咸陽地區(qū)地?zé)岵晒嗑罴丫喾治?/h1>
2016-06-15 01:53:06黨書生馬致遠(yuǎn)
地下水 2016年1期 關(guān)鍵詞：溫度場
黨書生，馬致遠(yuǎn)，鄭 磊
(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)
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咸陽地區(qū)地?zé)岵晒嗑罴丫喾治?/p>
黨書生，馬致遠(yuǎn)，鄭磊
(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)
[摘要]采灌井合理井間距的確定是對井采灌，資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵性問題[1]。采灌井間距過大，不利于發(fā)生水力聯(lián)系，間距過小容易產(chǎn)生“熱突破”[2]。對采灌井合理井間距的確定提供依據(jù)，以咸陽采灌區(qū)為例，在建立地下水流場和溫度場耦合數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助Feflow軟件以咸陽地區(qū)WH2為回灌井中心，開采井呈東西南北向排布的方式模擬。模擬分析表明：在采灌過程中地下水水位穩(wěn)定時間隨抽、灌水量的增加相應(yīng)減少。水流連通的時間縮短，主要是由于抽、灌水共同作用下，地下水發(fā)生強(qiáng)迫對流作用加強(qiáng)，使天然流場的作用被忽略。在強(qiáng)迫對流作用的影響下，經(jīng)過一定的時間形成新的滲流穩(wěn)定場，當(dāng)新的滲流穩(wěn)定場形成之后，水流連通也將出現(xiàn)。以回灌使含水層下降2 ℃視為出現(xiàn)“熱突破”現(xiàn)象，運(yùn)行3 650天時，在防止抽灌井發(fā)生“熱突破”的前提下，抽水井距灌水井合理的間距的下限為400 m左右。結(jié)合水力聯(lián)系影響下的合理井距上限500 m，得出的研究區(qū)采灌井間合理的井間距范圍為400～500 m。
[關(guān)鍵詞]溫度場；熱突破；采灌井；井間距
作為“中國地?zé)岢恰?，咸陽開發(fā)利用地?zé)豳Y源的歷史可追溯到上世紀(jì)90年代。當(dāng)時只是局部開采1 600～4 000 m深度新近系藍(lán)田灞河組地下熱水[3][4]。然而，20多年來，咸陽及其周邊地區(qū)的地下熱水開采量迅速增長，熱儲層水位漏斗不斷擴(kuò)大，地下熱水資源呈明顯衰減趨勢。在此情況下，實(shí)施地下熱水的人工回灌是實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵性措施。
地?zé)岵晒嗑g的地下水流場和溫度場具有比較復(fù)雜的特征。王貴玲等以西安地區(qū)為例，建立了地?zé)釛壦毓嗟娜S數(shù)值模型，分析了回灌層位、回灌水量及回灌方案對熱儲層滲流場及溫度場的影響[5]。王慧玲等通過建立三維耦合水熱模型，考慮地下水地源熱泵系統(tǒng)井群平行抽灌(即抽水井與回灌井平行布置) 以及交叉抽灌(即抽水井與回灌井交錯布置) 2種調(diào)度運(yùn)行模式，對系統(tǒng)運(yùn)行后的含水層地下水流場及溫度場進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)井群對兩者都有很大影響[6]。在地下熱水回灌過程中，合理布置采灌井間距是關(guān)鍵步驟，既要保持水力聯(lián)系提高回灌效率，又不能產(chǎn)生“熱突破”。本文以咸陽地?zé)峄毓嘣囼?yàn)為例，借助FEFLOW軟件進(jìn)行地下水流場和溫度場的耦合模擬，探討采灌井間距的最優(yōu)化方法[7]。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于陜西省咸陽城區(qū)北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°41′～108°45′，北緯34°21′～34°24′，總面積26.5 km2，是進(jìn)行回灌試驗(yàn)研究的主要工作區(qū)，也稱回灌區(qū)。本文主要分析回灌二號井(WH2)附近的情況。該井位于陜西財經(jīng)學(xué)院以東，南距文林路240 m，井口坐標(biāo)為東經(jīng)108°41′53.7″、北緯34°21′31.1″，地面高程420 m。
