地源熱泵井群取水最不利降深的一種計算方法實例研究

祁 源

(湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040)

1 項目情況介紹

該項目位于湖北省仙桃市，為響應國家關于建設節約型社會的號召，建設單位充分利用當地豐富的地下水資源和淺層地熱資源，設計了地源熱泵空調系統，采用3臺SPRING-WM-360B-1型機組的方案，制熱輸入功率249 kW，機組按每天運行10 h，冬季運行90 d計算。冬季作為低位熱源，3臺機組滿載率按100%運行時，3臺機組同時開啟時冬季共需地下水300 m3/h，3臺機組滿載率按70%運行時，3臺機組同時開啟時冬季共需地下水210 m3/h。

建設單位建設了6眼取水井，12眼回灌井，根據回灌試驗結果，在一抽一灌時，無壓回灌條件下回灌率達到100%。取水井每井取水量50 m3/h，小時最大取水量300 m3，日最大取水量為3000 m3，年取水量為27萬m3。對地下水的利用采用封閉循環方式，當地下水從供水井取出后，進入空調主機(或板式換熱器)進行熱交換后全部密閉回灌到同一含水層，不對地下水資源造成浪費和污染。

項目場地屬河流一級階地，擬建場地地層具有典型的河流沖積一級階地的二元結構，顆粒粒徑由上至下由細變粗，上部20 m范圍內為一般黏性土層，力學性質較差；下部砂土層密實度較好，力學性質較好，工程性質較好。“上層滯水”賦存于地表(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給，無統一自由水面，水位及水量隨季節性大氣降水及周邊生活用水排放的影響而波動。“孔隙承壓水”賦存于場地(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系，其水位變化幅度受河流水位漲落影響?？辈炱陂g實測K18、K55、K81承壓水頭分別為6.2 m(相當于標高20.45 m)、6.5 m(相當于標高19.42 m)、6.8 m(相當于標高19.03 m)；靜止水位在地面下2.90 ～ 3.90 m(相當于標高22.02 ～ 23.85 m)之間。抽水試驗時承壓含水層靜止水位埋深為6.61 m。

結合本區域水文地質參數經驗值及水文地質勘察報告成果，從最不利情況下可能產生地下水位下降和對周邊建筑物的影響角度出發，綜合確定本次計算所用滲透系數為8.16 m/d，影響半徑穩定后的最大值為552 m。

2 井群干擾取水降深計算

當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，將產生相互干擾現象，若要保持各井的出水量不變，必然會加大抽水降深。井群干擾取水時產生的降深可疊加計算[1]：

(1)

式(1)中：Sd為某點井群干擾情況下降深，m；Ri該點距i井中心距離m；其它符號意義同前；n為同時抽水的抽水井眼數。由于該公式是線性疊加，因此，對任意一點，影響半徑內的抽水井數目越多，產生的降深越大，本建設項目最多同時有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%，可見最大降深點及易出現在井位中心處。隨機取井群影響范圍內的5萬個隨機點，加上16個井位點，計算50018個點的最大降深，并以50018個點最大降深的最大值作為抽水井任意組合下的最大降深[3]。結果見表1。

由表1可知，最大降深為25.216 m，出現在2號井位處，最不利井位組合為2、1、3、4、5、6井同時抽水。上述6眼井同時抽水條件下，建設場地內的水位降深情況見圖1～2。

表1 各點最大降深及相應井群組合

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格(單位：m)

經分析計算，當前井數和井位下，最不利的6眼井共同抽水時，其產生的地下水位降深為25.21622 m。

3 結論

通過以上展示的計算方法，可以獲得一種地源熱泵井群取水最不利降深的計算方法，通過明確最不利降深，可以幫助建設單位定制更有保障的應急預案，確定回灌水量及回灌水泵的參數，同時可以為地面沉降的計算提供數據參考。