摘要：随着环境恶化及能源危机的影响日益加剧，节能减排成为我国发展的主旋律。地下水地源热泵系统作为清洁能源的代表，具有初期投资低、效率高等优点。但其适宜性受水文地质条件影响较大，地下水地源热泵系统方案设计时，需对场地地下水类型、地下水位动态变化等条件进行了解。Visual MODFLOW是国际上较为成熟的三维地下水数值模拟软件，通过其可对地下水位动态进行预测，为地下水地源热泵系统地区适宜性研究提供了重要的工具。
关键词：地下水;地源热泵;Visual MODFLOW;地下水位预测
地下水地源热泵系统是以地下水作为低位热源，并利用热泵技术，通过少量的高位电能输入，实现冷热量由低位能向高位能的转移，从而达到为使用对象供热或供冷的一种系统。[1]是否适宜采取这种技术取决于当地的水文地质条件。地下水位受自然和人为影响变化较大，了解其动态对研究地下水地源热泵系统地区适宜性及设计十分重要。
1 研究区概况
研究区位于山西省太原市盆地区，地理坐标北纬37°36′～38°4′，东经112°19′～112°45′，北起西高庄—青龙镇，南至潇河，东以东边山断裂为界，西以西边山断裂为界，模拟区总面积约736km2。属温带半干旱大陆性气候，地表河流均属黄河流域，汾河为纵贯全区的最大干流，对地下水动态影响较大。[2]
本次模拟对象是分布于汾河冲积平原区、边山洪积扇及倾斜平原区的松散岩类孔隙水含水层，属第四系全新统和更新统，含水层颗粒较粗，水质较好，地下水资源丰富，较为适合地下水地源热泵系统的建立。[3]
2 建立数值模型
2.1 初始模型建立
首先建立水文地质概念模型，综合考虑相关因素，将目标含水层系统概化为三层，从上至下，为浅层潜水含水层、中间弱透水层及中深层承压水含水层;含水介质概化为非均质各向同性，同一水文地质参数分区内视为均质各向同性;由于自然因素及地下水开采不均衡的影响，地下水流为非稳定达西流;边界全部概化为流量边界。其次，根据模拟区水文地质概念模型，不考虑弱透水层释水，分别建立了浅层潜水和中深层承压水系统地下水数学模型。最后对模拟区域进行空间离散，X、Y轴方向上等距剖分108×60个网格，每个单元格的平面面积约为0.25km2，垂直方向3层，共计6480个单元格。
2.2 定解条件
初始条件：利用长观孔的监测资料，将2017年5月1日潜水含水层和承压含水层的地下水位值经过插值计算得到初始流场。
边界条件：东西边山断裂带均为固定的补给边界，东南部为侧向补给边界，所以东、西为补给边界，北部亦为补给边界，南部以太原清徐交界线为排泄边界。
2.3 水文地质参数取值与分区
借鉴前人相关抽水试验的研究成果，参考目标模拟含水层的岩性、埋深条件、厚度以及水位动态，对模拟区水文地质参数进行分区。
2.4 源汇项
源汇项主要包括补给项和排泄项，大气降水入渗、侧向径流补给、河道沟渠渗漏为主要的补给项，其中农田灌溉入渗补给量和井灌回归量需以面状补给的形式输入模型。
人工开采、蒸发、徑流排泄为主要的排泄项，其中人工开采量在模型中需按水井位置和所属含水层类型分配到指定单元格。
2.5 模型的识别与验证
以2017年5月至2018年5月一个水文年作为模型识别时间段，通过调整水文地质参数，并利用水均衡法，经过反复试算并与此阶段的实际资料做对比来验证模型的可靠性，得到的模型运算结果与实际地下水流场情况相符合。
3 地下水位预测
在维持现阶段开采情况下，以2025年为预测目标年，将Visual MODFLOW预测的潜水含水层和承压含水层等水位线图与初始流场进行对比，并导出数据作进一步对比。
2025年潜水含水层地下水水位处于稳步上升状态;承压含水层水位局部下降，但总体上升趋势明显。由于长期超采形成的地下水降落漏斗，一些浅层的已经消失，地下水径流方向也发生了改变，并且多数降落漏斗呈闭合线水位升高，闭合面积减小的趋势。
4 结论及建议
4.1 结论
1、地下水地源热泵技术利用可再生资源供暖制冷，无论对自然环境的改善还是全社会的节能减排都有重要的意义，但一个地区能否利用这种技术受当地的水文地质条件影响较大，并且水文地质条件不同地区相差甚远，所以在系统方案设计前，需要勘明场地地下含水层岩性、地下水类型及水位动态变化等条件，才能保证方案设计的合理性，减少后期运营问题。
2、地下水三维数值模拟技术相较于其他传统研究方法，投入少、效率高，在研究复杂地下水问题时优势明显。Visual MODFLOW 是模拟三维地下水运动的专业软件，交互界面友好，模拟结果直观，对水文地质条件中地下水位动态变化情况进行研究尤为适合。
3、运用Visual MODFLOW 软件对太原市盆地区地下水含水层进行三维建模，得到2025年太原市地下水位预测结果，在关井压采的政策下，地下含水层得到了比较好的休养，地下水位变化幅度较大，地下水径流方向发生变化，该地区采用地下水地源热泵技术，需对上述因素进行考虑，基于地下水资源性变好的情况，利用地下水地源热泵技术的适宜性增强。
4.2 建议
1、地下水地源热泵技术适宜性评价是复杂且系统性的工作，地下水水位动态情况只是众多影响因素之一，其作为评价因素的权重及具体的评价标准还需要进一步的研究。
2、在初始模型调参和试算的过程中，注意数值模型展现的地下水特性要与实际情况相符合，避免做出数学运算合理而不实用的数值模型。
参考文献：
[1] 徐伟.中国地源热泵发展研究报告（2008）[M].北京：中国建筑工业出 版社，2008.
[2] 王胜利.论太原市2013年地下水水位动态变化趋势[J].华北国土资源，2014（06）：58-61.
[3] 于慧明，杨泽，都基众.基于层次分析法的沈阳市地埋管地源热泵适宜性评价[J].地质与资源，2016，25（06）：563-566.
作者简介：
常翠（1985-），女，辽宁沈阳人，硕士，工程师，主要研究方向：地下水资源评价与信息技术。
基金项目：漳州科技职业学院教科研项目（项目编号：ZK201904）
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