研究區(qū)與熱儲開采有關(guān)的地層從上到下依次為第四系秦川群(QP2～3q)、第四系下更新統(tǒng)三門組(QP1s)、新近系上新統(tǒng)張家坡組(N2z)、新近系上新統(tǒng)藍(lán)田-灞河組(N2b+l)和新近系中新統(tǒng)高陵群(N1gl)。其中，第四系秦川群(QP2～3q)為熱儲蓋層，藍(lán)田-灞河組(N2b+l)熱儲層中巨厚泥巖、砂質(zhì)泥巖等粘土巖的熱傳導(dǎo)能力弱，是良好的隔水層和隔熱保溫層。
2模擬區(qū)概念模型
2.1邊界條件概化
本文研究選定的模擬范圍為4 000 m×4 000 m的方形區(qū)域，其中布置5口井，1口回灌井(WH2)，4口采井呈東南西北向排布(如圖1)。開采深度介于1 600 m與3 000 m之間。本文模型假設(shè)開采層位與回灌層位一致，且含水層均質(zhì)、水平延展。天然狀態(tài)下，地下水自西北流向東南，為簡化分析，本次取矩形模擬范圍的北邊界和南邊界為定水頭邊界，水位高程分別是410 m和390 m。
圖1 采灌區(qū)各采灌井的平面圖
2.2水文地質(zhì)條件概化
在垂直方向上有4段地層具有不同的水文地質(zhì)意義：1 830 m深度以上的地層可視為相對隔水層，主要屬于三門組和張家坡組；1 830～2 243 m為承壓含水層，屬于藍(lán)田灞河組及高陵群地層；2 243～3 000 m為相對隔水層，主要為下古近系始新-漸新統(tǒng)地層；3 000 m以下為隔水層。開采段1 830～2 243 m之間巖性大部分為粗砂、中粗砂，滲透性強(qiáng)。因此，取模型上邊界深度為1 830 m、下邊界深度為2 243 m，含水層組概化為均質(zhì)、各向異性(水平方向各向同性)承壓含水層。
2.3源匯項
采灌模擬的源項為回灌井WH2，匯項為抽水井WR1，WR2， WR7 和WR9。WH2井為咸陽二號回灌井，井深2 700 m，地面高程422 m，熱儲溫度95.4 ℃，回灌時間為10年，即3650 d。從平均意義上進(jìn)行簡化，模型取熱儲初始溫度為100 ℃，地層常溫帶溫度取15 ℃。
表1 模型參數(shù)表
注：表1中，有效孔隙度來源于壓水實(shí)驗(yàn)，總孔隙度等其它參數(shù)來源與采灌井的勘察報告。
3數(shù)學(xué)模型
本次研究使用FEFLOW軟件。首先采用FEFLOW對研究區(qū)的抽灌井影響下的地下水流場進(jìn)行模擬計算[8]，在此基礎(chǔ)上模擬溫度場。對于非均質(zhì)、各向異性承壓含水層，F(xiàn)EFLOW基于有限元法模擬三維非穩(wěn)定流及其熱運(yùn)移[9]，控制方程如下：
(1)
(2)
式中：Vxx、Vyy、Vzz為平均實(shí)際滲流速度的空間坐標(biāo)分量，m/s，利用Darcy定律和有效孔隙度算出； H為水頭，m； Cs、Cf為多孔介質(zhì)、流體的比熱容，J/m3﹒℃；λ為熱彌散系數(shù)，J/(m/d﹒℃)；T為溫度，℃；t為時間，s； W為含水層厚度，m；μs為貯水率, m-1。
4模擬結(jié)果及分析
假設(shè)抽灌水運(yùn)行一個周期為一年，可分兩期：一期供暖為4個月(11月15日至3月15日)，其余為間歇期(3月16日至11月14日)。如果按采灌井30 a的壽命計算, 實(shí)際抽灌井運(yùn)行時間為10 a。
4.1水流連通的模擬分析
不同井距條件下，模擬灌水井水頭隨時間的變化曲線。灌水井水頭在系統(tǒng)運(yùn)行初期上升后，在1天左右后會下降。在井距大于500 m時，隨著時間的延長，水頭變化幅度明顯下降，這種變化幅度的下降受抽水井的影響所致，即在500 m范圍以內(nèi)采灌井之間發(fā)生了較為明顯的水力聯(lián)系，可認(rèn)為500 m為合理井間距的上限。
