基于TOUGH软件模拟加拿大BORDEN含水层储能试验
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［16 ］ ［14 ］
（ 2）
（ 3） （ 4） （ 5）
∑ hβ ρβ uβ
－ λ T。
（ 7）
由达西定律得渗流速度： kr u β = － k β （ P β － ρ β g ） （ β 为 l ， g） 。 （ 8 ） μβ 其中： V n 为控制单元的体积； Г n 为单元表面积； M κ 为 控制单元内每单位体积的质量的累积量 ； F κ 为质量 通量； q κ 为控制单元内每单位体积的质量源和热量 k r 为相对 源； n 为内部的单位法向向量； k 为渗透率， 渗透率； g 为重力加速度； P 为压强； q 为源 / 汇； S 为 饱和度； T 为温度； U 为内能； u 为达西速度； X 为质量 分数； 为孔隙率； ρ 为密度； μ 为黏度； λ 为热导率。 下角标意义： g 为气相； h 为热； l 为液相； s 为固
1
含水层储能的地下 TH 耦合机理
处， 见图 1 。 注水试验从 1983 年 9 月 28 日开始， 以 0. 006 3 m / min 的 速 度 持 续 注 水 6 d， 总 共 注 入 热 水 53. 5 3 m ， 热水的温度为 36 ℃ 左右。 应用精密的地下三
3
地下 TH 耦合又称为水热耦合或热渗耦合， 是 地质、 油气、 地热、 核废料地质处置等研究领域的基 本科学问题。TOUGH 软件是由美国劳伦斯伯克利 国家实验室开发的， 作为目前全球考虑多场耦合研
1. College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026 ，China 2. Heilongjiang Provincial Power Investigation and Design Institute， Harbin 150010 ， China 3. Shanghai Changkai Geotechnical Company，Ltd，Shanghai 200002 ，China
0
前言
以及地下水流速慢和水温变化小的特点， 用回灌的 方法， 冬季将冷水或夏季将热水灌入含水层里储存
［1 ］
含水层蓄能技术是利用地下岩层的储水构造， 起来的技术
1212 收稿日期： 2010-
。
基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 40972172 ） ； 上海市科学技术委员会资助项目（ 10dz1202300 ） Email： lixiaoguang52038@ 作者简介： 李晓光（ 1982 —） ，男， 吉林松原人， 博士研究生， 主要从事岩土体热力学的研究， 126. com Email： pyl @ 通信作者： 张 延 军 （ 1968 —） ， 男， 吉 林 长 春 人， 教 授， 博 士 生 导 师， 主 要 从 事 工 程 地 质 地 热 地 质 研 究， jlu. edu. cn。
［19 ］
相； w 为水； κ 为控制方程指数； β 为相指数。 笔者在阐述含水层储能地下 TH 耦合机理和描 2 BORDEN 含水层储能试验描述 述 BORDEN 试验的基础上， 建立了 BORDEN 含水 3D 数值模型， 层储能试验 TOUGH对其注水试验开 BORDEN 野外储能试验场地位于加拿大多伦 展模拟研究， 将模拟结果与实际观测值作对比分析 。 多和安大略市西北 80 km 的 BORDEN 军事基地内， 试验场地紧邻一个大的污染源 BORDEN 废渣填埋
1 1 1 2 1 3 ห้องสมุดไป่ตู้晓光 ， 张延军 ， 于子望 ， 王 成， 黄贤龙 ， 瞿成松
1. 吉林大学建设工程学院， 长春 130026 2. 黑龙江省电力勘察设计研究院， 哈尔滨 150010 3. 上海长凯岩土工程有限公司， 上海 200002
摘要： 介绍了含水层储能地下温度场和地下流场（ TH） 耦合运移的机理； 针对加拿大 BORDEN 含水层 储能试验及观测数据， 根据实际土层工程地质 、 水文地质和初始温度条件， 建立了 BORDEN 储能试验的 TH 耦合 3D 数值模型。将模拟结果与实际观测数据进行对比， 二者非常接近， 符合理论和实际观测情况； 模拟 证明利用 TOUGH 软件在地下 TH 耦合模拟方面的准确性和实用性， 为将来的地 了热羽逐渐移动的规律， 下含水层储能工程设计提供理论基础和参考依据 。 关键词： 含水层储能； TOUGH 软件； TH 耦合 3D 数值模型； 模拟 中图分类号： P641. 139 ； TK521 文献标志码： A 5888 （ 2011 ） Sup． 1021407 文章编号： 1671-
它从流体力学角度出发研究该问题。 本 究的软件， TOUGH 文是 软件在中低温流模拟方面的 首 次 应 用。若不考虑流体组分以及相的个数和属性的不 则多组分、 多相流的非等温运动控制方程具有相 同，
； 1973 年 Meyer 和 Todd ［4］指 同的数学形式［22］。如液相地下水流动基本方程符 而显著提高热力效率 ” ： “把大量有用的热储存在地下一专门的水井中， 合达西定律， 而非饱和带中气相流动也符合达西定 出 能量平衡等式可 90 d 后 75% 的热可以被回收重新利用 ” 。 这一新技 律。TOUGH 软件应用的基本质量术的出现， 在第一届国际含水层储能研讨会上受到 以写作如下形式： d 极大的关注， 各国相继开展了现场试验和理论研究 。 M κ dV n = t d 世界上著名的含水层储能现场试验有： 1976 —1982 Vn
