浅层地热资源应用与研究报告

正文第1章前 任务来 目的任 以往工作及研究程 工作方法及完成工作 工作质量评 第2章依托项目进展概 依托项目概 本项目与依托项目关 第3章自然地理及地质环 自然地 区域地 区域水文地 第4章浅层地温地质条 地温场特 浅层地温 浅层地温能资 第5章浅层地温能开发利用现 浅层地温能开发利用现状及发展趋 工作区浅层地温能开发利用现 第6章工作方法及技术要 工作量布 施工方 技术要 施工质量评 第7章浅层地温能野外测试成 热响应测试成 现场流速试验成 群井采灌试验（乡居假日试验观测点 第8章数值模型建 竖直地埋管数值模 群井采灌数值模 第9章结论与建 结 建 附图序号图号图名 附表 11231附件 1唐山市浅层地热利用水热模型及软件研1任务来根据唐山市浅层地温能开发利用的需要，唐山市资源局出资委托我单位开展唐山市浅层地温能评价工作，工作区为唐山市及辖区，总面积4540km2。工作将收集整理全区环境地质、水文地质及第四验和水抽水回灌试验，取得浅层地温资源参数，评价浅层地温资源浅层地热资源应用与研究工作是唐山市浅层地温能评价工作的延深，根据国内外多年研究，水流场对地埋管换热系统热交热物性特征而不考虑水流场问题，会导致误判而使换热空间出本项目由河北省地矿局第二地质大队和吉林大学建设共试验参数，由吉林大学建设进行后期的模型研发工作，最后由目的任工作目通过各种现场试验，研究地源热泵运行过程中温度场的变化，以及水渗流、地层条件对换热效率的影响，研究最优的埋管数量、垂直地埋管换热软件为唐山市水地源热泵的优化设计提供理论基主要任1、通过试验对水换热系统热源井在不同抽灌量、不同间距情抽灌井空间布置、间距及抽灌井与水流动方向的关系对温度场2、通过试验对垂直地埋管换热器在一定地质条件和水渗流场以往工作及研究程以往区域工作情行过区域地质、水文地质普查、环境地质和地质研究等工作，但针对浅层地温资源的评估工作刚刚开始，程度很低。以往主要地质勘查成果资料见表1。以往主要成果资料一览 表序项目名比例工作单位或编制时1唐山幅区域地质报1/2021/1031/1041/5051/56河北省唐山市1/207（2006-201089唐山市区浅层地热能评对以往工作的评地质依据。但浅层地热能专项的、评价、区划等方面的工作刚刚开本次以唐山市浅层地温能评价工作为依托，在区域、评价和区划的基础上开展此区域地埋管换热和水抽灌的试验研究，对本对部门规范管理和利用浅层地热资源、保护地质环境，实现科学规制度化的必由。工作方法及完成工作工作方1、流场影响地埋管试验工以模拟不同流量的水流场，并进行示踪试验，确定水流速，并2、群井采灌试验工灌时间、抽灌井空间布置、间距及抽灌井与流动方向的关系对完成工作本项目设计及完成工作情况见表2工作量完成情况 表类项单设计工作完成工作完成情况m/m/组44次44点项11次项11工作质量评件同时获得水换热系统不同情况下的监测数据建立了数值模型，2章依托项目进展概依托项目概项目介根据唐山市浅层地温能开发利用的需要，201310月唐山市资源局启动唐山市浅层地温能评价工作2014年6月河北省地矿局第二地质大队中标，成为唐山市浅层地温能评价项目（以下简称依托项目）的承担单位，中标价198.1877万元。工作起止时间：2014720156月和曹甸区（包括曹甸工业区、南堡经济开发区、唐海镇）等城建区列为重点区，面积750km2，其它地区为一般区，面积（范围及主要工作量位置见图1）依托项目工作目标是通过工作，初步查明唐山市平原区200m深度以内的岩土体热物性特征，初步查明区浅层地温能资源潜力，项目进展情5750km2,1：103350km2）；勘查孔2个、总进尺400m、总成井270m；地埋管井4个，总进尺及成井均400m；物探测井（包括井温、岩土常规土工试验150件，热物性试验150件；抽水试验2组，回灌试目前为止依托项目野外工作已经全部完成目前为止依托项目野外工作已经全部完成，成果报告正处阶段本项目与依托项目关本次试验以《唐山市浅层地温能评价》项目为基础，地埋管换热孔应用其DZK3DZK5本项目只在其周围施工地温及水位观测孔；抽水孔应用其SZK1、SZK2孔，在每孔附近施工1个示踪剂投入1个水观测孔两项目有机结合，不但可以节约工作量，节约投入，而且对唐3章自然地理及地质环自然地地庄村村北和曹甸区唐海镇四场六队扬水站东侧。交1、水源热泵监测场地位于市区通往丰润的112国道东侧，距离市区较近，同时距北侧京哈高速1.3km，场地四周公路网交错，交通便利2、韩城镇地埋管试验场地位于唐山西环高速西侧1.5km，北侧据京哈高速8.0km，同时本区距离市区较近，场地四周公路网交错，交通便3、唐海镇地埋管试验场地位于唐曹高速西6.0km，沿海高速交通位置概况2。地形地、韩城镇地埋管场地位于山前倾斜平原区冲洪积倾斜平原亚区的滦河中晚更新世冲洪积扇的下部，地面标高21221.49m，地势较平坦，地形简单，地貌类型单一。图3地貌图）气象水1、气市气象局1956-2014年气象资料多年平均气温10.6最高气温（1972610日），最低气温-23.1℃（1983128日），十月霜期188天。2、水本区地表水体主要有还乡河、陡河和青龙河①还乡泉河头至城关折向西经铺七树庄再向南经田富庄白官屯燕子河等乡镇从燕子河乡三百户村南入玉田在宁河汇入蓟160km60km460km240m40m30.7359亿m500m/s②陡东汇入渤海。120km，流域面积为1340km2。③青龙陷坑，穿过京山铁路69号桥入丰南区王家河（丰南区称煤河），再汇平水期平均流量2.47m3/s。地方经久。经过一百多年的发展，唐山已成为重要的能源、原材料工业基区域地区域构项目区位于准地台之上，地跨马兰峪复式背斜和黄骅台陷两个三级构造单元（见表3）；基底断裂褶皱构造复杂，附近主要有大八里第四系厚度明显不同（见图4）。区大地构造单元一览 表ⅠⅡⅢⅣⅠ2准地Ⅱ2燕山台褶2Ⅲ7马兰峪复式背2Ⅳ27蓟县凹褶束2Ⅳ28开滦台2Ⅱ24 1、大八里庄断大八里庄以东近EW，以西SW，断层东段倾向SE，为逆断层，两侧第四系厚差500m。