如果模擬不同抽水量作用下地下水位的變幅，隨著抽水量的變化，地下水位的穩(wěn)定時間有所變化，且隨著抽、灌水量的增加，地下水位受抽、灌井的影響顯著變化，而穩(wěn)定時間也相應(yīng)減少，說明出現(xiàn)水流連通的時間縮短，主要由于抽、灌水共同作用下，地下水發(fā)生強(qiáng)迫對流作用加強(qiáng)，使天然流場的作用被忽略。在強(qiáng)迫對流作用的影響下，經(jīng)過一定的時間形成新的滲流穩(wěn)定場，當(dāng)新的滲流穩(wěn)定場形成之后，水流連通也將出現(xiàn)。
圖2為抽、灌水井距為400 m時，WR1抽水井的地下水位變化圖，由圖2知，在抽水量為3 000 m3/d時，地下水形成新的穩(wěn)定流場的時間大約為抽、灌水運(yùn)行到430 h左右，而當(dāng)抽水量為5 000 m3/d時，地下熱水滲流場的穩(wěn)定時間降低到190 h左右，除此外，其他3口抽水井也表現(xiàn)出類似的特點(diǎn)，說明隨著抽水量的增加，水流連通產(chǎn)生的時間降低，在己知回灌量條件下，可模擬不同布井間距時地下水的水位變幅、穩(wěn)定時間及溫度場變化情況，從而確定出抽水井、灌水井的布井間距。
圖2 不同水量作用下抽水井水頭隨時間變化曲線圖
4.2水流場和溫度場的耦合模擬分析
表2為不同抽灌量作用下，抽灌井之間平均水力坡度和滲透速度計算結(jié)果。由表2可知，抽灌井的抽灌量越大，抽灌井之間的水力坡度和滲透流速越大。研究表明，采能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，抽灌井附近的熱傳遞方式以對流傳熱為主，而對流傳熱強(qiáng)弱主要取決于地下水流速的大小。因此，抽灌量越大，抽、灌區(qū)地下水流速越快，單位時間內(nèi)對流傳熱量越大，抽水井溫度變化就越快。
表2 不同水量作用下抽灌井間平均流速計算表
為了更好地刻畫溫度在含水層中的影響范圍，假設(shè)回灌使含水層下降2 ℃的區(qū)域即為回灌所影響的區(qū)域，即出現(xiàn)“熱突破”現(xiàn)象。從圖3中可見井距分別為200 m、300 m、350 m、400 m、500 m、600 m等6種不同井距條件下抽水井溫度的變化，抽、灌井之間的距離越大，抽水井發(fā)生“熱突破”所需時間越長，抽水溫度變化幅度越小。假設(shè)抽、灌井設(shè)計運(yùn)行年限最低為10 a(3 650 d)。從圖3中可以看出，在運(yùn)行3 650 d時，在防止抽灌井發(fā)生熱突破的前提下，抽水井距灌水井合理的間距的下限為400 m左右。結(jié)合水力聯(lián)系影響下的合理井距上限500 m的分析結(jié)果，得出的采灌區(qū)條件下采灌井間合理的井間距范圍為400～500 m。
圖3 不同井距條件下抽水井溫度變化關(guān)系曲線圖
5結(jié)語
本文應(yīng)用FEFLOW軟件對研究區(qū)的地下水流場和溫度場進(jìn)行模擬分析表明：
在采灌過程中地下水水位穩(wěn)定時間隨抽、灌水量的增加相應(yīng)減少。水流連通的時間縮短，主要由于抽、灌水共同作用下，地下水發(fā)生強(qiáng)迫對流作用加強(qiáng)，使天然流場的作用被忽略。在強(qiáng)迫對流作用的影響下，經(jīng)過一定的時間形成新的滲流穩(wěn)定場，當(dāng)新的滲流穩(wěn)定場形成之后，水流連通也將出現(xiàn)。以假設(shè)回灌使含水層下降2 ℃視為出現(xiàn)“熱突破”現(xiàn)象，運(yùn)行3 650 d時，在防止抽灌井發(fā)生“熱突破”的前提下，抽水井距灌水井合理的間距的下限為400 m左右。結(jié)合水力聯(lián)系影響下的合理井距上限500 m的分析結(jié)果，得出研究區(qū)條件下采灌井間合理的井間距范圍為400～500 m。此結(jié)論為今后該地區(qū)進(jìn)行采灌和對研宄區(qū)地下水位地下水資源的有效管理提供一定的借鑒意義。
參考文獻(xiàn)
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[4]王潤三,薛華峰,王鳳林,等.西安─咸陽地?zé)崽锂惓５貙訅毫Τ醪窖芯縖J〗.西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).1999,(4):334-337.
