朱常春，劉佩貴，周 蜜

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥，230009)

淺層地溫能，現(xiàn)已成為國內(nèi)外節(jié)能減排的重要替代能源之一，具有廣闊的開發(fā)利用前景。就現(xiàn)狀而言，國內(nèi)外對地下水中地溫能應用與理論研究，多集中于富水性強、滲透性好、溫度較穩(wěn)定的含水層，而對儲能條件稍差的淺、薄含水層熱運移規(guī)律的研究較少，其應用價值未得到應有重視，理論研究基本處于起步階段[1，5]。對于地下水運動比較活躍的熱泵采能區(qū)域，熱對流傳熱方式對熱泵采能區(qū)域的溫度場演化起主導作用，由Darcy定律解釋得，孔隙度和滲透率是表征含水層導水和儲水性能的最主要的水文地質(zhì)參數(shù)，地下水在含水層介質(zhì)孔隙中滲透時，由于滲透阻力的作用，沿程必然伴隨著能量的損失，因此地下水滲流情況是影響含水層地溫能動態(tài)變化的關鍵因素[3，4，6]。為此，基于丘陵區(qū)河流一級階地區(qū)域內(nèi)淺、薄含水層中地下水作為水源的熱泵系統(tǒng)，建立數(shù)值模型模擬淺層地下水水熱運移，分析水文地質(zhì)參數(shù)對淺層地下水溫度場的影響[2]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)河谷平原分布于青弋江及其支流中、下游地區(qū)，一般寬1 km，涇縣城一帶平達5km左右，地貌組合包括河漫灘和河流低階地，組成物下部為礫石層，上部為亞砂土、亞粘土。屬于北亞熱帶、副熱帶季風濕潤性氣候。年平均溫度15.6℃，多年平均降雨量 1 550.5 mm，多年平均水面蒸發(fā)量749.5 mm。

研究區(qū)所在地段位于青弋江出山口的相對開闊的一級階地上，該地段發(fā)育有厚度為10～20 m的松散堆積物，松散堆積物下部的砂礫層，厚度5～8 m、埋深1～10 m，屬典型的淺薄含水層，地層剖面上呈典型的二元結構。區(qū)域含水層滲透能力較強、富水性較好，單井涌水量300～500 m3/d。

研究區(qū)內(nèi)排泄方式主要有潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流排泄，承壓水排泄方式主要向河流補給。地下水補給來源主要來自大氣降水，區(qū)內(nèi)地形較平坦、溝渠與河道縱橫，入滲補給條件就比較好，水位埋深也較淺，一般在0.5～1.5 m左右、潛水年變幅1～3 m。

2 數(shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)地層自上而下分為:第一層為粉質(zhì)粘土夾粉土層，分布深度為 0～6.0 m;第二層為砂礫石層，分布深度為6.0 ～16.0 m，厚度約為 10.0 m;第三層為紫色泥巖，分布深度為16.0～129.0 m，第一層為由素填土、粘土層組成的弱透水層組分部深度為0～6 m;第二層為由砂礫石組成的更新統(tǒng)(Q1-2)含水層組，分布深度為6～16 m;第三層為上第三系安慶組(N2a)，分布深度為16～129 m，該層雖局部膠結不十分緊密，總體富水性差，可視為隔水層組。研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

2.2 水熱運移數(shù)學模型

忽略流體和多孔介質(zhì)之間熱平衡所需時間，即假設多孔介質(zhì)和周邊流體溫度相同;忽略熱輻射作用、化學反應效應及粘滯引起的熱耗散;忽略流體和多孔介質(zhì)的水文地質(zhì)參數(shù)和熱物性參數(shù)等物理性參數(shù)隨溫度、流體濃度變化得到三維均勻介質(zhì)在非等溫條件下的地下水水熱運移耦合數(shù)學模型:

式中:Φ0為狄利克雷邊界條件上的恒定溫度值;Q0為諾依曼邊界條件上的定單寬熱通量;Q為源匯項。

水-熱運移模擬中，含水層主要參數(shù)有:有效孔隙度、滲透率、含水層的厚度、熱彌散度和比熱容等?？紫抖?、滲透率和含水層厚度是表征含水層導水和儲水性能的最主要的水文地質(zhì)參數(shù)。

