一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法技术

本发明专利技术公开了一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，在冬季明渠水体结冰前或需要提高水温时，通过灌抽站将明渠渠道中部分冷水回灌到地下含水层，利用地热能使水温升高，等量抽取升温后地下含水层的水体与原明渠渠道内的水体进行混合，从而使明渠渠道内的水温升高，确保明渠水面不结冰输水。其中一种具体实施例包括以下过程：建立地热能冰期输水数值模拟模型；利用地热能进行冰期输水。本发明专利技术根据地下水动力学，在抽灌井共同作用下，回灌到含水层的水体向抽水井方向移动，沿途吸收地热能，温度逐渐升高，直至抽水井位置。由于抽水量和回灌水量相等，因此可保持地下水量保持平衡，不造成地下水位下降等问题。

A Method of Ice Age Water Transfer by Equal Irrigation and Drainage and Recycling Geothermal Energy

【技术实现步骤摘要】
一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法
本专利技术涉及一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，属于输水渠道冰期运行管理

技术介绍
我国北方由于冬季天气寒冷，输水渠道会遭受冰凌、冰塞、冰坝等冰害影响，使渠道难以在结冰期输水，不仅对渠道输水安全造成严重影响，而且加剧了输水沿线地区水资源短缺的问题，制约了国民经济的快速发展。目前冰期输水方面的研究主要集中在河流或者大型输水渠道工程，针对中小型渠道冰期输水方面的研究很少。中小型渠道断面小、超高小，过流能力和蓄热能力有限，极易发生冰塞、冰坝，甚至全断面冻结，使中小型渠道在冰期难以正常输水，不仅造成了水利工程大量闲置，冬季水资源浪费，也造成了工、农业用水损失。由于缺乏可行的技术，北方几乎所有的中小型渠道在结冰期停止输水。因此，研究中小型渠道冰期输水是非常重要的。目前冰盖下输水方法已经被应用在南水北调、引黄济青、引滦入津等大型输水渠道，但这种方法也有缺点，难以应用于小型渠道，主要原因包括：(1)冰盖形成期和融冰期均有大量的冰花、冰块随水流流动，因此渠道要有足够的输冰能力。平原区中小型渠道断面小、超高小，过流能力小，极易发生冰塞、冰坝，因此北方几乎所有的中小型渠道在结冰期停止输水。(2)中小型渠道蓄热能力小，容易发生全断面冻结。(3)冰期输水时，由于冰盖阻力的影响，输水能力会大幅下降(一般为1/3～1/4)，根据水力学原理，对中小型渠道的影响更大。(4)为防止冻胀破坏及发生冰期输水事故，冰盖下输水的渠道在建造时需要采取各种防冻措施，包括铺设保温板、提高建筑物建设标准、建造大量的防冰害工程措施(如南水北调中线建造输冰闸、拦冰索等)。而中小型渠道建造资金有限，难以满足要求。(5)为防止冰塞等事故，冰期输水的渠道需要严格控制水位、水量变化，需要建立一套完善的水位、流量、冰情监测系统，这对中小型渠道是难以做到的。(6)我国有大量的已建老渠道。对已建的老渠道，如果不加设保温板，重新改造，冰期输水时就会造成冻胀破坏。浅层地热能指地表以下一定深度范围内地球内部的热能资源，是一种清洁、可持续利用的热能资源，被广泛应用。例如目前被广泛应用的地下水源热泵，就是以地下水作为低位热源，并利用热泵技术，给建筑物供热的一种系统。抽水融冰技术在1956年之前就被运用于新疆红山嘴水电站输水渠道中，并经过多年实践检验，给红山嘴水电站带来了可观的发电效益，这表明利用地热能抽水融冰在实际工程项目中是一项经济、安全、切实可行的技术措施(特别是对于中小渠道)，其基本原理是利用研究区所拥有丰富的地下水资源和浅层地热能资源，抽取地下水注入输水渠道提高水温，进而使渠道内冰、冰花及冰晶部分融化，使渠道内岸冰与底冰的发育开始得到有效控制，渠道输水效果逐渐恢复正常，保证了输水安全与输水效率。然而，这种只抽不回灌的方法在平原区会造成当地地下水持续下降、地下水超采，进而造成地面沉降、海水入侵等严重后果。本专利技术将要提出一种等量抽灌利用地热能进行冰期输水的新方法。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，其不仅能够保证输水渠道在冰期正常运行，增大输水流量，减少防冻胀建造成本，而且还能保证地下水平衡，不造成地下水位下降。