天津市地下水源热泵系统回灌能力研究

2023-10-13柴成繁王亚斌

地下水 2023年5期

柴成繁,李泰,王亚斌

(1.天津市水文水资源管理中心,天津 300061;2.中建六局水利水电建设集团有限公司,天津 300061:3.天津市地质调查研究院,天津 300191)

0 引言

2020 年,我国正式提出了碳达峰、碳中和(“双碳”)战略目标,以积极应对气候变化并着力化解资源环境约束。天津市是我国能源消耗密集区[1],能耗和碳排放强度较高,产业低碳转型以及结构性调整面临挑战。为实现“双碳”目标,天津市大力推进能源结构优化,因地制宜推进浅层地温(热)能开发利用。

浅层地温( 热) 能是一种可再生的新型环保能源,地下水源热泵系统是基于地下水作为地温交换媒介的浅层地热能开发利用的一种方式,具有热源温度恒定、节能环保、开发利用简单、运行管理方便等优点。截至2021年天津市地下水源热泵系统已建68个,供暖(冷)面积220×104m2,主要以第Ⅱ至第Ⅴ含水组松散岩地层(底板深度在100～500 m)作为热源井采灌层位,地下水开采量约在3 200×104m2/a。地下水源热泵系统运行中为避免地下水资源造成浪费,抽取的地下水应全部回灌到同一含水层[2],但实际存在抽取的水量不能完全回灌的情况,造成较大的地下水资源浪费或引起其它环境地质问题,影响地下水源热泵系统良性发展。

1 天津市地下水源热泵系统回灌状况

1.1 回灌状况

天津市大多数地下水源热泵系统采用井管无压自流式回灌,当回灌水位接近井口时或定期的进行回扬。为了保证抽水量最大程度的回灌回地下去,古文化街、南开大学综合楼、绿色饭店等单位的都采用异层采灌的方式,海河大厦、红光中学短期内也存在异层采灌的现象,其余采取同层采灌条方式。

如表1所示,2020-2021年供热期地下水源热泵系统回灌率多在90%以上,单井回灌量多在20～40 m3/h之间,大部分用户的单井回灌量在40 m3/h以下,可维持较长时间回灌的水量在30 m3/h左右。单井回灌量较大的用户(大于40 m3/h)多采用频繁回扬,如:海泰大厦、东方之珠王顶堤店、海河大厦等。

表1 天津市2020-2021年供热期水源热泵系统回灌及回扬情况

深层含水组回灌井由于地下水位埋深大,其回灌量总体上大于相对较浅层的含水组回灌井。第Ⅳ含水组回灌井的回灌量多超过30 m3/h,而第Ⅱ+Ⅲ组含水组回灌井的回灌量多在30 m3/h之下。

1.2 回灌过程中的地下水位动态特征

有关研究表明,回灌井在回灌时会在井筒周围形成一个渗透性降低的地带,造成回灌水位的持续上升[3]。通过对南开大学综合楼回灌监测,深2回灌井静止水位约82 m,在2020年11月至12月间,回灌量为33 m3/h左右时,经过近30 d的回灌,回灌水位仍呈线性的上升趋势,当回灌量改为21 m3/h左右时,经过约20 d时间,地下水位达到相对稳定状况,静水位埋深33.5 m左右。浅3回灌井静止水位约22 m,回灌量为33 m3/h左右时,经过近30 d的回灌,回灌水位仍呈线性的上升趋势,当回灌量改为21 m3/h左右时,经过约20 d时间,地下水位达到相对稳定状况,静水位埋深1.5 m左右(图1、图2)。

图1 南开大学深2回灌井回灌量及水位埋深动态图

图2 南开大学浅3回灌井回灌量及水位埋深动态图

通过对天津地区地下热水回灌过程的研究,回灌过程中渗透系数是衰减的,且服从衰减方程K = K0e-λt(K0为渗透系数初始值,λ为渗透系数衰减系数)[4]。地下水回灌过程中,回灌量存在一个临界值,当回灌量超过临界值时,回灌井内地下水位是一直持续上升,当回灌量未超过临界值时,地下水位在一定时间段时可以达到相对稳定。在地下水回灌过程中,回灌水位达到稳定状况的时间远超过同样条件下的抽水过程。

2 回灌能力表征指标

为简捷、准确的分析评估地下水源热泵井的回灌能力,在已有水文地质相关参数的基础上,引入回灌率、单位灌采比、回灌能力表征指标。

2.1 回灌率

回灌率(R灌)[5]是在某一采灌期内,源热泵系统回灌入地层的地下水量与采出的地下水量之比,用以表征地下水源热泵系统运行过程中地下水的损耗,其计算公式为:

(1)

式中:Q灌为回灌水量(m3);Q回扬为回扬水量(m3);Q采为抽水井采出的水量(m3)。

回灌率越大,则该井水源热泵系统消耗掉的地下水水量越小。由于系统运行过程中管道的跑冒滴漏、系统起动初期的排砂、部分系统应用地下水供应热水、个别用户回灌困难时的人为排放等原因,回灌水量一般小于抽水量。考虑到回扬水量一般都直接排放,因此在计算回灌率时减去回扬水量。

2.2 单位灌采比

为研究灌采井抽水能力与回灌能力的关系,引入单位灌采比(k)的概念,定义为同一地下水源热泵井单位回灌量与单位采水量之比[6]。

(2)

式中:q灌为单位回灌量(m3/h·m);q出为单位出水量(m3/h·m)

单位回灌量(q灌):往井中灌水经过一段时间,当回灌水位相对稳定时,单位时间内每上升1.0 m,所能灌入的水量。其计算公式为:

(3)

式中:Q灌为回灌量(m3/h);S为井中的水位升幅(m)。

单位出水量(q出):水井抽水,当地下水位达到相对稳定,单位时间内地下水位每下降1.0 m,所能抽出的水量。其计算公式为:

(4)

式中:q出为抽水井的单位出水量(m3/h);Q抽为抽水井中的水位降深(m)

2.3 单井回灌能力

为研究回灌井的可持续回灌的最大回灌水量,引入单井回灌能力的概念,指在自流回灌过程中,当地下水位上升至井口,但未溢出,且在一定时期内水位保持相对稳定时的回灌水量。

3 结果分析

3.1 回灌能力分析

通过对南开大学综合楼与医科大第二医院地下水源热泵系统分析,南开大学综合楼回灌井单位回灌量在0.94～1.63 m3/h·m之间,医科大第二医院回灌井单位回灌量在0.63～1.12 m3/h·m之间。单位灌采比,南开大学综合楼0.27～0.56之间,医科大第二医院0.31～0.50之间。单井回灌能力与水源热泵井的单位回灌量、稳定水位埋深有线性相关性,即稳定水位埋深越小(水位回升高度越大)单位回灌量、单位灌采比、回灌量(单井回灌能力)越大(表2、表3)。