河南浅层地热能开发利用环境影响研究

中󰀁国󰀁矿󰀁业

CHINAMININGMAGAZINE

󰀁Vol󰀁18,No󰀁5

May󰀁2009

河南浅层地热能开发利用环境影响研究

赵󰀁静,闫振鹏,邵景力,崔亚莉,刘新号,田良河

1

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2

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(1.中国地质大学(北京),北京100083;2.河南省地质调查院,河南郑州450001)

󰀁󰀁摘󰀁要:地下水源热泵系统是浅层地温能开发利用的一种主要方式,近年来在国内被广泛推广。本文结合河南省郑州市儿童医院地下水源热泵实际工程,应用HST3D程序研究了该工程运行后对地下水环境所产生的影响。模拟结果显示,工程运行8年来地下水温度有微弱上升,其中离回灌井较近的3号抽水井温度上升了0󰀁5度,离回灌井较远的6号抽水井温度上升了0󰀁2度,与实际水温变化基本一致。󰀁󰀁关键词:地热,HST3D,热运移,数值模拟,郑州

󰀁󰀁中图分类号:P968󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1004-4051(2009)05-0045-03

Impactofshallowgeothermalresourcesdevelopmentin

Henanongroundwaterenvironment

ZHAOJing1,YANZhen󰀁peng2,SHAOJing󰀁li1,CUIYa󰀁li1,LIUXin󰀁hao2,TIANLiang󰀁he2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China;2.HenanInstituteofGeologicalSurvey,Zhengzhou450001,China)

󰀁󰀁Abstract:Thegroundwatersourceheatpumpsystem,oneofthemainwaysofshallowgeothermalre󰀁sourcesdevelopment,isbeingwidelyusedinChinatheseyears.ThispapertookagroundwatersourceheatpumpprojectinZhengzhouCityasacase,andstudiedtheimpactofshallowgeothermalresourcesdevelop󰀁mentongroundwaterenvironmentthroughnumericalmodelingofHST3D.Theresultsshowedthatthegroundwatertemperaturehadrisenslightlyaftertheprojecthadrunforeightyears.Ithadrisenby0.5Celsiusdegreeand0.2CelsiusdegreerespectivelyinthepumpingwellNo.3,whichisrelativelyneartotheinjectionwells,andinthepumpingwellNo.6,whichisrelativelyfartotheinjectionwells.Thesimu󰀁lationresultswerebasicallyconsistentwiththeobserveddata.

󰀁󰀁Keywords:geothermalresources,HST3D,heattransport,numericalmodeling,Zhengzhou

󰀁󰀁我国地热资源丰富,储量居世界第二位。作为

一种环境友好的新型能源矿产,近年来人们日益认识到地热开发的潜在价值,国内的地热能源开发利用以每年10%的速度在增长。地下水源热泵系统是一种新兴的浅层地热能利用技术,最早源于欧美等发达国家,近10年在我国得到了迅速发展,目前我国至少有20多个省(市、自治区)正在推广该项技术。它以地下水作为载体,将浅部含水层(埋深小于200m)中的地下水抽出进行采能,然后再将其回灌到地下。

收稿日期:2009-01-29

基金项目:河南省国土资源厅科技招标项目(豫财招标采购(2006)26402号)

作者简介:赵󰀁静(1980-),女,安徽黄山人,在读博士,主要从事水资源评价与管理、热运移模拟以及水文遥感方面的研究。

[2]

[1]

󰀁󰀁系统的运行会改变原有的地下水流场和温度场,从而影响采能系统的功效以及地下水环境[3-7]。本文以河南省郑州市儿童医院地下水源热泵系统为例,在实际观测数据较少的前提下,应用HST3D2󰀁0程序

[8-9]

进行地下水观测水位和水温的

拟合,确定该区域的水文地质参数、抽灌井的工作模式以及相应的抽灌量,并分析系统运行以来对地下水环境所产生的影响。1󰀁工程概况

󰀁󰀁郑州市儿童医院地下水源热泵工程共有生产井6口,抽灌井设计运行模式为两抽、四灌。其中,3#和6#为抽水井,1#、2#、4#和5#为回灌井,3#井同时用作水位和水温观测。井的位置分布如图1所示。工程于2000年11月投入运行。夏季运行时间一般自5月下旬至9月下旬,全天运行;冬46

中国矿业

第18卷

季运行时间一般从11月中旬到次年的2月中旬,全天运行。设计单井最大抽灌水量为2400m/d。

3

采用定温回灌,冬季回灌水温度为17󰀁,夏季回灌水温度为31󰀁5󰀁。

图1󰀁网格剖分及抽灌井位置分布图

2󰀁模型建立

󰀁󰀁参照钻孔岩性资料和水位长观资料,将地下9~100m的岩层概化为6层。其中,主要的取、注水含水层为3层,自上而下依次为粉砂层、粉砂层和细砂层,相应厚度分别为1󰀁3m、5󰀁1m和8󰀁9m。相邻含水层之间均为粉土和粉质粘土层。研究区水力坡度约为5󰀁,方向为北偏东45度。󰀁󰀁鉴于工程运行特征及实际含水层结构,将该地下水流系统概化为水平结构、非均质、各向异性、三维非稳定流系统。通过灵敏度分析,平面上的模拟范围定为1000m󰀁1000m。网格剖分采取不等距离散化,靠近井群区域加密,向外逐渐变疏。平面上最小网格间距为5m,最大为50m;垂向上最小网格间距为1m,最大为10m。x、y方向上均离散为67个节点,垂向上总节点数为24个。整个研究区共剖分成107736个节点,100188个单元,网格剖分情况见图1。

