地源热泵井群取水最不利降深的一种计算方法实例研究

祁 源

(湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040)

1 项目情况介绍

该项目位于湖北省仙桃市，为响应国家关于建设节约型社会的号召，建设单位充分利用当地丰富的地下水资源和浅层地热资源，设计了地源热泵空调系统，采用3台SPRING-WM-360B-1型机组的方案，制热输入功率249 kW，机组按每天运行10 h，冬季运行90 d计算。冬季作为低位热源，3台机组满载率按100%运行时，3台机组同时开启时冬季共需地下水300 m3/h，3台机组满载率按70%运行时，3台机组同时开启时冬季共需地下水210 m3/h。

建设单位建设了6眼取水井，12眼回灌井，根据回灌试验结果，在一抽一灌时，无压回灌条件下回灌率达到100%。取水井每井取水量50 m3/h，小时最大取水量300 m3，日最大取水量为3000 m3，年取水量为27万m3。对地下水的利用采用封闭循环方式，当地下水从供水井取出后，进入空调主机(或板式换热器)进行热交换后全部密闭回灌到同一含水层，不对地下水资源造成浪费和污染。

项目场地属河流一级阶地，拟建场地地层具有典型的河流冲积一级阶地的二元结构，颗粒粒径由上至下由细变粗，上部20 m范围内为一般黏性土层，力学性质较差；下部砂土层密实度较好，力学性质较好，工程性质较好。“上层滞水”赋存于地表(1)素填土层中，主要接受大气降水和地表散水垂直下渗的补给，无统一自由水面，水位及水量随季节性大气降水及周边生活用水排放的影响而波动。“孔隙承压水”赋存于场地(3)单元过渡层和(4)单元层砂层中，含水量丰富且与附近河流有较密切的水力联系，其水位变化幅度受河流水位涨落影响。勘察期间实测K18、K55、K81承压水头分别为6.2 m(相当于标高20.45 m)、6.5 m(相当于标高19.42 m)、6.8 m(相当于标高19.03 m)；静止水位在地面下2.90 ～ 3.90 m(相当于标高22.02 ～ 23.85 m)之间。抽水试验时承压含水层静止水位埋深为6.61 m。

结合本区域水文地质参数经验值及水文地质勘察报告成果，从最不利情况下可能产生地下水位下降和对周边建筑物的影响角度出发，综合确定本次计算所用渗透系数为8.16 m/d，影响半径稳定后的最大值为552 m。

2 井群干扰取水降深计算

当井群中任意两取水井之间的距离小于两井影响半径之和时，将产生相互干扰现象，若要保持各井的出水量不变，必然会加大抽水降深。井群干扰取水时产生的降深可叠加计算[1]：

(1)

式(1)中：Sd为某点井群干扰情况下降深，m；Ri该点距i井中心距离m；其它符号意义同前；n为同时抽水的抽水井眼数。由于该公式是线性叠加，因此，对任意一点，影响半径内的抽水井数目越多，产生的降深越大，本建设项目最多同时有6眼井取水。

由单井抽水的降落漏斗曲线可知，井位中心的降深最大[2]，随着距离的逐渐增大，降深快速减小，距井位中心60 m处的降深仅为井位中心的26.67%，可见最大降深点及易出现在井位中心处。随机取井群影响范围内的5万个随机点，加上16个井位点，计算50018个点的最大降深，并以50018个点最大降深的最大值作为抽水井任意组合下的最大降深[3]。结果见表1。

由表1可知，最大降深为25.216 m，出现在2号井位处，最不利井位组合为2、1、3、4、5、6井同时抽水。上述6眼井同时抽水条件下，建设场地内的水位降深情况见图1～2。

表1 各点最大降深及相应井群组合

图1 最不利组合下降深等值线(单位:m)

图2 最不利井位组合下地下水位网格(单位：m)

经分析计算，当前井数和井位下，最不利的6眼井共同抽水时，其产生的地下水位降深为25.21622 m。

3 结论

通过以上展示的计算方法，可以获得一种地源热泵井群取水最不利降深的计算方法，通过明确最不利降深，可以帮助建设单位定制更有保障的应急预案，确定回灌水量及回灌水泵的参数，同时可以为地面沉降的计算提供数据参考。