沈阳地下水温特征及对水源热泵工程应用分析

于素蕴 张子豪

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168)

0 引言

地下水源热泵系统是一种利用地下浅层地热资源，既可供热又可制冷的高效节能空调系统，其热源来自于含水层中抽取的地下水［1，2］。近几年国内在水源热泵对地下水温度的影响方面也越来越重视，在含水层储能技术的基础上，开展浅层岩土层(干土、湿土、饱和土层和有渗流的含水层)储能机理、储能地质条件、应用技术等方面的应用基础研究是比较关注的［3-11］。

本文主要以沈阳城区50 个地下水温监测井在不同时段地下水温的监测和13 个水源热泵工程抽水井和回灌井不同埋深的水温监测，绘制出地下水温分区图和在不同埋深地下水温变化曲线并且进行了分析，掌握了城区地下水温度的分布规律，了解了区域内含水层地下水温度场的演化，对如何优化井群布局，控制回灌水的温度以及对指导水源热泵工程规划和建设都具有一定的意义［12］。

1 沈阳城区地下水分布特征

1.1 地下水的赋存特征

区内地下水按含水介质、形成年代、水力特征和埋藏条件可分为:

1)全新统冲积—冲洪积砂砾石孔隙潜水含水层。

分布于浑河高低河漫滩区，含水层为砂砾石和砂砾卵石组成，厚度15 m～20 m。地下水位埋深8.0 m～12.0 m。含水层渗透系数为40.0 m/d～100.0 m/d。补给源以浑河侧向补给、地下径流补给和降水入渗补给为主。

2)上更新统洪冲积砂砾石孔隙潜水含水层。

分布于浑河一级阶地区，含水层岩性为砂砾石含少土组成。含水层为砂砾石厚度8.0 m～22.0 m。水位埋深16.0 m～17.0 m，渗透系数为20.0 m/d～40.0 m/d。地下水补给源以地下水侧向径流为主，降雨入渗补给为辅。

3)下更新统冰水沉积砂砾卵石孔隙微承压水含水层。

分布于第四系最下部，为半胶结砂砾、砂卵石混粘土含水层，厚度10.0 m～40.0 m。渗透系数为5.0 m/d～10.0 m/d。地下水补给源以地下水径流为主。

1.2 地下水动态变化的特征

1)地下水动态影响因素。

区内地下水动态变化的主要影响因素有气象因素、水文因素、人为因素。通过对沈阳市多年气象资料分析表明，区内枯水期一般在3 月份～4 月份，丰水期在7 月份～9 月份，表现出区内地下水位3 月份～4 月份地下水位较低，7 月份～9 月份地下水位较高。同时由于浑河与地下水存在着密切的水力联系，区内河水补给岸边地下水，其影响宽度一般为500 m～1 000 m。人工开采也是影响沈阳市区地下水动态的主要因素。

2)地下水动态变化规律分析。

根据2012年地下水位动态资料分析，区内4 月份地下水位比较低，其中地下水埋深大于20.0 m 的区域分布在皇姑区烈士陵园以北地区;地下水位埋深14.0 m～16.0 m 的区域分布在皇姑区和浑南中部地区;地下水位埋深12.0 m～14.0 m 的区域分布在城区中部;地下水位埋深10.0 m～12.0 m 的区域分布在城区东部和西部地区以及浑南西部;地下水位埋深8.0 m～10.0 m 的区域分布在于洪新城地区。区内9 月份地下水位比较高，其中地下水位埋深大于20.0 m 的区域分布在皇姑区烈士陵园以北地区;地下水位埋深16.0 m～18.0 m 的区域分布在皇姑区;地下水位埋深12.0 m～14.0 m 的区域分布在城区中部和浑南地区中部;地下水位埋深8.0 m～10.0 m 的区域分布在城区东部和于洪新城地区以及浑南地区东部和西部。