󰀁󰀁模拟区四个侧面概化为定水头、定温度边界;顶底部均为粉质粘土层,故概化为隔水、定温度边界。边界温度与初始温度均参照当地多年平均气温取值,定为15󰀁。

󰀁󰀁模拟期定为2000年11月10日至2008年11月10日。其中每年11月到次年11月又分为4个应力期,分别为供暖期、停运期、制冷期和停运期,共有32个应力期。

3󰀁结果分析

󰀁󰀁通过3#井的水位埋深拟合和温度拟合(图2),最终确定的各参数分区水文地质参数和热物理参数如表1所示,其中热物理参数参照了相应土样实测数据,由南京大学地球科学系测定。地下水的相关参数按20󰀁左右的值选取:比热容为4182󰀁0J/kg󰀁󰀂,热导率为0󰀁59W/m󰀁󰀂,热膨胀系数为2󰀁0󰀁10󰀁,粘滞系数为0󰀁001Pa󰀁s。系统的运行状态如下:冬季供暖期,6口井同时

-4

-1

图2󰀁3#井水位埋深和温度拟合结果

第5期赵󰀁静等:河南浅层地热能开发利用环境影响研究表1󰀁各参数分区水文地质参数及热物理参数

47

层位序号123456

岩性粉砂粉土粉砂粉土细砂

粉质粘土粉土夹层

渗透率X/Y(m2)1󰀁6󰀁10-115󰀁0󰀁10-121󰀁8󰀁10-115󰀁0󰀁10-122󰀁0󰀁10-115󰀁0󰀁10-13

渗透率Z(m2)5󰀁0󰀁10-1󰀁0󰀁10-5󰀁0󰀁10-1󰀁0󰀁10-1󰀁0󰀁10-5󰀁0󰀁10-131413141215

孔隙度0󰀁200󰀁200󰀁200󰀁200󰀁200󰀁20

比热容(J/m3󰀁󰀂)3󰀁30󰀁1063󰀁15󰀁1063󰀁30󰀁1063󰀁15󰀁1063󰀁30󰀁1063󰀁00󰀁106

热导率(W/m󰀁󰀂)

1󰀁321󰀁151󰀁321󰀁151󰀁321󰀁20

纵向弥散度0󰀁810-31󰀁010-31󰀁010-4

横向弥散度0󰀁210-40󰀁310-40󰀁310-5

工作,3#、6#井抽水量均为90t/h,1#、2#、4、5井回灌量均为45t/h;夏季制冷期,仅2、

3#井工作,抽灌量约为30t/h。温度拟合效果较好,其中误差小于5%的占43󰀁5%,误差介于5%到10%的占46󰀁4%。最大误差为16󰀁3%。󰀁󰀁图3给出了系统运行以来,抽水井温度随时间变化的模拟结果。从图中可以看出,2口抽水井的温度均有较小幅度的上升。3#抽水井距离2#回灌井比较近,因而受到回灌温度的影响比较大,在制冷期温度上升速率较快,最高达到23󰀁4󰀁,在供暖期温度下降速率也较快,最低达到17󰀁3󰀁左右。

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受地下水天然流场的影响,在系统停运期温度持续下降,但下降速率变缓。系统运行8年来,3井

地下水温度上升了0󰀁5󰀁。6#抽水井距离回灌井比较远,因而受到回灌温度的影响比较小,再加上其位于地下水天然流场的上游,更加减缓和削弱了回灌温度对它的影响。与地下水初始温度相比,整个运行周期内其温度起伏不超过1󰀁,系统运行8年来其温度上升仅为0󰀁2󰀁。总体而言,系统运行8年来,对地下水环境产生了微弱影响,使得地下水温度有小幅度上升,这与实际观测结果基本一致。

#

图3󰀁(a)3#抽水井温度随时间变化;(b)6#抽水井温度随时间变化

4󰀁结论

󰀁󰀁以郑州市儿童医院水源热泵实际工程为例,通过数值模拟,确定了该区域的水文地质参数、实际工程中抽灌井的运行状态以及实际抽灌量,并分析了系统运行8年来2口抽水井的温度变化,其中离回灌井较近的3抽水井温度上升了0󰀁5󰀁,离回灌井较远的6#抽水井温度上升了0󰀁2󰀁,其结果与实际温度变化基本一致。模型的模拟结果证实了水源热泵系统的运行会对地下水环境产生影响,为进一步开展浅层地热能评价,进而科学指导浅层地热能的可持续开发利用提供了参考。

#

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(下转第52页)

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中国矿业

143-147.

第18卷

煤矿采空区土地开发利用适宜性评估的重要指标;其次是采空区体积、煤层埋藏深度;采空区面积、节理裂隙、岩土体承载力及煤层层数等,也是较重要的评估指标。煤矿采空区土地开发利用适宜性评估,是煤矿区土地开发利用评估及沉陷区治理研究中的一个新的、重要的研究方向。评估指标体系的研究,不仅解决了从什么方面来描述和度量煤矿采空区土地开发利用适宜性,而且确定了各层次评估指标的权重,该项研究是实现煤矿采空区土地开发利用适宜性定量评估的基础。

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知识窗

采矿权申请人申请办理采矿许可证时,应当向登记管理机关提交哪些资料?

󰀁󰀁

(1)申请登记书和矿区范围图;(2)采矿权申请人资质条件的证明;(3)矿产资源开发利用方案;(4)依法设立矿山企业的批准文件;(5)开采矿产资源的环境影响评价报告;(6)国务院地质矿产主管部门规定提交的其他资料。