含水層構造對抽灌水溫變特性的影響

周學志，高 青，于 鳴，趙曉文，朱天奎

（1.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022；2.吉林大學 熱能工程系，長春 130022；3.吉林大學 材料科學與工程學院，長春 130022）

0 引 言

地下水源作為地下淺層能量資源在地源熱泵和地下蓄能中得到應用，它的應用不但面臨地下水源生態(tài)安全問題，還涉及應用過程中地下熱貫通和熱交互的能源效率問題。其中，井群布控、含水層構造、熱流場演變等一直困擾地下含水層蓄能和熱泵應用的科學發(fā)展［1-3］。

1982年，Bodvarsson等［4］研究了冷水回灌地下裂隙儲層的熱傳輸問題，指出回灌冷水沿地下裂隙流動，吸取圍巖熱量，直至抽水井。1981年，Tsang等［5］對一季節(jié)性含水層儲能實驗建立了數(shù)學模型，分析地下水回灌過程溫度變化規(guī)律，模擬的溫度變化和能源回收率與實測數(shù)據(jù)吻合。此后多維有限差分模型被逐漸應用到含水層儲能研究中，涉及水力各向異性作用、熱對流與熱傳導及相鄰受限地層熱損失等［6］。國內(nèi)水源熱泵系統(tǒng)的研究集中在同井及對井抽灌系統(tǒng)［7-8］，涉及到群井抽灌的研究較少［9］。對于群井抽灌系統(tǒng)，含水層運動更加復雜，往往與含水層構造直接牽連，并涉及流固耦合流動和傳熱傳質(zhì)問題。

一般來說地下水源熱泵地面系統(tǒng)基本相同，但地下系統(tǒng)卻因地而異，影響其發(fā)展的主要技術瓶頸為地下系統(tǒng)研究。含水層構造對抽灌井區(qū)溫度場變化起著至關重要的作用，因此本文建立了抽灌井群地下水熱運移實驗系統(tǒng)，尋找避免和減輕抽灌井群間熱貫通及熱交互的有效途徑。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗設計依據(jù)

采用砂槽滲流模擬室內(nèi)實驗方法，根據(jù)地下水滲流模擬中的相似模擬理論來揭示實際含水層抽灌過程的地下水流動換熱規(guī)律。

實驗依據(jù)的基本原理是，不論實驗砂箱中，還是在實際含水層中，滲流場中任一點的滲流服從達西定律v＝－k×grad H，其中v為滲流速度，k為滲透系數(shù)，grad H為水力坡度。只要給出相似的定解條件，砂箱和被模擬的原型應有相似的解。這樣，根據(jù)解，就可以推理原型多孔介質(zhì)中水流的運移規(guī)律和傳熱過程。假定水在儲水層中的流動是水平的，并且垂直方向的熱傳遞可以忽略，那么：

式中：H為水頭值；μ＊為水流速度；ε為應變；T為水溫；λx為x方向熱力彌散系數(shù)；λy為y方向熱力彌散系數(shù)；λz為z方向熱力彌散系數(shù)；φ為有效孔隙度；ρw為流體密度；cw為流體比熱容；ρs為孔隙介質(zhì)密度；cs為孔隙介質(zhì)比熱容。

所謂定解條件相似，首先要求兩個被研究對象的幾何相似，即在原型與模型的有限空間內(nèi)，對應點的坐標或長度應滿足固定的比值；其次要求時間相似，即模型和原型的運行時間在整個運行過程中保持固定比值；再次要求參數(shù)相似，即兩個系統(tǒng)中對應物理參數(shù)必須保持線性關系。另外還要求初值相似，即兩個系統(tǒng)中對應物理量的初值和邊值應滿足固定比值。利用相似條件可以使模型出現(xiàn)原型的地下水運移狀態(tài)。

1.2 實驗系統(tǒng)

