沈陽地下水溫特征及對水源熱泵工程應(yīng)用分析

于素蘊 張子豪

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽 110168)

0 引言

地下水源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，其熱源來自于含水層中抽取的地下水［1，2］。近幾年國內(nèi)在水源熱泵對地下水溫度的影響方面也越來越重視，在含水層儲能技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展淺層巖土層(干土、濕土、飽和土層和有滲流的含水層)儲能機理、儲能地質(zhì)條件、應(yīng)用技術(shù)等方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究是比較關(guān)注的［3-11］。

本文主要以沈陽城區(qū)50 個地下水溫監(jiān)測井在不同時段地下水溫的監(jiān)測和13 個水源熱泵工程抽水井和回灌井不同埋深的水溫監(jiān)測，繪制出地下水溫分區(qū)圖和在不同埋深地下水溫變化曲線并且進行了分析，掌握了城區(qū)地下水溫度的分布規(guī)律，了解了區(qū)域內(nèi)含水層地下水溫度場的演化，對如何優(yōu)化井群布局，控制回灌水的溫度以及對指導(dǎo)水源熱泵工程規(guī)劃和建設(shè)都具有一定的意義［12］。

1 沈陽城區(qū)地下水分布特征

1.1 地下水的賦存特征

區(qū)內(nèi)地下水按含水介質(zhì)、形成年代、水力特征和埋藏條件可分為:

1)全新統(tǒng)沖積—沖洪積砂礫石孔隙潛水含水層。

分布于渾河高低河漫灘區(qū)，含水層為砂礫石和砂礫卵石組成，厚度15 m～20 m。地下水位埋深8.0 m～12.0 m。含水層滲透系數(shù)為40.0 m/d～100.0 m/d。補給源以渾河側(cè)向補給、地下徑流補給和降水入滲補給為主。

2)上更新統(tǒng)洪沖積砂礫石孔隙潛水含水層。

分布于渾河一級階地區(qū)，含水層巖性為砂礫石含少土組成。含水層為砂礫石厚度8.0 m～22.0 m。水位埋深16.0 m～17.0 m，滲透系數(shù)為20.0 m/d～40.0 m/d。地下水補給源以地下水側(cè)向徑流為主，降雨入滲補給為輔。

3)下更新統(tǒng)冰水沉積砂礫卵石孔隙微承壓水含水層。

分布于第四系最下部，為半膠結(jié)砂礫、砂卵石混粘土含水層，厚度10.0 m～40.0 m。滲透系數(shù)為5.0 m/d～10.0 m/d。地下水補給源以地下水徑流為主。

1.2 地下水動態(tài)變化的特征

1)地下水動態(tài)影響因素。

區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)變化的主要影響因素有氣象因素、水文因素、人為因素。通過對沈陽市多年氣象資料分析表明，區(qū)內(nèi)枯水期一般在3 月份～4 月份，豐水期在7 月份～9 月份，表現(xiàn)出區(qū)內(nèi)地下水位3 月份～4 月份地下水位較低，7 月份～9 月份地下水位較高。同時由于渾河與地下水存在著密切的水力聯(lián)系，區(qū)內(nèi)河水補給岸邊地下水，其影響寬度一般為500 m～1 000 m。人工開采也是影響沈陽市區(qū)地下水動態(tài)的主要因素。

2)地下水動態(tài)變化規(guī)律分析。

根據(jù)2012年地下水位動態(tài)資料分析，區(qū)內(nèi)4 月份地下水位比較低，其中地下水埋深大于20.0 m 的區(qū)域分布在皇姑區(qū)烈士陵園以北地區(qū);地下水位埋深14.0 m～16.0 m 的區(qū)域分布在皇姑區(qū)和渾南中部地區(qū);地下水位埋深12.0 m～14.0 m 的區(qū)域分布在城區(qū)中部;地下水位埋深10.0 m～12.0 m 的區(qū)域分布在城區(qū)東部和西部地區(qū)以及渾南西部;地下水位埋深8.0 m～10.0 m 的區(qū)域分布在于洪新城地區(qū)。區(qū)內(nèi)9 月份地下水位比較高，其中地下水位埋深大于20.0 m 的區(qū)域分布在皇姑區(qū)烈士陵園以北地區(qū);地下水位埋深16.0 m～18.0 m 的區(qū)域分布在皇姑區(qū);地下水位埋深12.0 m～14.0 m 的區(qū)域分布在城區(qū)中部和渾南地區(qū)中部;地下水位埋深8.0 m～10.0 m 的區(qū)域分布在城區(qū)東部和于洪新城地區(qū)以及渾南地區(qū)東部和西部。

通過對沈陽城區(qū)2012年地下水位年變幅分析可以看出:區(qū)內(nèi)皇姑區(qū)大部分地區(qū)地下水位年變幅為1.5 m～2.0 m;地下水位年變幅大于2.0 m 出現(xiàn)在城區(qū)東部;地下水位年變幅在1.0 m～1.5 m 出現(xiàn)在城區(qū)中部地區(qū)和渾南中部地區(qū);地下水位年變幅小于1.0 m 出現(xiàn)在于洪新城和和平區(qū)長白地區(qū)。

