北京回灌技术研讨会1

北京回灌技术研讨会[1]第一页，共35页。主要内容影响地下水回灌的主要因素地下水地源热泵系统工程回灌（技术）体系构建新建有关回灌设计水文地质新参数的建议热源井报废标准地下水回灌方面规范（标准）修订（制订）建议第二页，共35页。一、影响地下水回灌的主要因素目前汉口地区已有30多个项目采用了地下水地源热泵系统，热源井回灌的方式为重力（自流）回灌和压力回灌（微压）。热源井单井出水量一般在20—140m3/h之间，单井回灌量在6-50m3/h之间、个别井可达85m3/h。（一）、武汉地区回灌情况简介第三页，共35页。（二）、井水回灌不下去的两种现象一是成井时就灌不下去，回灌量小二是运行一段时间以后回灌不下去，个别项目热源井使用2年左右由于堵塞作废了，需要重新打井第四页，共35页。（三）、影响热源井回灌的因素分析

1、地质条件2、井径、井距3、井管滤管孔隙率、砾料规格4、洗井与成井工艺5、回灌管道6、回灌压力7、热源井井维护（堵塞问题）8、主机设备（设计）等第五页，共35页。1、地质条件对回灌量的影响1.1地貌单元对回灌量的影响武汉市地貌单元沿长江、汉江南北两岸分布有一级阶地、二级阶地、三级阶地，一级阶地地下赋存有比较丰富的地下水，目前水源热泵项目一般都建这一区域。从水文地质条件和实际回灌效率看，一级阶地前缘主要含水层底部有0.5～5米左右的卵砾石，含水层颗粒粒径较大，渗透性好，单井回灌量在45-85m3/h，单井回灌效率可达到50-100%；一级阶地中部主要含水层以中粗砂为主，厚度较大，渗透性较好，单井回灌量在20-48m3/h，单井回灌效率可达到25-76.2%；一级阶地后缘由于含水层薄、颗粒细，回灌量在13-39.2m3/h，单井回灌效率为28-74.6%。二级阶地上主要含水层为含粘性土中粗砂，含水层颗粒粒径不大，渗透性一般，回灌效率在30%以下，回灌效率不高，仅有少数小型项目应用。第六页，共35页。1.2颗粒大小、含水层渗透系数、厚度对回灌量的影响含水层渗透系数K值的大小与回灌量成正比，K值越大，含水层厚度越大，回灌更容易，当渗透系数大于15m/d时，单井回灌量一般在45m3/h以上，单井回灌率大部分可达50%以上，当深部有较厚层的砾卵石层或砾卵石直径大时（K值50m/d以上），回灌量增加比较明显。少数项目K值仅6～8m/d，单井回灌量也可达31—39.2m3/h，单井回灌率71.2～100%，其原因就是因为含水层厚。第七页，共35页。1.3同一场地的差异性对回灌量的影响由于地下含水层的差异性以及周边地下环境的影响，同一场地下同样设计施工的热源井，其回灌量和回灌率不一定相同，有时差异还较大，例如汉口火车站改造项目，三口试验井，在进行一抽一灌试验时，2号试验井抽水，1号井、3号井的回灌量分别为34.87m3/h、13.57m3/h，回灌率相差42.5%，其原因主要是地层变化引起。湖北省地矿局项目六口热源井分成两组分别进行一抽两灌试验对比，2号试验井抽水，取水量为84.02m3/h，1、3号井联合回灌，回灌量为69.90m3/h；第二组5号井抽水，取水量93.39m3/h，4、6号井联合回灌，全部回灌下去了，两者回灌率相差26.8%，原因在于1、3号井附近在桩基施工时在上部含水层段进行过桩基后压浆施工。因此，当场地较大时，应在热源井施工完毕后，进行群井的联合试验与验收，以便及时对井群进行调整和完善。第八页，共35页。2、井径、井距对回灌量的影响限于场地，目前热源井之间的间距多在35～60米左右，从湖北省地矿局项目试验的结果看，井径的大小（井径在500～700mm、管径在250～325mm）对回灌量没有明显的影响。在理想条件下，回灌井之间的距离达到回灌井的影响半径（可视同于抽水影响半径、一般100～200米）时回灌量应该最大，但实际上回灌井之间达不到这个距离，所以单井试验时回灌率高，群井联合运行后，场地及周边地下水位整体长期抬高，导致总体回灌量往往小于理论回灌量，只相当于一个等效“大井”在回灌；所以要想增加回灌量，加大回灌井之间的距离是办法之一。同时，如果回灌井与抽水井之间的距离过小，抽水井和回灌井之间有可能会产生地下“热短路”现象，降低系统能效；相邻井之间过大的水头压力差甚至会带来地下细沙层的砂土液化和流动、失稳。因此在条件许可的情况下，回灌井的间距宜取大值，回灌井与抽水井之间应保持适当距离。另外，地铁、高层建筑基坑开挖降水、临近不同时间兴建的水源热泵项目之间，也会因地下水流场新的改变对回灌量产生影响，这种情况下更应重点考虑和确定项目及井群之间合理的间距。第九页，共35页。