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地下水源熱泵系統(tǒng)建設與運行對地下水溫度影響分析

文檔作者：戈建民1，王亞彬2 文檔來源： 1.天津市水文水資源勘測管理中心 2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年03月03日
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2017.No.1
收稿日期：2016—11—10
作者簡介：戈建民（1969—），男，碩士，高級工程師，主要從事水文學
及水資源研究工作。
DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.016
地下水源熱泵系統(tǒng)建設
與運行對地下水溫度影響分析
戈建民1，王亞彬2
（1.天津市水文水資源勘測管理中心，天津300061；2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，天津300191）
摘要：采用數(shù)值模擬方法，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)天津地區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)在短期內(nèi)對局部區(qū)域地下水溫度變化有一定影
響，長期影響不大。系統(tǒng)對井冬夏互為采灌，形成相對冷熱水體，反季節(jié)使用具有一定儲能作用。
關鍵詞：地下水源熱泵；水溫；數(shù)值模擬；儲能
中圖分類號：TV213.4；P641.8 文獻標識碼：B 文章編號：1004-7328（2017）01-0051-03
截至2012年，天津市建成的地下水源熱泵系統(tǒng)
共61家，井數(shù)306眼。按照“以灌定采”“采灌平衡”
的原則，地下水源熱泵系統(tǒng)運行過程中的采水量不
應超過回灌量。筆者采用數(shù)值模擬的方法，分析地
下水源熱泵系統(tǒng)運行對地下水溫度產(chǎn)生的影響。
1 數(shù)值模擬
以天津市塘沽區(qū)河管所地下水源熱泵系統(tǒng)的運
行狀況為例，建立符合實際情況的模型，來模擬研究
區(qū)地下水水流場和溫度場的變化。
1.1 水文地質(zhì)概念模型
根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)情況和鉆孔的測井曲
線，可將地面以下埋深0～295 m的地層概化為15
個水平層，其中含水層7個。同時，可將研究區(qū)的地
下水流系統(tǒng)概化為水平結(jié)構(gòu)、非均質(zhì)各向異性、三維
非穩(wěn)定流承壓含水層系統(tǒng)，如圖1所示。
1.2 數(shù)學模型
在地下水源熱泵系統(tǒng)運行過程中，地下水水流
場和溫度場都發(fā)生變化。要求解研究區(qū)概念模型所
描述的地下水流動和熱運移問題，可先分別建立相
應的地下水流方程和熱運移方程，再通過達西公式
進行聯(lián)立求解。
1.3 模擬軟件
本次研究采用美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開發(fā)的
HST 3D軟件對研究區(qū)進行模擬計算。
1.4 網(wǎng)格剖分
根據(jù)研究區(qū)的抽灌井布置和水位、溫度的影響
范圍，通過試算，最終確定本次模擬計算范圍在平面
上以3#井為中心點向四周各延伸500 m、在垂向上的
圖1 模型分區(qū)概化地層巖性柱狀圖
層位序號底板埋深/m 地層厚度/m 地層巖性地層名稱
第1層
第2層
第3層
第4層
第5層
第6層
第7層
第8層
第9層
第10層
第11層
第12層
第13層
第14層
第15層295.00 30.00
265.00 5.00
260.00 14.00
246.00 7.00
239.00 37.00
202.00 15.00
187.00 20.00
167.00 11.00
156.00 7.00
149.00 18.00
131.00 10.00
121.00 21.00
100.00 26.00
74.00 11.00
63.00 63.00 亞黏土
粉砂
亞黏土
細砂
亞黏土
細砂
亞黏土
粉細砂
亞黏土
細砂
亞黏土
細砂
亞黏土
細砂
亞黏土
海 河 水 利 ·51·
萬方數(shù)據(jù)
2017年2月
模擬范圍為從地表至埋深295 m的地層。模型在xy
平面上為1 000 m×1 000 m區(qū)域，空間上為長方體的
模擬范圍。模型網(wǎng)格剖分的空間效果，如圖2所示，
