地源熱泵井群取水最不利降深的一種計(jì)算方法實(shí)例研究

祁 源

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040)

1 項(xiàng)目情況介紹

該項(xiàng)目位于湖北省仙桃市，為響應(yīng)國家關(guān)于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的號(hào)召，建設(shè)單位充分利用當(dāng)?shù)刎S富的地下水資源和淺層地?zé)豳Y源，設(shè)計(jì)了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，采用3臺(tái)SPRING-WM-360B-1型機(jī)組的方案，制熱輸入功率249 kW，機(jī)組按每天運(yùn)行10 h，冬季運(yùn)行90 d計(jì)算。冬季作為低位熱源，3臺(tái)機(jī)組滿載率按100%運(yùn)行時(shí)，3臺(tái)機(jī)組同時(shí)開啟時(shí)冬季共需地下水300 m3/h，3臺(tái)機(jī)組滿載率按70%運(yùn)行時(shí)，3臺(tái)機(jī)組同時(shí)開啟時(shí)冬季共需地下水210 m3/h。

建設(shè)單位建設(shè)了6眼取水井，12眼回灌井，根據(jù)回灌試驗(yàn)結(jié)果，在一抽一灌時(shí)，無壓回灌條件下回灌率達(dá)到100%。取水井每井取水量50 m3/h，小時(shí)最大取水量300 m3，日最大取水量為3000 m3，年取水量為27萬m3。對(duì)地下水的利用采用封閉循環(huán)方式，當(dāng)?shù)叵滤畯墓┧〕龊?，進(jìn)入空調(diào)主機(jī)(或板式換熱器)進(jìn)行熱交換后全部密閉回灌到同一含水層，不對(duì)地下水資源造成浪費(fèi)和污染。

項(xiàng)目場(chǎng)地屬河流一級(jí)階地，擬建場(chǎng)地地層具有典型的河流沖積一級(jí)階地的二元結(jié)構(gòu)，顆粒粒徑由上至下由細(xì)變粗，上部20 m范圍內(nèi)為一般黏性土層，力學(xué)性質(zhì)較差；下部砂土層密實(shí)度較好，力學(xué)性質(zhì)較好，工程性質(zhì)較好?！吧蠈訙辟x存于地表(1)素填土層中，主要接受大氣降水和地表散水垂直下滲的補(bǔ)給，無統(tǒng)一自由水面，水位及水量隨季節(jié)性大氣降水及周邊生活用水排放的影響而波動(dòng)?！翱紫冻袎核辟x存于場(chǎng)地(3)單元過渡層和(4)單元層砂層中，含水量豐富且與附近河流有較密切的水力聯(lián)系，其水位變化幅度受河流水位漲落影響。勘察期間實(shí)測(cè)K18、K55、K81承壓水頭分別為6.2 m(相當(dāng)于標(biāo)高20.45 m)、6.5 m(相當(dāng)于標(biāo)高19.42 m)、6.8 m(相當(dāng)于標(biāo)高19.03 m)；靜止水位在地面下2.90 ～ 3.90 m(相當(dāng)于標(biāo)高22.02 ～ 23.85 m)之間。抽水試驗(yàn)時(shí)承壓含水層靜止水位埋深為6.61 m。

結(jié)合本區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值及水文地質(zhì)勘察報(bào)告成果，從最不利情況下可能產(chǎn)生地下水位下降和對(duì)周邊建筑物的影響角度出發(fā)，綜合確定本次計(jì)算所用滲透系數(shù)為8.16 m/d，影響半徑穩(wěn)定后的最大值為552 m。

2 井群干擾取水降深計(jì)算

當(dāng)井群中任意兩取水井之間的距離小于兩井影響半徑之和時(shí)，將產(chǎn)生相互干擾現(xiàn)象，若要保持各井的出水量不變，必然會(huì)加大抽水降深。井群干擾取水時(shí)產(chǎn)生的降深可疊加計(jì)算[1]：

(1)

式(1)中：Sd為某點(diǎn)井群干擾情況下降深，m；Ri該點(diǎn)距i井中心距離m；其它符號(hào)意義同前；n為同時(shí)抽水的抽水井眼數(shù)。由于該公式是線性疊加，因此，對(duì)任意一點(diǎn)，影響半徑內(nèi)的抽水井?dāng)?shù)目越多，產(chǎn)生的降深越大，本建設(shè)項(xiàng)目最多同時(shí)有6眼井取水。

由單井抽水的降落漏斗曲線可知，井位中心的降深最大[2]，隨著距離的逐漸增大，降深快速減小，距井位中心60 m處的降深僅為井位中心的26.67%，可見最大降深點(diǎn)及易出現(xiàn)在井位中心處。隨機(jī)取井群影響范圍內(nèi)的5萬個(gè)隨機(jī)點(diǎn)，加上16個(gè)井位點(diǎn)，計(jì)算50018個(gè)點(diǎn)的最大降深，并以50018個(gè)點(diǎn)最大降深的最大值作為抽水井任意組合下的最大降深[3]。結(jié)果見表1。

由表1可知，最大降深為25.216 m，出現(xiàn)在2號(hào)井位處，最不利井位組合為2、1、3、4、5、6井同時(shí)抽水。上述6眼井同時(shí)抽水條件下，建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)的水位降深情況見圖1～2。

表1 各點(diǎn)最大降深及相應(yīng)井群組合

圖1 最不利組合下降深等值線(單位:m)

圖2 最不利井位組合下地下水位網(wǎng)格(單位：m)

經(jīng)分析計(jì)算，當(dāng)前井?dāng)?shù)和井位下，最不利的6眼井共同抽水時(shí)，其產(chǎn)生的地下水位降深為25.21622 m。

3 結(jié)論

通過以上展示的計(jì)算方法，可以獲得一種地源熱泵井群取水最不利降深的計(jì)算方法，通過明確最不利降深，可以幫助建設(shè)單位定制更有保障的應(yīng)急預(yù)案，確定回灌水量及回灌水泵的參數(shù)，同時(shí)可以為地面沉降的計(jì)算提供數(shù)據(jù)參考。