地下水源热泵影响下的沈阳城区地下水系统数值模拟研究
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摘要
随着能源问题日益突出,新型能源技术受到普遍关注,特别是地下水源热泵技术作为地热资源可持续利用的新方法,在全国各城市都竞相开发,但是由于地下水源热泵技术属于新兴技术,并且涉及到能源、水文地质、水资源、数学等多领域,致使地下水源热泵技术在应用中只根据实践经验判断热贯通等问题,相关理论指导研究进展较慢。本文针对此问题,结合沈阳市地下水源热泵实际应用情况,通过对沈阳城区地下水系统实际监测和数值模拟分析,初步进行了沈阳城区水文地质、地下水动力场、地下水温度场的模拟分析,并且探讨了地下水源热泵对水质的影响,为相关研究提供理论依据和实践参考。本文的研究结果如下：
(1)沈阳城区水文地质模型
本文通过GMS软件,对大量地质数据进行分析,构建了沈阳城区地质三维可视化模型。根据沈阳实际情况、研究需要和相关资料分析,将地下水含水层Q。和Q。概化为一个含水层,通过软件模拟分析确定了沈阳城区绝大部分地区地下水埋深均在10m以上、浑河以北大部分区域上更新统底板以上含水层厚度在20-40m之间。计算了研究区域各个分区的地下水渗透系数等相关因素,分析计算了研究区的地下水补给水源。
(2)地下水流动力场模型
通过对研究区内水文地质模型的分析,依据地下水水流特征,结合研究区的水文地质条件,建立沈阳中心地区地下水流数学模型。运用Aqua3D软件进一步建立模拟模型,并对该模型进行识别和验证,分析了研究区地下水汇源项的组成。结果表明,浑河占沈阳地下水补给量的55.29%,是沈阳地下水补给的重要来源；整个市区内地下水位变化幅度在26-49m之间,地下水水位具有东高西低的特征。另外本文还探讨了枯水期与丰水期的地下水水位差异及其原因,并对2015年研究区的地下水位等作出科学分析和预测。
(3)地下水温度场模型
在区域地质模型分析和地下水流动力场模型分析的基础上,并运用Aqua3D软件建立了沈阳中心城区地下水温度场模拟模型,对该模型进行识别和验证,并对沈阳未来2015年的地下水水温进行科学分析预测。最后,本文对不同回灌井方式的地下水源热泵系统的热突破时间、热突破距离和用水量的关系应用数学统计软件做了初步探索分析,得出不同回灌方式下地下水源热泵的热贯通量性分析结果。
(4)地下水源热泵影响下的水质分析
7个不同监测点的水质状况统计分析结果表明,地下水源热泵的多年运行并没有对地下水水质产生不良影响。
New energy technologies have gained widespread attention and concern as energy issues become increasingly serious. Groundwater heat pump technology is a technology approach of sustainable use of low-temperature geothermal resources. At present, many cities are striving to develop new energies and new technologies. Several improvements and successes have been achieved in the application of groundwater heat pump. However, as a newly emerging technology and due to researches related to energy, hydrogeology, water resources, and mathematics, etc, problem like the heat through of water source heat pump can only be judged by practical experience in the application of groundwater heat pump technology. It also leads to the slow development of the study of relevant theoretical guidance and the lack of theoretical guidance for groundwater heat pump technology. Thus, this thesis carries out a preliminary study on this problem by selecting Shenyang city zone as the scope of the study. It hopes to offer a few commonplace remarks by way of introduction so that others may come up with valuable opinions and make contributions as well as provide references to researches in groundwater hydrodynamic, temperature, and thermal break in the future. The main contents are as follows.
1. Geological model of Shenyang city
Through large amounts of analyses of geological data by GMS software, this thesis establishes the 3-dimensional geological visualization model of Shenyang city and it summarizes groundwater aquifers Q3 and Q4 as one aquifer according to the actual conditions of Shenyang city and the study characteristics of this thesis. By analyzing related data, it finally figures out the underground water depth is 10meters of Shenyang city. UpperPleistoceneseries floor above isoline of aquifer thickness between 20 to 40 meters in north of River Hun of Shenyang city. The thesis also computes relevant factors like water permeability coefficient in each study area and the water supply of groundwater in study areas.
2. Model of groundwater flow field
By studying the results analysis of the hydrogeological model of the area, this thesis establishes the mathematical model. And establisheof the groundwater flow of centre district of Shenyang by using Aqua3D software. Then the model was identificated and verificated. Analysis of the research area of groundwater composed. As a result that River Hun is the major groundwater supply of Shenyang district, with a proportion of 55.29% in the total water supply. The groundwater level of the whole Shenyang city ranges from 26 to 49 meters and it shows a characteristic of higher in the east and lower in the west. The thesis analyzes the differences of groundwater levels and the reasons of wet periods and dry periods. It also makes a scientific analysis and prediction of the groundwater level of the study area in 2015.
3. Groundwater temperature model
On the basis of regional geological model analysis and groundwater flow field model analysis, the groundwater temperature mathematical model of Shenyang centre city district is established and a numerical simulation model is also established by using of Aqua3D software. The identification and verification to the model is then conducted along with the scientific prediction of the groundwater temperature of Shenyang district in the 2015. On the basis of that, it analyzes the relationship of thermal breakthrough time, distance and water consumption of groundwater source heat pump system under different recharge well methods by mathematics and statistics software and it finds the analysis outcome of heat transfixion quantity performance under different recharge well methods.