3、井管滤管孔隙率、砾料规格对回灌量的影响井管孔隙率越大，过水断面加大，更利于回灌，按武汉市的地层特点，井管孔隙率应在20～25%之间为宜，现在很多热源井采用的是4mm厚的钢板卷管，材质较差、厚度薄，管壁钻眼的间距和直径普遍偏小，孔隙率偏低，这种情况在取水时出水量可以通过加大降深来实现，但在回灌时由于水头或回灌压力一定，井管低孔隙率对增加回灌量不利；所以热源回灌井应该选用好的钢管、大的孔隙率，才能有效的增加回灌量。热源井的结构在钢管外和井壁之间有一定的间距用来填滤料和止水粘土球，滤料的作用是减少含水层中的水向管壁内流动时的阻力，滤料的粒径和含水层越匹配，此阻力就越小，水流的通道越畅顺，则回灌效率越大，由于地下含水层粒径并不完全一样，有细砂、中砂、粗砂、含砾中粗砂、砾卵石层等，用同一种滤料作为过滤层必然增大过水阻力，降低回灌量，因此在热源井设计时应该结合勘察结果，根据其颗粒级配确定不同段的滤料粒径，如此才能最大限度的增加回灌量，如湖北省地矿局AB栋项目采用严格按设计回填砾料，6号井单井回灌在初期（24小时）达到100%(回灌量85m3/h)。第十页，共35页。4.洗井与成井工艺对回灌量的影响目前武汉地区热源井施工工艺中，冲击钻井利用清水钻进，深井潜水泵洗井，一次成井，功效高，经济；廻转钻进成井时要用泥浆护壁，冲孔换浆后下管，填完滤料最后还要采用拉活塞和空压机、水泵联合洗井的方法进行洗井，工序复杂，效率低。二者比较起来，传统的反循环液压回转钻进工艺热源井的回灌效率要比冲击成井的高，原因在于成井过程中泥浆比重控制的较好，对含水层的扰动小，后期联合洗井的方式充分、洗井质量高，尤其井壁的泥皮清洗剥落到位，对回灌十分有利；而冲击钻进成井目前往往只采用水泵洗井，成井过程中自然形成的泥皮没有完全被剥落，另外冲击成井过程对井壁砂层有挤密作用，成井后抽水量受影响较小（例如通过加大降深来实现）,但当水反向流动时，泥皮及因砂层挤密造成的堵塞不容忽视。第十一页，共35页。5、回灌管道对回灌量的影响热源井之间取水和回灌的实现需要通过输水管网，其对回灌的影响主要由两个方面造成，一是设计施工方面的原因，目前设计的管道系统有的是同程系统，有的是异程系统，在安装过程中管径、走向、长度、弯头等可能不完全同于理论计算，在使用过程中更由于实际取水和回水工况的多样性，导致水力不平衡，各井回灌的不一致，使实际回灌量达不到设计回灌量的要求；二是排气孔、排气装置安装不到位，地下水回灌时在管道中和井内形成气塞，增大了阻力，降低了重力回灌和微压回灌的回灌压力，导致回灌量的降低；改善这个问题要从设计和安装施工两个方面着手。第十二页，共35页。6、回灌压力对回灌量的影响压力回灌方式目前在武汉地区并没有得到大力提倡，由于武汉地区一级阶地上0—25米左右普遍有粉土、粉细砂层，多大的井间距和水头压力差才不会导致砂土层液化失稳还没有确定出一个界限，影响了压力回灌的应用和推广实施；湖北省地矿局AB栋项目做过不同压力段的回灌试验工作。第十三页，共35页。压力—回灌量关系曲线第十四页，共35页。7、热源井井维护对回灌量的影响（堵塞问题）热源井在使用一段时间以后，由于物理作用、化学作用、生物作用将会形成淤积和堵塞，热源井及管道的腐蚀对回灌的影响极大，其中以微细颗粒沉积和Fe┼┼→Fe┼┼┼作用造成滤网堵塞的影响最为明显，是造成系统运行一段时间以后回灌量和回灌率大幅下降的主要因素。所以在系统运行和间歇期，需要对热源井和输水管道定期进行洗井和维护，最少每周应对回灌井进行一次回扬，每年（或每个冷暖季）应清洗一次回灌井，特别是那些成井质量不高、含砂率高的项目，宜定期监测井深，避免井管内滤管段被淤塞。目前汉口地区很多回灌井没有回扬装置，应尽快改装。热源井洗井的方法宜同时采用物理和化学洗井的方法同时进行，化学洗井选用材料应不污染地下水。每个制冷和采暖季节变化时，应将抽水井和回灌井调换使用，以减少热源井淤积，同时也更加节能。第十五页，共35页。8、主机设备（设计）等对回灌量的影响一个地下水地源热泵项目回灌量大小、回灌效率高低的影响因素，并不仅仅只有地层在起作用，当项目的制冷制热量确定以后，热泵主机的选型和效率、系统设计的合理性等对回灌量都有直接的影响，并且由于用户负荷变化，导致需要的换热量（换言之就是需要取出用来换热的地下水量）每天、每月都不相同，要想加大回灌效率，首先应该选用那些大温差、小流量、多级控制运行的高质量的热泵主机，在满足最低需水量的前提下，实现变频取水，取用的地下水量少了，回灌率自然高了，水资源节约了，能效高了，对环境的影响也小了，所以在研究地下水地源热泵系统工程回灌问题时，不应忽视系统设计、主机选型等对回灌的影响。第十六页，共35页。（四）、提高回灌率的措施加压回灌（压力值、效率、环境安全的分析评价）井结构改良热源井管理(回扬、防腐蚀、堵塞）优化设计，减少取水量，提高浅层地温能用能效率设置水井回灌量计量装置，加强监测提倡变频取水、循环用水观念等第十七页，共35页。二、地下水地源热泵系统工程回灌（技术）体系构建一个标准的回灌体系应该有：

