淺層地?zé)崮荛_發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題及關(guān)鍵技術(shù)研究

推薦：淺層地?zé)崮鼙O(jiān)測(cè)系統(tǒng)/地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【摘要】：目前,國(guó)內(nèi)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用的主要方式有水源熱泵和土壤源地埋管熱泵兩種。其中,地下能源采集系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的合理性和工程質(zhì)量直接影響著周邊地質(zhì)環(huán)境和熱交換效率穩(wěn)定性問題。為此,針對(duì)存在的突出問題通過大量的調(diào)研、資料收集分析研究了淺層地?zé)崮荛_發(fā)過程中由于工程問題導(dǎo)致的熱貫通、地下水位下降、地面塌陷、水質(zhì)惡化等地質(zhì)環(huán)境問題；結(jié)合工程實(shí)踐和專題試驗(yàn)從成井管材、施工工藝、材料選擇提出了具體的解決措施和技術(shù)方案。特別是針對(duì)傳統(tǒng)的“一井抽多井回”模式存在的占地面積大、回灌困難問題,提出了“單井抽回兩用系統(tǒng)”和“PVC-U塑料管成井技術(shù)”設(shè)計(jì)思路,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行了室內(nèi)和生產(chǎn)性試驗(yàn)。其中,鄭州滎陽(yáng)鑫苑小區(qū)“單井抽回兩用系統(tǒng)”解決了細(xì)顆粒松散地層回灌困難等問題,通過4年的運(yùn)行情況證實(shí)：系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定、供熱制冷效果可靠,取得了顯著地經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。淺層地?zé)崮苁且环N可再生綠色能源,其能量相當(dāng)于9.4×1020KJ的熱能或3.2×105億t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量。具有埋藏淺、分布廣泛、開發(fā)成本低等特點(diǎn),在目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,淺層地?zé)崮芡ㄟ^熱泵機(jī)組進(jìn)行能量的提取和交換,可以替代煤炭、石油、天然氣實(shí)現(xiàn)建筑物供暖制冷。我國(guó)在淺層地?zé)崮荛_發(fā)領(lǐng)域雖然起步較晚,但發(fā)展速度較快,尤其是近1 0年,我國(guó)的華北平原、東北、西北等地區(qū)逐步大面積開發(fā)利用淺層地?zé)崮?。同時(shí),國(guó)家及相關(guān)部委也相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)政策和優(yōu)惠措施。在目前實(shí)際開發(fā)利用情況來(lái)看：許多地區(qū)存在著前期適宜性勘查評(píng)價(jià)滯后、管理混亂、盲目建設(shè)、從業(yè)人員技術(shù)參差不齊等,從而因?yàn)楣こ碳夹g(shù)問題導(dǎo)致了一系列地質(zhì)環(huán)境和熱交換效率穩(wěn)定性問題。如：地下水回灌困難、能量交換系統(tǒng)熱貫通等,由此造成地下水浪費(fèi)、區(qū)域地下水位下降、地面沉降塌陷、水質(zhì)污染惡化和生態(tài)環(huán)境的破壞。針對(duì)存在的突出問題,在通過大量調(diào)研和試驗(yàn),從地質(zhì)環(huán)境問題、工程技術(shù)問題為切入點(diǎn)進(jìn)行課題研究,并提出合理的解決措施,對(duì)今后淺層地?zé)崮芸茖W(xué)、合理、可持續(xù)開發(fā)利用、國(guó)家能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能減排具有積極的意義。淺層地?zé)崮荛_發(fā)涉及水工環(huán)地質(zhì)、腐蝕科學(xué)、鉆探、暖通和機(jī)電安裝等專業(yè)領(lǐng)域。其中,地下能源采集系統(tǒng)是整個(gè)供暖制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵。開發(fā)利用的合理性直接影響著生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境。通過TRT-9型車載式巖土熱響應(yīng)測(cè)試儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土壤溫度的測(cè)試、地層冷熱平衡的分析研究和地源熱泵運(yùn)行監(jiān)測(cè)可知：在供暖制冷2個(gè)工況下,其運(yùn)行時(shí)間大致相同時(shí),地層基本可以達(dá)到冷熱平衡；在北方或南方地區(qū),僅用于供暖或制冷或者供暖制冷2個(gè)工況運(yùn)行時(shí)間相差較大時(shí),地層冷熱平衡會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化,終導(dǎo)致地層的冷熱平衡的破壞。