[发明专利]单井循环地热系统中地下水非达西流流场检测方法及装置

说明书

本发明提供单井循环地热系统中地下水非达西流流场检测方法及装置,所述方法包括：建立数学模型，建立控制方程，确定所述控制方程的初始条件，建立所述控制方程的边界条件；利用近似方法处理所述控制方程中的非线性项，对所述控制方程、初始条件及边界条件做拉普拉斯变换，获得变换后的控制方程、初始条件及边界条件；对所述变换后的控制方程、初始条件及边界条件做有限傅里叶余弦变换，获得变换后的偏微分方程；求解变换后的偏微分方程，并通过拉普拉斯逆变换，得出单井循环浅层地热系统地下水非达西流动在拉普拉斯域上的解析解；利用Stehfest数值反演方法，求出所述解析解所对应的时域上的解，以检测所述地下水非达西流场的降深分布。

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及新能源、可再生能源及水文地质领域技术领域，尤其涉及单井循环地热系统中地下水非达西流流场检测方法及装置。

背景技术

地热能作为可再生能源，具有清洁、安全、储量大等优势，更为重要的是，相较于风能、太阳能、潮汐能等可再生清洁能源，地热能的持续稳定供应优势是其他可再生能源无法比拟的。目前，浅层地热能被广泛应用于供暖，具有开发利用简单、经济性好、系统稳定等优点，随着地热供热系统的不断发展和完善，将在我国供暖市场中占有重要地位。

单井循环浅层地热系统作为一种为建筑物供暖的新技术，是以地下水为介质，将地层中的能量输送到热泵系统中，实现能量的运移。单井循环浅层地热系统井结构特殊，在一口井中的中间部分安装隔水装置，将井分为抽水井、回灌井及隔水段三部分，隔水段的作用是阻止回灌到地层中的水流到抽水井，避免抽水与回水的混合导致抽水温度的变化，影响单井循环浅层地热系统的运行效率。单井循环浅层地热系统在运行过程中，通过抽水井的抽水量大，可达每小时50甚至100立方米。因此，此过程中由于含水层中的地下水快速流动，可导致地下水在含水层中的流动是紊流，出现非达西流的情形。而单井循环浅层地热系统的含水层中的传热主要是以热对流为主，其主要是受到地下水流动的影响，相较于含水层中地下水达西流的情形下，非达西流的存在将导致含水层中的换热机理更为复杂。

因此，进一步深入认识和研究单井循环浅层地热系统中含水层地下水流态的问题，对更好地厘清含水层中复杂的传热机理有很大地帮助。但是发明人发现，目前关于单井循环浅层地热系统中地下水的流动问题主要是聚焦在达西流上，对非达西流动的研究目前基本没有。

该发明中的单井循环浅层地热系统中地下水非达西流流场的解析解将为深刻认识地下水流态、传热机理提供理论基础。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出单井循环地热系统中地下水非达西流流场检测方法及装置，对单井循环浅层地热系统的含水层中地下水非达西流流场进行分析，揭示含水层中地下水降深的变化和分布规律，为深刻认识地下水流态、传热机理提供理论基础。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种单井循环地热系统中地下水非达西流流场检测方法，包括：

建立承压含水层中单井循环浅层地热系统中地下水流动的数学模型，所述数学模型中的已知参数包括：抽水量、回灌量、含水层厚度、抽水井长度、隔水段长度、回灌井长度，所述数学模型中的未知参数包括：水平方向承压含水层至抽水井中心线的距离变化、竖直方向承压含水层的高度变化、时间、地下水的水平方向流速和竖直方向流速；

建立基于所述水平方向承压含水层至抽水井中心线的距离变化、竖直方向承压含水层的高度变化、时间、地下水的水平方向流速和竖直方向流速的单井循环浅层地热系统中地下水流动的控制方程，确定所述控制方程的初始条件，基于所述抽水量、回灌量、含水层厚度、抽水井长度、隔水段长度、回灌井长度建立所述控制方程的边界条件；

利用近似方法处理所述控制方程中的非线性项，对所述控制方程、初始条件及边界条件做拉普拉斯变换，获得变换后的控制方程、初始条件及边界条件；

对所述变换后的控制方程、初始条件及边界条件做有限傅里叶余弦变换，获得变换后的偏微分方程；