一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井

1.本发明涉及一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，属于水资源调蓄技术领域。


背景技术：

2.淡水作为重要的自然资源，是国民经济发展的重要支撑，在社会可持续发展和生态文明建设中具有突出地位。近年来，随着全球人口增加，以及气候变化、水资源浪费等，全球大部分地区的用水安全压力日益严峻，水资源短缺成为目前全球性的水危机问题，给人类的发展和社会的进步带来挑战。
3.我国水资源时空分布不均、人口密集、城市用水压力巨大，部分地区的地下水超采导致地下水位下降、地面沉降、海水入侵等自然灾害。采用储水工程进行水资源调蓄是实现“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水方针中“空间均衡”的重要技术手段，是提升国家用水安全保障能力、应对水危机的重要途径。
4.采用抽、注两用的水井对地下含水层进行周期性的淡水注入和回采抽出，来构建地下水库是实现上述目标的关键技术，可以实现水资源的年内丰枯调节和年际长效调蓄，最终达到健康的区域水平衡状态。与传统的地表水资源调蓄技术(如地表水库和蓄水池等)相比，利用两用井构建地下水库具有建设成本低、不占地、蒸发损耗小、水资源调蓄容量大、受人类活动造成的水污染风险小、可改善地下水超采导致的多方面生态问题等优点。
5.然而，由于原位地下水与注入淡水间通常存在浓度和密度的差异(一般情况下，原位地下水的密度高于注入的淡水，尤见于滨海地区和干旱、半干旱地区)。受重力和浮力作用的驱使，上述密度差异会导致两种水体间交界面的倾斜变形，具体表现为注入的淡水上浮至储水区的浅层且水平散开流失，而原位地下水积聚于靠近井的储水区深层。上述现象使得在对淡水进行采收时，由于过早地抽取到储水区深层的原位地下水而影响抽出水的水质，使得回采提前中止，极大地影响淡水的回采利用效率。
6.为了解决以上淡水调蓄的技术问题，本领域技术人员急需要设计出一种新的淡水调蓄结构。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，通过在钻设的同一井孔中设置不同筛孔密度分布的两个筛管，实现注入和回采阶段不同的井流量分布，以抵消密度差异对淡水回采效率的负面影响，并且具有结构简单、造价低等优点。
8.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，包括钻设至承压含水层的井孔。
9.注水筛管和抽水筛管置于井孔内，将砾石过滤填料填充在两筛管之间和两筛管与井孔壁之间的空间内，在两筛管的顶部设置封隔器，注水泵穿过封隔器设置在注水筛管内，
抽水泵穿过封隔器设置在抽水筛管内，所述注水筛管的筛孔密度随深度增大，所述抽水筛管的筛孔密度随深度减小。
10.作为优选方案，所述注水筛管的筛孔密度随深度线性增大，所述抽水筛管的筛孔密度随深度线性减小，线性变化程度为η。
11.作为优选方案，所述线性变化程度η计算公式如下：
[0012][0013]
其中，n
max
为筛孔密度最大值(单位长度上的最大孔数)，n
min
为筛孔密度最小值(单位长度上的最小孔数)。
[0014]
作为优选方案，所述注水筛管和抽水筛管的高度与承压含水层的储水区高度一样。
[0015]
作为优选方案，所述注水筛管和抽水筛管的直径小于考虑砾石过滤填料厚度情况下井孔直径的一半。
[0016]
作为优选方案，所述井孔直径大于等于500mm。
[0017]
作为优选方案，所述筛孔采用圆形结构。
[0018]
作为优选方案，井孔顶部四周存在隔水顶板，隔水顶板上方存在上层覆土，隔水顶板和上层覆土的内壁与井孔内壁之间设置有灌浆密封层。
[0019]
有益效果：
[0020]
本发明的工作原理如下：注水筛管的筛孔密度随深度线性增大，注水流量亦随深度线性增大，抵消密度差异造成的咸淡水交界面的变形与倾斜。抽水筛管的筛孔密度随深度线性减小，使抽水的流量随深度线性减小，更多地从浅层抽取淡水，尽可能避免抽到咸水。上述两方面的作用使注入淡水和原位地下水间的分界面尽可能保持竖直，从而推迟原位地下水侵入两用井并污染回抽水的时间节点，最终使re得到提升。
[0021]
本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，通过在同一井孔中分设筛孔密度随深度分布完全相反的注水筛管和抽水筛管，实现了注入和抽水阶段不同的井流量分布，尽可能抵消密度差异带来的负面影响，从而显著提高淡水地下储存与回采的效率。另外，本发明结构简单，无需钻设多个井孔，建设成本低廉。
附图说明
[0022]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0023]
图1为本发明的结构示意图。
[0024]
图2为本发明实施例的数值模拟所采用的概念模型示意图。
[0025]
图3为不同储水区渗透系数和相对密度差案例的回采率随筛孔密度比的变化图。
[0026]
