CN103995976B - 一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法。其方法包括：定期测量地下水源热泵系统抽灌井水位及流量，计算出不同时期各回灌井渗透系数，进而拟合出渗透系数随时间变化的衰减方程。然后根据渗透系数与井水水位的函数关系，联立渗透系数衰减方程预测运行结束时各回灌井水位以及发生溢井所需的时间，以此判断运行期内各回灌井是否会发生溢井现象。最后根据预测结果采取相应的措施。该诊断方法结果可靠、操作简单、可实现性强，适用于我国地下水源热泵系统回灌井堵塞的诊断。

Description

一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法

技术领域

本发明属于地下水源热泵系统故障诊断领域，具体涉及一种回灌井堵塞预测诊断的方法。

背景技术

地下水源热泵技术是一种利用浅层地来能满足用户供热、供冷的需求的暖通空调技术。该技术的成功应用是实现科学用能、解决我国能源紧缺问题的重要举措。回灌井是地下水源热泵系统水源侧构筑物的重要组成部分，是实现及保障地下水循环利用的必要设施。然而回灌井堵塞却是大多数地下水源热泵系统都会出现的问题。堵塞的发生会造成回灌井周围含水层渗透性降低、输水能力减弱，表现为当回灌量保持不变的情况下，回灌井水位持续升高，当回灌井水位超过井沿时即发生了溢井现象。溢井现象一旦发生将会对地下水源热泵系统的安全、稳定、正常的运行造成十分恶劣的负面影响。若对这种故障不加重视、放任不管，长期对地下水只抽不灌还会导致地面沉降、海水入侵、土壤和地下水盐碱化等严重的地质灾害，其后果不堪设想！

引起回灌井堵塞的因素可归纳为以下六种：悬浮物堵塞、含水层颗粒重组、气泡堵塞、化学沉淀堵塞、粘粒膨胀堵塞、生物堵塞。国外学者采用一些指标参数，如修正堵塞指数MFI、可同化有机碳AOC以及生物膜生长速率BFR等，对不同类型的堵塞进行预测。但是纵观国内现有的地下水源热泵工程实例，由于考虑到投资费用等问题，水井中并不安装能够获取上述指标参数的监测设施或传感器，因此这种方法并不适用于我国现有的地下水源热泵工程。为应对溢井现象，国内运行管理人员常将回灌管与生活污水排水管联通，溢井发生时，将难以回灌的地下水直接排掉，之后联系相应的技术团队对回灌井进行洗井。显然这种“先溢井后处理”的措施并非是一种行之有效的处理方法，并且将地下水直接排掉无疑是对我国淡水资源的极大浪费。

回灌井堵塞的成因多种多样，但是无论发生哪一种堵塞，其结果都会导致回灌井周围含水层的渗透系数减小，因此为避免在运行期内发生溢井现象，针对上述技术方案的不足之处，本发明以实际工程中较易获取的渗透系数为基础提出一种适用于我国地下水源热泵工程的回灌井堵塞预测诊断方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法。该方法克服了现有技术中诊断成本高、可实现性差、诊断延迟等缺点。它通过定期测量实际工程中较易测得的抽灌井水位及流量，给出回灌井水位预测方程并预测回灌井溢井发生所需时间。以此判断运行期内是会否发生溢井现象，很大程度上避免了溢井发生的可能性，为运行管理策略的制定提供了参考。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，该方法包括下述步骤：

步骤1：根据地下水源热泵系统所使用的抽灌井类别，定期对各井在运行期间的水位进行测量；

步骤2：根据水位测量值，计算运行期内不同时刻各井水位降深；

步骤3：确定各井的井间距、井半径及流量；根据该参数和步骤2获得的各井不同时刻各井水位降深，通过地下水向井群流动的数学模型，求解出不同时刻各回灌井渗透系数；

步骤4：拟合各回灌井渗透系数衰减方程；

步骤5：判断运行期内是否会发生溢井，若某井渗透系数衰减系数λ_i≤0，则该井在运行期内不会发生溢井，预测诊断结束；若某井渗透系数衰减系数λ_i>0，则需要进一步判断，继续以下步骤；

步骤6：给出各回灌井水位预测方程；

步骤7：确定各回灌井溢井时的水位及降深；

步骤8：根据各回灌井水位预测方程及溢井时的降深计算溢井发生所需时间t_of并再次判断运行期内是否发生溢井；若t_of大于运行期，则运行期内不会发生溢井；若t_of小于等于运行期，则运行期内会发生溢井；