[5]王貴玲,張發(fā)旺,劉志明.國內(nèi)外地?zé)崮荛_發(fā)利用現(xiàn)狀及前景分析[J].地球?qū)W報.2000,21(2):134-139.
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An Optimization of the Distance between Geothermal Fluid
DANG Shu-sheng，MA Zhi-yuan，ZHENGLei
(Environmental Science and engineering School, Chang’an University, Xi’an 710054, Shaanxi)
Abstract:The confirmation of optimum distance among fluid extracting and injecting wells is the key problem for the realization of water extracting and injecting and the sustainable utilization of resources. The too huge distance among wells goes against the occurrence of hydraulic connection, while the too small distance easily causes “thermal breakthrough”. Aiming to provide supports for the confirmation of optimum distance among fluid extracting and injecting wells, the simulation was conducted by taking irrigation area of Xianyang as the example and the inverted well of WH2 in Xianyang as the center with the aid of Feflow software based on the establishment of groundwater flow field and temperature field coupling mathematical model, and the exploited well showed as EWSN configuration. The model analysis showed that: the stabilization time of groundwater level during the extracting and injecting process reduced accordingly along with the increasing pumping and injecting amount. The water connection time shortened mainly due to the increasing forced convection happened in the underground water under the combined action of pumping and irrigating, thus the function of natural flow field was neglected. Under the influence of forced convection, a new steady seepage field was formed followed by the appearance of hydraulic connection. Taking the declined 2℃ of aquifer caused by the recharge as the “thermal breakthrough” phenomenon, and operating for 3650 days, the optimum distance between pumping well and injecting well was about 400m under the premise of avoiding the happening of “thermal breakthrough” in pumping and injecting wells. Combined with the upper limit 500m of optimum distance under the influence of hydraulic connection, the optimum distance scope among fluid extracting and injecting wells was 400-500m in the research area.ld, it provides basis for the determination of reasonable well spacing by using Feflow.
Key words:Temperature Field；Thermal breakthrough；extracting and injecting Wells；Optimum distance
[收稿日期]2015-08-07
[作者簡介]黨書生(1989-)，男，陜西商南人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文學(xué)及水資源研究。
[中圖分類號]P314.1
[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A
[文章編號]1004-1184(2016)01-0056-03