1、水量回灌技术

2、回灌设计技术

3、净水（水质）回灌技术

4、蓄能回灌技术

5、回灌监测技术

6、回灌控制技术第十八页，共35页。自然回灌真空回灌同井回灌自动抽灌智能回灌（调度回灌、信息化回灌）反季节回灌分层回灌天窗回灌（上部无隔水层、沿河）地下水回灌方法探讨第十九页，共35页。加压回灌净水回灌延时回灌（波涌回灌）辐射回灌储能回灌（使用中蓄住能量）循环回灌（多支路回灌）外水回灌面状网络回灌（天花板式回灌）地下水＋地埋管复合式（回灌）系统第二十页，共35页。与加压回灌有关的问题1、砂土液化；2、地面隆起；3、井壁结构损坏；4、系统设备配套问题；5、能耗增加；6、回灌压力如何确定、实现？7、不同流量下压力稳定与控制等；第二十一页，共35页。三、新建有关“热源井水量衰减系数”等水文地质新参数的建议“群井抽水折减系数”“热源井水量衰减系数”---“抽水井水量衰减系数”---“回灌井水量衰减系数”“回灌度”第二十二页，共35页。“群井回灌折扣系数”井群越多，越大，系统总体回灌量下降热源井设计过程中，应考虑回灌群井效应，不能仅以单井回灌量作为依据，应适当考虑一个“群井回灌折扣系数”；该值在武汉地区取0.6～0.85较为适宜，回灌井数量多时取低值，反之取大值。第二十三页，共35页。“热源井水量衰减系数”

为表征热源井衰减现象，为地下水地源热泵系统工程建设和热源井设计提供依据，确定一个“热源井水量衰减系数”很有必要，使用该参数，更能如实反映地下水抽灌子系统长期运行变化的真实情形，便于在项目开建阶段提前做好设计和规划。第二十四页，共35页。该系数可分为“抽水井水量衰减系数”和“回灌井水量衰减系数”，它与含水层特性、热源井使用特性（如回扬周期）、洗井次数、功能性质（抽水和回灌时长）有关，限于地域、试验点数量、时间、水平等因素影响，暂未建立起相关数学模型（公式）来具体描述和计算，各地可以依据情况，总结一个经验系数，供设计参考。第二十五页，共35页。提出一个经验系数：武汉一级阶地热源井“热源井水量衰减系数”为10%～15%年；“回灌井水量衰减系数”为20%～30%，该数据仅供参考。第二十六页，共35页。“回灌度”表征一个场地回灌能力的参数(E)、单位：m3/km2E＝λ1K＋λ2H＋λ3P＋λ4T＋λ5r＋λ6Δt＋λ0K-----渗透系数H-----含水层厚度P-----回灌压力T-----回灌持续时间Δt-----抽水井取水控制温升λ0------边界条件系数（相邻项目、补给能力、季节水位变化）λ1----权重系数（地区或场地系数）第二十七页，共35页。四、热源井报废标准

热源井使用较长一段时间以后，会由于功能退化、满足不了系统使用要求需要进行报废处理，但是目前尚没有这方面的要求和标准，现提出以下几条热源井报废标准，供参考。第二十八页，共35页。①含砂量超过规范规定值；②井管腐蚀、破口或滤网破损，砂砾石溃入井中；③井内淤积层厚度超过0.5m/年；④井水浑浊，且经处理后无法解决；第二十九页，共35页。⑤在设计降深前提下，单井抽水量不足设计值的60%时；⑥在设计取水量条件下，井内降深超规范允许降深30%以上，并