第 41 卷 增刊 1 2011 年 09 月
吉 林 大 学 学 报（ 地 球 科 学 版） Journal of Jilin University（ Earth Science Edition）
Vol. 41 Sup. 1 Sep. 2011
基于 TOUGH 软件模拟加拿大 BORDEN 含水层储能试验
维温度监测网络实时监测注水、 储水期间地下水的
216
吉 林 大 学 学 报（ 地 球 科 学 版）
第 41 卷
应用 TOUGH 软件建立三维渗流运移模 参数数据， ， 型 模拟潜水含水层在有侧向流场情况下水的热运 移过程。 3. 1 模型建立 实验场地含水层为潜水含水层， 细粒和中粒砂 层。孔隙率为 0. 34 ～ 0. 38 ， 含水层略有层状并各向
－5 －4 异性。含水层的导水率为 3 × 10 ～ 1 × 10 m / s。 4. 0 ～ 6. 0 m 深度范围内地下水流速度为 13 cm / d，
g β = l，
含水层储能技术是一种既环保又经济的节能技 挪威有 10 个大型含水层蓄能装置， 最大的装置 术， 位于奥斯陆 Gardermoen 机场， 其供热和制冷量分别 ［11 ］ 7 MW 6 MW 。 为 和 美国第一个商业性含水层储 能系统是新泽西理查德斯托克顿学院的季节性冷存 ［12 ］ 储系统项目 。 目前荷兰已经有 1 000 个地下含 水层储能系统正在运行， 到 2020 年将有 20 000 个 ［13 ］ 含水层储能系统主要向荷兰提供可持续的能源 。 在含水层储能理论研究方面， 各国学者做了大 ［6 ］ 量 的 工 作。 S． S． Papadopulus 等 ， C． F． Tsang 等 等 ， T． A． Buscheck 等［15］分别对 Auburn 大学的含 水层储 能 试 验 进 行 了 研 究； 1987 年 T． E． Dwyer
Abstract ： The thermalhydrologic （ TH） coupled migration mechanism of underground temperature and fluid field of ATES was introduced． Aiming at the Canadian BORDEN storage energy site test and observation data， according to engineering geological，hydrological and initial temperature conditions of actual soil layers，the TH coupled 3D numerical model of BORDEN test was built by TOUGH software． It shows that the simulation results are very proximal to the observation data and agreement with theoretical and practical observation situations． Moreover ，the law about which the heat plume deviates gradually was also be simulated． It is proved that it is accurate and useful to apply TOUGH in the field of underground TH coupled simulation，which will supplies theoretical basis and references for engineering design of ATES in future． Key words： aquifer thermal energy storage； TOUGH software； thermalhydrologic coupled 3D numerical model； simulation
∫
Vn
∫F ·n d Γ + ∫q d V 。
κ κ n n Vn
（ 1）
［58 ］ ； 1983 — 年， 美国阿拉巴马州的 Auburn 大学试验 ［9 ］ 1984 年， 加 拿 大 BORDEN 军 事 基 地 野 外 试 验 ； ［10 ］ 1984 —1985 年， 中国上海的含水层储能试验 。
Numerical Simulation of Aquifer Thermal Energy Storage Experiment of Canadian BORDEN Based on TOUGH Software
LI Xiaoguang1 ， ZHANG Yanjun1 ， YU Ziwang1 ， WANG Cheng2 ，HUANG Xianlong1 ， QU Chengsong3
采用有限元方法计算了二维稳定流非完整井 ［17 ］ 含水层储能； 1989 年薛禹群等 对上海含水层试
［18 ］ 验进行了数值模拟； 1992 年 J． W． Molson 等 对加 拿大 BORDEN 含 水 层 储 能 试 验 建 立 了 数 值 模 型；