本专利技术解决其技术问题采取的技术方案是：本专利技术实施例提供的一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，在冬季明渠水体结冰前或需要提高水温时，通过灌抽站将明渠渠道中部分冷水回灌到地下含水层，利用地热能使水温升高，等量抽取升温后地下含水层的水体与原明渠渠道内的水体进行混合，从而使明渠渠道内的水温升高，确保明渠水面不结冰输水。作为本实施例一种可能的实现方式，所述灌抽站包括设置在明渠渠道周边的回灌井、抽水井、从明渠渠道向回灌井输冷水的输水管、从抽水井向明渠输热水的出水管，计量输水管/出水管内流量的流量计和计量输水管/出水管内水温的温度计，以及从抽水井抽水的水泵在冬季明渠水体结冰前或需要提高水温时，将明渠渠道中部分冷水引入附近的回灌井(或水塘、沟、河等)回灌到地下含水层，在地下利用地热能使水温升高，然后等量抽取升温后地下含水层的水体与原明渠渠道内的水体进行混合，从而使明渠渠道内的水温升高，确保冬季输水时水面不结冰。作为本实施例一种可能的实现方式，所述方法具体包括以下过程：建立地热能冰期输水数值模拟模型；利用地热能进行冰期输水。作为本实施例一种可能的实现方式，所述建立地热能冰期输水数值模拟模型的具体过程为：建立地下水-热迁移模型；建立明渠渠道内水温数值模拟模型；地下水-热迁移模型耦合明渠渠道内水温变化数值模型求解。作为本实施例一种可能的实现方式，所述建立地下水-热迁移模型的具体过程为：一、建立地下水流连续性方程：通过地下水动力学的基本理论，得到多孔介质地下水流连续性方程：Tx＝KxM,Ty＝KyM,Tz＝KzM,μ*＝μsM(2)式中，Kx、Ky、Kz——x，y，z方向的渗透系数，m/s；μs——释水率，μs＝ρg(a+nβ)；M——含水层厚度，m；H——水头值，m；ρ——水密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；a——含水层颗粒骨架压缩系数；n——含水层介质的孔隙度；β——水的弹性压缩系数；二、建立地下水运动方程：根据地下水流体的质量守恒定律与达西定律，并假设压力为独立变量，得到地下水含水层的非稳定流微分方程为：式中：P——地下水压力，其中水头和压力的关系为：H0为参考水头值；ρ*——流体源项密度，kg/m3；k——多孔介质渗透率张量，m2；μ——动力粘滞系数，kg/m·s；q——源汇项强度，流出为正，流入为负，m3/s；t——时间，s；根据循环利用地热能的同步抽灌模式并联合上述方程，可将含水层水流运动描述为非均质、各项异性的三维非稳定流，其方程组表达为：P(x,y,z,t)|t＝0＝P0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω(5)式中：n——孔隙度；ρ0——在参考压力Po和参考温度T0下的密度，kg/m3；θ0——条件下的流体密度，kg/m3；βp——水的压缩系数，pa-1；P——地下水压力，Pa；T——水和孔隙介质温度，℃；βT——水的热膨胀系数，℃-1；ab——孔隙介质的压缩系数，Pa-1；kp——渗透能力张量，m2；μ——水的黏度，Pa·S；Ω——计算区范围；Г1——第一类边界条件；三、构建地下水-热迁移模型：将温度作为独立变量，得到饱和含水层多孔介质中换热的一般能量守恒方程：式中，cf——流体比热容，J/kg·℃；cs——孔隙介质比热容，J/kg·℃；ρs——孔隙介质密度，kg/m3；kf——流体导热率，W/m·℃；ks——孔隙介质导热率，W/m·℃；——3阶单位矩阵；v——渗流速度，m/s；T*——流体源项温度，℃；假设浅层地下水密度是压力与温度的关系函数，则有：ρ(P,T)＝ρ0+ρ0βp(P-P0)-ρ0βT(T-T0)(8)式中：ρ0——压力P0与温度T0条件下的流体密度，kg/m3；βp——流体压缩系数，Pa-1；βT——流体热膨胀系数，℃-1；假设多孔介质孔隙可压缩，则有：式中：ab——孔隙压缩系数，Pa-1；联立上述方程，最终得到地下水-热运移耦合的扩展方程组：式中，——热动力弥散张量，W/m·℃。作为本实施例一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，其特征是，在冬季明渠水体结冰前或需要提高水温时，通过灌抽站将明渠渠道中部分冷水回灌到地下含水层，利用地热能使水温升高，等量抽取升温后地下含水层的水体与原明渠渠道内的水体进行混合，从而使明渠渠道内的水温升高，确保明渠水面不结冰输水。