本文建立了含水層巖土槽熱濕運移實驗系統(tǒng)，基本構成如圖1所示。槽體尺寸為2.2m×1.2m×0.5m（長×寬×高），由近于巖土導熱系數(shù)的聚丙烯材質(zhì)做成圍護結(jié)構，槽體包括槽首、槽身和槽尾三部分。其中，槽身可滲流巖土結(jié)構體為1.8m×1.0m，槽首和槽尾為寬距0.2m水位調(diào)節(jié)水箱，模擬地下水自然流動，并在槽首、槽身和槽尾三部分間隔板上開有均布整流孔，孔徑為1mm，進一步提高模擬地下水自然流動的均勻性。因此，該實驗不但可進行靜態(tài)含水巖土熱濕運移實驗研究，還可以開展不同流速的地下水自然流動態(tài)含水巖土熱濕運移實驗研究。巖土槽內(nèi)充滿按設定要求的中砂及礫石，模擬天然含水層。

圖1 實驗系統(tǒng)及構造Fig.1 Experiment system and structure

抽灌井布置方式采用工程置井方法。各井均采用內(nèi)徑25mm、長1.2m的塑料管作為井壁管。整個置井包括井孔、井壁管、濾水管和沉砂管。濾水管在塑料管下端部分，0.2m長段均布打孔，纏繞過濾絲網(wǎng)，防止砂子進入；濾水管周圍布置礫石，防止出現(xiàn)跑砂現(xiàn)象。沉砂管取用下端0.1m長度，避免抽水井內(nèi)的細顆粒沉淀，防止濾水管淤塞。

1.3 測量及布井方式

測試參數(shù)包括各抽水、回灌水溫度和流量，以及巖土槽內(nèi)特征點溫度。溫度測量采用K型熱電偶，用日本YOKOGAWA多點記錄儀進行自動記錄。循環(huán)流體流量測量采用轉(zhuǎn)子流量計，并置于各抽灌井。

采用單排結(jié)構布置抽灌井組，如圖2所示。前者設置兩口井（1＃和2＃），井間距0.2m；后者設置3口井（3＃、4＃和5＃），井間距0.2m。抽水井組和回灌井組兩井排間距為1.2m，含水層厚度0.4m。巖土初始溫度12℃，抽、灌水溫差5℃，即抽水12℃，回灌7℃。為保證巖土槽初始溫度的恒定，每做一個實驗工況，都對槽內(nèi)溫度場進行人工調(diào)配，待多點記錄儀顯示槽內(nèi)各點溫度為12℃后，方才進行實驗。本實驗暫未設置地下水自然流動。

圖2 井群布置圖Fig.2 Arrangement of well group

1.4 含水層構造

不同地區(qū)是否有合適水源是限制地下水資源利用的重要因素，它受含水層構造限制，含水層構造差異會對其開發(fā)利用產(chǎn)生重要影響。在抽灌井結(jié)構相同的情況下，含水層儲水量大小取決于場地水文地質(zhì)條件，水文地質(zhì)條件優(yōu)越，不僅會使抽水能力增強，也會加大回灌井的回灌能力，反之亦然。

表征含水層水文地質(zhì)條件參數(shù)有：含水層厚度、滲透率、給水度、有效孔隙度等，上述參數(shù)變化往往能夠?qū)畬拥膬λ⒔o水能力產(chǎn)生重要影響。由于淺水含水層主要為砂類介質(zhì)，因此本實驗設定了不同的含水層構造，分別為中砂和砂礫，圖3（a）為均勻中砂含水層，圖3（b）為非均勻砂礫含水層。同時，為研究含水介質(zhì)分布狀態(tài)的影響，實驗將非均勻砂礫含水層進行了攪拌，使得中砂層和礫石層充分均勻分布，圖3（c）為均勻砂礫含水層。

圖3 含水層構造Fig.3 Aquifer structure

2 結(jié)果分析

在抽水井、回灌井相同抽灌量和井的幾何參數(shù)相同的條件下，實驗針對不同含水層構造與地溫場的演化關系進行研究，分析不同含水層構造抽水溫度變化規(guī)律及熱貫通影響特性。