圖中ab之間的部分代表模擬區(qū)域的含水層。各井
的坐標位置分布情況，如圖3所示。
1.5 定解條件
（1）邊界條件。模擬區(qū)的周邊基本沒有開采地
下水，并且該區(qū)承壓含水層地下水的水力坡度很小，
地下水流動非常緩慢，可以近似忽略，據(jù)此可將模型
的四周邊界概化為定水頭、定溫度邊界；模型區(qū)域的
地表為水泥地，降水通過地下排水系統(tǒng)排走，降水入
滲補給可以忽略不計，因此可將頂部邊界概化為隔
水、定溫邊界；含水層底部為厚度較大的亞黏土層，
因此可將底部作為隔水、定溫邊界。
（2）初始條件。根據(jù)研究項目配套設備監(jiān)測的
水位和溫度數(shù)據(jù)，在2009年11月之前，模擬區(qū)域的
地下水水流場和溫度場基本處于天然平衡狀態(tài)。模
型的初始地下水位根據(jù)監(jiān)測資料的實際數(shù)據(jù)給出。
模型的初始溫度場則根據(jù)研究區(qū)內(nèi)成井之后測量的
井水溫度計算平均地溫梯度值，再推算不同深度的
地層溫度。進而，研究區(qū)按照上述方法建立溫度模
型。模型的初始溫度場，如圖4所示。
（3）模擬時間。本次模擬選取冬季供暖期為模
擬時間段，模型運行的起始時間為2009 年11 月1
日，終止時間為2010年4月1日，總計151 d。
（4）抽灌井的水量和水溫。根據(jù)設備監(jiān)測的流
量數(shù)據(jù)，模擬期間的抽水井水量基本穩(wěn)定在40 m3/h；
水源熱泵系統(tǒng)的回灌井運行情況良好，僅有幾次回
揚，因此本次模擬研究可將回灌水量視為抽水井的
出水量。
根據(jù)項目配套監(jiān)測設備測量的溫度數(shù)據(jù)和水源
熱泵機組出口水溫的記錄數(shù)據(jù)，抽水井的出水溫度
在模擬期間基本不變，水溫大致穩(wěn)定在16.2 ℃；回灌
井的水溫變化范圍較大，水溫取平均值13.1℃。
（5）模型參數(shù)分區(qū)。本次研究模擬的范圍為
1 000 m×1 000 m×295 m，按照建立的概念模型將研
究區(qū)的地層劃分為15層，地層巖性在垂向上以砂層
和亞黏土層交替變化。由于模擬范圍較小，在平面
上可以近似將各個地層看作均質(zhì)水平延伸，因此模
型參數(shù)分區(qū)按照地層巖性的垂向變化分為15個參
數(shù)區(qū)。
（6）模型的識別與驗證。根據(jù)以上模型參數(shù)校
正步驟，基于4#觀測井的觀測數(shù)據(jù)進行擬合，最終得
出模型參數(shù)。地下水相關參數(shù)按20 ℃時的值選取：
比熱容4 182 J/（kg·℃），熱導率為0.6 W/（m·℃），熱
膨脹系數(shù)為2.0×10-4 ℃-1，黏滯系數(shù)為0.001 Pa·s。
根據(jù)上述模型識別校正的最終結(jié)果曲線表明，
計算值與觀測值的擬合效果較為理想，溫度計算值
和觀測值的誤差在0.1～0.5 ℃。其中，誤差在0.1～
0.3 ℃的擬合點占60％，誤差在0.4～0.5 ℃的擬合點
占40％。從圖5可以看出，溫度計算值曲線與觀測
值曲線的動態(tài)變化趨勢基本一致。由此可見，模型
比較符合地溫場變化的實際情況，可以用來預測研
究區(qū)未來的地溫場變化趨勢。
圖2 模型空間網(wǎng)格剖分圖（xy 與z的比例尺不同）
圖3 模型井坐標位置分布
戈建民，王亞彬：地下水源熱泵系統(tǒng)建設與運行對地下水溫度影響分析
3#
1#
4#
2#
（500，500）
（540，491）
（530，474）
（501，480）
Z
X Y
T
19
18
17
16
15
14
圖4 模型初始溫度場
圖5 4#觀測井溫度動態(tài)擬合曲線
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 時間/d
1178 1156 1134 1112 10
溫度/℃
計算值
觀測值
a
b
a
b
·52·
萬方數(shù)據(jù)
2017.No.1
2 溫度場變化預測
項目進行地溫場數(shù)值模擬研究的目的是利用已
校正的模型對研究區(qū)未來的地溫場變化情況進行預
測。預測的起始時間為2009年11月1日，終止時間
為2014年11月1日，為期5 a。在當年11月至來年4
月的冬季供暖期，3#井作為抽水井使用，2#井作為回
灌井使用，地下水的抽灌量為960 m3/d，回灌水的溫
度為13.1 ℃；在6—10月的夏季制冷期，2#井作為抽
水井使用，3#井作為回灌井使用，地下水的抽灌量為
960 m3/d，回灌水的溫度為22.4 ℃。
按照編制的方案進行采灌，則在未來的5 a的運
行過程中（2009 年11月1日至2014年11月1日），