由此可直接影響土壤中微生物種群數(shù)量、植被的生長(zhǎng)速度、地下N2O和CH4集中釋放、地層孔隙度變化、水質(zhì)變化等；當(dāng)回灌率低時(shí),將造成地下水資源浪費(fèi)、水位下降、地面沉降塌陷等地質(zhì)環(huán)境問題。地下水源熱泵還是土壤源地埋管熱泵系統(tǒng),在開發(fā)淺層地?zé)崮軙r(shí)都存在著系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢問題。特別是地下水源熱泵系統(tǒng)是開式系統(tǒng),地下水在整個(gè)管網(wǎng)和設(shè)備系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢更加嚴(yán)重。許多地區(qū)的地下水源熱泵系統(tǒng),由于水源井工程和管材選擇問題導(dǎo)致系列的腐蝕結(jié)垢,而出現(xiàn)水量逐年下降、回灌困難、水質(zhì)惡化、地面管道堵塞等。腐蝕結(jié)垢問題嚴(yán)重影響著整個(gè)換熱系統(tǒng)的使用壽命、運(yùn)行效果和地質(zhì)環(huán)境。目前,我國(guó)多數(shù)的地下水源熱泵水井成井的管材有水泥管、鑄鐵管、普通鋼管,常用的是普通鋼管和鍍鋅橋式過濾管組合的成井管柱。通過常用成井材料的腐蝕結(jié)垢試驗(yàn)證明：所有的金屬管材都存在著腐蝕結(jié)垢現(xiàn)象,特別是鍍鋅橋式過濾管腐蝕速度快,在第7d時(shí)開始腐蝕結(jié)垢,150d時(shí)其過水縫隙幾乎全部堵塞。而PVC-U塑料管無(wú)論是在什么水質(zhì)和時(shí)間中均不存在腐蝕結(jié)垢和溶解析出問題,是成井的好材料。研究與實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：地下水源熱泵成井管材選擇與成井工藝決定著抽水井和回灌井的使用壽命和運(yùn)行質(zhì)量。其中,成井工藝中,鉆井方法與鉆進(jìn)速度、鉆井液選擇、洗井方法選擇及成井質(zhì)量與水源井的抽水和回灌量和效果有著直接關(guān)系。目前的成井管材和工藝使其使用壽命在2-8a,主要表現(xiàn)：由于腐蝕結(jié)垢堵塞使單井出水量和回灌量逐年減小管材腐蝕破裂后出混水、出砂、井內(nèi)坍塌等。在土壤源地埋管設(shè)計(jì)和施工中,通過熱阻、雷諾數(shù)、傅力葉方程等計(jì)算公式和分析研究可以看出：地埋管熱交換效率和效果與地埋管材料、直徑、管壁厚度、鉆孔口徑有著密切關(guān)系；不同的圍填材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù),其換熱效率及效果不同。砂、粘土均具有良好的導(dǎo)熱性,是地埋管圍填材料經(jīng)濟(jì)適用的材料,可以就地取材,并且利用泥漿+鉆屑混合物作為圍填材料,可減少?gòu)U渣和廢漿處理費(fèi)用。在泥漿+鉆屑混合物中,砂或者巖石碎屑作為骨料,其粒徑大小和均勻性對(duì)回填材料的性質(zhì)有一定的影響,回填時(shí)骨料應(yīng)選擇粒徑0.5～2mm的中粗砂為主。采用現(xiàn)場(chǎng)泥漿十鉆屑混合物作為圍填材料時(shí),盡可能選擇均勻的中粗砂(巖屑)和0.8%左右的膨潤(rùn)土混合材料,以便達(dá)到好的換熱效果。影響淺層地?zé)崮荛_發(fā)的問題及因素很多,特別是地下水源熱泵系統(tǒng)的地下能源采集系統(tǒng)質(zhì)量的好壞將直接影響著整個(gè)換熱效率和運(yùn)行情況,是技術(shù)核心和關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)的正循環(huán)泥漿鉆進(jìn)工藝存在著效率低、泥漿污染地層嚴(yán)重,洗井困難、成井質(zhì)量較差,對(duì)單井抽水量和回灌量影響較大；而泵吸反循環(huán)和氣舉反循環(huán)等“欠平衡鉆井”鉆進(jìn)方法具有井底干凈、無(wú)重復(fù)破碎、鉆井效率高、地層無(wú)污染、洗井容易等優(yōu)點(diǎn),成井質(zhì)量好、能夠真實(shí)反映單井的出水量和回灌量。所以,在設(shè)計(jì)和施工中對(duì)于松散地層推薦泵吸反循環(huán)和氣舉反循環(huán)工藝；對(duì)于基巖地層則推薦空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝。PVC-U塑料管在成井過程中存在下入困難和井管爆裂2個(gè)問題,從而影響著塑料管的推廣應(yīng)用。PVC-U塑料管作為地下水源抽水井或回灌井管材使用,與金屬管材相比具有不腐蝕結(jié)垢、成井速度快、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)PVC-U塑料管物理力學(xué)性能指標(biāo)和特點(diǎn),采用“井內(nèi)壓力平衡法”下管工藝,解決了下管困難和爆裂問題。大成井深度已達(dá)437m,*國(guó)內(nèi)外空白。通過分析研究總結(jié)了井管內(nèi)外壓力差和動(dòng)載荷(沖擊載荷)是導(dǎo)致塑料管體爆裂事故的2個(gè)主要原因。井內(nèi)的泥漿密度過大和過濾縫隙堵塞是塑料管下入困難的主要原因。所以,在實(shí)際工程中必須采取必要的技術(shù)措施,盡可能減少井管內(nèi)外的壓力差和動(dòng)載荷(沖擊載荷)。