该断层规模大，活动性强，对区域构造起主导2、唐山断裂侧是唐山－丰南断裂，东侧发育唐山断裂，相距2～3km，其间为背斜3、车轴山向向约为NE60º，向斜轴面向北西方向倾斜。轴面与铅垂面夹角20º，枢急陡，倾角在65º-85º之间，一般70º。在向斜断裂构造发育，断层多与向斜轴方向一致。4、碑子院背地层完整性较好，背斜轴部呈NE-NNE向延伸。5、西南庄断位于唐海场地东南，该断裂总体NEE-NNE，倾向SSE-SEE，倾角切至古生代的地层，最大断距4500m。东营时期活动强烈，区域地本项目三个场地的基岩地层出露及厚度存在不同差别，分述如②青白口系（Qn）：厚度160m-230m，岩性主要为杂色页岩、含海①蓟县系（Jx）度3700m左右，岩性主要为燧石条带白云岩、④侏罗系（J）：厚度100-500m，上部安山岩，中部为紫红色泥灰⑥新近系（N）：厚度约700-4400m，局部沉积不连续。岩性主为泥岩、砂岩、砾岩等，呈半胶结状区域第四系地200m以浅第四系地层是浅层地热资源主要研究对象，水源热泵监测场地第四系厚度200m左右韩城镇地埋管试验场地厚度150m左右，唐海镇厚度500m左右（见图5第四系等值线图）。项目区第四系地层深50-150m，厚度120m，上部为棕黄色、黄色亚粘土及中细砂；下部为全新统（Q）：厚度小于40m淤泥质粘土及粉砂、细砂，砂层松散分选磨圆较好。区域水文地基岩含水①奥陶②寒武为HCO3-Ca·Mg，主要补给来源为上层越流和侧向径流补给。③蓟县系雾迷山岩等，总厚度1500m左右，从下到上分为1~4段，其中四段与新近系直第四系孔隙含水含水层自上而下划分为四个含水层组。（见图6-8）①第一含水层数多大于5000m2/d，单井出水量为2400～2880m3/d。含水体直接露水水力性质属潜水～微承压水类型。水矿化度多小于1g/L。滨海平原地区的含水岩性以粉砂细砂为主厚度小于10m10～单井涌水量为300～600m3/d降水补给条件较好但由于受潜水蒸发和海侵影响，其水质基本上全为大于5g/L的高矿化氯化钠镁型水。②第二含水层山前平原地区的第二含水层组亦呈扇形分布2～3套中细砂～，直入渗及水平补给条件较好水水质良好本含水层组的分布范围、，，水层组厚度的1/3～1/4。含水层以薄层细砂、粉砂为主，含水层组之间该组大部分水为氯化物-钠型高矿化咸水。，③第三含水层裙。本含水层组，由3～4套中细砂～中粗砂～砾石、卵石(或含砾粗砂)岩性韵律构成，但含水层组下段砂砾石、卵石不同程度的风化，单井涌水量为4800～12000m3/d，扇间地带为2400～4800m3/d。滦河冲洪条件较差，单井涌水量为1200～2400m3/d，局部小于600m3/d。④第四含水层水堆积所形成的3～4套中细砂～含砾中粗砂岩性韵律构成。其展布形土相隔，在山麓前缘地带，一般以厚层粘土与前第四纪地层呈不整合4800m3/d，局部1200～2400m3/d。补给区，故侧向径流微弱。单井涌水量以1200～2400m3/d600～1200m3/d为主。补径排特第四系孔隙水的总体流向由北东向南西，水力坡度一般1-2‰。由于人工开采形成水位降落漏斗，局部改变了水的天然流场，在漏斗侧向径流及潜水蒸发。潜水面的自然蒸发主要发生在水位埋藏较浅水化学特冲洪积倾斜平原区水化学类型绝大部分为HCO3-Ca和HCO3-型，矿化度小于0.5g/L滨海平原区上部咸水水化学类型由HCO3-Ca•Na过渡为Cl-Na•Mg，矿化度由北向南逐渐增大1-5g/L甚至大于5g/L下部淡水HCO3-型，矿化度一般0.5g/L，偶见大于1g/L。（见图8剖面图4章浅层地温地质条地温场特唐山市冻土深度小于1.0m，恒温层大约深度25m，恒温带以上地随季节变化，恒温层温度约12.5-13.5℃，恒温层以下第四系松散沉积（200m以浅）地温随深度增加而升高，地温梯度1~1.5℃/100m，同深度滨海平原区比山前倾斜平原区地温高1-2℃（1~1.5℃/100m）浅层地温浅层地热能是指蕴含在地表200m以内，温度保持恒定不超过25℃25%60%的能源。因此，浅层地热能是一种可再生的新型环保能源，浅层地温能资岩土体热物项目区地表被第四系地层所覆盖，200m深度范围内岩性只要为粉质粘土与粉细砂互层，韩城地埋管试验场地200m范围内岩土体的平韩城镇钻孔岩土体热物性指标统计 表4-率（10-56.5-79.5-89.2-97.4-唐海镇钻孔岩土体热物性指标统计 表4-（10-（10-浅层地温资源利用适宜1、韩城地埋管试验场地表被第四系地层所覆盖，厚度150m，岩性主要为粉质粘土、粉2、唐海地埋管试验场地表被第四系地层所覆盖，厚度500m，岩性主要为粉质粘土、粉土、粉细砂，含水层累计厚度大于100m，又由于本地区四季分明，具3、水源热泵监测场地表被第四系地层所覆盖，厚度200m，岩性主要为粉质粘土、粉大，水丰富、径流条件好，同时本区四季分明，具有冬季取暖和5章浅层地温能开发利用现浅层地温能开发利用现状及发展趋国外开发利用现用于开发浅层地热能的热泵技术是1912年由人，1946年第一个热泵系统在俄勒冈州诞生。20世纪80年代后期，热泵技而受到广泛关2005年，全世界有33个国家已安装了130万台源热泵装置，总装机15723MWt20002.98倍，合每年增长24.4%56.5%3.8倍。利用热泵技术开发利用浅层地热能较好的国家有、瑞典和德国，已有大量装机的国家有、奥地利、法国和荷兰，开始重视和推广应用的国家有中国、、俄罗斯、英国等。热泵增长较快的主要还是在和欧洲地区。如，到目前为止已安装了40万台，而且每年以10%的速度稳步增长。其地源热泵工业已经成立了由能源部、环保署、爱迪逊电力及众多地源热泵厂家组成的地源热泵该在近年中将投入一亿从事开发研究和推广工作。