CN103758111A - 全密封地下水原水持续抽灌系统 - Google Patents
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Abstract
一种地下水原水抽灌系统，它由抽水井(1)、回灌井(2)、深井潜水泵(3)和地下水管路(4)等组成全密封系统。深井潜水泵将从抽水井(1)抽出的地下水，经过地下水管路(4)，回灌至回灌井(2)。其特征为，系统的地下水完全与地表隔绝，地下水原水持续高效回灌、无需如旋流除砂器、过滤器之类的水处理设备，实现地下水原水全部回灌。
Description
技术领域
本发明涉及众多与地下水相关的领域，如地热能系统的地下水抽灌、基坑降水的地下水回灌等。地下水的回灌，是保护地下水资源、维持地下水位的稳定性的需要，以进而保护地下水文地质环境，避免了地面沉降、地陷之类的地质灾害的发生。
背景技术
地热能应用系统，如含水层储能、地下水源热泵、地温空调和深层地热，它利用的是可再生清洁能源。由于能效高，可以替代传统的矿物燃料，得到能源界的广泛认可。目前，国内冬季传统的燃煤供暖所引起的雾霾已经产生严重的环境问题，而其它的清洁能源，如天然气则因气源有限，价格高昂，太阳能、风能因能流密度低和售价高，离商业市场化仍有很大的距离。跟其它能源相比，地热能一方面是清洁能源，另一方面也是可再生能源。而更重要的是，由于性价比高，它是一种用得起的可再生能源。它的大规模推广，可以在不增加很大投入的情况下，很大程度上减轻目前北方地区冬季燃煤而产生的雾霾现象。但是，这些地热能技术需要抽灌地下水进行供冷供热，地下水回灌难是这些技术应用的世界难题。
在建筑领域中，基坑降水需要抽取地下水，而且持续时间长、水量大。若不回灌，则会造成地下水位下降、诱发地面沉降和地陷，从而危及周边的建筑和基础设施。在某些城市，这种工程类的降水已经成为地面沉降的主要诱因，有些地区甚至出现了地陷现象。
可见，影响这些技术的可持续应用的主要障碍是地下水回灌。大量抽取地下水而不回灌，势必造成地下水位持续下降，对系统本身而言，会出现吊泵甚至只能废弃整个系统，不利于地热能系统的可持续使用。而对于含水层储能系统而言，只抽不灌，地下储能则无法实现。而地下水的不经处理的直接排放，由于地下水中往往很高的矿化度或甚至含有有害特质，会造成地表水的污染和土地的盐碱化，危及周边的生态环境。而从地质环境来看，当地下水的大量抽取而得不到补给时，就会引起地下水的持续下降并形成地下水位漏斗，当大量抽取地下水，进而诱发地面沉降和地陷等地质灾害，另外地下水的直接排放浪费宝贵的地下水资源。因此，在一些标准、规范和政府审批过程中，明确规定，抽取的地下水必需全部回灌。
另外，目前绝大多数的地热能中的地下水系统不是严格意义的全密闭系统。很多环节空气或杂物可以侵入到地下水。另地下水本身具有一定的腐蚀性，会跟常规的管路(如铁管)发生化学反应。这样，一方面，地下水的成份会发生改变，甚至受到污染，而另一方面，化学反应生成的物杂或污垢，在某种程度上，也会引起回灌井的堵塞，即化学堵塞。
本系统的利用，可以解决目前地热能系统和基坑降水等地下水回灌难的问题。对于保护地下水资源、保护地质环境、提高系统的使用寿命和相关行业的可持续性具有普遍意义和重大意义。它可以解决目前地下水源热泵的地下水回灌难和井的寿命短的问题。据不完全统计，全国高达70％以上的地下水源热泵项目正因为存在上述问题，一些地区因此禁止或限制这种节能技术的应用，如北京、上海、江苏和天津。在建筑领域，对于一些软土地基的城市如上海、江苏和天津，基坑降水工程的地下水没有得到有效回灌，由此引起的地面沉降已经取代过去生产井用水所引起的地面沉降，成为地面沉降的主要原因。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是对地下水进行原水持续回灌。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
地下水原水可持续抽灌系统，它由抽水井(1)、回灌井(2)、深井潜水泵(3)和地下水管路(4)等组成，地下水管路(4)包括交换器(如换热器5)等。深井潜水泵(3)将抽水井抽出的地下水，经过地下水管路，回灌至回灌井。从抽水井至回灌井，整个地下水系统保持密封状态，与外界空气完全隔离。
根据本发明的优选的技术方案，地下水原水可持续抽灌系统中的抽水井(1)、回灌井(2)，在成井过程中使用清水钻进，减少泥浆或完全不使用泥浆，可大幅减少地下水的泥砂含量，提高了井的质量和寿命，确保不会因地下水泥砂含量过大而引起回灌井的物理堵塞。
根据本发明的优选的技术方案，地下水原水可持续抽灌系统中不包括漂浮物处理过滤装置、固体颗粒过滤装置或其它过滤装置，其中固体颗粒过滤装置通常包括地下水处理中常用的旋流除砂器和约翰逊过滤器。
根据本发明的优选的技术方案，地下水原水可持续抽灌系统中使用高强度PVC管和滤水管、不锈钢管与管件、PE管等耐腐材料。建造由泵阀和管路组成的地下水系统，整个地下水系统的部件必须要对地下水耐腐，避免由于地下水跟地下水系统的部件发生化学反应导致系统的腐蚀和结垢从而导致地下水系统的失效和回灌井的化学堵塞。因此，在设计地下水系统时，需要对地下水进行水质化验，以确定所用系统的材料。
