水作为低位热源或热汇向建筑物供暖和制冷的一种热泵技术。［1］系统利用地下水系统温度基本恒定这一特点，在夏季和冬季，将抽出的地下水，通过封闭管路经热泵机组后再回灌至含水层，解决夏季制冷和冬季供暖问题，实现“绿色”能源的开发利用［2］。地下水抽水和回灌是其中两个非常关键的过程，对地下水流系统不可避免地造成一定的影响。为此，本文以某地下水源热泵系统工程为例，在建立研究区地下水流数值模型的基础上，依据实测抽水试验、抽水－回灌试验数据，定量评价了不同的井群布置方案对地下水流场的影响范围与影响程度。

1 研究区概况

研究区位于黄淮海平原南部，季风半湿润气候区，区域多年平均降水量、蒸发量分别为743.3 mm、1 040.4 mm。区内地层为华北地层区淮河地层分区，新生界松散层全区广泛分布，厚达500 m左右。

1.1 含水层组间水力联系

区内含水层结构分布条件比较稳定，潜水含水层和承压水含水层之间发育较厚且相对稳定的粘土层，厚度平均15 m左右，两层组之间的直接水力联系较差，区域局部地段存在可形成越流补给的天窗。

1.2 补、径、排条件

大气降水是其主要补给来源，孔隙承压水，主要接受侧向径流补给。现状条件下，区内地下水的主要排泄方式有人工开采、潜水蒸发、越流排泄和侧向径流排泄。天然条件下，潜水与承压水的区域径流方向大致由西北流向东南;现状条件下，在城区因承压水开采形成降落漏斗，流向略有改变，即地下水由周边地区流向漏斗中心区。

2 地下水流数值模拟

2.1 水文地质概念模型

研究区所在地段，勘探孔所揭露的地层最大埋深为155.5 m，自上而下分为:

第一层:潜水含水层组(第一含水层)，为黄土以及粉砂夹粘土，分布深度为0～28.4 m;

第二层:隔水层组，为粘土层，分布深度为28.4～33.5m;第三层:承压含水层组(第二含水层)，为中细砂、粉砂与粘土互层，分布深度为33.5 ～155.5 m;

第四层:隔水底板，为粘土层，分布深度大于155.5 m，本次钻探未揭穿;根据区域水文地质，该层分布稳定、厚度大于10 m。

上述地层中，第三层为中细砂、粉砂与粘土互层，赋存孔隙承压水，该层分布较稳定、水量较丰富，是研究区所在区域城镇供水的主要取水层位，该层也是本次研究的目标含水层组。

2.2 数学模型

依据概化的水文地质模型，将研究区的地下水流概化为非均质各项同性介质中的准三维非稳定流问题，建立相应的数学模型:

式中:K是含水层渗透系数(m/d);H是地下水水位(m);M是承压含水层厚度(m);W是单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量(m3);μ*是弹性释水系数;H0是地下水初始水位(m);H1是模拟期边界处的地下水水位(m);t是时间(d);q是流量(m3/d)，开采为负、回灌为正;D是模拟区范围;Γ1为水头边界;Γ2为流量边界。［3］

研究中，首先利用抽水试验中实测水位、流量数据，对数学模型进行识别;利用识别后的模型，模拟不同布置方案下的地下水流场。

3 地下水流系统影响分析

水源热泵系统工作过程中对地下水流系统形成影响的途径是:开采井抽取地下水，使含水层中地下水形成一个水位下降的附加流场;回灌井对含水层进行补给，使地下水水位形成一个上升的附加流场;水源热泵系统对地下水流系统形成的总影响，是上述两个附加流场的迭加后形成的影响效果。［3－5］

3.1 回灌方式与方案

图1 抽、灌井布置方式

方案(a):抽水井直线集中，回灌井集中布置;

方案(b):抽、灌井1:1交叉，剩余回灌井集中布置;

方案(c):抽、灌井1:1交叉，剩余回灌井直线布置;

方案(d):抽、灌井交叉，部分回灌井直线布置;

方案(e):抽、灌井交叉，部分回灌井集中布置。

实例中，地下水回灌属于回灌承压含水层［6］;由于回灌目的层渗透性好、水位埋深也比较大(静水位埋深在18 m左右)，所以可采用管井真空回灌(无压、自流)方式。为了进一步确定回灌的效果和回灌井井数，按有关技术规范要求，进行了多孔抽水试验、抽水～回灌联合试验。依据单井回灌能力分析的有关数据，项目最大需水量490 m3/h，单井抽水量约为55 m3/h，单井回灌量约为30 m3/h。因此，偏安全考虑，可采用“10抽20回”的形式(设1口备用抽水井，2口备用回灌井)，试验100%回灌方案。

3.2 井群布置方案

井群抽、灌井位布置是地下水源热泵系统设计的一个重要参数。依据识别后的模型，在100%回灌条件下，采用不同的井群布置方案，对上述两个流场进行抽水、水位恢复模拟，定量预测水源热泵系统对地下水流系统形成的影响，分析其影响规律。

图2 井群布置方案制冷、采暖期末流场

表1 回灌井附近井群布置方案制冷、采暖期末地下水位变化影响

表2 抽水井附近井群布置方案制冷、采暖期末地下水位变化影响

由上图及表得到以下认识:

(1)抽水井、回灌井附近的水位随着井群布置方案的不同有明显的升降，方案布置e，水位降深最小，降深大于0.5 m的影响范围明显减小;

(2)采用真空回灌时，回灌井水位上升越小越利于回灌，抽水井降深越大抽水越难，降深范围扩大将会影响周边市政用水泵房的抽水能力;

(3)综合考虑水位降升以及影响范围，采用e方案。

4 结语

在研究区及其水文地质条件类似的地区，孔隙承压含水层水量较丰富、回灌条件较好，在井群布置方案为e的条件下，对周边地下水的开采影响甚微。水源热泵系统是一个完全封闭的水循环系统，其正常运行过程中对地下水水质(除水温变化外)基本不产生影响，具有较好的推广潜力。

［1］殷平.地源热泵在中国［G］.现代空调－空调热泵设计方法专辑.3版.北京:中国建筑工业出版社，2001:1－8.

［2］H.O.Paksoy，O.Andersson，etc.Heating and cooling of a hospital using solar energy coupled with seasonal thermal energy storage in an aquifer［J］.Renewable Energy.2000，19:117 – 122.

［3］汪佳，陶月赞等.水源热泵系统对地下水流系统的影响评价［J］.地下水.2009，31(4):43.

［4］ A.Michopoulos，N.Kyriakis.A new energy analysis tool for ground source heat pump systems［J］.Energy and Buildings.2009，41:937 –941.

［5］陈崇希，林敏.地下水动力学［M］.1版.武汉:中国地质大学出版社，1999:48－57.

［6］倪龙，押淑芳等.地下水地源热泵热源井设计方法研究［J］.暖通空调.2010，40(9):83－84.