国内开发利用现我国1965年研制成功国内第一台水冷式热泵机组，随后发展缓慢直到20世纪80年代末相关领域才开始了一些研究在热泵模型仿真、古、山东、、、湖南、等省也都开始了开发利用浅层地热数量较多，占总工程数量的78％。规，促使我国在这方面有了较大发展。据不完全统计，利用（深、8000万m2，每年正以约20％的速度增长，可以预计中国的地源热泵市均单个项目就达到12万m2。工程越大对环境的要求越高，换热系统大量集中在一个地块，对环境的要求影响都很高，长期运行后，在中心部位的空间出现冷堆积或热堆积，换热能力大大下降，必埋管回填时不保护隔水层出现含水层破坏，水换热系统因为回灌率低造成水枯竭。实际上不少项目在运行3年左右的时间后的出现不仅是造成巨大的浪费，重要的是对地质环境构成难以恢复浅层地温能开发利用趋建筑节能和减少碳排放工作已受到世界各国的重视，2002年节能减排综合性工作方案（国发[2007]15号明确提出“推进地热能利用以及可再生能源与建筑的科研、开发和建设，加强资源评价。同时冀资发[2013]41号文中《河北省资源厅关于加快推进浅层地温能开发利用的意见》提出：加快浅层地温能资源评价，大唐山在具有较高的GDP的同时形成河北乃至能源消耗和碳排放的重点地区。在2009年哥本会议之后，唐山迅速制定了2009-2015年《新能源和可再生能源开发利用发展规划》。明确把浅层工作区浅层地温能开发利用现开发利用现详述工作区开发利用历史，目前开发利用规模和发展趋势开发中存在的问1、井群干扰及热突破的问2详述工作区浅层地温能开发利用中存在的主要问题和潜在问题6章工作方法及技术要工作量布布置依1、批准文冀地地审[2014]43号“河北省地矿局关于《唐山市浅层地热能资源应用与研究设计》的”。2、执行的规范规①《浅层地热能勘查评价规范》DZ/T0225-②《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-③《供水水文地质勘查规范》GB50027-④《供水管井技术规范》GB50296-⑤《岩土工程勘察规范》GB50021-2001布置原1、本项目由河北省地矿局第二地质大队和吉林大学建设得试验参数，由吉林大学建设进行后期的模型研发工作，最后2、本项目与《唐山市浅层地温能评价》工作相结合进行。试验场地的选择充分考虑不同换热方式适宜性和不同地貌单元代表性。地埋管的试验场选择唐山市路北区韩城镇庄村村北和曹则只选择位于山前冲洪积倾斜平原区上部水换热适宜区的丰润区本项目投入主要工程为：不同水流畅条件下的热响应试验、群工作量完成情本项目设计在热响应试验主孔周围施工1个示踪剂投入孔兼水观测孔，后期施地条件好，分别施工地温观测孔和示踪剂投放孔，钻探工作量由1000m增加至1561m，均超额完成。本项目设计及完成工作情况见表5工作量完成情况 表类项单设计工作完成工作完成情况m/m/组44次44点项11次项11施工方流场影响地埋管试验工本次试验以《唐山市浅层地温能评价》项目为基础，地埋管换热孔应用其DZK3DZK5本项目只在其周围施工地温及水位观测孔；抽水孔应用其SZK1SZK2在每孔附近施工1个示踪剂投1个地资料收②收集《唐山市浅层地温能评价》项目SZK1、SZK2、DZK3和本项目收集主要资料见下本项目收料一览 表序项目名比例工作单位或编制时11/1021/1031/54（2006-20105唐山市区浅层地热能评678钻投入孔及水观测孔。共计施工钻孔12个，总进尺1561m。钻孔概况见表7、位置见图4-1、4-2。钻孔布①热响应试验主与水流场人工干预抽水孔之间的距离为：韩城工地23.5、唐海工地49，且在抽水孔与水位观测孔中间，三孔的连线平行于水流向，抽水孔在下游，观测孔在上游。②热响应试验地温观测热响应试验地温观测孔布置呈T型，其中垂直水流向一侧和试验主孔下游观测孔距主孔距离为1.0m和3.0m，主孔向水流向相反一侧观测孔距主孔距离为2.0m。钻孔概况一览 表勘查类位钻孔特标坐孔深工作量钻性备XY设实10个孔。12个孔，（付孔曹甸区（付孔采灌孔（主孔/曹甸采灌孔（主孔/80施工方①热响应试验主②水流场人工干预本项目水流场人工干预孔中的抽水孔，依托“依托项目”的抽③地温观测A、钻孔：采用Φ250mm全面钻井换浆，正循环、廻转钻进工艺成孔，成孔深度：韩城试验点102m，唐海试验点156m。B、换浆：钻孔终孔后进行换浆，将孔内泥浆换成不大于18秒的优经与特聘协商，决定在传感器未到之前，先下入Φ50-65×3mm镀30cm，孔径Φ6mm，下管前包90目尼龙网一层。度与标准温度计的温差不大于0.5℃为宜。加传感器位置④水观测A、韩城镇试验点采用ykc-300型冲击钻进工艺成孔成孔直径500mm下入Φ270mm101.99（滤料采用Φ3-5mm磨圆度较好的天然砾石，下管前掏浆，使泥浆粘度小18秒。25m以上用粘土止水（见图），成井后用活塞水泵联合洗井B、唐海镇试验点利用SPJ-300型水井钻机，廻转正循环成孔，成孔直径500mm，井84-180mm76m0-长度84m。成井利用段90.02-155.26m（与抽水主孔SZK2相同）。滤料采用Φ2-4mm磨圆度较好的天然砾石。下管前充分换浆，使泥浆粘度不⑤示踪剂投入A、韩城镇试验点该试验孔与抽水主孔距离为7.0m，成井方法、投料、止水同水B、唐海镇试验点井管利用Φ180mm高强水泥管，投料、止水同S3孔，成井深度156m，物探测本次测井工作于2014410日-12井温测井、视电阻率测井（测定底梯电阻率和电位电阻率）和三侧向井。本项目分别对施工8个地温观测孔和2 水抽水观测孔进井工作，各项测井分别为1000m。地反应地层温度，井温测量应在钻孔成孔24-48小时以后进行。本次井温测量采用“重庆地质仪器厂”生产的JBS-1（Ⅱ）型数字测井站完成本项目地温观测1000m。的JBS-1（Ⅱ）型数字测井站完成，电脑自动信息自动成图，累计1000m3、三侧向测层的重要方法。仪器采用“重庆地质仪器厂”生产的JBS-1（Ⅱ）型数测井站完成，电脑自动信息自动成图本次进行三侧向测井1000m现场热响应试①工作量布场试验点选择在该项目已完成的水或地埋管换热系统的适宜区。