2.1 含水層巖性影響

圖4、圖5為抽灌量為12L／min時，不同含水層巖性抽灌井區(qū)1＃、2＃井抽水溫度變化。其中，抽灌井各井為均勻抽灌量，即單井抽水量為6 L／min，單井回灌量為4L／min。

圖4 1＃抽水井抽水溫度變化Fig.4 Pumping water temperature change of 1＃well

圖5 2＃抽水井抽水溫度變化Fig.5 Pumping water temperature change of 2＃well

從圖4可以看出，含水層介質(zhì)為砂礫情況下，1＃井抽水溫度從第4min開始迅速下降；含水層介質(zhì)為中砂時，抽水溫度下降時刻為第24min，熱貫通時間得到了有效延遲。圖5顯示，2＃井具有與1＃井相同的熱貫通變化特性。綜上，含水層巖性的變化對抽灌井區(qū)熱貫通發(fā)生時間的影響較大。

由圖4、圖5比較還可知，熱貫通發(fā)生后，不同含水層巖性的抽水溫度下降趨勢大致相同，處于相近的下降斜率，即熱貫通發(fā)生前期抽水溫度急劇下降，后期漸緩。顯然，含水層巖性的變化對熱交互影響程度較小，更明顯的作用是熱貫通時間差異。綜上可知，對于砂礫含水層，由于砂礫顆粒塊體結(jié)構增大，導致抽灌井區(qū)熱貫通時間明顯縮短，且?guī)r性的變化對熱交互影響程度較小。

2.2 分布狀態(tài)影響

2.2.1 抽灌各井流量均勻變化

圖6為抽灌各井流量偏高工況時，含水介質(zhì)均勻與非均勻分布抽水單井溫度變化。其中，抽水單井抽水量為6L／min，回灌單井回灌量為4 L／min。

圖6 抽灌各井流量偏高工況（12L／min）Fig.6 High flow condition of even each well（12L／min）

圖6（a）顯示，含水層介質(zhì)均勻分布時，1＃、2＃抽水井的溫降始點時刻相同，即同時發(fā)生熱貫通，熱交互影響程度也基本一致。因此，含水層介質(zhì)均勻分布時，抽灌過程中各抽水井抽水溫度發(fā)生熱貫通的時間及熱交互影響程度基本相同。事實上，圖6（a）反映出兩井抽水溫度有一點差別，主要是實驗測量誤差和難以保證含水層結(jié)構完全均勻所致。

從圖6（b）可看出，含水層介質(zhì)非均勻分布時，1＃、2＃抽水單井由于局部滲流阻力差異，導致各井熱貫通時刻和后期的熱交互程度出現(xiàn)一些不同。其中，2＃井溫度下降趨勢相對較快，溫降幅度較大。因此含水層介質(zhì)非均勻分布時，1＃、2＃抽水井的熱交互程度與含水介質(zhì)均勻分布相比出現(xiàn)了明顯的差異性，說明含水層介質(zhì)分布狀態(tài)對熱交互程度影響較大。

為進一步辨識不同抽灌量的上述共性特點，實驗進行了抽灌各井流量偏低工況的相應實驗，如圖7所示。其中，抽水單井抽水量為4L／min，回灌單井回灌量為2.7L／min。

圖7 抽灌各井流量偏低工況（8L／min）Fig.7 Low flow condition of even each well（8L／min）

圖7（a）顯示，含水介質(zhì)均勻分布時，1＃、2＃井的溫降始點時刻相同，約從第12min開始發(fā)生熱貫通，熱貫通發(fā)生后兩者的熱交互影響程度基本一致。

圖7（b）表明，含水介質(zhì)非均勻分布情況下，1＃、2＃抽水單井發(fā)生熱貫通的時間與含水介質(zhì)均勻分布情況很接近，基本從第12min發(fā)生熱貫通。不過，由于含水介質(zhì)非均勻分布的局部滲流阻力差別，導致2＃抽水井的溫度下降趨勢較快，溫降幅度較大，即1＃、2＃抽水井熱交互影響程度差異性增大，與上述抽灌量12L／min時的情況相同，只是這種差異性隨著抽灌量的降低和滲流速度的減小，表現(xiàn)的更加充分。

