（天津地热勘查开发设计院，天津市，300250）蒋学敏

浅层地热能作为一种清洁的可再生能源，得到广泛的应用。地下水地源热泵系统是将浅层地热能采用热泵技术进行采集利用，取得了良好的环境效益，已得到世界各国的高度认可，已成为节能减排工程的中坚力量[3]。

1 项目概况

天津市某地下水地源热泵项目始建于1998年，所开凿1#、2#深度分别为210m、209m，开采层位为第二含水层，采用“一采一灌”模式开发利用浅层地热能。由于年久失修，滤水管出现堵塞，造成出水量减少，回灌困难。为此，管理部门对该系统进行机组优化、修井改造，恢复使用后进行动态监测。修井后系统运行模式为：夏季，2#为开采井，1#为回灌井；冬季，1#为开采井，2#为回灌井。采灌量见表1[4]。

表1 实际开采量统计表

2 数值模型构建

2.1 模拟范围

模拟区以地矿珠宝对井为中心向外扩展，总面积为6.03km2。

2.2 含水层结构概化

模拟区含水层结构概化为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个含水层。第Ⅰ含水层矿化度较高，无法开发利用。第Ⅱ含水层为目的层。第Ⅲ、Ⅳ含水层补给条件较差，开采较少。

根据水文地质条件，可将模型概化为具有非均质、各向同性特点三维地下水稳定渗流系统[5]。

2.3 边界条件概化

分析水文地质资料可知，研究区下部以基岩为隔水边界[6]。南北侧概化为通用水头边界，东西侧概化为流量边界。

2.4 模型剖分

模拟区水平方向剖分成50m×50m的单元格，共计有效活动单元格2978个；垂向上，模型共分为4层。

2.5 模型参数

模型参数有渗透系数、孔隙度、弹性释水系数，各参数初始赋值见表2。

表2 参数初始赋值表

2.6 模型补径排处理

第Ⅰ含水层以大气降水入渗、侧向径流形式补给，以蒸发、越流、人工开采方式进行排泄；其他含水层补给包括侧向径流、越流补给，排泄包括越流、人工开采排泄。降水入渗量参考多年平均降水量赋值。

3 模型模拟

3.1 模拟时间

2014年11月～2015年4月作为模拟期，2014年6月的水位作为初始水位（见图1）。由于目的层为第Ⅱ含水层，因此以下内容仅分析及预测第Ⅱ含水层地下水流场。

图1 第Ⅱ含水层初始水位

3.2 模型验证结果

水文地质参数中渗透系数的变化对验证结果的影响最大。为了验证拟合精度，将对井周边加密剖分成10m×10m的单元格，经过反复调参，确定当对井周边30m内渗透系数为0.04m/d，其他区域为1.53m/d时（图2），水位拟合情况较好（图3）。

图2 第Ⅱ含水组渗透系数分区图

图3 1#、2#水位拟合图

1#为抽水井，2#为回灌井。工作时间：1#抽水量50m3/h，持续抽水造成水位下降较快，埋深大于50m，冬季最大埋深可达59m。2#回灌量为15m3/h，瞬时水位最高可上升至2.67m。非工作时间：1#抽水量35m3/h，水位埋深在39.5至47m之间。2#回灌量为10m3/h，瞬时水位埋深最高可上升至3.5到4.4m。可见，模拟的水位变化与动态监测水位变化趋势一致，能够反应真实地下水动态情况，可用于地下水流场的预测。

4 模型预测

4.1 预测时间

模拟期2019年6-9月为制冷期，10-11月为制冷恢复期，2019年12月-2020年3月为供暖期，2020年4-5月为供暖恢复期。预测2019年7、11月、2020年2、5月第Ⅱ含水组地下水流场的变化，见图4～7。预测结果表明，系统持续运行5年后地下水流场发生了一定程度的变化。相比于初始水位，2019年的地下水水位整体下降1～2m，由于1#开采强度较大，且回灌效果较差，形成了局部降落漏斗，以至于水位尚未恢复至初始水位便进入下一个运行周期。除此之外，地下水流向也发生了较大改变，由最初的西南向东北流动变成自周边向降落漏斗中心方向流动。

图4 2019年7月第Ⅱ含水组地下水流场图

4.2 预测结果分析

图5 2019年11月第Ⅱ含水组 地下水流场图

图6 2020年2月第Ⅱ含水组地下水流场图

图7 2020年5月第Ⅱ含组 地下水流场图

5 存在问题

地下水流场发生改变，表明该系统现状运行已不能满足可持续发展理念。回灌率低：经过修井改造，回灌率仅能达到30%左右，长期采灌不平衡，势必造成地下水位持续下降。运行模式不完善：系统冬夏参数设置不合理，未随天气变化进行调控，造成地下水过度开采。

6 结论

本论文以天津市某地下水地源热泵项目为例，运用Visual Modflow 4.2软件进行数值模拟、预测，结果显示系统运行5年后地下水流场发生了较大改变。因此，今后在地下水地源热泵项目推广过程中，将模型与系统运行相结合，有助于定量评价流场随系统运行的变化，并分析存在问题，从而为系统可持续发展提供必要的数据支撑。

7 建议

为了地下水地源热泵可持续开发利用定期清洗回灌井，防止滤水管堵塞，提高回灌效率。同时，还应定期进行回扬，以保证地下水可以得到及时有效补给。根据实际情况对采灌井进行动态调换，优化采灌量，以缓解热泵运行造成的地下水流场发生变化的情况。