目前國(guó)內(nèi)外的“同井回灌”技術(shù)在水文地質(zhì)條件好的地區(qū)得到了一定范圍的使用,其效果較好。但是,局限性較大、存在著不同程度的熱貫通問題。作者在此基礎(chǔ)上提出了“單井抽回兩用系統(tǒng)”,利用單口井(并列抽水井管和回灌管)在地下垂向距離地下水緩慢上升過程來(lái)實(shí)現(xiàn)能量交換和提取。根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件確定了3種設(shè)計(jì)方案,即：中部抽水—上部和下部回灌、下部抽水—上部回灌、上部抽水—下部回灌等方案。結(jié)合工程在鄭州滎陽(yáng)鑫苑小區(qū)進(jìn)行了2口井的設(shè)計(jì)和回灌試驗(yàn),終以2號(hào)井的設(shè)計(jì)和施工方案取得了成功,使回灌量達(dá)到了100%,并在小區(qū)16500m2建筑物得到了供暖制冷。經(jīng)過4a的運(yùn)行證明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、抽水回灌正常(70m3/h),取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。總而言之,本文以實(shí)際工程試驗(yàn)和大量的調(diào)查數(shù)據(jù)為依托,利用環(huán)境地質(zhì)學(xué)、地下水科學(xué)和腐蝕科學(xué)理論系統(tǒng)對(duì)淺層地?zé)崮荛_發(fā)造成的地質(zhì)環(huán)境問題進(jìn)行了全面分析研究,以鉆探和腐蝕科學(xué)學(xué)理論系統(tǒng)研究淺層地?zé)崮荛_發(fā)中水源熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),即：成井質(zhì)量和地下水及時(shí)回灌,并提出了具體解決措施；通過試驗(yàn)與實(shí)際工程,自主創(chuàng)新提出了“單井抽回兩用系統(tǒng)”技術(shù)方案和成井工藝方法,通過在實(shí)際應(yīng)用取得了顯著的效益。該研究成果對(duì)今后淺層地?zé)崮芎侠?、科學(xué)開發(fā)利用提供了依據(jù)和技術(shù)支撐,為節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。

【關(guān)鍵詞】：淺層地?zé)崮?/strong> 地質(zhì)環(huán)境問題 工程技術(shù)問題 關(guān)鍵技術(shù)研究 單井抽回兩用系統(tǒng) 
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P314;TU83
【目錄】：

• 摘要8-11
• ABSTRACT11-17
• *章 緒論17-28
• §1.1 課題來(lái)源及研究目的和意義17-19
• 1.1.1 課題來(lái)源17
• 1.1.2 研究目的和意義17-19
• §1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)19-25
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問題19-24
• 1.2.2 淺層地?zé)崆鍧嵞茉撮_發(fā)趨勢(shì)24-25
• §1.3 課題研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線25-26
• 1.3.1 課題研究?jī)?nèi)容25
• 1.3.2 課題研究技術(shù)路線25-26
• §1.4 本章小結(jié)26-28
• 第二章 淺層地?zé)崮苡?jì)算評(píng)價(jià)與地源熱泵28-38
• §2.1 淺層地?zé)崮苜Y源與政策28-29
• 2.1.1 淺層地?zé)崮芨拍罴百Y源量28
• 2.1.2 淺層地?zé)崮荛_發(fā)政策28-29
• §2.2 淺層地?zé)崮軡摿τ?jì)算與節(jié)能減排評(píng)價(jià)29-32
• 2.2.1 國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)29
• 2.2.2 淺層地?zé)崮軡摿εc經(jīng)濟(jì)價(jià)值計(jì)算29-30
• 2.2.3 供暖制冷面積計(jì)算30-31
• 2.2.4 標(biāo)準(zhǔn)煤替代量和溫室氣體減排量計(jì)算31
• 2.2.5 節(jié)能減排效益分析與評(píng)價(jià)31-32
• §2.3 地源熱泵開發(fā)淺層地?zé)崮芊绞郊疤攸c(diǎn)32-36
• 2.3.1 地源熱泵概念32
• 2.3.2 工作原理32-33
• 2.3.3 淺層地?zé)崮荛_發(fā)主要方式33-35
• 2.3.4 地源熱泵主要特點(diǎn)35-36
• §2.4 本章小結(jié)36-38
• 第三章 淺層地?zé)崮荛_發(fā)地質(zhì)環(huán)境問題研究38-64
• §3.1 地源熱泵開發(fā)淺層地?zé)崮軣嵛廴締栴}38-53
• 3.1.1 土壤溫度測(cè)試及變化規(guī)律38-45
• 3.1.2 地層冷熱平衡分析研究45-49
• 3.1.3 熱污染造成的環(huán)境問題49-53