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(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)
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咸陽地區(qū)地?zé)岵晒嗑罴丫喾治?/p>
黨書生，馬致遠(yuǎn)，鄭磊
(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)
[摘要]采灌井合理井間距的確定是對井采灌，資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵性問題[1]。采灌井間距過大，不利于發(fā)生水力聯(lián)系，間距過小容易產(chǎn)生“熱突破”[2]。對采灌井合理井間距的確定提供依據(jù)，以咸陽采灌區(qū)為例，在建立地下水流場和溫度場耦合數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助Feflow軟件以咸陽地區(qū)WH2為回灌井中心，開采井呈東西南北向排布的方式模擬。模擬分析表明：在采灌過程中地下水水位穩(wěn)定時間隨抽、灌水量的增加相應(yīng)減少。水流連通的時間縮短，主要是由于抽、灌水共同作用下，地下水發(fā)生強(qiáng)迫對流作用加強(qiáng)，使天然流場的作用被忽略。在強(qiáng)迫對流作用的影響下，經(jīng)過一定的時間形成新的滲流穩(wěn)定場，當(dāng)新的滲流穩(wěn)定場形成之后，水流連通也將出現(xiàn)。以回灌使含水層下降2 ℃視為出現(xiàn)“熱突破”現(xiàn)象，運(yùn)行3 650天時，在防止抽灌井發(fā)生“熱突破”的前提下，抽水井距灌水井合理的間距的下限為400 m左右。結(jié)合水力聯(lián)系影響下的合理井距上限500 m，得出的研究區(qū)采灌井間合理的井間距范圍為400～500 m。
[關(guān)鍵詞]溫度場；熱突破；采灌井；井間距
作為“中國地?zé)岢恰?，咸陽開發(fā)利用地?zé)豳Y源的歷史可追溯到上世紀(jì)90年代。當(dāng)時只是局部開采1 600～4 000 m深度新近系藍(lán)田灞河組地下熱水[3][4]。然而，20多年來，咸陽及其周邊地區(qū)的地下熱水開采量迅速增長，熱儲層水位漏斗不斷擴(kuò)大，地下熱水資源呈明顯衰減趨勢。在此情況下，實(shí)施地下熱水的人工回灌是實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵性措施。
地?zé)岵晒嗑g的地下水流場和溫度場具有比較復(fù)雜的特征。王貴玲等以西安地區(qū)為例，建立了地?zé)釛壦毓嗟娜S數(shù)值模型，分析了回灌層位、回灌水量及回灌方案對熱儲層滲流場及溫度場的影響[5]。王慧玲等通過建立三維耦合水熱模型，考慮地下水地源熱泵系統(tǒng)井群平行抽灌(即抽水井與回灌井平行布置) 以及交叉抽灌(即抽水井與回灌井交錯布置) 2種調(diào)度運(yùn)行模式，對系統(tǒng)運(yùn)行后的含水層地下水流場及溫度場進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)井群對兩者都有很大影響[6]。在地下熱水回灌過程中，合理布置采灌井間距是關(guān)鍵步驟，既要保持水力聯(lián)系提高回灌效率，又不能產(chǎn)生“熱突破”。本文以咸陽地?zé)峄毓嘣囼?yàn)為例，借助FEFLOW軟件進(jìn)行地下水流場和溫度場的耦合模擬，探討采灌井間距的最優(yōu)化方法[7]。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于陜西省咸陽城區(qū)北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°41′～108°45′，北緯34°21′～34°24′，總面積26.5 km2，是進(jìn)行回灌試驗(yàn)研究的主要工作區(qū)，也稱回灌區(qū)。本文主要分析回灌二號井(WH2)附近的情況。該井位于陜西財經(jīng)學(xué)院以東，南距文林路240 m，井口坐標(biāo)為東經(jīng)108°41′53.7″、北緯34°21′31.1″，地面高程420 m。
研究區(qū)與熱儲開采有關(guān)的地層從上到下依次為第四系秦川群(QP2～3q)、第四系下更新統(tǒng)三門組(QP1s)、新近系上新統(tǒng)張家坡組(N2z)、新近系上新統(tǒng)藍(lán)田-灞河組(N2b+l)和新近系中新統(tǒng)高陵群(N1gl)。其中，第四系秦川群(QP2～3q)為熱儲蓋層，藍(lán)田-灞河組(N2b+l)熱儲層中巨厚泥巖、砂質(zhì)泥巖等粘土巖的熱傳導(dǎo)能力弱，是良好的隔水層和隔熱保溫層。
2模擬區(qū)概念模型
2.1邊界條件概化
本文研究選定的模擬范圍為4 000 m×4 000 m的方形區(qū)域，其中布置5口井，1口回灌井(WH2)，4口采井呈東南西北向排布(如圖1)。開采深度介于1 600 m與3 000 m之間。本文模型假設(shè)開采層位與回灌層位一致，且含水層均質(zhì)、水平延展。天然狀態(tài)下，地下水自西北流向東南，為簡化分析，本次取矩形模擬范圍的北邊界和南邊界為定水頭邊界，水位高程分別是410 m和390 m。
圖1 采灌區(qū)各采灌井的平面圖
2.2水文地質(zhì)條件概化
在垂直方向上有4段地層具有不同的水文地質(zhì)意義：1 830 m深度以上的地層可視為相對隔水層，主要屬于三門組和張家坡組；1 830～2 243 m為承壓含水層，屬于藍(lán)田灞河組及高陵群地層；2 243～3 000 m為相對隔水層，主要為下古近系始新-漸新統(tǒng)地層；3 000 m以下為隔水層。開采段1 830～2 243 m之間巖性大部分為粗砂、中粗砂，滲透性強(qiáng)。因此，取模型上邊界深度為1 830 m、下邊界深度為2 243 m，含水層組概化為均質(zhì)、各向異性(水平方向各向同性)承壓含水層。