具体地点为：唐山市路北区韩城镇庄和曹甸区唐海镇四场六队，两个试验点均已做了水自然流场下的热响应试验，资料可借用，本工程只做水流场人工干扰下的热响应试验。②试验仪器设试验设备采用“HQ-H2浅层热响应试验站成，试验数据采用自助记录仪完成，记录的时间间隔为3分钟。井中水位和水量观测仪器同流速试验③施工方A、岩土平均初始温度测孔安装完成后在PE管内充满水，足够时间后，PE管内的水与岩土体水温变化，从而分析岩土体的温度，测试具体参数见表8。图 无功循环法测试岩土初始平均温无功循环法测试参数 表流不间断测试数据记录周B、稳定热流测规定，测试过程必须连续不间断。测试具体参数见表9。稳定热流测试参数 表加热功加热功率波流不间断测试数据记录周C、稳定工况测稳定工况测试包括夏季工况测试和冬季工况测试定初始参数见表10。稳定工况（夏、冬季）测试参数 表工入水温流不间断测试数据记录周6、水流速测①仪器设抽水工具采用175QJ50-60型潜水电泵，水位观测采用MGTL-C系列超声波液位仪，井水电导率测量采用电导率、温度分析仪，记录采用MGTR-5020.3G终端机自助记录记录间隔时间为20分钟。水量计量采用MGTR-C系列超声流量计和低压水表共同观测记录。②韩城试验求做两次降深的流速试验，降深分别为S大=5.96m、S小=2.15m。A、S大降深流速试抽水主孔20时00分开始抽水出水量投盐时间2917001720分，共20分钟。投盐量300kg，经计算食盐在投盐井水中的浓度为18.66%。试剂初始到达时间2014年11301530分，峰值到达时间121130分。试验时的各井水位降深：抽水井5.96m，投盐井3.30m，相对水力梯度I=0.38。投盐时抽水井水电导率814.3us/cm，试剂初见时的电导率803.1us/cm，峰值时的电导率1023.7us/cm，以后电导率逐渐趋于平稳（降至790us/cmB、S小降深流速试抽水主孔于2014年11月1日8时抽水，出水量23.37m3/h，到时动水位基本稳定。投盐时间日 分，共投10初始到达时间11月6日20时00分，峰值到达时间8日10时00分，试验时各井的水位降深：抽水主井2.15m，试剂投放井1.35m。相对水力坡度I=0.114。投盐时的电导率785.3us/cm，试剂初见时的电导率至785.6us/cm以下）。③唐海试验2.8m求做两次降深的流速试验，降深分别为S大=17.58m、S小=4.82m。A、S大降深流速试14时动水位基本稳定后开始投盐，投盐时间614001420300kg试剂初始到达时间2015161751分，峰值到达时间61956分。试验时的各井水位降深：抽水井17.58m，投盐井7.05m，相对水力梯度I=3.76。投盐时抽水井水电导率829.5us/cm，试剂初见时的电导率897us/cm，峰值时的电导率962.3us/cm，以后电导率逐渐趋于平稳（降至820us/cm以下）。B、S小降深流速试抽水主孔于2015268时抽水，出水量8.1m3/h12动水位基本稳定。投盐时间614051412分，共投07分钟。投盐量500kg，经计算食盐在投盐井水中的浓度为18.45%。试剂初始到达时间271400分，峰值到达时间80449分，试验时各井的水位降深：抽水主井4.82m，试剂投放井2.91m。相对水力坡440us/cm峰值时的电导率664.3us/cm，以后电导率逐渐趋于平（降至440us/cm群井采灌试验工建设面积约155m2，目前已建成区域分4个组团共44.5m2，相当于总规划规模的1/4。全部采用水源热泵系统供冷供暖，自2011年开始4个地块。根据本场地已有水源井群的布置，选取23水井为监测井，其中源井21井，饮水井2井。在近一年的运行时间内，对监测井的温度水量和水位进行监测，共计测井次数2300次，各区块监测井位置见图12、表11。“乡居假日”小区各地块监测井一览 表水井特A1地（冬夏两用A3地（冬季使用A4地（冬季使用A5地（冬夏两用饮水1、4、76912124、7、1、24953223注：加“11模型及软件研后由“吉林大学建设”完成，共完成群井采灌试验模型和垂直应用BERKELEY国家开发的TOUGHREACT软件模拟灌井空间布置、间距及抽灌井与流动方向的关系对温度场的影的数值模型对地源热泵中主要用到的垂直U型地埋管换热器进行模拟研究，开发垂直地埋管数值模拟软件，并进试，研究地源热泵运行技术要本项目各项工作均严格按照相关规范、规程执行，根据施地的钻地温观测唐海试验点156m。终孔口径不小于110mm，要求钻孔铅直。②下管前泥浆粘度不大于18秒③下入Φ50-65×3mm镀锌铁管，水位以下部分下入滤水管孔隙率不小于1.0%。验点选用Φ0.5-1.0mm中粗砂，唐海试验点选择粘土，回填应连续慢速⑤下管后应立即洗井使沉淀不大于0.5m以利于传感器下入⑥水位以上部分，在地温观测孔边别处打孔下入温度传感器⑦每孔传感器下入位置90m、95m、115m、135m、160m水位观测①韩城试验点：采用冲击法钻进，不取芯成孔，韩城工地孔106.5m；唐海镇试验点采用全面廻转钻进工艺成井，孔深160m②钻孔终孔孔斜不大于1°③下管前孔内泥浆粘度不大于18秒韩城270mm180-270mm。⑤钻孔直径大于井管直径200-300mm⑦根据水文地质条件采用粘土止水示踪剂投入成井方法、投料、止水同抽水主孔现场热响应试基本要①试验主158m，管材为Φ32×3mm单UPE管。②降深要仪器设①试验设采用“HQ-H2型浅层热响应试验站”完成，试验数据自动记录并存入电脑，记录间隔时间为3分钟。②本项目各项试验数据均采用自动记录和传输系统完成，采A、流量：MGTR-C系列超声流量计，精度小于±1%MGTC-1mmC、数据记录采用MGTR-4020G终端。记录间隔为3分钟试验要有关进行操作，同时减少水平连接管段的长度以及连接过程中的弯备受日晒雨淋的影响，造成测试元件的损坏，影响。