圖1 水文地質(zhì)剖面示意圖

依據(jù)模擬區(qū)邊界形狀和水文地質(zhì)條件，得到溫度邊界條件和穩(wěn)定的壓強，將模擬區(qū)下部邊界設定為隔水定溫度邊界;其中，底部邊界為給定的溫度邊界處理，依據(jù)巖性溫度取18.5℃;研究區(qū)模型的東北、西南兩側(cè)邊界設為給定水頭邊界，水頭值由水力梯度線性插值得到;由給定枯水年的月平均水位計算得到;與青弋江相對的東山為含水層尖滅帶，為零通量邊界，即隔水隔溫邊界。

天然狀態(tài)下地下水初始水位分布以涇縣年平均水位為參考，模擬區(qū)的初始水位埋深取4.50 m，設定模擬區(qū)的初始流場和溫度場，模擬區(qū)的初始壓力分布按邊界上的壓力值通過插值計算給定(見圖2、圖3)。

圖2 平面網(wǎng)格剖分示意圖

圖3 垂向網(wǎng)格剖分示意圖

弱透水層的滲透系數(shù)可以根據(jù)滲水試驗結果取得;目標含水層滲透系數(shù)及各層巖層介質(zhì)熱物理參數(shù)見表1。

如果模擬只考慮含水層有效孔隙度的影響分析時，以研究區(qū)含水層介質(zhì)作為研究對象，其有效孔隙度的經(jīng)驗值為0.15～0.35之間，其中淺層含水層厚度不變，水的比熱容取值為4 180 J/kg℃，水的密度為1 000 kg/m3;弱透水層為粉質(zhì)粘土層，介質(zhì)骨架比熱容為 1 000 J/kg℃，密度為 1 800 kg/m3，有效孔隙度模擬分別賦值 0.15、0.25、0.35。

表1 各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)表

3 水文地質(zhì)參數(shù)對淺層含水層地溫能影響分析

在“十二五”規(guī)劃中曾提出不斷促進第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構，提高第三產(chǎn)業(yè)比重的期許，而不斷促進第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有利于促進我國經(jīng)濟的發(fā)展，對于實現(xiàn)我國的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。擴大增值稅征收范圍對于不斷促進我國產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化具有重要的意義，也符合經(jīng)濟發(fā)展的規(guī)律。

如圖4，水源熱泵系統(tǒng)在一個循環(huán)周期運行內(nèi)其它水文地質(zhì)參數(shù)相同，不同有效孔隙度下(有效孔隙度分別為0.15、0.25、0.35)抽水井段含水層溫度隨著時間變化曲線關系圖。一年循環(huán)周期內(nèi)不同孔隙度的變化對抽水井溫度產(chǎn)生的影響有較為明顯差異，其最大溫度差值約為1.4℃。

3.1 含水層孔隙度的影響

酚酞變色范圍是pH 8.2～10.0。當pH＞8.2時為紅色的醌式結構，酚酞的醌式或醌式酸鹽，在堿性介質(zhì)中很不穩(wěn)定，它會慢慢地轉(zhuǎn)化成無色羧酸鹽式。酚酞試劑滴入濃堿液時，酚酞開始變紅，很快紅色退去變成無色，當遇到氫離子后即變回紅色[2]，在pH＜8.2的溶液里為無色的內(nèi)酯式結構。通過溶液中酚酞顏色突變時計算機顯示溶液的pH了解中和反應接近完成。

截至10月21日，本季美豆優(yōu)良率穩(wěn)定在66%，略高于去年同期61%。此前美豆主產(chǎn)區(qū)天氣潮濕，導致收割進度緩慢，截至11月18日當周美豆收割率為91%，低于五年同期均值96%。未來短期內(nèi)美豆主產(chǎn)區(qū)潮濕天氣情況未有好轉(zhuǎn)，但由于本季收割已接近尾聲，預計不會對收割進度造成重大影響。

單位體積含水層等效比熱容計算公式為:，得到單位體積等效比熱容如表2;其中:分別為含水層介質(zhì)有效孔隙度、密度(kg/m3)、比熱容(J/kg℃);分別為水的密度(kg/m3)、比熱容(J/kg℃)。

