循环利用地热能冰期输水技术研究
为保证地下水量平衡，本文针对平原区中小型渠道冰期输水特点，提出了一种利用地热能冰期输水方法。该方法的思路首先利用回灌井将渠道低温水回灌至含水层，然后同步向抽水井抽取等量地下水注入渠道内与之混合，提升渠道水温，确保地下水量平衡和渠道无冰盖(或基本无冰盖)输水，最后通过水体的热平衡理论计算循环利用浅层地热能进行冰期输水的不冻结长度。该研究为北方地区(特别是华北地区)冰期输水提供了新思路，对提高冬季渠道输水效率和减少冰害事故将产生积极的影响。 通过同步抽灌模式的对井模型模拟，研究了环境温度、抽灌井间距与布置、渠道水温(回灌前)、回灌水温、回灌量、水文地质参数、骨架热物理特性参数及渠道入渗等影响因素对含水层温度场变化、抽水井温度、抽水量及明渠不冻结长度之间的作用展开了研究。同时对地热能利用经济性进行了分析，为工程运行和设计提供科学依据。研究表明，寒冷环境影响渠道输水效率甚至导致冰害事故的发生，但冰期输水期间回灌水温对抽水井出水温度影响很小，因此环境温度对抽水井出水温度影响可以忽略。水平逆流的抽灌井布井方式相对于其他布井方式最有利于避免热贯通发生。为保证对地温场的合理利用，抽灌量必须要结合抽灌井距进行考虑，当抽灌量增加，抽灌井间距也需要相应增加。含水层厚、渗透系数与孔隙度、纵向弥散系数等参数变化对温度场影响比较明显，是利用地热能进行冰期输水需要重点考虑的地层参数。其余参数对温度场影响相对较小；其中含水层厚度、渗透系数与孔隙度、热横向弥散系数与最后抽水温度成正比关系；地下水导热系数、土壤骨架导热系数、热纵向弥散系数与最后抽水温度成反比关系。渠道入渗水温影响深度还不到10m，达不到含水层的深度。因此，可以确定渠道入渗对含水层温度场及抽水温度基本上不产生影响。通过研究，形成循环利用地热能冰期输水技术，经计算输水能力较传统冰期输水增加20％以上，冰期输水冰塞事故率减少90％以上；以胶莱输水渠段为例，每公里输水渠段采用同步抽灌模式进行冰期输水较传统的增温法冰期输水每年至少节约100万元耗电费。更重要的是，无冰盖输水可以增加输水流量(实测可增加30％)，减少投资(保温板、泄冰闸等)、冰害及由冰害造成的损失。 本文在抽灌对井的基础上，进一步的研究了井群模式在循环利用浅层地热能冰期输水的作用规律，弥补了对井模式中抽水量相对较少的问题，增加了不冻结长度的距离。对于输水渠道，由于地区跨度较大，输水干渠沿线的水文地质条件变化不一，往往存在一些渠段沿线区域地下水资源与地热能丰富，而另一些沿线地区地下水资源与地热能资源短缺的问题。要使整条输水干线完全实现无冰盖输水会面临许多自然条件的限制。井群模式的研究显得至关重要。研究表明，对同步抽灌井群模式，在同样抽-灌量条件下，对循环利用浅层地热能冰期输水最有利的是抽灌井一一对应的逆流形式，重点是要设计好异类井距和同类井距。对地下水资源丰富地区，为提高冰期输水的不冻结长度，采用一一对应逆流形式的方法布置抽-灌井群是较合理的方案。通过多种因素的综合分析确定出合适的同类井间距，当抽水量需求增加时，可以垂直于地下水流方向逐一增加抽灌井的数量。 本文基于水体热力平衡理论，建立明渠抽水融冰模型，分析了冰情、渠道几何断面、渠床地温、太阳辐射、气温对流、蒸发、水体动能等影响冰期输水的因素，并对各热平衡分量进行了计算，得到了冬季输水渠道在抽水融冰后的不冻结长度。并在此基础上提出分段不冻结长度计算方法，可计算出各分段渠道末水温及剩余总热储量在最后分段渠道下的不冻结长度。
循环利用;地热能;冰期输水;热力平衡;抽水融冰
济南大学
硕士
水利工程
韩延成;张保祥
2019
中文
P314;P641
2020-01-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）