4. Water quality analysis under the influences of groundwater source heat pump
This thesis analyzes the conditions of 7 monitoring points show that, no harmful effects to the quality of groundwater happen during years'operation of groundwater source heat pumps.
(1)沈阳城区水文地质模型
本文通过GMS软件,对大量地质数据进行分析,构建了沈阳城区地质三维可视化模型。根据沈阳实际情况、研究需要和相关资料分析,将地下水含水层Q。和Q。概化为一个含水层,通过软件模拟分析确定了沈阳城区绝大部分地区地下水埋深均在10m以上、浑河以北大部分区域上更新统底板以上含水层厚度在20-40m之间。计算了研究区域各个分区的地下水渗透系数等相关因素,分析计算了研究区的地下水补给水源。
(2)地下水流动力场模型
通过对研究区内水文地质模型的分析,依据地下水水流特征,结合研究区的水文地质条件,建立沈阳中心地区地下水流数学模型。运用Aqua3D软件进一步建立模拟模型,并对该模型进行识别和验证,分析了研究区地下水汇源项的组成。结果表明,浑河占沈阳地下水补给量的55.29%,是沈阳地下水补给的重要来源；整个市区内地下水位变化幅度在26-49m之间,地下水水位具有东高西低的特征。另外本文还探讨了枯水期与丰水期的地下水水位差异及其原因,并对2015年研究区的地下水位等作出科学分析和预测。
(3)地下水温度场模型
在区域地质模型分析和地下水流动力场模型分析的基础上,并运用Aqua3D软件建立了沈阳中心城区地下水温度场模拟模型,对该模型进行识别和验证,并对沈阳未来2015年的地下水水温进行科学分析预测。最后,本文对不同回灌井方式的地下水源热泵系统的热突破时间、热突破距离和用水量的关系应用数学统计软件做了初步探索分析,得出不同回灌方式下地下水源热泵的热贯通量性分析结果。
(4)地下水源热泵影响下的水质分析
7个不同监测点的水质状况统计分析结果表明,地下水源热泵的多年运行并没有对地下水水质产生不良影响。
New energy technologies have gained widespread attention and concern as energy issues become increasingly serious. Groundwater heat pump technology is a technology approach of sustainable use of low-temperature geothermal resources. At present, many cities are striving to develop new energies and new technologies. Several improvements and successes have been achieved in the application of groundwater heat pump. However, as a newly emerging technology and due to researches related to energy, hydrogeology, water resources, and mathematics, etc, problem like the heat through of water source heat pump can only be judged by practical experience in the application of groundwater heat pump technology. It also leads to the slow development of the study of relevant theoretical guidance and the lack of theoretical guidance for groundwater heat pump technology. Thus, this thesis carries out a preliminary study on this problem by selecting Shenyang city zone as the scope of the study. It hopes to offer a few commonplace remarks by way of introduction so that others may come up with valuable opinions and make contributions as well as provide references to researches in groundwater hydrodynamic, temperature, and thermal break in the future. The main contents are as follows.
1. Geological model of Shenyang city
Through large amounts of analyses of geological data by GMS software, this thesis establishes the 3-dimensional geological visualization model of Shenyang city and it summarizes groundwater aquifers Q3 and Q4 as one aquifer according to the actual conditions of Shenyang city and the study characteristics of this thesis. By analyzing related data, it finally figures out the underground water depth is 10meters of Shenyang city. UpperPleistoceneseries floor above isoline of aquifer thickness between 20 to 40 meters in north of River Hun of Shenyang city. The thesis also computes relevant factors like water permeability coefficient in each study area and the water supply of groundwater in study areas.
2. Model of groundwater flow field
By studying the results analysis of the hydrogeological model of the area, this thesis establishes the mathematical model. And establisheof the groundwater flow of centre district of Shenyang by using Aqua3D software. Then the model was identificated and verificated. Analysis of the research area of groundwater composed. As a result that River Hun is the major groundwater supply of Shenyang district, with a proportion of 55.29% in the total water supply. The groundwater level of the whole Shenyang city ranges from 26 to 49 meters and it shows a characteristic of higher in the east and lower in the west. The thesis analyzes the differences of groundwater levels and the reasons of wet periods and dry periods. It also makes a scientific analysis and prediction of the groundwater level of the study area in 2015.
3. Groundwater temperature model
On the basis of regional geological model analysis and groundwater flow field model analysis, the groundwater temperature mathematical model of Shenyang centre city district is established and a numerical simulation model is also established by using of Aqua3D software. The identification and verification to the model is then conducted along with the scientific prediction of the groundwater temperature of Shenyang district in the 2015. On the basis of that, it analyzes the relationship of thermal breakthrough time, distance and water consumption of groundwater source heat pump system under different recharge well methods by mathematics and statistics software and it finds the analysis outcome of heat transfixion quantity performance under different recharge well methods.
4. Water quality analysis under the influences of groundwater source heat pump
This thesis analyzes the conditions of 7 monitoring points show that, no harmful effects to the quality of groundwater happen during years'operation of groundwater source heat pumps.
引文
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