其中：1.井孔；2.注水筛管；3.抽水筛管4.注水泵；5.抽水泵；6.砾石过滤填料；7.上层覆土；8.隔水顶板；9.灌浆密封层；10.封隔器；11.储水区。
具体实施方式
[0027]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合图1至图3对本
发明的实施例的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井进行具体说明。
[0028]
如图1所示，本发明提出了一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，包括钻设至承压含水层的井孔1，置于井孔1内的注水筛管2和抽水筛管3，分设于上述两筛管内的注水泵4和抽水泵5，填充两筛管之间和其与井孔壁之间的砾石过滤填料6，与上层覆土7和隔水顶板8对应的灌浆密封层9，以及设置于筛管顶部的封隔器10。
[0029]
钻设的井孔1深至承压含水层的隔水底板，井孔直径不宜过小，至少应达到500mm。
[0030]
对应于上层覆土7和隔水顶板8的井孔段采用混凝土、膨润土、或水泥砂浆等进行灌浆以形成灌浆密封层9。
[0031]
对应于承压含水层的储水区11的井孔段内竖直置入注水筛管2和抽水筛管3。所述两筛管的高度均与储水区高度相同，其外部直径应小于考虑砾石过滤填料厚度情况下井孔1直径的一半。
[0032]
注水筛管2和抽水筛管3之间和其与井孔壁之间均采用砾石过滤填料6进行充填，以过滤细小颗粒物。两筛管上部设置封隔器10，以限制注水和抽水仅发生在储水区对应的井孔段。
[0033]
在注水筛管2中设置注水泵，当地表水富足时(丰水期)将淡水注入储水区；注水筛管2的筛孔密度随深度线性增大，使注水的流量随深度线性增大，抵消密度差异造成的咸淡水交界面的变形与倾斜。在抽水筛管3中设置抽水泵，当淡水需求较大时(枯水期)将储水区的淡水回抽加以利用；抽水筛管3的筛孔密度随深度线性减小，使抽水的流量随深度线性减小，更多地从浅层抽取淡水，避免过早地回抽到咸水。
[0034]
为便于定量描述筛孔密度的变化，本发明设定单位长度筛管上的孔数最大值为n
max
，最小值为n
min
。内置注水泵4的注水筛管2的筛孔密度从顶部的n
min
线性增大至底部的n
max
。内置抽水泵5的抽水筛管3的情况与之相反，筛孔密度从顶部的n
max
线性减小至底部的n
min
。抽、注水流量根据两筛孔密度随深度的变化而产生相应的线性变化。采用筛孔密度比η量化筛孔随深度的变化程度。η的定义为：
[0035][0036]
η的值越大，表明筛孔密度随深度的变化程度越大。
[0037]
实施例1
[0038]
井孔1的直径为600mm，两筛管的外部直径均为200mm。承压含水层的储水区高度为50m，筛管高度与之相同，均为50m。储水区的孔隙率0.3、储水系数1
×
10-4
/m、纵向弥散度0.1m、横向弥散度0.01m和分子扩散系数1
×
10-9
m2/s等参数均沿用相关文献中报道的数值。
[0039]
基于如图2所示的概念模型，采用饱和变密度地下水流与溶质运移模拟开源软件seawat-2000对本实施例进行数值模拟，进而对淡水地下储存与回采效果进行对比说明，同时确定最优的筛孔密度分布。
[0040]
对时间跨度为一年(365天)的一个“注入-储存-抽出”完整循环进行数值模拟，包括100天的淡水注入，165天的静置储存，以及100天的淡水回采。两用井的抽水总流量和注水总流量均设置为500m3/d。在数值模拟中，淡水的浓度为0，密度为1000kg/m3。
[0041]
本发明采用回采率(re)评估淡水地下储存与回采效率淡水回采效果。re的定义为：
[0042][0043]
式中，v
inj
是注入水的体积，v
rec
是符合水质标准(盐浓度不超过tds最高限值，本实施例中限值设为0.5g/l)的抽出水体积。re的值越大，表明淡水地下储存与回采的效果越好。
[0044]
为方便量化和比较双筛管两用井提升淡水地下储存与回采效率的效果，本发明进一步采用回采改善率(i
re
)评估发明效果。i
re
的定义为：
[0045][0046]
式中，res是传统单筛管条件下的回采率，red是双筛管条件下的回采率。i
re
越大，表明双筛管两用井对回采率的提升效果越明显。
[0047]
模拟过程中分别设定承压含水层储水区的渗透系数k＝1m/d，注入淡水与原位地下水间的相对密度差δ＝1％(即原位地下水的密度为1010kg/m3，相应的原位地下水浓度为)；η分别为0(筛孔密度不随深度变化，相当于传统的单筛孔两用井)、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1(筛孔密度最小为0，对应于最大程度的筛孔密度变化程度)时的回采改善率i
re
见图3。
[0048]
实施例2
[0049]
除“模拟过程中分别设定承压含水层储水区的渗透系数k＝1m/d，注入淡水与原位地下水间的相对密度差δ＝2％(即原位地下水的密度为1010kg/m3，相应的原位地下水浓度为)；η分别为0(筛孔密度不随深度变化，相当于传统的单筛孔两用井)、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1(筛孔密度最小为0，对应于最大程度的筛孔密度变化)时的回采改善率i