③试验应该在测试埋管安装完毕至少48h后进行⑤观测0.51.02/次，观测精度为.0.℃。流速试孔本项目流速试验设计试剂投放孔与主孔的距离为3-7m唐海试2.8m，韩城试验点7m，孔深与成井结构与抽水主孔相同试为安全起见，本次流速试验采用食盐作为示踪剂试验降水位流量仪器导率、水温测量，采用电导率、温度在线分析仪，均用传输到室内终端电脑间隔均为20分钟。试验要的峰值，等曲线回归正常值4h后，即可结束试验。群井采灌试表说明书的要求，试验必须定期检查仪表运行情况，发现问题及时水温测量深度为0-120m，测点间距5-10m。监测2-5天统测0次，水量在运行期内测量。施工质量评本项目现场施工均严格遵守了相关规范、规程的规定依托工本项目部分钻探工作量依托“依托工程”的工作量，具体如下地埋管水流场人工干预①韩城场地Φ325×6mm，25m以上用粘土止水，效果良好。②唐海场地孔深160m，利用段91.02-155.26m，滤水管为垫筋缠丝滤水管，规格Φ325×6mm，84m以上用粘土止水（咸淡水界面72.78m），止水效热响应试验主①韩城场地孔深102m，成孔直径250mm，下入Φ32mmUPE管②唐海场地孔深158m，成孔直径300mm，下入Φ32mmUPE管。DE/T0225-2009和《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005的相关自然流场下的热响应试试验设备采用“HQ-H2浅层热响应试验站”完成，记录采用电脑自DE/T0225-2009的相关规定，资料可靠可作为本项目的资料。以上各项工程施工质量良好，可作为本项目相关试验的使用钻投入孔二个（S2=106.5m、S4=156m）；地温观测孔8个（D1-D8）、总GB50296-99和《地源热泵系统工程技术规范》GB50366-2005的相关规流速试其水位波动误差符合《供水水文地质规范》GB50027-20016.2.2条的规定，水的矿化度有较明显的峰度值，详见下表。流速试验测定概况统计 表抽水孔水位降投盐孔水位降抽水误误平误S(4.92-(2.94-1(8.1-1S(18.16-(7.17-(42.42-1S(2.17-(1.32-(23.55-S(6.08-(3.01-(60.87-现场热响应试6.4.4.1水流场人工干本项目水流场人工干预热响应试验做了两次降深的人工干预其降深相当于抽水试验的S1和S3，在试验过程中抽水孔和观测孔水位在一定范围内波动，水量稳定，符合GB50027-20016.2.2条的规定，水流场人工干预水位波动一览 表主孔观测孔水位降涌水备(最值-平均)/平误差(最值-平均)/平误差S(4.82-1(4.87-S(17.58-(4.87-S(2.15-(1.54-1S(6.02-1(4.97-6.4.4.2热响应试热响应试验设备为“HQ-H2型浅层热响应试验站”，记录采用电脑自动记录，其试验过程和温度波动均符合GB50366-2005附录C和DE/T0225-20095.4.4条的规定，详见下表：现场热响应试验温度波动统计 表点段试验内试验时稳定时结束时温度备进出SS唐海S试验内试验时稳定时结束时温度备进出S群井采灌试工程运行中观测冬季工况、夏季工况和自然状态下的水位、水温观测时间为2014313201542日，时间大于一个水测四个地块、23口井，观测质量符合GB50027-20016.2.2条规定。存在问题及解决方唐海试验场地S3孔在用粘土封孔时，由于开始投放粘土较快，咸7章浅层地温能野外测试成热响应测试成本次热响应试验测试结束后应用Gredaper软件对输出数据进行分析计算得出岩土平均初始温度、导热系数、特定流量条件下每延米地滦河冲洪积扇中部（韩城试验点自然流场条件下热响应试初始温度为15.62℃；稳定热流的岩土体导热系数=2.09W/m·K；夏季工况流量1.30m3/h的情况下换热量均值5.82kW，每延米换热量为57.01W；冬季工况流量均值1.3m3/h的情况下换热量均值2.25kW，每延米换热量为22.06W。小降深条件下热响应试测试孔岩土初始平均温度测试时间为201411111315:30，历时5225分钟18为测试孔地层初始平定在14.5471℃。通过对该时间段内的测试数据进行综合分析后，最终确定自然状态下岩土体平均初始温度为14.55℃。图 小降深地层平均初始温度测试曲B、稳定热流测测试时间:201411315:33~201411515:39，历486分钟根据曲线拟合结果，系数k=1.91，计算得岩土体导热系=2.07W/m·K图 小降深稳定热流测试地埋管进出水平均温度及对数拟合曲C、稳定工况（夏季工况）测17:004733分钟测试孔进水温度33℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：由图20可以得出，在测试开始运行至201411515:45，地试数据从201411603:48后为有效数据。在此时间段内，地埋管测试孔的进水温度均值33.22℃，出水温度均值29.37℃，进出水温3.85℃，进水温度与设定值偏差0.22℃图20 流量均值1.30m3/h的情况下测试孔换热量均值5.82kW，测试孔深测试孔稳定工况（冬季工况）测试中，测试时间20141113:39~2014111616:00，历时7421分，测试设定初始参数为地埋管换热孔进水温6℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：由图21可以得出，在测试开始运行至2014111401:42，测试数据从2014111401:42后为有效数据在此时间段内地埋管换热孔的进水温度均值7.18℃，出水温度均值5.70℃，进出水温1.48℃，进水温度与设定值偏差1.18℃流量1.3m3/h的情况下换热孔换热量均值2.23kW，换热孔深102m，因此每延米地埋管换热孔换热量为21.90W。