通过对沈阳城区2012年地下水位年变幅分析可以看出:区内皇姑区大部分地区地下水位年变幅为1.5 m～2.0 m;地下水位年变幅大于2.0 m 出现在城区东部;地下水位年变幅在1.0 m～1.5 m 出现在城区中部地区和浑南中部地区;地下水位年变幅小于1.0 m 出现在于洪新城和和平区长白地区。

2 地下水温监测及平面分布特征

本文依据沈阳市城市水资源办公室地下水动态长期监测资料，选取2012年作为代表年，2012年4 月和9 月作为年内的枯水期和丰水期代表月份，根据沈阳中心城区50 个地下水温观测井的水温监测资料，绘制出地下水温度分区图。

通过对地下水温分区可以看出沈阳中心城区一环内和长白地区的地下水温均高于12.0 ℃，中心城区绝大部分二环内与东部一环内的地下水温高于12.0 ℃，浑南长白地区的地下水温也高于12.0 ℃;而区内二环至三环之间的地下水温低于11.0 ℃。通过对比不同月份地下水温分布范围可以看出，9 月份地下水温高于12.0 ℃的范围要大于4 月份地下水温高于12.0 ℃的范围。分析其原因主要是城市热岛效应影响和浑河对地下水的影响。

3 地下水温垂向监测及垂向变化特征

3.1 地下水温垂向监测

为了解地下水温垂向变化特征，选取沈阳城区13 个地下水源热泵工程抽水井和回灌井不同埋深的水温监测，根据2012年4 月8 日13 个地下水热泵工程不同埋深的抽水井和回灌井地下水温度水温监测数据，绘制了各场区在不同埋深处水温变化曲线，见图1。

图1 4 月8 日各场区在不同埋深处水温变化曲线

3.2 地下水温垂向变化特征

由不同埋深处水温变化曲线可以看出地下水不同埋深处水温变化特点如下:

4 月8 日各场区气温不同，其对地下水影响各异。在25 m 以上地层中，曲线斜率比较大，地下水温度随气温变化呈现明显上升的趋势，25 m～35 m 地层中地下水温度变化趋势减小，而35 m以下地层地下水温度变化趋势随着地层深度的增加逐渐变小至恒定。

由此可以推断城区含水层可以划分为以下三个水温带:在25 m 以上地层地下水温度随气温变化明显，可以将其划分为变温带;在25 m～35 m 间地下水温度变化幅度小，基本处于一恒定温度状态，因此可将此地层划分为常温带;在35 m 以下地层中，40 m 深度处地下水温度比35 m 处水温平均升高0.3 ℃，即地下水温度随着地层的不断加深而逐渐升高，因此可将此地层分为增温带。

4 地下水温变化特征对地下水源热泵工程应用分析

4.1 不同水温区的地下水源热泵工程换热温差设计

根据沈阳市地下水源热泵回灌水温要求不小于5 ℃，可以看出沈阳中心城区绝大部分二环内和东部一环内的地下水温高于12.0 ℃，浑南长白地区的地下水温也高于12.0 ℃。这些地区地下水源热泵机组换热温差可以达到7 K，其他地区地下水源热泵机组换热温差可以为5 K。

4.2 近河地区的地下水源热泵工程设计

近河地区应考虑河水与地下水相互补给对河岸地下水温度场造成的影响，抽水井尽量远离河岸，宜大于500 m 以上，以避免河水对抽水井水温的影响。

4.3 水源热泵工程的取水深度设计

为保证水源热泵工程系统运行稳定性和高效性，根据地下水温分带特性，应将抽水井取水深度设计在常温带或增温带内，即水泵安装深度应低于地面以下25 m。

5 结语

沈阳城区大部分地区地下水温低于12.0 ℃，受城市热岛效应影响，中心城区绝大部分二环内部分一环内的地下水温高于12.0 ℃，浑南长白地区的地下水温也高于12.0 ℃。在进行地下水源热泵工程建设时还应考虑场地的实际情况。

通过对地下水温特征分析可以掌握城区地下水温度分布规律，为优化布井和合理计算需水量以及对指导水源热泵工程规划和建设都具有重要作用。

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