2.3源匯項
采灌模擬的源項為回灌井WH2，匯項為抽水井WR1，WR2， WR7 和WR9。WH2井為咸陽二號回灌井，井深2 700 m，地面高程422 m，熱儲溫度95.4 ℃，回灌時間為10年，即3650 d。從平均意義上進(jìn)行簡化，模型取熱儲初始溫度為100 ℃，地層常溫帶溫度取15 ℃。
表1 模型參數(shù)表
注：表1中，有效孔隙度來源于壓水實(shí)驗(yàn)，總孔隙度等其它參數(shù)來源與采灌井的勘察報告。
3數(shù)學(xué)模型
本次研究使用FEFLOW軟件。首先采用FEFLOW對研究區(qū)的抽灌井影響下的地下水流場進(jìn)行模擬計算[8]，在此基礎(chǔ)上模擬溫度場。對于非均質(zhì)、各向異性承壓含水層，F(xiàn)EFLOW基于有限元法模擬三維非穩(wěn)定流及其熱運(yùn)移[9]，控制方程如下：
(1)
(2)
式中：Vxx、Vyy、Vzz為平均實(shí)際滲流速度的空間坐標(biāo)分量，m/s，利用Darcy定律和有效孔隙度算出； H為水頭，m； Cs、Cf為多孔介質(zhì)、流體的比熱容，J/m3﹒℃；λ為熱彌散系數(shù)，J/(m/d﹒℃)；T為溫度，℃；t為時間，s； W為含水層厚度，m；μs為貯水率, m-1。
4模擬結(jié)果及分析
假設(shè)抽灌水運(yùn)行一個周期為一年，可分兩期：一期供暖為4個月(11月15日至3月15日)，其余為間歇期(3月16日至11月14日)。如果按采灌井30 a的壽命計算, 實(shí)際抽灌井運(yùn)行時間為10 a。
4.1水流連通的模擬分析
不同井距條件下，模擬灌水井水頭隨時間的變化曲線。灌水井水頭在系統(tǒng)運(yùn)行初期上升后，在1天左右后會下降。在井距大于500 m時，隨著時間的延長，水頭變化幅度明顯下降，這種變化幅度的下降受抽水井的影響所致，即在500 m范圍以內(nèi)采灌井之間發(fā)生了較為明顯的水力聯(lián)系，可認(rèn)為500 m為合理井間距的上限。
如果模擬不同抽水量作用下地下水位的變幅，隨著抽水量的變化，地下水位的穩(wěn)定時間有所變化，且隨著抽、灌水量的增加，地下水位受抽、灌井的影響顯著變化，而穩(wěn)定時間也相應(yīng)減少，說明出現(xiàn)水流連通的時間縮短，主要由于抽、灌水共同作用下，地下水發(fā)生強(qiáng)迫對流作用加強(qiáng)，使天然流場的作用被忽略。在強(qiáng)迫對流作用的影響下，經(jīng)過一定的時間形成新的滲流穩(wěn)定場，當(dāng)新的滲流穩(wěn)定場形成之后，水流連通也將出現(xiàn)。
圖2為抽、灌水井距為400 m時，WR1抽水井的地下水位變化圖，由圖2知，在抽水量為3 000 m3/d時，地下水形成新的穩(wěn)定流場的時間大約為抽、灌水運(yùn)行到430 h左右，而當(dāng)抽水量為5 000 m3/d時，地下熱水滲流場的穩(wěn)定時間降低到190 h左右，除此外，其他3口抽水井也表現(xiàn)出類似的特點(diǎn)，說明隨著抽水量的增加，水流連通產(chǎn)生的時間降低，在己知回灌量條件下，可模擬不同布井間距時地下水的水位變幅、穩(wěn)定時間及溫度場變化情況，從而確定出抽水井、灌水井的布井間距。
圖2 不同水量作用下抽水井水頭隨時間變化曲線圖
4.2水流場和溫度場的耦合模擬分析
表2為不同抽灌量作用下，抽灌井之間平均水力坡度和滲透速度計算結(jié)果。由表2可知，抽灌井的抽灌量越大，抽灌井之間的水力坡度和滲透流速越大。研究表明，采能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，抽灌井附近的熱傳遞方式以對流傳熱為主，而對流傳熱強(qiáng)弱主要取決于地下水流速的大小。因此，抽灌量越大，抽、灌區(qū)地下水流速越快，單位時間內(nèi)對流傳熱量越大，抽水井溫度變化就越快。
表2 不同水量作用下抽灌井間平均流速計算表
為了更好地刻畫溫度在含水層中的影響范圍，假設(shè)回灌使含水層下降2 ℃的區(qū)域即為回灌所影響的區(qū)域，即出現(xiàn)“熱突破”現(xiàn)象。從圖3中可見井距分別為200 m、300 m、350 m、400 m、500 m、600 m等6種不同井距條件下抽水井溫度的變化，抽、灌井之間的距離越大，抽水井發(fā)生“熱突破”所需時間越長，抽水溫度變化幅度越小。假設(shè)抽、灌井設(shè)計運(yùn)行年限最低為10 a(3 650 d)。從圖3中可以看出，在運(yùn)行3 650 d時，在防止抽灌井發(fā)生熱突破的前提下，抽水井距灌水井合理的間距的下限為400 m左右。結(jié)合水力聯(lián)系影響下的合理井距上限500 m的分析結(jié)果，得出的采灌區(qū)條件下采灌井間合理的井間距范圍為400～500 m。
圖3 不同井距條件下抽水井溫度變化關(guān)系曲線圖
5結(jié)語
本文應(yīng)用FEFLOW軟件對研究區(qū)的地下水流場和溫度場進(jìn)行模擬分析表明：
在采灌過程中地下水水位穩(wěn)定時間隨抽、灌水量的增加相應(yīng)減少。水流連通的時間縮短，主要由于抽、灌水共同作用下，地下水發(fā)生強(qiáng)迫對流作用加強(qiáng)，使天然流場的作用被忽略。在強(qiáng)迫對流作用的影響下，經(jīng)過一定的時間形成新的滲流穩(wěn)定場，當(dāng)新的滲流穩(wěn)定場形成之后，水流連通也將出現(xiàn)。以假設(shè)回灌使含水層下降2 ℃視為出現(xiàn)“熱突破”現(xiàn)象，運(yùn)行3 650 d時，在防止抽灌井發(fā)生“熱突破”的前提下，抽水井距灌水井合理的間距的下限為400 m左右。結(jié)合水力聯(lián)系影響下的合理井距上限500 m的分析結(jié)果，得出研究區(qū)條件下采灌井間合理的井間距范圍為400～500 m。此結(jié)論為今后該地區(qū)進(jìn)行采灌和對研宄區(qū)地下水位地下水資源的有效管理提供一定的借鑒意義。