图 小降深冬季工况测试地埋管换热器进、出水温度变化曲大降深条件下热响应试本试验场地大降深降深量为5.96m，水流速5.155m/dA、岩土平均初始温度测测试孔岩土初始平均温度测试时间为2014年11月28日8:36测试时间:20141218:39~20141239:33，历时小时54分钟。计算得岩土体导热系数=2.55W/m·K。17:004733分钟。测试孔夏季工况测试中，测试设定初始参数为地埋管测试孔进水温度33℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：出水温差3.86℃，进水温度与设定值偏差0.29℃。流量均值1.30m3/h管测试孔换热量为57.22W。D、稳定工况（冬季工况）测测试孔冬季工况测试中，测试时间2014121712199:39，历时4809分，测试设定初始参数为地埋管换热孔进水温度6℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：水温差1.49℃，进水温度与设定值偏差1.80℃。流量均值1.3m3/h的热孔换热量为22.18W。滨海平原（唐海试验点自然流场条件下热响应试初始温度为14.70℃；稳定热流的岩土体导热系数=1.66W/m·K；夏季工况流量1.30m3/h的情况下换热量均值7.31kW，每延米换热量为米换热量为23.83W。小降深条件下热响应试测试孔岩土初始平均温度测试时间为2014年12月28日年12月29日15:21历时27小时42分钟最终确定水流速测试时间:2014122915:24~20151112:57，历6933分钟。计算得岩土体导热系数=2.41W/m·K。测试时间2015129:50~2015146:50，历时45时35℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：出水温差5.12℃，进水温度与设定值偏差0.59℃。流量均值1.30m3/h管测试孔换热量为49.02W。D、稳定工况（冬季工况）测测试孔冬季工况测试中，测试时间20152614:09~20152819:21，历时5312测试设定初始参数为地埋管换热孔进水9℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：地埋管换热孔的进水温度均值8.99℃，出水温度均值6.77℃，进出水温差2.22℃，进水温度与设定值偏差0.01℃。流量均值1.3m3/h的情况下换热孔换热量均值3.36kW，换热孔深158m，因此每延米地埋管换热孔换热量为21.24W。大降深条件下热响应试本试验场地大降深降深值为17.58m，水流速11.667m/d。测试孔岩土初始平均温度测试时间为2015168:45测试时间:2015178:48~2015199:21，历时48小时33分钟。计算得岩土体导热系数=2.28W/m·K。C、稳定工况（夏季工况）测测试时间2015199:24~20151119:30，历时小时06分钟35℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：出水温差5.14℃，进水温度与设定值偏差0.07℃。流量均值1.30m3/h管测试孔换热量为49.26W。D、稳定工况（冬季工况）测测试孔冬季工况测试中，测试时间20152414:00~20152614:06，历时4806测试设定初始参数为地埋管换热孔进水9℃，流量为1.3m3/h，测试结论如下：地埋管换热孔的进水温度均值9.63℃，出水温度均值7.30℃，进出水温差2.33℃，进水温度与设定值偏差0.63℃。流量均值1.3m3/h的情况下换热孔换热量均值3.53kW，换热孔深158m，因此每延米地埋管换热孔换热量为22.32W。测试成果评两个场地不同条件下的测试时间及如表15、16所示： 流场条试验内开始时（年结束时（历韩城场地热响应试验计算数据统计一览 表15-流场条水流渗透系稳定工况夏季换冬季换唐海场地热响应试验时间统计 表16-流场条试验内开始时（结束时（历33475147394842274269334553122442483348064806唐海场地热响应试验计算数据统计一览 表16-流场条水流渗透系稳定工况夏季换冬季换在加大抽水井降深（加大水流速）的影响条件下，韩城场地地埋管换热孔测得岩土体平均初始温度呈现下降趋势，而导热系数现场流速试验成1、流速与渗透系数的理论计算采用如下公式K计

M(SwS观

lg；；KR KVIK计3Q─────出水量（m/h）；S观─────观测孔降深3K计─────计算渗透系数V计─────计算流速（m/d）2、现场流速试验数据分析计算方法如下①t=t1-t─────电导率峰值到达用时（d）②V实V实─────实测流速S─────投盐孔与抽水井中心距离（m）③I=（S1-S2）/S2─────投盐孔降深（m）④V1V实/（V1─────换算成I=1‰时的流速⑤K实K实─────实测渗透系数（m/d）滦河冲洪积扇中部（韩城试验点如表17所示。滨海平原（唐海试验点如表18所示。两个地埋管场地流速试验分析结果见表19韩城庄村试验点流速试验基本数据一览 表17-出水降深t1孔间SV实I换算I=1‰时渗透系数V计V实/V实计SS韩城庄村试验点各时间段的电导率值统计 表17-试验投盐时投盐时电导食盐到达初始时食盐到达初电导率食盐到达峰值时食盐到达峰电导率电导率峰值与正常的增长倍数SS唐海四场六队试验点流速试验基本数据一览 表18-出水降深峰值到抽水实实换算渗透系数计V实/V孔间距流V坡II=1‰时实计流VSS唐海四场六队试验点各时间段的电导率 表18-试验投盐时投盐时电导食盐到达初始时电导率食盐到达峰值时电导率SS流速试验数据统计 表试验试验水力坡流速渗透系V实/VV实计实计实计SSSS群井采灌试验（乡居假日试验观测点本次群井采灌试验主要是对水源井温度、水位、水量进行观测23口井，2300次，监测数据用于群井采灌数值模型的建立，具体监测井号及次数见表20。