步骤9：根据预测结果，对运行期内会发生溢井的回灌井进行定期回扬或进行洗井。

优选地，所述各井在运行期间的水位为水井液位至测量参考点的距离。

优选地，所述步骤1中，水井类别包括在运行期内该井被用作抽水井还是回灌井，定期对各井在运行期间的水位进行测量包括：运行期开始前各井初始水位的测量，运行首日各井水位的测量以及在运行期内每隔一段时间对各井水位的测量；对各井水位的测量测量仪器选用钢尺水位计或压力变送器，为使测量结果准确应选择平直的参照物作为基准点。

优选地，所述步骤2中，运行期内不同时刻各井水位降深通过s_i(t)＝H_0i-H(t)计算。

优选地，所述步骤3中，井间距通过该工程的平面设计图中获取，井半径通过卷尺量取，流量通过安装于抽灌管上的水表读取；得到潜水井和承压井的地下水向井群流动的数学模型。

优选地，所述步骤4中，拟合各回灌井渗透系数衰减方程，渗透系数的衰减满足衰减方程：根据各井不同时刻的渗透系数拟合出各井渗透系数衰减系数λ_i。

优选地，所述步骤6中，得到各回灌井水位预测方程通过将拟合得出的渗透系数衰减方程代入地下水向井群流动的数学模型中，即得到各回灌井水位预测方程。

优选地，所述步骤7中，确定各回灌井溢井时的水位及降深，回灌井中的液位上升至井沿时，即发生了溢井现象；故通过测量参考点至井沿的距离可得到回灌井溢井时的水位；再根据步骤2中的水位降深计算公式(1)得出回灌井溢井时的降深。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明涉及的流量测量可通过工程中已有的水表直接读取，不增加额外的造价，水位的测量选用钢尺水位计，其造价仅为1500～2500元。与现有技术相比大大降低了诊断的成本。

2)本发明更侧重于故障的预测。与现有技术“先溢井后治理”的方法相比，本发明提倡“未溢井先治理”，这样可以大大降低故障发生的可能，防患于未然，保证机组在运行期内安全、稳定、高效的运行。

3)本发明简单可靠、可现性强，便于在实际工程中应用。

附图说明

图1是基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述。

一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，参见图1所示，包括以下步骤:

步骤1：对地下水源热泵系统所使用的抽灌井进行调研，确定各井的类别，将其编号并且在运行期间定期对各井水位(水井液位至测量参考点的距离)进行测量。

水井的类别是指在运行期内该井被用作抽水井还是回灌井。编号是为了将各井相互区别。水位的定期测量应包括：运行期开始前各井初始水位的测量，运行首日各井水位的测量以及在运行期内每隔一段时间对各井水位的测量。测量仪器可选用钢尺水位计或压力变送器，为使测量结果准确应选择平直的参照物作为基准点，如位于抽灌管上的固定支架等。

步骤2：根据水位测量值，计算运行期内不同时刻各井水位降深。

运行期内不同时刻各井水位降深为：

s_i(t)＝H_0i-H(t)，i＝1,2,3...。 (1)

式中：H_0i为第i口井的初始时刻水位、H(t)为第i口井t时刻水位。

步骤3：确定各井的井间距、井半径及流量。将这些参数连同各井不同时刻的水位降深代入地下水向井群流动的数学模型中，求解出不同时刻各回灌井渗透系数。

井间距可以通过该工程的平面设计图中获取，井半径可通过卷尺量取，流量可通过安装于抽灌管上的水表读取。对于潜水井，地下水向井群流动的数学模型为：

式中:S_i＝(2H₀-s_wi)·s_wi(i＝1,2,3....)，m²；H₀为潜水含水层初始厚度，m；s_wi为第i口井水位降深，m，水位下降时取正值，水位上升时取负值；Q_i为第i口井的抽水量或回灌量，m³/d；抽水量取正值,回灌量取负值，K_i为第i口井的渗透系数，m/d；r_w为水井半径，m；r_i,j(i＝1,2,3…；j＝1,2,3…)为第i口井到第j口井的距离，m；R_i为第i口井的影响半径，m，可以根据Lembke公式确定，其中W为入渗补给强度，可根据水文地质手册或成井报告确定。

对于承压井，地下水向井群流动的数学模型为：

式中:M为含水层厚度，m；其余符号意义如前所述。

步骤4：拟合各回灌井渗透系数衰减方程

堵塞发生后渗透系数的衰减满足衰减方程：

式中：K_i(t)为第i口井t时刻渗透系数；K_i(t₀)为第i口井初始时刻渗透系数。根据各井不同时刻的渗透系数拟合出各井渗透系数衰减系数λ_i。

步骤5：判断运行期内是否会发生溢井。若某井渗透系数衰减系数λ_i≤0，则该井在运行期内不会发生溢井，预测诊断结束。若某井渗透系数衰减系数λ_i>0，则需要进一步判断，继续以下步骤。