re
见图3”之外，其他条件与实施例1相同。
[0050]
实施例3
[0051]
除“模拟过程中分别设定承压含水层储水区的渗透系数k＝2m/d，注入淡水与原位地下水间的相对密度差δ＝0.5％(即原位地下水的密度为1005kg/m3，相应的原位地下水浓度为)；η分别为0(筛孔密度不随深度变化，相当于传统的单筛孔两用井)、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1(筛孔密度最小为0，对应于最大程度的筛孔密度变化)时的回采改善率i
re
见图3”之外，其他条件与实施例1相同。
[0052]
实施例4
[0053]
除“模拟过程中分别设定承压含水层储水区的渗透系数k＝2m/d，注入淡水与原位地下水间的相对密度差δ＝1％(即原位地下水的密度为1010kg/m3，相应的原位地下水浓度为)；η分别为0(筛孔密度不随深度变化，相当于传统的单筛孔两用井)、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、
0.9、0.95、1(筛孔密度最小为0，对应于最大程度的筛孔密度变化)时的回采改善率i
re
见图3”之外，其他条件与实施例1相同。
[0054]
如图3所示，在采用双筛管两用井后(对应η》0的情况)，在不同的渗透系数k和相对密度差δ的组合条件下，回采改善率i
re
均存在大于零的区间，在4个实施例中至少可将回采率提升20％。尽管该数值模型高度概化，但上述结果有力证明了本发明提出的双筛管两用井可以有效提高淡水地下储存与回采效率。
[0055]
由图3可知，随着渗透系数k或相对密度差δ的增大，i
re
》0的区间也随之增大，以至于可以覆盖η＝0～1的完整区间。在k＝1m/d，δ＝2％的情况下，当筛孔密度比η＝0.85时，回采改善率i
re
最高可超过120％。上述结果进一步说明，本发明尤其适用于储水区渗透系数较高或注入水与原位地下水相对密度差较大的情况，在该情况下其可以达到对于淡水调蓄效果的巨量提升。
[0056]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：包括钻设至承压含水层的井孔；注水筛管和抽水筛管置于井孔内，将砾石过滤填料填充在两筛管之间和两筛管与井孔壁之间的空间内，在两筛管的顶部设置封隔器，注水泵穿过封隔器设置在注水筛管内，抽水泵穿过封隔器设置在抽水筛管内，所述注水筛管的筛孔密度随深度增大，所述抽水筛管的筛孔密度随深度减小。2.根据权利要求1所述的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：所述注水筛管的筛孔密度随深度线性增大，所述抽水筛管的筛孔密度随深度线性减小，线性变化程度为η。3.根据权利要求2所述的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：所述线性变化程度η的计算公式如下：；其中，n
max
为筛孔密度最大值，n
min
为筛孔密度最小值。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：所述注水筛管和抽水筛管的高度与承压含水层的储水区高度一样。5.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：所述注水筛管和抽水筛管的直径小于考虑砾石过滤填料厚度情况下井孔直径的一半。6.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：所述井孔直径大于等于500 mm。7.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：所述筛孔采用圆形结构。8.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，其特征在于：井孔顶部四周存在隔水顶板，隔水顶板上方存在上层覆土，隔水顶板和上层覆土与井孔内壁之间设置有灌浆密封层。

技术总结
本发明公开了一种提高淡水地下储存与回采效率的双筛管两用井，包括钻设至承压含水层的井孔，置于井孔内的注水筛管和抽水筛管，填充两筛管之间和其与井孔壁之间的砾石过滤填料，与上层覆土和隔水顶板对应的井孔壁灌浆密封层，以及设置于筛管顶部的封隔器。注水筛管的筛孔密度随深度线性增大，而抽水筛管的筛孔密度随深度线性减小，上述筛孔密度分布相应产生注入和抽水时不同的井流量随深度的分布，从而使注入淡水和原位地下咸水间的分界面保持大致竖直，推迟咸水侵入两用井并污染回抽水的时间节点，有助于抵消注入水和原位地下水之间密度差异对淡水地下储存与回采的负面影响。密度差异对淡水地下储存与回采的负面影响。密度差异对淡水地下储存与回采的负面影响。


技术研发人员：李宏凯 鲁春辉 尹吉娜 南统超 叶逾
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/9