渗滤取水应用于水源热泵开发的模拟分析及适用性评价——以白石水库工程为例

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本文依托科研项目“辽宁省北票市(白石水库)渗滤取水关键技术问题专题研究”,开展工程区水文地质研究,构建水文地质概念模型,通过野外试验测试确定含水层水文地质参数,并利用FEFLOW(三维数值模拟软件)建立北票白石水库渗滤取水工程渗流场及温度场模型,进行工程取水时工程区渗流场及温度场的分布状态及变化特点的模拟分析。在此基础上以北票白石水库渗滤取水工程为例建立将渗滤取水工程应用于地下水源热泵开发适用性评价体系,并对北票白石水库渗滤取水工程现状工程取水量可利用浅层地热能资源进行评价,分析基于渗滤取水工程的地下水源热泵与传统水源热泵的特征对比,为未来将渗滤取水技术应用于地下水源热泵开发提供理论依据,既填补了渗滤取水技术渗流换热方向的理论空白,又具有工程开发的经济实用价值。  本研究主要内容包括:⑴根据工程区区域地质环境、水文地质特征研究,建立北票白石水库渗滤取水工程含水层的水文地质结构,其中河床淤泥层为河水进入含水层的相对隔水层,中粗砂层及砂卵砾石层为工程取水的主要目的含水层,侏罗系北票组弱风化、未风化基岩为相对隔水层。⑵依据工程区含水层水文地质结构特征分析,建立了工程区三维水文地质概念模型,并进行了渗滤取水工程未运行前天然状态下含水层渗流场及温度场模拟分析。⑶工程取水时地下水渗流三维数值模拟结果显示:工程取水时会以集水井及取水硐室为中心形成水位降落漏斗,同时在取水量保持不变时,含水层水位变化与白石水库水位变化呈现正相关关系。⑷考虑地下廊道对周围含水层温度场影响模拟分析结果显示:廊道地下水温的变化对周围含水层温度场的影响局限在一定的范围内,不会对含水层温度场分布的整体形态产生较大的影响。当改变含水层热弥散度时会影响廊道地下水温度对周围含水层温度场的影响范围。⑸考虑工程取水时河水补给地下水对含水层温度场的影响模拟分析显示:当河水温度改变时,受河水温度影响含水层首先是在抽水作用下形成水位降落漏斗的区域,随着时间的推移,影响范围逐渐扩散到整个模型区域,河水温度对含水层温度场的影响,从受影响强烈的水位降落漏斗区域扩散到周围区域需要30~60天的时间。⑹利用层次分析法建立北票白石水库渗滤取水工程应用于地下水源热泵系统开发适用性评价体系,通过考虑地下水赋存条件、地下水动力场及热泵机组运行条件综合评价显示,北票渗滤取水工程对应用于地下水源热泵系统开发具有较高的适用性,适用性综合评价得分为7.033。⑺在工程现状开采量的基础上,将北票渗滤取水工程应用于地下水源热泵系统开发可利用浅层地热能资源量为1006×108kJ/a,可替代常规能源5715.38t/a标准煤。将之与传统水源热泵对比发现,基于渗滤取水技术的地下水源热泵具有单井换热功率高、取水水温品质好、取水水质优、取水对周围环境影响小、取水可二次利用等特点。
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