【技术特征摘要】
1.一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，其特征是，在冬季明渠水体结冰前或需要提高水温时，通过灌抽站将明渠渠道中部分冷水回灌到地下含水层，利用地热能使水温升高，等量抽取升温后地下含水层的水体与原明渠渠道内的水体进行混合，从而使明渠渠道内的水温升高，确保明渠水面不结冰输水。2.根据权利要求1所述的一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，其特征是，所述灌抽站包括设置在明渠渠道周边的回灌井、抽水井、从明渠渠道向回灌井输冷水的输水管、从抽水井向明渠输热水的出水管，计量输水管/出水管内流量的流量计和计量输水管/出水管内水温的温度计，以及从抽水井抽水的水泵。3.根据权利要求1或2所述的一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，其特征是，所述方法具体包括以下过程：建立地热能冰期输水数值模拟模型；利用地热能进行冰期输水。4.根据权利要求3所述的一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，其特征是，所述建立地热能冰期输水数值模拟模型的具体过程为：建立地下水-热迁移模型；建立明渠渠道内水温数值模型；地下水-热迁移模型耦合明渠渠道内水温数值模型进行求解。5.根据权利要求4所述的一种等量灌抽循环利用地热能进行冰期输水的方法，其特征是，所述建立地下水-热迁移模型的具体过程为：一、建立地下水流连续性方程：通过地下水动力学的基本理论，得到多孔介质地下水流连续性方程：Tx＝KxM,Ty＝KyM,Tz＝KzM,μ*＝μsM(2)式中，Kx、Ky、Kz——x，y，z方向的渗透系数，m/s；μs——释水率，μs＝ρg(a+nβ)；M——含水层厚度，m；H——水头值，m；ρ——水密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；a——含水层颗粒骨架压缩系数；n——含水层介质的孔隙度；β——水的弹性压缩系数；二、建立地下水运动方程：根据地下水流体的质量守恒定律与达西定律，并假设压力为独立变量，得到地下水含水层的非稳定流微分方程为：式中：P——地下水压力，其中水头和压力的关系为：H0为参考水头值；ρ*——流体源项密度，kg/m3；k——多孔介质渗透率张量，m2；μ——动力粘滞系数，kg/m·s；q——源汇项强度，流出为正，流入为负，m3/s；t——时间，s；根据循环利用地热能的同步抽灌模式并联合上述方程，可将含水层水流运动描述为非均质、各项异性的三维非稳定流，其方程组表达为：P(x,y,z,t)|t＝0＝P0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω(5)式中：n——孔隙度；ρ0——在参考压力Po和参考温度T0下的密度，kg/m3；θ0——条件下的流体密度，kg/m3；βp——水的压缩系数，pa-1；P——地下水压力，Pa；T——水和孔隙介质温度，℃；βT——水的热膨胀系数，℃-1；ab——孔隙介质的压缩系数，Pa-1；kp——渗透能力张量，m2；μ——水的黏度，Pa·S；Ω——计算区范围；Г1——第一类边界条件；三、构建地下水-热迁移模型：将温度作为独立变量，得到饱和含水层多孔介质中换热的一般能量守恒方程：式中，cf——流体比热容，J/kg·℃；cs——孔隙介质比热容，J/kg·℃；ρs——孔隙介质密度，kg/m3；kf——流体导热率，W/m·℃；ks——孔隙介质导热率，W/m·℃；——3阶单位矩阵；v——渗流速度，m/s；T*——流体源项温度，℃；假设浅层地下水密度是压力与温度的关系函数，则有：ρ(P,T)＝ρ0+ρ0βp(P-P0)-ρ0βT(T-T0)(8)式中：ρ0——压力P0与温度T0条件下的流体密度，kg/m3；βp——流体压缩系数，Pa-1；βT——流体热膨胀系数，℃-1；假设多孔介质孔隙可压缩...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩延成，唐伟，初萍萍，梁梦媛，王月雷，周心悦，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37