2 地下水溫監(jiān)測及平面分布特征

本文依據(jù)沈陽市城市水資源辦公室地下水動態(tài)長期監(jiān)測資料，選取2012年作為代表年，2012年4 月和9 月作為年內(nèi)的枯水期和豐水期代表月份，根據(jù)沈陽中心城區(qū)50 個地下水溫觀測井的水溫監(jiān)測資料，繪制出地下水溫度分區(qū)圖。

通過對地下水溫分區(qū)可以看出沈陽中心城區(qū)一環(huán)內(nèi)和長白地區(qū)的地下水溫均高于12.0 ℃，中心城區(qū)絕大部分二環(huán)內(nèi)與東部一環(huán)內(nèi)的地下水溫高于12.0 ℃，渾南長白地區(qū)的地下水溫也高于12.0 ℃;而區(qū)內(nèi)二環(huán)至三環(huán)之間的地下水溫低于11.0 ℃。通過對比不同月份地下水溫分布范圍可以看出，9 月份地下水溫高于12.0 ℃的范圍要大于4 月份地下水溫高于12.0 ℃的范圍。分析其原因主要是城市熱島效應(yīng)影響和渾河對地下水的影響。

3 地下水溫垂向監(jiān)測及垂向變化特征

3.1 地下水溫垂向監(jiān)測

為了解地下水溫垂向變化特征，選取沈陽城區(qū)13 個地下水源熱泵工程抽水井和回灌井不同埋深的水溫監(jiān)測，根據(jù)2012年4 月8 日13 個地下水熱泵工程不同埋深的抽水井和回灌井地下水溫度水溫監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制了各場區(qū)在不同埋深處水溫變化曲線，見圖1。

圖1 4 月8 日各場區(qū)在不同埋深處水溫變化曲線

3.2 地下水溫垂向變化特征

由不同埋深處水溫變化曲線可以看出地下水不同埋深處水溫變化特點如下:

4 月8 日各場區(qū)氣溫不同，其對地下水影響各異。在25 m 以上地層中，曲線斜率比較大，地下水溫度隨氣溫變化呈現(xiàn)明顯上升的趨勢，25 m～35 m 地層中地下水溫度變化趨勢減小，而35 m以下地層地下水溫度變化趨勢隨著地層深度的增加逐漸變小至恒定。

由此可以推斷城區(qū)含水層可以劃分為以下三個水溫帶:在25 m 以上地層地下水溫度隨氣溫變化明顯，可以將其劃分為變溫帶;在25 m～35 m 間地下水溫度變化幅度小，基本處于一恒定溫度狀態(tài)，因此可將此地層劃分為常溫帶;在35 m 以下地層中，40 m 深度處地下水溫度比35 m 處水溫平均升高0.3 ℃，即地下水溫度隨著地層的不斷加深而逐漸升高，因此可將此地層分為增溫帶。

4 地下水溫變化特征對地下水源熱泵工程應(yīng)用分析

4.1 不同水溫區(qū)的地下水源熱泵工程換熱溫差設(shè)計

根據(jù)沈陽市地下水源熱泵回灌水溫要求不小于5 ℃，可以看出沈陽中心城區(qū)絕大部分二環(huán)內(nèi)和東部一環(huán)內(nèi)的地下水溫高于12.0 ℃，渾南長白地區(qū)的地下水溫也高于12.0 ℃。這些地區(qū)地下水源熱泵機組換熱溫差可以達到7 K，其他地區(qū)地下水源熱泵機組換熱溫差可以為5 K。

4.2 近河地區(qū)的地下水源熱泵工程設(shè)計

近河地區(qū)應(yīng)考慮河水與地下水相互補給對河岸地下水溫度場造成的影響，抽水井盡量遠離河岸，宜大于500 m 以上，以避免河水對抽水井水溫的影響。

4.3 水源熱泵工程的取水深度設(shè)計

為保證水源熱泵工程系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和高效性，根據(jù)地下水溫分帶特性，應(yīng)將抽水井取水深度設(shè)計在常溫帶或增溫帶內(nèi)，即水泵安裝深度應(yīng)低于地面以下25 m。

5 結(jié)語

沈陽城區(qū)大部分地區(qū)地下水溫低于12.0 ℃，受城市熱島效應(yīng)影響，中心城區(qū)絕大部分二環(huán)內(nèi)部分一環(huán)內(nèi)的地下水溫高于12.0 ℃，渾南長白地區(qū)的地下水溫也高于12.0 ℃。在進行地下水源熱泵工程建設(shè)時還應(yīng)考慮場地的實際情況。

通過對地下水溫特征分析可以掌握城區(qū)地下水溫度分布規(guī)律，為優(yōu)化布井和合理計算需水量以及對指導(dǎo)水源熱泵工程規(guī)劃和建設(shè)都具有重要作用。

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