群井采灌试验监测情况统计 表地井测量次水井特823477692其13合23口23008章数值模型建群井采灌数值模况进行未来的7年预测，再根据所预测的结果提出2种优化方案以提高软件简是非饱和水流及热流传输的英文缩写，它是可以模拟多相流、多组TOUGHREACT的前身为TOUGH，TOUGH代码的最初开发是在20世纪80年代初首先进行开发的是劳伦斯－伯克利国家，并把它命名为MULKOM模拟程序。由于认识到对于不同组成成分，不开发了MULKOM模拟程序。MULKOM模拟程序主要是对水－气两相流体进行数值模拟计算，在YuccaMountain项目中得到了重要的应用是当时同类程序中应本由于对原有的模块进行了改进，使得其更加适用于用户使用的需求TOUGHREACT的编写语言为FORTRAN77，其运行平台限制性相对较低，可以在任意具有FORTRAN编译器的平台运行，小到PC机，大到工作站。TOUGHREACT模拟软件的时间设置功能和网格单元设置功能均非常强大从几毫秒到几万年均可以通过TOUGHREACT进行设定；网格单元从几个到几十万个也均能够通过TOUGHREACT进行设定。劳伦斯－伯克利国家研究小组在核废料处置的解决过程中，划分了十万个以上的单元格，并且进行了三维的模拟，也仅仅利用PC正是由于TOUGHREACT拥有如此强大的数值处理能力使得其在问题上的研究都采用TOUGHREACT软件来进行计算并获得了丰硕的最初进行TOUGH代码开发的目的是进行储层地热工程，其在该领工程中就得到了广泛的应用其后续开发的TOUGHREACT可以对地热群井采灌数值模型的建基本物理模型的建模型尺寸为1500×1050×150m，并根据各组团的实际井位设置了70口井。模型在X、Y轴面采用不规则单元剖分，Z轴则根据水分层轴方向分别被剖分为13层、13层以及40层，从而使得整个模型被分19710小单元体，图8.1为所建基本物理模型的三维图图8.1基本物理模型三维模型水分层及参数设据乡居假日场地水可分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个含水组，其中第Ⅲ含水组又可分为Ⅲ1、Ⅲ2两个亚组，第Ⅱ含水组为潜水，其余为承压水。具体分层见基本物理模型侧视图8.2以及地层分层表8.1。8.2基本物理模型侧视地层分层深度1粉质粘土～2中细～345678中细～设置，而具体的参数设置见岩土体参数设置表8.2。8.2岩土体参数设置W/5模型初始及边界条件设对所建数值模型进行初始条件的设置，所设初始条件如下1、每口抽水井的抽水量为80m3/h即为2、回灌井的回灌温度为3、抽水井与回灌井的抽灌深度均为4、模型的模拟时间为10年，A3A4组团每年的前1.5个月为供暖期即从岩土体中抽取热量，后10.5个月为恢复期即停止抽取热量；而A1和A5组团则是每年的前1.5个月为供暖期即从岩土体中抽取热量，之后的5.5个月为恢复期即停止抽取热量，之后1个月为供冷期即对岩土体进行回灌热量，最后4个月又为恢复期即停止回灌热量。2、模型水的水温为14℃，水的流动方向为北东向向南西模拟第3年结果与场地实际情况由于乡居假日各组团群井采灌系统是由2011年开始逐步投入运行目前运行时间为3个供暖期。所以现将模型第3年的模拟结果与20148.38.4以及8.5分别为模型前3年场地75米深度处的温度模剖面图8.68.7为模型第3年场地75米深度处的温度模型三维立由上述温度模型剖面图以及温度模型三维图，可以看出模型在运行3年之后A3A4组团均出现了比较明显的冷堆集尤其是A4图8.3第1年温度模型剖面 图8.4第2年温度模型剖面8.53年温度模型剖图8.6第3年温度模型三维图8.7第3年温度模型三维团的中心部分冷堆集尤为明显，而且其影响范围也较广，相对的A1A5组团的温度则只有略微的下降现将第3年模拟结果与场地的实际监测数据进行对比。在每个分别选取一口抽水井，A1组团的1号、A3组团的8号、A4组团的号抽水井以及A5组团的6号抽水井 A1组团1号井温度对8.8、8.9、8.10以及8.11分别为A1组团1号抽水井60米、75米深度处的实际监测数据与数值模拟所得的第3年模拟结果图。图 1号抽水井60米处实测数据 图 1号抽水井60米处模拟数据图 1号抽水井75米处实测数据 图 1号抽水井75米处模拟数据由以上对比可以看出A1组团1号抽水井的模拟结果与乡居假1号抽水井在60米和75米深度处的温度曲线都是比较平稳的，而温度均在12℃左右。A3组团8号井温度对8.12、8.13、8.14以及8.15分别为A3组团8号抽水井75米、90米深度处的实际监测数据与数值模拟所得的第3年模拟结果图。图 8号抽水井75米处实测数据 图 8号抽水井75米处模拟数据图 8号抽水井90米处实测数据 图 8号抽水井90米处模拟数据由以上对比可以看出A3组团8号抽水井的模拟结果与乡居假A3组团8号抽水井在75米深度处的温度曲线都是呈上升趋势，而温度则是由9℃左右上升到9.5℃左右；而在90米深度处的温度曲线则比较平稳，温度均在10℃左右。A4组团18号井温度对图 18号抽水井75米处实测数据 图 18号抽水井75米处模拟数据图 18号抽水井90米处实测数据 图 18号抽水井90米处模拟数据8.16、8.17、8.18以及8.19分别为A4组团18号抽水井75米90米深度处的实际监测数据与数值模拟所得的第3年模拟结果图由以上对比可以看出A4组团18号抽水井的模拟结果与乡居假致，但最终的温度是比较接近的。A4组团18号抽水井在7590米线却是比较平稳的发展趋势，但是水水温的最终温度还是比较接近的，均在9℃左右。A5组团6号井温度对8.20、8.21、8.22以及8.23分别为A5组团6号抽水井75米80米深度处的实际监测数据与数值模拟所得的第3年模拟结果图。由对比可以看出A5组团6号抽水井的模拟结果与乡居假日场地的实际监测数据是比较接近的，温度的变化趋势也是相吻合的。