2002 年 K． Nagano 等 对自然对流的出现及影响 ［20 ］ 进行了定量计算； 2004 年马捷等 对含水层储能 ［21 ］ 进行了研究； 2009 年 Bridger 等 模拟了加拿大某 含水层储能系统运行情况。
增刊 1
李晓光， 等： 基于 TOUGH 软件模拟加拿大 BORDEN 含水层储能试验
215
地下含水层储能技术最早出现在 20 世纪 60 年 ［2 ］ ［3 ］ 代初的中国上海 ； 1971 年 Kazmann 提出了含水 ： “利 他在阐述含水层的应用时指出 层储能的思想， 可以充分利用低品位的废热继 用含水层进行储热，
应用高斯散度定理转化上式可以得到 TOUGH 水流 和热流的一般控制方程： M κ = － F κ + q κ 。 t 水流： M w = （ S l ρ l X wl + S g ρ g X wg ） ， F w = X wl ρ l u l + X wg ρ g u g ， q w = q wl + q wg 。 热流： M h = （ S l ρ l U l + S g ρ g U g + （ 1 － ） ρ s U s ， （ 6 ） Fh =
（ 2）
（ 3） （ 4） （ 5）
∑ hβ ρβ uβ
－ λ T。
（ 7）
由达西定律得渗流速度： kr u β = － k β （ P β － ρ β g ） （ β 为 l ， g） 。 （ 8 ） μβ 其中： V n 为控制单元的体积； Г n 为单元表面积； M κ 为 控制单元内每单位体积的质量的累积量 ； F κ 为质量 通量； q κ 为控制单元内每单位体积的质量源和热量 k r 为相对 源； n 为内部的单位法向向量； k 为渗透率， 渗透率； g 为重力加速度； P 为压强； q 为源 / 汇； S 为 饱和度； T 为温度； U 为内能； u 为达西速度； X 为质量 分数； 为孔隙率； ρ 为密度； μ 为黏度； λ 为热导率。 下角标意义： g 为气相； h 为热； l 为液相； s 为固
1
含水层储能的地下 TH 耦合机理
处， 见图 1 。 注水试验从 1983 年 9 月 28 日开始， 以 0. 006 3 m / min 的 速 度 持 续 注 水 6 d， 总 共 注 入 热 水 53. 5 3 m ， 热水的温度为 36 ℃ 左右。 应用精密的地下三
3
地下 TH 耦合又称为水热耦合或热渗耦合， 是 地质、 油气、 地热、 核废料地质处置等研究领域的基 本科学问题。TOUGH 软件是由美国劳伦斯伯克利 国家实验室开发的， 作为目前全球考虑多场耦合研
1. College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026 ，China 2. Heilongjiang Provincial Power Investigation and Design Institute， Harbin 150010 ， China 3. Shanghai Changkai Geotechnical Company，Ltd，Shanghai 200002 ，China
0
前言
以及地下水流速慢和水温变化小的特点， 用回灌的 方法， 冬季将冷水或夏季将热水灌入含水层里储存
［1 ］
含水层蓄能技术是利用地下岩层的储水构造， 起来的技术
1212 收稿日期： 2010-
。
基金项目： 国家自然科学基金项目 （ 40972172 ） ； 上海市科学技术委员会资助项目（ 10dz1202300 ） Email： lixiaoguang52038@ 作者简介： 李晓光（ 1982 —） ，男， 吉林松原人， 博士研究生， 主要从事岩土体热力学的研究， 126. com Email： pyl @ 通信作者： 张 延 军 （ 1968 —） ， 男， 吉 林 长 春 人， 教 授， 博 士 生 导 师， 主 要 从 事 工 程 地 质 地 热 地 质 研 究， jlu. edu. cn。
［19 ］
相； w 为水； κ 为控制方程指数； β 为相指数。 笔者在阐述含水层储能地下 TH 耦合机理和描 2 BORDEN 含水层储能试验描述 述 BORDEN 试验的基础上， 建立了 BORDEN 含水 3D 数值模型， 层储能试验 TOUGH对其注水试验开 BORDEN 野外储能试验场地位于加拿大多伦 展模拟研究， 将模拟结果与实际观测值作对比分析 。 多和安大略市西北 80 km 的 BORDEN 军事基地内， 试验场地紧邻一个大的污染源 BORDEN 废渣填埋
1 1 1 2 1 3 ห้องสมุดไป่ตู้晓光 ， 张延军 ， 于子望 ， 王 成， 黄贤龙 ， 瞿成松
1. 吉林大学建设工程学院， 长春 130026 2. 黑龙江省电力勘察设计研究院， 哈尔滨 150010 3. 上海长凯岩土工程有限公司， 上海 200002
摘要： 介绍了含水层储能地下温度场和地下流场（ TH） 耦合运移的机理； 针对加拿大 BORDEN 含水层 储能试验及观测数据， 根据实际土层工程地质 、 水文地质和初始温度条件， 建立了 BORDEN 储能试验的 TH 耦合 3D 数值模型。将模拟结果与实际观测数据进行对比， 二者非常接近， 符合理论和实际观测情况； 模拟 证明利用 TOUGH 软件在地下 TH 耦合模拟方面的准确性和实用性， 为将来的地 了热羽逐渐移动的规律， 下含水层储能工程设计提供理论基础和参考依据 。 关键词： 含水层储能； TOUGH 软件； TH 耦合 3D 数值模型； 模拟 中图分类号： P641. 139 ； TK521 文献标志码： A 5888 （ 2011 ） Sup． 1021407 文章编号： 1671-
