（天津地?zé)峥辈殚_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院，天津市，300250）蔣學(xué)敏

淺層地?zé)崮茏鳛橐环N清潔的可再生能源，得到廣泛的應(yīng)用。地下水地源熱泵系統(tǒng)是將淺層地?zé)崮懿捎脽岜眉夹g(shù)進(jìn)行采集利用，取得了良好的環(huán)境效益，已得到世界各國(guó)的高度認(rèn)可，已成為節(jié)能減排工程的中堅(jiān)力量[3]。

1 項(xiàng)目概況

天津市某地下水地源熱泵項(xiàng)目始建于1998年，所開(kāi)鑿1#、2#深度分別為210m、209m，開(kāi)采層位為第二含水層，采用“一采一灌”模式開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮?。由于年久失修，濾水管出現(xiàn)堵塞，造成出水量減少，回灌困難。為此，管理部門(mén)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組優(yōu)化、修井改造，恢復(fù)使用后進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。修井后系統(tǒng)運(yùn)行模式為：夏季，2#為開(kāi)采井，1#為回灌井；冬季，1#為開(kāi)采井，2#為回灌井。采灌量見(jiàn)表1[4]。

表1 實(shí)際開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)表

2 數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 模擬范圍

模擬區(qū)以地礦珠寶對(duì)井為中心向外擴(kuò)展，總面積為6.03km2。

2.2 含水層結(jié)構(gòu)概化

模擬區(qū)含水層結(jié)構(gòu)概化為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)含水層。第Ⅰ含水層礦化度較高，無(wú)法開(kāi)發(fā)利用。第Ⅱ含水層為目的層。第Ⅲ、Ⅳ含水層補(bǔ)給條件較差，開(kāi)采較少。

根據(jù)水文地質(zhì)條件，可將模型概化為具有非均質(zhì)、各向同性特點(diǎn)三維地下水穩(wěn)定滲流系統(tǒng)[5]。

2.3 邊界條件概化

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

2.4 模型剖分

模擬區(qū)水平方向剖分成50m×50m的單元格，共計(jì)有效活動(dòng)單元格2978個(gè)；垂向上，模型共分為4層。

2.5 模型參數(shù)

模型參數(shù)有滲透系數(shù)、孔隙度、彈性釋水系數(shù)，各參數(shù)初始賦值見(jiàn)表2。

表2 參數(shù)初始賦值表

2.6 模型補(bǔ)徑排處理

第Ⅰ含水層以大氣降水入滲、側(cè)向徑流形式補(bǔ)給，以蒸發(fā)、越流、人工開(kāi)采方式進(jìn)行排泄；其他含水層補(bǔ)給包括側(cè)向徑流、越流補(bǔ)給，排泄包括越流、人工開(kāi)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(shí)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(jiàn)圖1）。由于目的層為第Ⅱ含水層，因此以下內(nèi)容僅分析及預(yù)測(cè)第Ⅱ含水層地下水流場(chǎng)。

圖1 第Ⅱ含水層初始水位

3.2 模型驗(yàn)證結(jié)果

水文地質(zhì)參數(shù)中滲透系數(shù)的變化對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的影響最大。為了驗(yàn)證擬合精度，將對(duì)井周邊加密剖分成10m×10m的單元格，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)參，確定當(dāng)對(duì)井周邊30m內(nèi)滲透系數(shù)為0.04m/d，其他區(qū)域?yàn)?.53m/d時(shí)（圖2），水位擬合情況較好（圖3）。

圖2 第Ⅱ含水組滲透系數(shù)分區(qū)圖

圖3 1#、2#水位擬合圖

1#為抽水井，2#為回灌井。工作時(shí)間：1#抽水量50m3/h，持續(xù)抽水造成水位下降較快，埋深大于50m，冬季最大埋深可達(dá)59m。2#回灌量為15m3/h，瞬時(shí)水位最高可上升至2.67m。非工作時(shí)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(shí)水位埋深最高可上升至3.5到4.4m?？梢?jiàn)，模擬的水位變化與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水位變化趨勢(shì)一致，能夠反應(yīng)真實(shí)地下水動(dòng)態(tài)情況，可用于地下水流場(chǎng)的預(yù)測(cè)。

4 模型預(yù)測(cè)

4.1 預(yù)測(cè)時(shí)間

模擬期2019年6-9月為制冷期，10-11月為制冷恢復(fù)期，2019年12月-2020年3月為供暖期，2020年4-5月為供暖恢復(fù)期。預(yù)測(cè)2019年7、11月、2020年2、5月第Ⅱ含水組地下水流場(chǎng)的變化，見(jiàn)圖4～7。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行5年后地下水流場(chǎng)發(fā)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(kāi)采強(qiáng)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(fù)至初始水位便進(jìn)入下一個(gè)運(yùn)行周期。除此之外，地下水流向也發(fā)生了較大改變，由最初的西南向東北流動(dòng)變成自周邊向降落漏斗中心方向流動(dòng)。

圖4 2019年7月第Ⅱ含水組地下水流場(chǎng)圖

4.2 預(yù)測(cè)結(jié)果分析

圖5 2019年11月第Ⅱ含水組 地下水流場(chǎng)圖

圖6 2020年2月第Ⅱ含水組地下水流場(chǎng)圖

圖7 2020年5月第Ⅱ含組 地下水流場(chǎng)圖

5 存在問(wèn)題

地下水流場(chǎng)發(fā)生改變，表明該系統(tǒng)現(xiàn)狀運(yùn)行已不能滿足可持續(xù)發(fā)展理念?；毓嗦实停航?jīng)過(guò)修井改造，回灌率僅能達(dá)到30%左右，長(zhǎng)期采灌不平衡，勢(shì)必造成地下水位持續(xù)下降。運(yùn)行模式不完善：系統(tǒng)冬夏參數(shù)設(shè)置不合理，未隨天氣變化進(jìn)行調(diào)控，造成地下水過(guò)度開(kāi)采。

6 結(jié)論

本論文以天津市某地下水地源熱泵項(xiàng)目為例，運(yùn)用Visual Modflow 4.2軟件進(jìn)行數(shù)值模擬、預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示系統(tǒng)運(yùn)行5年后地下水流場(chǎng)發(fā)生了較大改變。因此，今后在地下水地源熱泵項(xiàng)目推廣過(guò)程中，將模型與系統(tǒng)運(yùn)行相結(jié)合，有助于定量評(píng)價(jià)流場(chǎng)隨系統(tǒng)運(yùn)行的變化，并分析存在問(wèn)題，從而為系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

7 建議

為了地下水地源熱泵可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用定期清洗回灌井，防止濾水管堵塞，提高回灌效率。同時(shí)，還應(yīng)定期進(jìn)行回?fù)P，以保證地下水可以得到及時(shí)有效補(bǔ)給。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)采灌井進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)換，優(yōu)化采灌量，以緩解熱泵運(yùn)行造成的地下水流場(chǎng)發(fā)生變化的情況。