步骤6：给出各回灌井水位预测方程。

将拟合得出的渗透系数衰减方程代入地下水向井群流动的数学模型中，即可得到各回灌井水位预测方程。

对于潜水井，

对于承压井，

步骤7：确定各回灌井溢井时的水位及降深。

回灌井中的液位上升至井沿时，即发生了溢井现象。故通过测量参考点至井沿的距离可得到回灌井溢井时的水位，在根据步骤2中的降深计算公式可得出回灌井溢井时的降深。

步骤8：根据各回灌井水位预测方程及溢井时的降深计算溢井发生所需时间t_of并再次判断运行期内是否发生溢井。若t_of大于运行期，则运行期内不会发生溢井，若t_of小于等于运行期，则运行期内会发生溢井，

步骤9：根据预测结果，对运行期内会发生溢井的回灌井进行定期回扬或组织技术人员进行洗井。

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例：杨凌某小区采用地下水源热泵系统进行冬季采暖，采暖期为121天，所使用的水井共有12口，其中4口井为抽水井，对应编号为1#至4#，其余8口井为回灌井，对应编号为5#至12#。所有井均为潜水井。抽水井中的潜水泵为定频泵，因此采暖期间各井抽灌量基本保持不变。据该小区成井报告显示，含水层初始厚度为55m，井半径为0.14m，入渗补给强度为0.31。

为预测运行期内是否会发生溢井并验证该预测模型的准确性，选用前49日由实测水位计算得出的渗透系数拟合渗透系数衰减方程，并预测第73日，97日，121日各回灌井水位及其发生溢井所需时间。开机运行后，第73日、第97日及第121日各回灌井水位实测值及预测值如表1所示。

表1 运行结束时各回灌井水位及发生溢井所需时间

结果表明，水位预测值与实测值吻合情况较好，最小误差为0.062m，最大误差为0.184m，平均误差为0.112m；预测得出的各回灌井溢井发生所需时间均大于121天，说明各回灌井均不发生溢井，与实际测试情况完全相同。结果验证了基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法用于地下水源热泵系统回灌井堵塞预测诊断的有效性。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但上述实施例并不用于限定本发明。在不脱离本发明技术方案所给出的技术特征和结构范围的情况下，对技术特征所作的增加、变形或以本领域同样内容的替换，均应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于：该方法包括下述步骤：

步骤1：根据地下水源热泵系统所使用的抽灌井类别，定期对各井在运行期间的水位进行测量；

步骤2：根据水位测量值，计算运行期内不同时刻各井水位降深；

步骤3：确定各井的井间距、井半径及流量；根据该步骤确定的参数和步骤2获得的各井不同时刻各井水位降深，通过地下水向井群流动的数学模型，求解出不同时刻各回灌井渗透系数；

步骤4：拟合各回灌井渗透系数衰减方程；

步骤5：判断运行期内是否会发生溢井，若某井渗透系数衰减系数λ_i≤0，则该井在运行期内不会发生溢井，预测诊断结束；若某井渗透系数衰减系数λ_i＞0，则需要进一步判断，继续以下步骤；

步骤6：给出各回灌井水位预测方程；

步骤7：确定各回灌井溢井时的水位及降深；

步骤8：根据各回灌井水位预测方程及溢井时的降深计算溢井发生所需时间t_of并再次判断运行期内是否发生溢井；若t_of大于运行期，则运行期内不会发生溢井；若t_of小于等于运行期，则运行期内会发生溢井；

步骤9：根据预测结果，对运行期内会发生溢井的回灌井进行定期回扬或进行洗井。

2.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述各井在运行期间的水位为水井液位至测量参考点的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤1中，水井类别包括在运行期内该井被用作抽水井还是回灌井。

4.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤1中，定期对各井在运行期间的水位进行测量包括：运行期开始前各井初始水位的测量，运行首日各井水位的测量以及在运行期内每隔一段时间对各井水位的测量。

5.根据权利要求4所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤1中，对各井水位的测量测量仪器选用钢尺水位计或压力变送器，为使测量结果准确应选择平直的参照物作为基准点。

6.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤2中，运行期内不同时刻各井水位降深通过下式计算：s_i(t)＝H_0i-H(t) (1)

