地下水源热泵回灌技术研究

    地下水源热泵通过“地下水抽出—能量交换—回灌”的循环过程，实现了夏季地下水温度升高，冬季地下水温度降低，以达到调节室内温度的目的。因此，在地下水源热泵系统中，除了需要抽取足够的地下水量外，还应该把同量的地下水回灌到原来的含水层中，以使水资源得到循环利用。在地下水源热泵的运行过程中，地下水的回灌是一个非常重要的环节，地下水回灌技术是地下水源热泵系统的关键技术。但在回灌过程中，常常出现抽出来的水不能全部回灌的现象。如果长期不能正常回灌就会导致承压含水层厚度减小，进而导致地下水储量的减少、地面沉降等问题。若沉降量较大或出现差异沉降过大，还可能造成地面建筑物变形或破坏。因此，进行地下水源热泵系统回灌理论和回灌条件分析有着重要的意义和实用价值。

    1.地下水源热泵回灌率低机理分析

    地下水源热泵回灌率低的原因主要有两个：①井的过滤器及井周围的堵塞问

    题；②抽水后水位下降带来的含水层骨架的压密问题。

    l堵塞机理分析

    地下水源热泵回灌难的一个主要问题是井的过滤器及井周附近含水层的堵塞问题。通常根据成因将堵塞分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞 3 种类型。物理堵塞中主要是悬浮物堵塞，它是注水井和地表回灌系统发生堵塞的最常见情况。化学堵塞主要发生在含水层中，含水层自身构成一个物理、化学和生物环境，回灌水迅速而集中地进入地下含水层后，急剧地改变了原来水岩作用的平衡状态，新的溶解、沉淀等反应过程会改变含水介质的渗透性能。生物堵塞是由于回灌水中的藻类、细菌等微生物群落在适宜的条件下迅速繁殖，其生物体或代谢产物附着在介质颗粒上形成生物膜，从而导致生物堵塞，造成过滤器及含水层导水能力的降低。

    l含水层压密分析

    地下水源热泵在运行过程中不断从承压含水层中抽取地下水，使其水位下降，含水层本身和含水层的顶底板所受的孔隙水压力降低。由有效应力原理，含水层上部覆盖层荷载引起的总应力是由含水层孔隙中的水(孔隙水压力)和土颗粒骨架(有效应力)共同承担的。假设抽水过程中覆盖层荷载产生的总应力不变，而由于抽取地下水使孔隙水压力减小，则由含水层土骨架承担的有效应力会增大，其结果是引起抽水含水层产生固结压缩，含水层土被压密后再进行回灌就会变得非常困难。土体固结压密是一个缓慢的过程，地下水源热泵运行过程中，应在抽水的同时就进行回灌，否则产生地面沉降后将很难再进行回灌。

    2.地下水源热泵回灌条件分析

    l水文地质条件

    水文地质条件对地下水源热泵回灌效率的影响主要表现在承压含水层的渗透系数上，含水层渗透系数的大小与回灌量成正比，一般渗透系数 K 值越大，含水层厚度越大，回灌越容易。以卵砾石等较大的颗粒为主且厚度较大的含水层，其回灌效率都较高，可达到50%～100%。而如果含水层颗粒不大，且含黏性时，其渗透性一般，回灌效率就会很低。因此，要想有好的回灌率，应选择颗粒大、水层厚的含水层作为地下水源热泵的目标含水层。另外，地形起伏也会影响含水层的抽灌水效果，一般地形平坦会非常有利于地下水水源热泵的回灌。

    l井距条件

    井距条件也是影响地下水源热泵回灌的重要条件。当抽水井与回灌井之间的间距比较小时，抽灌水井之间有可能会形成“热短路”现象，使地下水源热泵系统的效率降低。甚至会引起由于相邻井之间过大的水头压力差带来的地下细砂层的砂土液化现象。因此，需保证抽水井和回灌井之间有足够的距离，理想条件下，抽灌井之间的距离达到回灌井的影响半径(一般为 100～200 m)时回灌量可达到最大值。在建筑场地条件允许的条件下，抽灌水井的间距宜取大值。实际地下水源热泵系统使用往往受到场地条件的限制，目前我国使用地下水源热泵地区抽灌水井之间的间距多设计为30～70 m。

    l井管过滤器孔隙率、砾料规格条件

    对于回灌井的井管直径和孔眼间距的要求要比抽水井的更高些，因为即使抽水井的井壁孔隙率较低，也可以通过加大降深来达到抽水量的要求。但对于回灌井而言，由于回灌的压力和水头是固定的，低孔隙率的井管是达不到回灌量要求的。所以选择井径大、高孔隙率的井径更有利于回灌。另对于抽灌水井的井壁和钢管之间所填滤料的选择应根据实际勘察结果，选择和含水层的颗粒粒径匹配的滤料粒径，这样可以减小水流动的阻力，得到更大的回灌效率。

    l洗井与成井工艺条件

    地下水源热泵的抽灌水井的成井工艺主要的两种分别为冲击钻成井和回转转进成井。冲击钻井功效高，成井容易，洗井工序简单，也经济；回转钻进法成井功效低，成井工序复杂，洗井工序复杂。对于回灌而言，应选择成井和洗井时对含水层扰动小、洗井充分、井壁的泥皮剥落充分的成井和洗井工艺。建议选择反循环液压回转钻进工艺成井方法，此法对回灌是有利的。

    l回灌管道

    对于地下水源热泵抽灌水井的输水管网，为达到最大回灌量要求，要从设计和安装施工两个方面着手。一方面施工安装时使输水管网的走向、长度、管径、弯头尽量与理论计算一致，使整个管网的水力达到平衡；另一方面要使输水管道的排气孔、排气阀等装置安装到位，以免管道中形成气塞产生阻力降低回灌压力，从而导致回灌量降低。满足上述两个方面的设计和安装条件就能从管道方保证达到回灌达到最大。