2、3、4#井的溫度變化曲線如圖6—8所示。3#井的溫度
變化幅度較大，溫度變化范圍在15.2～22.3 ℃，在夏季
回灌熱水后溫度明顯升高，在冬季抽水供暖時溫度便
逐漸下降。2#井在冬季供暖期溫度較低，主要受到低
溫回灌水的影響，溫度變化范圍在13.2～16.1 ℃。
4#井由于距離3#井較遠，距離2#井較近，因此主要受
冬季低溫回灌水的影響，溫度在13.3～16.2 ℃。
圖9為第5年制冷期末的地溫場剖面等值線圖，
圖10為埋深145 m的細砂層第5年制冷期末的地溫
場平面等值線圖。
3 結(jié)論
（1）地下水源熱泵系統(tǒng)地下水采灌對地下水溫
度場的影響不會超過對地下水水流場的影響范圍。
（2）地下水采灌在短期內(nèi)對地下水溫度變化有
一定影響，供暖期有所下降，制冷期有所上升，溫度
變化為3～7 ℃，長期影響不大。
（3）天津地區(qū)地下水源熱泵采灌系統(tǒng)對井冬夏
互為采灌，形成相對冷熱水體，反季節(jié)使用具有一定
儲能作用，可以節(jié)能環(huán)保。
參考文獻
[1] 天津市水文水資源管理中心.井水源熱泵技術應用后評價
報告[R].天津：天津市水文水資源管理中心，2008.
[2] 天津市地質(zhì)調(diào)查研究院.天津市地下水可持續(xù)利用調(diào)查評
價成果報告[R].天津：天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，2011.
[3] 天津市塘沽區(qū)水資源管理中心.天津市塘沽區(qū)水源熱泵系
統(tǒng)回灌儲能工程研究報告[R].天津：天津市水文水資源管
理中心，2011.
[4] 薛禹群.地下水動力學[M].北京：地質(zhì)出版社，2003.
[5] 上海市水文地質(zhì)大隊地下水人工回灌編寫組.地下水人工回灌[R].
上海：上海市水文地質(zhì)大隊地下水人工回灌編寫組，1977.
海河水利
圖9 第5年制冷期末（2014 年9 月31 日）地溫場剖面等值線
460 480 500 520 540 560 580 600
0
-60
-120
-180
-240
Y X
3# 2# 4#
Z
圖6 3#井溫度變化范圍曲線
圖7 2#井溫度變化范圍曲線
圖8 4#井溫度變化范圍曲線
20
18
16
14
12
10
溫度/℃
2009年11月1日
2010年1月1日
2010年3月1日
2010年5月1日
2010年11月1日
2011年3月1日
2011年5月1日
2011年7月1日
2011年11月1日
2012年1月1日
2012年3月1日
2012年5月1日
2012年11月1日
2013年1月1日
2013年3月1日
2013年5月1日
2013年11月1日
2014年1月1日
2014年3月1日
2014年5月1日
2010年7月1日
2010年9月1日
2011年1月1日
2011年9月1日
2012年7月1日
2012年9月1日
2013年7月1日
2013年9月1日
2014年7月1日
2014年9月1日
時間/（年/月/日）
溫度/℃
時間/（年/月/日）
2224 1208 1146 1102
2009年12月1日
2010年3月1日
2010年6月1日
2010年9月1日
2010年12月1日
2011年3月1日
2011年6月1日
2011年9月1日
2011年12月1日
2012年3月1日
2012年6月1日
2012年9月1日
2012年12月1日
2013年3月1日
2013年6月1日
2013年9月1日
2013年12月1日
2014年3月1日
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溫度/℃
18
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2009年12月1日
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2014年3月1日
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時間/（年/月/日）
圖10 第5年制冷期末（2014年9月31日）地溫場平面等值線
580
560
540
520
500
480
460
440
420
420 440 460 480 500 520 540 560 580
420 440 460 480 500 520 540 560 580
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560
540
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