• §3.2 地下水位下降與地面沉降問題53-59
• 3.2.1 地下水位降深計(jì)算53-55
• 3.2.2 區(qū)域地下水位下降與漏斗的形成55-57
• 3.2.3 地面沉降與塌陷57-59
• §3.3 地下水質(zhì)污染問題59-62
• 3.3.1 地下水污染現(xiàn)狀59-60
• 3.3.2 工程導(dǎo)致地下水污染原因及危害60-62
• §3.4 本章小結(jié)62-64
• 第四章 淺層地?zé)崮荛_發(fā)工程問題研究64-86
• §4.1 熱泵系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢問題與試驗(yàn)研究64-74
• 4.1.1 熱泵系統(tǒng)中腐蝕結(jié)垢形式及危害64-65
• 4.1.2 地下管井腐蝕機(jī)理與類型65-68
• 4.1.3 常用過濾管腐蝕與結(jié)垢試驗(yàn)68-74
• §4.2 地下水源井工程現(xiàn)狀及問題研究74-80
• 4.2.1 地下水源井工程現(xiàn)狀74-75
• 4.2.2 地下水源井工程問題75-80
• §4.3 地下埋管工程現(xiàn)狀及問題研究80-84
• 4.3.1 地下埋管工程現(xiàn)狀80
• 4.3.2 埋管及圍填材料問題研究80-84
• 4.3.3 鉆孔口徑及工藝問題研究84
• §4.4 本章小結(jié)84-86
• 第五章 淺層地?zé)崮荛_發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用86-109
• §5.1 地下水源井工程關(guān)鍵技術(shù)86-88
• 5.1.1 地下水源熱泵井管材選擇86
• 5.1.2 地下水源鉆井技術(shù)86-88
• §5.2 PVC-U塑料管成井技術(shù)88-93
• 5.2.1 PVC-U塑料管特性88-89
• 5.2.2 PVC-U管物理力學(xué)性能89-90
• 5.2.3 PVC-U管成井關(guān)鍵技術(shù)90-91
• 5.2.4 PVC-U塑料管應(yīng)用實(shí)例91-93
• §5.3 新型地下水源單井抽回兩用系統(tǒng)應(yīng)用研究93-107
• 5.3.1 地下水源熱泵系統(tǒng)回灌主要類型與問題93-98
• 5.3.2 新型地下水源單井抽回兩用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)98-104
• 5.3.3 單井抽回兩用系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用情況104-105
• 5.3.4 單井抽回兩用系統(tǒng)的特點(diǎn)105-106
• 5.3.5 效益分析106-107
• §5.4 本章小結(jié)107-109
• 第六章 結(jié)論與建議109-111
• 6.1 主要結(jié)論109-110
• 6.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)110-111

• 關(guān)鍵詞：地?zé)峋h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)/地?zé)峋h(yuǎn)程控制方案/地?zé)峋h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)/地?zé)峋?/span>自動(dòng)化監(jiān)控/地?zé)?/span>水井實(shí)時(shí)監(jiān)控/地?zé)峋?/span>GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)/地?zé)峋疁y(cè)溫系統(tǒng)

  關(guān)鍵詞：地源熱泵地埋管溫度測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度在線監(jiān)測(cè)/地源熱泵換熱井實(shí)時(shí)溫度電腦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)/GPRS式豎直地埋管地源熱泵溫度監(jiān)控系統(tǒng)/地源熱泵溫度場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)/地埋管測(cè)溫/地源熱泵溫度監(jiān)控/地源熱泵測(cè)溫

  遠(yuǎn)程全自動(dòng)地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)/鐵路凍土地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)/地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)/城市地溫監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)/礦井深部地溫/地源熱泵監(jiān)測(cè)研究/地源熱泵溫度測(cè)量系統(tǒng)/淺層地?zé)釡y(cè)溫/深水測(cè)溫儀/深井測(cè)溫儀/深水測(cè)溫儀/深井測(cè)溫儀/地質(zhì)水文土壤溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)