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地下水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行對(duì)地下水溫度影響分析

文檔作者：戈建民1，王亞彬2 文檔來(lái)源： 1.天津市水文水資源勘測(cè)管理中心 2.天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月03日
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2017.No.1
收稿日期：2016—11—10
作者簡(jiǎn)介：戈建民（1969—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事水文學(xué)
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(shè)
與運(yùn)行對(duì)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(cè)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(duì)局部區(qū)域地下水溫度變化有一定影
響，長(zhǎng)期影響不大。系統(tǒng)對(duì)井冬夏互為采灌，形成相對(duì)冷熱水體，反季節(jié)使用具有一定儲(chǔ)能作用。
關(guān)鍵詞：地下水源熱泵；水溫；數(shù)值模擬；儲(chǔ)能
中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4；P641.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：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?dāng)?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(yùn)行過(guò)程中的采水量不
應(yīng)超過(guò)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(yùn)行對(duì)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(yùn)
行狀況為例，建立符合實(shí)際情況的模型，來(lái)模擬研究
區(qū)地下水水流場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(cè)井曲
線，可將地面以下埋深0～295 m的地層概化為15
個(gè)水平層，其中含水層7個(gè)。同時(shí)，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(xué)模型
在地下水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，地下水水流
場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(dòng)和熱運(yùn)移問(wèn)題，可先分別建立相
應(yīng)的地下水流方程和熱運(yùn)移方程，再通過(guò)達(dá)西公式
進(jìn)行聯(lián)立求解。
1.3 模擬軟件
本次研究采用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）開(kāi)發(fā)的
HST 3D軟件對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模擬計(jì)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(guò)試算，最終確定本次模擬計(jì)算范圍在平面
上以3#井為中心點(diǎn)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(hào)底板埋深/m 地層厚度/m 地層巖性地層名稱(chēng)
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(xì)砂
亞黏土
細(xì)砂
亞黏土
粉細(xì)砂
亞黏土
細(xì)砂
亞黏土
細(xì)砂
亞黏土
細(xì)砂
亞黏土
海 河 水 利 ·51·
萬(wàn)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(zhǎng)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(biāo)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(méi)有開(kāi)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(dòng)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(guò)地下排水系統(tǒng)排走，降水入
滲補(bǔ)給可以忽略不計(jì)，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(xiàng)目配套設(shè)備監(jiān)測(cè)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(chǎng)和溫度場(chǎng)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(cè)資料的實(shí)際數(shù)據(jù)給出。
模型的初始溫度場(chǎng)則根據(jù)研究區(qū)內(nèi)成井之后測(cè)量的
井水溫度計(jì)算平均地溫梯度值，再推算不同深度的
地層溫度。進(jìn)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(chǎng)，如圖4所示。
（3）模擬時(shí)間。本次模擬選取冬季供暖期為模
擬時(shí)間段，模型運(yùn)行的起始時(shí)間為2009 年11 月1
日，終止時(shí)間為2010年4月1日，總計(jì)151 d。
（4）抽灌井的水量和水溫。根據(jù)設(shè)備監(jiān)測(cè)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(yùn)行情況良好，僅有幾次回
揚(yáng)，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(xiàng)目配套監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)和水源
熱泵機(jī)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(gè)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(gè)參
數(shù)區(qū)。
（6）模型的識(shí)別與驗(yàn)證。根據(jù)以上模型參數(shù)校
正步驟，基于4#觀測(cè)井的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終得
出模型參數(shù)。地下水相關(guān)參數(shù)按20 ℃時(shí)的值選取：
比熱容4 182 J/（kg·℃），熱導(dǎo)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(shí)別校正的最終結(jié)果曲線表明，
計(jì)算值與觀測(cè)值的擬合效果較為理想，溫度計(jì)算值
和觀測(cè)值的誤差在0.1～0.5 ℃。其中，誤差在0.1～
0.3 ℃的擬合點(diǎn)占60％，誤差在0.4～0.5 ℃的擬合點(diǎn)
占40％。從圖5可以看出，溫度計(jì)算值曲線與觀測(cè)
值曲線的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)基本一致。由此可見(jiàn)，模型
比較符合地溫場(chǎng)變化的實(shí)際情況，可以用來(lái)預(yù)測(cè)研
究區(qū)未來(lái)的地溫場(chǎng)變化趨勢(shì)。
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(biāo)位置分布
戈建民，王亞彬：地下水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行對(duì)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(chǎng)
圖5 4#觀測(cè)井溫度動(dòng)態(tài)擬合曲線
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 時(shí)間/d
1178 1156 1134 1112 10
溫度/℃
計(jì)算值
觀測(cè)值
a
b
a
b
·52·
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2017.No.1
2 溫度場(chǎng)變化預(yù)測(cè)
項(xiàng)目進(jìn)行地溫場(chǎng)數(shù)值模擬研究的目的是利用已
校正的模型對(duì)研究區(qū)未來(lái)的地溫場(chǎng)變化情況進(jìn)行預(yù)
測(cè)。預(yù)測(cè)的起始時(shí)間為2009年11月1日，終止時(shí)間
為2014年11月1日，為期5 a。在當(dāng)年11月至來(lái)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(jìn)行采灌，則在未來(lái)的5 a的運(yùn)
行過(guò)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(shí)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(yuǎn)，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(chǎng)剖面等值線圖，
圖10為埋深145 m的細(xì)砂層第5年制冷期末的地溫
場(chǎng)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(duì)地下水溫
度場(chǎng)的影響不會(huì)超過(guò)對(duì)地下水水流場(chǎng)的影響范圍。
（2）地下水采灌在短期內(nèi)對(duì)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(zhǎng)期影響不大。
（3）天津地區(qū)地下水源熱泵采灌系統(tǒng)對(duì)井冬夏
互為采灌，形成相對(duì)冷熱水體，反季節(jié)使用具有一定
儲(chǔ)能作用，可以節(jié)能環(huán)保。
參考文獻(xiàn)
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上海：上海市水文地質(zhì)大隊(duì)地下水人工回灌編寫(xiě)組，1977.
海河水利
圖9 第5年制冷期末（2014 年9 月31 日）地溫場(chǎng)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(shí)間/（年/月/日）
溫度/℃
時(shí)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
2014年6月1日
2014年9月1日
溫度/℃
18
16
14
12
10
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
2014年6月1日
2014年9月1日
時(shí)間/（年/月/日）
圖10 第5年制冷期末（2014年9月31日）地溫場(chǎng)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
580
560
540
520
500
480
460
440
420

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