图 6号抽水井75米处实测数据 图 6号抽水井75米处模拟数据图 6号抽水井80米处实测数据 图 6号抽水井80米处模拟数据组团6号抽水井在75米和80米深度处的温度曲线均是比较平稳的发展趋势，而且温度均在12～13℃之间。小通过A1组团的1号和4号抽水井A3组团的815号抽水井、A4组团的18号抽水井以及A5组团的6号抽水井的场地实际监测数据与数值模拟所得的结果对比，可以发现A1、A3以及A5组团的模拟结果均与场地的实际水水况相接近，而A4组团则存在着一些误差，但是水水温的最终温度还是比较接近的。所以可以认为该数值未来7年预8.24、8.25、8.26以及8.27分别为数值模拟所得的未来第1年至775米深度处的温度模型剖面图8.288.29分别为数值模所得的未来第7年75米深度处的温度模型三维图10年之后A3A4组团已经出现了非常明显的冷堆集其中A4组团的中心部分与A3组团左侧下部尤为明显，其影响范围较大，而A1 图8.24未来第1年剖面 图8.25未来第3年剖面图8.26未来第8年剖面图 图8.27未来第7年剖面图图8.28未来第7年温度模型三维图8.29未来第7年温度模型三维A1A5组团温度下降最少，主要原因是由于A1A5组团在冬定程度上得到了补给与恢复A3和A4组团则由于只采用了冬季供暖的单相运行模式，所以使得水温度下降相对较明显。其中A3组团7口抽水井平均下降温度为4℃左右，其中下降最多的是8号抽水井，下降约6℃。而A4组团6口抽水井平均下降温度为4.5℃左右，其中下降最多的是18号抽水井，下降约7℃。但由第3年的数据对比分析可知，A4组团的实际监测温度要比数值模拟所得的度略低所以10年后A4组团的实际场地温度可能也比数值模拟所得的8.30A38号抽水井75米深度处10年的模拟温度曲线图图 A3组团8号抽水井75米处10年模拟温度曲线由上图可以看出，在每年的供暖期水水温均呈明显的下降趋势，而在恢复期水水温则有略微的回升趋势，整体是呈下降趋势，图 A3组团8号抽水井75米处10年模拟温度曲而且每年的下降程度是逐渐减小的。前4年的水水温下降较明显，后6年的水水温下降程度则比较平缓。最终在第10年结束时水温度约为8℃。将数值模拟所得的A3组团8号抽水井每年年终时的温度绘制成曲线，可以更加清晰直观的看出10年的温度变化趋势，图8.31即为绘制8.32A418号抽水井75米深度处10年的模拟温度曲图图8.32 A4组团18号抽水井75米处10年模拟温度曲线图由上图可以看出，在每年的供暖期水水温均呈明显的下降趋势，而在恢复期水水温则有略微的回升趋势，整体是呈下降趋势，而且每年的下降程度是逐渐减小的。前4年的水水温下降较明显，后6年的水水温下降程度则比较平缓。最终在第10年结束时水温度约为7℃。将数值模拟所得的A4组团18号抽水井每年年终时的温度绘制成曲线，可以更加清晰直观的看出10年的温度变化趋势，图8.33即为绘制8.33A418号抽水75米处10年模拟温度曲通过数值模拟所得的A3组团的8号抽水井以及A4组团的18号抽水井的10年温度曲线图可以明显的看出水水温下降之多，A4组团18号抽水井的水水温降低到约7℃，已经非常接近回灌井的回灌温度即6℃。很明显如此低的水水温已经无法继续满足乡居假日场地优化通过对场地未来7年的模拟发现水水温下降过大已经无法继续提出优化方案以使其水水温的下降量减少至运行需求的范围内。提高水水温，使其继续满足场地的运行需求。交替抽灌由先前的模拟可以看出乡居假日场地的水水温下降最明显的地区是A3A4两个组团所以第一种优化方案主要是通过交替A3和A4组团抽灌井的位置以达到恢复水水温的目的。A3组团共有回灌井14口，抽水井7口，现将7口抽水井与7口回灌井进行交替。具体的交替方案为3号、8号、12号、 号 号由抽水井换为回灌井而号、号、号、10号、18号20号、22号则由回灌井换为抽水井A4组团共有回灌井11口，抽水井6口，现将6口抽水井与6口回灌井进行交替。具体的交替方案为12号、号、号、号、号、号由抽水井换为回灌井而号、3号、4号、6号、11号、14号由回按此优化方案模型运行78.34、8.35、8.36以及8.37分别为优化之后数值模拟所得的未来第1年至第775米深度处温度模型剖面图8.388.39则为模型未来第775米深度处温度模型三维立由上述温度模型剖面图以及温度模型三维图，可以看出模型在经过优化运行7年之后A3A4组团的冷堆集现象得到了一定的缓解，在第4年A3和A4组团的水水温得到了较大的恢复冷堆集现象减 图8.34第1年剖面 图8.35第3年剖面图8.36第5年剖面 图8.37第7年剖面少许多但是从之后几年的模拟温度剖面图可以看出A3A4组团的冷堆集现场呈加剧的趋势，但与未优化的模拟结果相比还是使A3A4组团的冷堆集现象得到了有效的缓解A1A5组团则还是有部分地图8.38优化后第7年温度模型三维图8.39优化后第7年温度模型三维图 A3组团8号抽水井75米处第4年至第10年模拟温度曲线区呈现零散状的冷堆集现象而由先前的模拟结果可知A3A4组团温度下降最多的分别为8号和18号抽水井所以现在通过观察优化之后的A3组团8号抽水井以及A418号抽水井的温度变化以判断该优化方案的优化效果。8.40A38号抽水井75米处第4年至第10年模拟温度线图，由上图可以看出，在第4年的供暖期由于8号井由抽水井换为了回灌井，所以温度降低许多，接近于回灌温度即6℃，在第4年的恢复期，水水温则呈明显的上升趋势。在第5年的供暖期又由于8号井由回灌井恢复为抽水井，所以水水温在全年均呈明显的上升趋势。优化后的群井抽灌系统的运行周期现为两年，所以选取第57年以及第9年终的温度绘制出优化后的A3组团875米深度处的8.41优化前A38号井温度对比8.41为优化前后A3组团875米深度处的温度对比图，由上图可以看出优化之后8号井的水在每一个周期结束时的水温均比未优化的要略微提升少许，预计在第10年的水