表2 不同有效孔隙度條件下的等效比熱容

省人大常委會黨組和機關黨組歷來十分重視機關文化建設和干部職工的身心健康。按照于曉明副主任“要圍繞創(chuàng)建全國文明單位，積極開展豐富多彩的文化體育活動”的要求，省人大機關舉辦了以“我運動、我健康、我快樂”為主題的運動會。運動會設置了拔河、托球接力跑等兩個集體比賽項目和搭橋過河、自行車慢騎、趣味投籃等8個個人項目，突出了參與性、趣味性和團隊協(xié)作，比賽現(xiàn)場氣氛熱烈而活躍，展示了機關干部職工奮發(fā)有為、健康向上的精神風貌。最后進行的拔河比賽由機關25個工會小組組成的8個隊參加，各隊勢均力敵、爭奪激烈，把運動會的氣氛推向了高潮，使這次運動會成為了一次歡樂、精彩、難忘的運動會。

圖4 不同有效孔隙度抽水井溫度隨時間的變化曲線圖

熱傳導和熱對流是含水層中熱運移中主要的兩種方式，且同時存在，表現(xiàn)為地下水流場與溫度場的耦合。當?shù)叵滤臐B流速度達到一定程度時，熱對流在熱運移中起主要作用，熱傳導的作用基本上可以忽略不計。對于地下水運動比較活躍的熱泵采能區(qū)域，主要考慮的是熱對流作用對區(qū)域地下水溫度場的影響。因此，含水層的孔隙度、滲透率等是影響水-熱運移及水源熱泵運行效率的主要水文地質(zhì)參數(shù)。

由Darcy定律可知，地下水滲流速度 V等于含水層的滲透系數(shù)K與水力坡度J的乘積:

由上表2可知，如果含水層介質(zhì)有效孔隙度越大，其單位體積的等效比熱容也越大，含水層溫度影響就越小。

黃源深版：“難道就因為我一貧如洗、默默無聞、長相平庸、個子瘦小，就沒有靈魂，沒有心腸了？——你不是想錯了嗎？——我的心靈跟你一樣豐富，我的心胸跟你一樣充實！……我不是根據(jù)習俗、常規(guī)，甚至也不是血肉之軀同你說話，而是我的靈魂同你的靈魂在對話，就仿佛我們兩人穿過墳墓，站在上帝腳下，彼此平等——本來就是如此！”

上式中:J為水力坡度;△h為過水斷面的水頭差(m)，本例為水源熱泵抽水-回灌系統(tǒng)中抽、灌段之間的水頭差;L為過水斷面之間的距離(m)，本例為水源熱泵系統(tǒng)中為抽水井段中心與回灌井段中心之間的等效距離;K是滲透系數(shù)(m/s);k是滲透率(m2);ρ是水體的密度(kg/m3);g是重力加速度(m/s2);μ是動力粘滯系數(shù)(kg/ms)。

在模擬有效孔隙度不同值情況下，抽水-回灌井的水頭變化一致，而上式中其它參數(shù)不會隨著有效孔隙度變化而發(fā)生變化，含水層溫度變化主要為熱對流的影響，因此淺層含水層回灌井段地下水溫度和流速影響著抽水井段溫度，如果不受回灌井影響，抽水井段的含水層地溫能動態(tài)變化情況也會受含水層有效孔隙度值的變化而影響。

3.2 含水層滲透系數(shù)的影響

地下水流動中，垂直方向的滲透系數(shù)要小于水平方向的滲透系數(shù)。本次選擇的是不同滲透性含水層介質(zhì)對含水層地溫能動態(tài)變化進行模擬分析，首先含水層介質(zhì)孔隙度不變，孔隙度賦值為0.35，按照含水層介質(zhì)滲透系數(shù)的經(jīng)驗值，選取中細砂、粗砂和礫石3種介質(zhì)進行模擬分析;其它水文地質(zhì)參數(shù)選取見表3。

新一代海洋氣象業(yè)務平臺涉及的原始資料包括數(shù)據(jù)庫、共享文件、FTP、Web頁面等多種形式。數(shù)據(jù)庫資料存儲于省臺SQL數(shù)據(jù)庫服務器中,部分格點數(shù)據(jù)以文件形式分散存于多個存儲服務器中。為便于上層調(diào)用,采用數(shù)據(jù)庫中間件的方式,集中管理分散的數(shù)據(jù)來源,并采用GIS數(shù)據(jù)接入服務平臺統(tǒng)一管理,滿足精細化產(chǎn)品多種顯示方式的需求,以WebService方式供前臺調(diào)用,滿足跨平臺需求。

