VisualModflow4.2在地下水地源熱泵系統運行中的應用

（天津地熱勘查開發設計院，天津市，300250）蔣學敏

淺層地熱能作為一種清潔的可再生能源，得到廣泛的應用。地下水地源熱泵系統是將淺層地熱能采用熱泵技術進行采集利用，取得了良好的環境效益，已得到世界各國的高度認可，已成為節能減排工程的中堅力量[3]。

1 項目概況

天津市某地下水地源熱泵項目始建于1998年，所開鑿1#、2#深度分別為210m、209m，開采層位為第二含水層，采用“一采一灌”模式開發利用淺層地熱能。由于年久失修，濾水管出現堵塞，造成出水量減少，回灌困難。為此，管理部門對該系統進行機組優化、修井改造，恢復使用后進行動態監測。修井后系統運行模式為：夏季，2#為開采井，1#為回灌井；冬季，1#為開采井，2#為回灌井。采灌量見表1[4]。

表1 實際開采量統計表

2 數值模型構建

2.1 模擬范圍

模擬區以地礦珠寶對井為中心向外擴展，總面積為6.03km2。

2.2 含水層結構概化

模擬區含水層結構概化為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個含水層。第Ⅰ含水層礦化度較高，無法開發利用。第Ⅱ含水層為目的層。第Ⅲ、Ⅳ含水層補給條件較差，開采較少。

根據水文地質條件，可將模型概化為具有非均質、各向同性特點三維地下水穩定滲流系統[5]。

2.3 邊界條件概化

分析水文地質資料可知，研究區下部以基巖為隔水邊界[6]。南北側概化為通用水頭邊界，東西側概化為流量邊界。

2.4 模型剖分

模擬區水平方向剖分成50m×50m的單元格，共計有效活動單元格2978個；垂向上，模型共分為4層。

2.5 模型參數

模型參數有滲透系數、孔隙度、彈性釋水系數，各參數初始賦值見表2。

表2 參數初始賦值表

2.6 模型補徑排處理

第Ⅰ含水層以大氣降水入滲、側向徑流形式補給，以蒸發、越流、人工開采方式進行排泄；其他含水層補給包括側向徑流、越流補給，排泄包括越流、人工開采排泄。降水入滲量參考多年平均降水量賦值。

3 模型模擬

3.1 模擬時間

2014年11月～2015年4月作為模擬期，2014年6月的水位作為初始水位（見圖1）。由于目的層為第Ⅱ含水層，因此以下內容僅分析及預測第Ⅱ含水層地下水流場。

圖1 第Ⅱ含水層初始水位

3.2 模型驗證結果

水文地質參數中滲透系數的變化對驗證結果的影響最大。為了驗證擬合精度，將對井周邊加密剖分成10m×10m的單元格，經過反復調參，確定當對井周邊30m內滲透系數為0.04m/d，其他區域為1.53m/d時（圖2），水位擬合情況較好（圖3）。

圖2 第Ⅱ含水組滲透系數分區圖

圖3 1#、2#水位擬合圖

1#為抽水井，2#為回灌井。工作時間：1#抽水量50m3/h，持續抽水造成水位下降較快，埋深大于50m，冬季最大埋深可達59m。2#回灌量為15m3/h，瞬時水位最高可上升至2.67m。非工作時間：1#抽水量35m3/h，水位埋深在39.5至47m之間。2#回灌量為10m3/h，瞬時水位埋深最高可上升至3.5到4.4m。可見，模擬的水位變化與動態監測水位變化趨勢一致，能夠反應真實地下水動態情況，可用于地下水流場的預測。

4 模型預測

4.1 預測時間

模擬期2019年6-9月為制冷期，10-11月為制冷恢復期，2019年12月-2020年3月為供暖期，2020年4-5月為供暖恢復期。預測2019年7、11月、2020年2、5月第Ⅱ含水組地下水流場的變化，見圖4～7。預測結果表明，系統持續運行5年后地下水流場發生了一定程度的變化。相比于初始水位，2019年的地下水水位整體下降1～2m，由于1#開采強度較大，且回灌效果較差，形成了局部降落漏斗，以至于水位尚未恢復至初始水位便進入下一個運行周期。除此之外，地下水流向也發生了較大改變，由最初的西南向東北流動變成自周邊向降落漏斗中心方向流動。

圖4 2019年7月第Ⅱ含水組地下水流場圖

4.2 預測結果分析

圖5 2019年11月第Ⅱ含水組 地下水流場圖

圖6 2020年2月第Ⅱ含水組地下水流場圖

圖7 2020年5月第Ⅱ含組 地下水流場圖

5 存在問題

地下水流場發生改變，表明該系統現狀運行已不能滿足可持續發展理念。回灌率低：經過修井改造，回灌率僅能達到30%左右，長期采灌不平衡，勢必造成地下水位持續下降。運行模式不完善：系統冬夏參數設置不合理，未隨天氣變化進行調控，造成地下水過度開采。

6 結論

本論文以天津市某地下水地源熱泵項目為例，運用Visual Modflow 4.2軟件進行數值模擬、預測，結果顯示系統運行5年后地下水流場發生了較大改變。因此，今后在地下水地源熱泵項目推廣過程中，將模型與系統運行相結合，有助于定量評價流場隨系統運行的變化，并分析存在問題，從而為系統可持續發展提供必要的數據支撐。

7 建議

為了地下水地源熱泵可持續開發利用定期清洗回灌井，防止濾水管堵塞，提高回灌效率。同時，還應定期進行回揚，以保證地下水可以得到及時有效補給。根據實際情況對采灌井進行動態調換，優化采灌量，以緩解熱泵運行造成的地下水流場發生變化的情況。