顯然，含水介質(zhì)分布狀態(tài)的變化對熱貫通發(fā)生后抽水井的熱交互程度影響較大，對抽灌井區(qū)熱貫通時間的影響不盡顯著。且抽灌量降低，滲流速度減小，貫穿能力有限，而使各抽水井的抽水溫度差異性增大。

2.2.2 抽灌各井流量非均勻變化

為進一步分析抽灌各井流量非均勻變化的影響，分別在含水介質(zhì)均勻和非均勻分布情況下，研究各井抽灌量偏配情況抽灌井場熱貫通及熱交互特性。實驗采用抽灌各井非均勻變化，表現(xiàn)出抽水量一側(cè)偏大（見圖2上部），另一側(cè)偏小（見圖2下部），產(chǎn)生流場偏移，即1＃和2＃井抽水量分別為5.3L／min和2.7L／min，3＃、4＃、5＃回灌井回灌量分別為3.5L／min、2.7L／min和1.8L／min。圖8為抽灌各井流量非均勻變化情況下，含水介質(zhì)均勻和非均勻分布的抽水單井溫度變化曲線。

圖8 抽灌各井流量非均勻工況（8L／min）Fig.8 Flow condition of non-uniform each well（8L／min）

對比圖7（a）、圖8（a）發(fā)現(xiàn)，抽灌各井流量非均勻變化工況下，1＃井抽水溫度下降較快，熱交互影響程度較大，同時各井熱貫通發(fā)生時間明顯縮短，說明各井采用抽灌量偏配模式，使得抽灌井場局部區(qū)域抽水量偏大，滲流能力增強，熱交互程度加深。因此，含水層介質(zhì)均勻分布時，要使抽灌量盡量均勻分配，避免出現(xiàn)各井流量分配不均的情況。

從圖8（b）可以看出，對于含水介質(zhì)非均勻分布，較大抽水量的1＃井熱交互影響程度較小，說明采用一定的抽灌量偏配模式，能夠使兩抽水井溫時變化趨于一致，有利于各井抽水溫度均衡性的修正。因此可以通過調(diào)整各井流量偏配的方式來改善含水介質(zhì)非均勻分布帶來的不利影響。

綜上所述，實際工程應加大水文地質(zhì)的勘查、評價和設計，合理規(guī)劃地下水開采布局中各井的配置，選擇適宜的運行方案，最大限度地避免熱貫通和熱交互影響，這樣有利于地下水多井開采的合理利用，提高能源利用效率。

3 結(jié) 論

（1）含水層巖性的變化對井場熱貫通時間的影響較大，對后期熱交互影響略小；對于粒塊體結(jié)構較大砂礫含水層構造，其井場熱貫通時間明顯縮短。

（2）對于砂礫含水層介質(zhì)非均勻分布的情況，鑒于局部孔隙率等的差別，導致流動能力差異。實驗中含水層介質(zhì)分布狀態(tài)對熱交互影響較大，對熱貫通時間的影響有大有小。且抽灌量降低，滲流速度減小，貫通能力有限，而使各井抽水溫度差異性增大。

（3）對于含水介質(zhì)均勻分布，各井抽灌量應盡量均勻分配，推遲熱貫通發(fā)生和減弱熱交互影響；對于含水介質(zhì)非均勻分布，采用各井配置流量調(diào)整，可有效改善熱濕均衡性，避免含水介質(zhì)非均勻分布的不利影響。因此，工程實施中應注意根據(jù)地下含水層巖性及含水介質(zhì)分布狀態(tài)進行適當?shù)亩嗑渲煤土髁空{(diào)整，最大限度地減輕熱貫通及熱交互影響，實現(xiàn)淺層地熱資源的充分有效利用。

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