表3 含水層為不同巖性時水文地質(zhì)參數(shù)表

淺層含水層采能系統(tǒng)，地下水源熱泵抽水-回灌井濾管位置相同情況下進行模擬的。研究區(qū)目標含水層富水性、導水性好，含水層滲透系數(shù)較大;圖5可以得出，含水層滲透系數(shù)賦值不同情況下含水層溫度動態(tài)差異有較明顯的變化，其最大溫度差值約為1.3℃，如果滲透系數(shù)減小，則溫度的變化幅度增大。

在城市化不斷深入和經(jīng)濟不斷發(fā)展的過程中，鄉(xiāng)愁是一種人們在物質(zhì)生活得到極大滿足后產(chǎn)生的文化和精神層面的需求和情感，是一種對遠離城市生活中的家鄉(xiāng)、過去時間片段的回憶和思念[15]，這是推動鄉(xiāng)村旅游可持續(xù)發(fā)展的根本動力，在滿足人類親近自然最本質(zhì)的需求上同時發(fā)揮了休閑功能，緩解城市人對長期或短期生活和工作的地域產(chǎn)生倦怠和麻木的感覺：這正是鄉(xiāng)村旅游在歷經(jīng)一世紀的發(fā)展中長盛不衰的魅力所在。

圖5 不同滲透系數(shù)抽水井溫度隨時間變化曲線

由Darcy定律可知，重力加速度g值為常量，L為定值，當含水層的溫度變化較小時，的變化影響較小可以忽略不計，因而地下水的滲透速率V主要取決于滲透率和抽水段與回灌段之間水頭差的乘積。滲透速率V大，抽水井附近溫度受回灌井水的影響，溫度的變幅就增大，如圖6、圖7分別為粗砂和細砂介質(zhì)下制冷期4個月末流場圖。

圖6 粗砂條件下制冷期末流場圖

圖7 細砂條件下制冷期末流場圖

含水層有效孔隙度和滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)對抽水段含水層溫度影響較小，其主要原因是熱對流對含水層溫度的變化起主導影響作用，因此淺層含水層抽水-回灌井群的回灌水溫度和流速影響抽水井溫度變化。

4 結語

通過概化水文地質(zhì)概念模型，建立地下水水-熱運移數(shù)值模擬模型，分析水文地質(zhì)參數(shù)對溫度場的影響規(guī)律。隨著孔隙度和滲透系數(shù)的增加，制冷期地溫場溫度變幅有所降低，供暖期地溫場變幅有所增加。溫度變幅較為明顯。因此在實際工程中，孔隙度和滲透系數(shù)對地溫能的影響不可忽略?？紫抖群蜐B透系數(shù)越小的含水層，其在單位時間內(nèi)提取的地下水就越少，且地下水水位下降越明顯。因此，在相同的條件下盡量選取孔隙度和滲透系數(shù)較大的含水層。

[1]韓再生.淺層地熱能的屬性和利用[C].中國資源綜合利用協(xié)會地溫資源綜合利用專業(yè)委員會.地溫資源與地源熱泵技術應用論文集.第二集.北京:地質(zhì)出版社.2008:27-31.

[2]Pruess，K，C.Oldenburg and G.Moridis.TOUGH2 Users Guide Version2.0[M].Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBNL243134 ，Berkeley，CA，November 1999.

[3]趙輝.地下水源熱泵工程對淺部地溫場的影響研究.遼寧工程技術大學.2006.

[4]叢曉春，楊文斐.井水源熱泵水 -熱運移特性的模擬研究[A].2007年山東省制冷空調(diào)學術年會文集[C].濟南.2007:130-133.

[5]汪佳，陶月贊，姚梅.水源熱泵系統(tǒng)對地下水流系統(tǒng)的影響評價[J].地下水.2009，31(4):42-45.

[6]馬捷.地下含水層儲能原理及其工程應用[M].上海:上海交通大學出版社.2007:36-47.