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An Optimization of the Distance between Geothermal Fluid
DANG Shu-sheng，MA Zhi-yuan，ZHENGLei
(Environmental Science and engineering School, Chang’an University, Xi’an 710054, Shaanxi)
Abstract:The confirmation of optimum distance among fluid extracting and injecting wells is the key problem for the realization of water extracting and injecting and the sustainable utilization of resources. The too huge distance among wells goes against the occurrence of hydraulic connection, while the too small distance easily causes “thermal breakthrough”. Aiming to provide supports for the confirmation of optimum distance among fluid extracting and injecting wells, the simulation was conducted by taking irrigation area of Xianyang as the example and the inverted well of WH2 in Xianyang as the center with the aid of Feflow software based on the establishment of groundwater flow field and temperature field coupling mathematical model, and the exploited well showed as EWSN configuration. The model analysis showed that: the stabilization time of groundwater level during the extracting and injecting process reduced accordingly along with the increasing pumping and injecting amount. The water connection time shortened mainly due to the increasing forced convection happened in the underground water under the combined action of pumping and irrigating, thus the function of natural flow field was neglected. Under the influence of forced convection, a new steady seepage field was formed followed by the appearance of hydraulic connection. Taking the declined 2℃ of aquifer caused by the recharge as the “thermal breakthrough” phenomenon, and operating for 3650 days, the optimum distance between pumping well and injecting well was about 400m under the premise of avoiding the happening of “thermal breakthrough” in pumping and injecting wells. Combined with the upper limit 500m of optimum distance under the influence of hydraulic connection, the optimum distance scope among fluid extracting and injecting wells was 400-500m in the research area.ld, it provides basis for the determination of reasonable well spacing by using Feflow.
Key words:Temperature Field；Thermal breakthrough；extracting and injecting Wells；Optimum distance
[收稿日期]2015-08-07
[作者簡介]黨書生(1989-)，男，陜西商南人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文學(xué)及水資源研究。
[中圖分類號]P314.1
[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A
[文章編號]1004-1184(2016)01-0056-03
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