根据本发明的优选的技术方案，地下水原水可持续抽灌系统需要保持密封、并保持一定的正压状态，以避免外界空气和异物的侵入。本地下水原水可持续抽灌系统并不使用真空回灌的技术，也不使用充氮来隔绝空气。因为空气和异物中的氧会与地下水中的铁锰离子反应，产生的金属氧化物会导致回灌井滤水管和含水层的化学堵塞；而空气和异物中的侵入，使地下水的水环境发生变化，会导致铁细菌的大量繁殖而导致生物堵塞。另外，固体物的入侵，如泥砂，会直接造成回灌井的物理堵塞。
根据上述优选方案，可以实现地下水原水持续回灌。这时，在降深相同的情况下，井的地下水抽灌量是相等的，即实现了水文学意义上的地下水回灌。
附图说明
附图1是本地下水原水可持续抽灌系统示意图
具体实施方式
结合附图1对本发明的地下水原水可持续抽灌系统进行具体说明。
附图1所示为地下水原水可持续抽灌系统，该系统由抽水井(1)、回灌井(2)、深井潜水泵(3)和地下水管路(4)等组成，地下水管路(4)包括地能能系统中的换热器(5)、电磁阀(6)、排气阀(7、8、9)、井室(10，11)和截止单向阀(12)等。深井潜水泵(3)将抽水井抽出的地下热水，经过地下水管路进行热交换之后，回灌至回灌井。从抽水井至回灌井，整个地下水系统保持密封正压状态，与外界空气完全隔离。地下水的回灌是持续的，不需要回扬和洗井。
实现地下水原水持续回灌，首先所要解决的是回灌井堵塞的问题。在成井过程中，抽水井(1)、回灌井(2)不采用通常的泥浆钻进，而是使用清水钻进，尽量少用泥浆或不用泥浆。形成高质量的抽水井和回灌井。滤水管和井管采用高强度的PVC或不锈钢材料。滤水管开缝大小和滤砂粒径需要根据当地的含水层砂的粒径分布进行严格的级配，进行定制。在抽水试验中，地下水的泥砂含量必须小于0.005mg/l。由于地下水中的泥砂含量很低，因此，本发明的地下水系统中没有常见的旋流除砂器、过滤器之类的水处理设备。
成井后需要对地下水的原水进行化验，以确定构成地下水系统的所有材料不会与地下水产生化学反应。优选高强度PVC管和滤水管、不锈钢管与管件、PE管等耐腐材料。特别是当地下水的氯离子含量较高时，所有的金属材料需要采用不锈钢甚至钛钢材料(316L不锈钢)。
深井潜水泵(3)是整个地下水系统的地下水输送设备和加压设备，在泵的选用时，需要对地下水系统在不同工况下的行进阻力进行精确的计算，并确定泵的扬程，以确保地下水的流量和系统的压力。
抽水井(1)和回灌井(3)的井口由井口装置进行密封并与地下水管路(4)进行对接。两侧的地下水管路(4)在机房的换热器(5)处相联结，构成一个全密封的地下水系统。
当初次采用地下水系统时，首先需要排除管路中的所有气体。首先，需要打开地下水系统中排气阀(7)、(8)、(9)和电磁阀(6)，排出管路中所有气体。当管路中气体排尽，充满液体时，关闭上述排气阀。
井中可能还含有极少部分空气，这部分空气由于量小，而且与外界并不联通，处于密封状态，与地下水接触后不会对地下水的氧化产生实质性的影响。
地下水抽灌系统需要保持密封、并保持一定的正压状态，而不使用常见的真空回灌的技术，也不使用充氮来隔绝空气。因为采用真空回灌时，容易因内部的负压而吸入外界空气；在充氮的过程中，容易导致外部空气吸入，上述两种方式都可能引起地下水铁锰离子与空气中的氧发生化学反应所引起的化学堵塞和外部物质进入的地下水污染。
当系统处于停机状态时，回灌井的电磁阀(6)关闭，抽水井口的截止单向阀(12)阻止地表管内地下水的回流，使管路中仍充满地下水，以防止系统失压而导致外界空气的吸入和系统开机频繁的排气操作。
Claims (8)
1.一种全密封地下水原水持续抽灌系统，包括抽水井(1)、回灌井(2)、深井潜水泵(3)、地下水管路(4)，深井潜水泵(3)将抽水井(1)抽出的地下热水，经过地下水管路(4)传送并进行热交换之后，回灌至回灌井(2)。
2.根据权利要求1所述的全密封地下水原水持续抽灌系统，其特征在于，抽水井和回灌井在成井过程中使用清水钻进，地下水纯净度高，其泥砂含量小于0.005mg／l。
3.根据权利要求1所述的全密封地下水原水持续抽灌系统，其特征在于，系统中不包括旋流除砂器或其它过滤装置。
4.根据权利要求1所述的全密封地下水原水持续抽灌系统，其特征在于，系统由耐腐蚀材料组成。
5.根据权利要求1所述的全密封地下水原水持续抽灌系统，其特征在于，地下水回灌是持续的。
6.根据权利要求1所述的全密封地下水原水持续抽灌系统，其特征在于，井群中抽水井与回灌井的数量相同。
7.根据权利要求1所述的全密封地下水原水持续抽灌系统，其特征在于，地下水管路(4)包括换热器(5)、电磁阀(6)、排气阀(7、8、9)、截止单向阀(12)。
8.根据权利要求1所述的全密封地下水原水持续抽灌系统，其特征在于，系统在运行中保持密封状态，地下水在流动中完全与外界隔绝，且保持一定的正压，避免采用真空回灌而吸入外界空气、或充氮过程的空气吸入而引起的地下水铁锰离子与空气中的氧发生化学反应所引起的化学堵塞和外部物质进入的地下水污染。
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