式中：i＝1,2,3...；H_0i为第i口井的初始时刻水位、H(t)为第i口井t时刻水位。

7.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤3中，井间距通过各井的平面设计图中获取，井半径通过卷尺量取，流量通过安装于抽灌管上的水表读取；

a)对于潜水井，地下水向井群流动的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=\frac{Q_1}{{\mathrm{\πK}}_1}\ln \frac{R_1}{r_w}+\frac{Q_2}{{\mathrm{\πK}}_2}\ln \frac{R_2}{r_{2,1}}+\mathrm{......}+\frac{Q_n}{{\mathrm{\πK}}_n}\ln \frac{R_n}{r_{n,1}}\\ S_2=\frac{Q_1}{{\mathrm{\πK}}_1}\ln \frac{R_1}{r_{1,2}}+\frac{Q_2}{{\mathrm{\πK}}_2}\ln \frac{R_2}{r_w}+\mathrm{......}+\frac{Q_n}{{\mathrm{\πK}}_n}\ln \frac{R_n}{r_{n,2}}\\ \mathrm{......}\\ S_n=\frac{Q_1}{{\mathrm{\πK}}_1}\ln \frac{R_1}{r_{1,n}}+\frac{Q_2}{{\mathrm{\πK}}_2}\ln \frac{R_2}{r_{2,n}}+\mathrm{......}+\frac{Qn}{{\mathrm{\πK}}_n}\ln \frac{R_n}{r_w}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中:S_i＝(2H₀-s_wi)·s_wi(i＝1,2,3….),m²；H₀为潜水含水层初始厚度，m；s_wi为第i口井水位降深，m；水位下降时取正值，水位上升时取负值；Q_i为第i口井的抽水量或回灌量，m³/d；抽水量取正值，回灌量取负值；K_i为第i口井的渗透系数，m/d；r_w为水井半径，m；r_i,j(i＝1,2,3…；j＝1,2,3…)为第i口井到第j口井的距离，m；R_i为第i口井的影响半径，m，根据Lembke公式确定：其中W为入渗补给强度，根据水文地质手册或成井报告确定；

b)对于承压井，地下水向井群流动的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_{w1}=\frac{Q_1}{2{\mathrm{\πK}}_{1}M}\ln \frac{R_1}{r_w}+\frac{Q_2}{2{\mathrm{\πK}}_{2}M}\ln \frac{R_2}{r_{2,1}}+\mathrm{......}+\frac{Q_n}{2{\mathrm{\πK}}_{n}M}\ln \frac{R_n}{r_{n,1}}\\ s_{w2}=\frac{Q_1}{2{\mathrm{\πK}}_{1}M}\ln \frac{R_1}{r_{1,2}}+\frac{Q_2}{2{\mathrm{\πK}}_{2}M}\ln \frac{R_2}{r_w}+\mathrm{......}+\frac{Q_n}{2{\mathrm{\πK}}_{n}M}\ln \frac{R_n}{r_{n,2}}\\ \mathrm{......}\\ s_{wn}=\frac{Q_1}{2{\mathrm{\πK}}_{1}M}\ln \frac{R_1}{r_{1,n}}+\frac{Q_2}{2{\mathrm{\πK}}_{2}M}\ln \frac{R_2}{r_{2,n}}+\mathrm{......}+\frac{Qn}{2{\mathrm{\πK}}_n}\ln \frac{R_n}{r_w}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：M为含水层厚度，m。

8.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤4中，拟合各回灌井渗透系数衰减方程，通过下述步骤实现：

1)渗透系数的衰减满足衰减方程：

$K_i\left(t\right)=K_i\left(0\right)\·e^{-{\mathrm{\λ}}_{i}t}---\left(4\right)$

式中：K_i(t)为第i口井t时刻渗透系数；K_i(t₀)为第i口井初始时刻渗透系数；

2)根据各井不同时刻的渗透系数拟合出各井渗透系数衰减系数λ_i。

9.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤6中，得到各回灌井水位预测方程通过将拟合得出的渗透系数衰减方程代入地下水向井群流动的数学模型中，即得到各回灌井水位预测方程：

对于潜水井，

对于承压井，

10.根据权利要求1所述的一种基于渗透系数模型的回灌井堵塞预测诊断方法，其特征在于，所述步骤7中，确定各回灌井溢井时的水位及降深，回灌井中的液位上升至井沿时，即发生了溢井现象；故通过测量参考点至井沿的距离可得到回灌井溢井时的水位；再根据步骤2中的水位降深计算公式(1)得出回灌井溢井时的降深。