地下咸水层储能与含水介质空间结构变化的研究.pdf

地下咸水层储能与含水介质空间结构变化研究TheResearchesofEnergyStorageandRechargeAquiferMediumSpaceStructureinBrackishAquifers学科专业:热能工程研究生:马玖辰指导教师:赵军教授天津大学环境科学与工程学院二零一二年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:导师签名:签字日期:年月日签字日期:年月日中文摘要我国沿海地区地下埋深在100-150m的浅层存在丰富的地下咸水资源,具有储量大、分布广、埋藏浅、封闭条件好的特点,有利于地下储能综合利用。当前,国内外对于咸水层储能机理研究尚处在起步阶段,关于地下咸水抽、回灌过程中含水层渗透性能变化的原因与机理分析的报道并不多见。论文基于含水层储能水-热运移的基本理论与控制方程,针对地下咸水层储能过程中地下水密度及粘滞性系数变化显著的特点,对现有的地下含水层储能数学模型进行修正、完善,建立地下咸水层水-热-盐耦合储能模型。利用完善后的地下咸水层储能模型对天津滨海新区某咸水层储能系统地下水动力场及温度场的分布情况进行模拟,所得数据与现场试验结果拟合较好。根据研究结果得到,在地下咸水层水文地质条件不变的情况下,渗透系数随地下咸水层温度的升高而升高;随着回灌溶液盐浓度的增大而降低。咸水层储能野外试验是探究该特定含水层储能特性的关键措施,是研究咸水层储能过程中地下水传热、传质规律的最佳方法。然而目前国内相关的野外试验研究仍处于空白状态。论文基于现场勘测结果,根据现有试验条件设计、搭建一套完整地下咸水层储能野外试验系统。通过改变回灌水的温度进行储热、储冷试验,分析不同储能模式对含水介质内传热、传质过程产生的影响,验证了咸水层储能模型中回灌水温度的变化导致渗透系数发生改变的合理性。为室内储能试验台的设计与搭建提供了模型参考与基础数据。本文采用室内模拟试验与理论分析相结合的方法,设计、搭建一套完整的一维渗流砂柱试验系统,通过回灌溶液温度与盐浓度突、渐变试验,结合双电层理论探索咸水层储能过程中导致含水介质空间结构以及渗透性能变化的主要原因。研究表明,含水介质渗透性能不仅与回灌溶液温度、盐浓度变化有关,同时也受到温度与盐度变化梯度的影响。以回灌溶液温度突变试验为例,分析含水介质渗透性能空间非均质性现象。通过试验发现,在回灌水量不变的情况,由于回灌溶液温度的改变,在含水介质中形成垂直于地下水流的低渗透带的区域也有所变化。通过对三维渗流砂箱进行模拟储热试验,发现含水介质渗透性能变化规律在水平、垂直方向具有很强的空间非均质性特征。通过抽-注水井固定与调换模式储能试验可得,地下含水层粘粒分布与空间结构变化是一个不可逆的过程。在两种工作模式下地下咸水层中均形成了低渗透帷幕带,然而由于形成机制不同,使得低渗透帷幕带所在区域有所差异。关键词:咸水层储能耦合模型渗透性能空间结构粘粒模拟试验ABSTRACTThereisabundantundergroundbrackishwaterresourcesburiedattheshallowlayerasdeepas100m-,largedistributionrange,shallowburieddepth,,onductivityofbrackishaquifersduringtheinject--heattransferringinaquifer,thispaperrevisesandperfectsthecurrentnumericalmodelofenergystorageandrecoverysys