它从流体力学角度出发研究该问题。 本 究的软件， TOUGH 文是 软件在中低温流模拟方面的 首 次 应 用。若不考虑流体组分以及相的个数和属性的不 则多组分、 多相流的非等温运动控制方程具有相 同，
； 1973 年 Meyer 和 Todd ［4］指 同的数学形式［22］。如液相地下水流动基本方程符 而显著提高热力效率 ” ： “把大量有用的热储存在地下一专门的水井中， 合达西定律， 而非饱和带中气相流动也符合达西定 出 能量平衡等式可 90 d 后 75% 的热可以被回收重新利用 ” 。 这一新技 律。TOUGH 软件应用的基本质量术的出现， 在第一届国际含水层储能研讨会上受到 以写作如下形式： d 极大的关注， 各国相继开展了现场试验和理论研究 。 M κ dV n = t d 世界上著名的含水层储能现场试验有： 1976 —1982 Vn
第 41 卷 增刊 1 2011 年 09 月
吉 林 大 学 学 报（ 地 球 科 学 版） Journal of Jilin University（ Earth Science Edition）
Vol. 41 Sup. 1 Sep. 2011
基于 TOUGH 软件模拟加拿大 BORDEN 含水层储能试验
维温度监测网络实时监测注水、 储水期间地下水的
216
吉 林 大 学 学 报（ 地 球 科 学 版）
第 41 卷
应用 TOUGH 软件建立三维渗流运移模 参数数据， ， 型 模拟潜水含水层在有侧向流场情况下水的热运 移过程。 3. 1 模型建立 实验场地含水层为潜水含水层， 细粒和中粒砂 层。孔隙率为 0. 34 ～ 0. 38 ， 含水层略有层状并各向
－5 －4 异性。含水层的导水率为 3 × 10 ～ 1 × 10 m / s。 4. 0 ～ 6. 0 m 深度范围内地下水流速度为 13 cm / d，
g β = l，
含水层储能技术是一种既环保又经济的节能技 挪威有 10 个大型含水层蓄能装置， 最大的装置 术， 位于奥斯陆 Gardermoen 机场， 其供热和制冷量分别 ［11 ］ 7 MW 6 MW 。 为 和 美国第一个商业性含水层储 能系统是新泽西理查德斯托克顿学院的季节性冷存 ［12 ］ 储系统项目 。 目前荷兰已经有 1 000 个地下含 水层储能系统正在运行， 到 2020 年将有 20 000 个 ［13 ］ 含水层储能系统主要向荷兰提供可持续的能源 。 在含水层储能理论研究方面， 各国学者做了大 ［6 ］ 量 的 工 作。 S． S． Papadopulus 等 ， C． F． Tsang 等 等 ， T． A． Buscheck 等［15］分别对 Auburn 大学的含 水层储 能 试 验 进 行 了 研 究； 1987 年 T． E． Dwyer
Abstract ： The thermalhydrologic （ TH） coupled migration mechanism of underground temperature and fluid field of ATES was introduced． Aiming at the Canadian BORDEN storage energy site test and observation data， according to engineering geological，hydrological and initial temperature conditions of actual soil layers，the TH coupled 3D numerical model of BORDEN test was built by TOUGH software． It shows that the simulation results are very proximal to the observation data and agreement with theoretical and practical observation situations． Moreover ，the law about which the heat plume deviates gradually was also be simulated． It is proved that it is accurate and useful to apply TOUGH in the field of underground TH coupled simulation，which will supplies theoretical basis and references for engineering design of ATES in future． Key words： aquifer thermal energy storage； TOUGH software； thermalhydrologic coupled 3D numerical model； simulation
∫
Vn
∫F ·n d Γ + ∫q d V 。
κ κ n n Vn
（ 1）
［58 ］ ； 1983 — 年， 美国阿拉巴马州的 Auburn 大学试验 ［9 ］ 1984 年， 加 拿 大 BORDEN 军 事 基 地 野 外 试 验 ； ［10 ］ 1984 —1985 年， 中国上海的含水层储能试验 。
Numerical Simulation of Aquifer Thermal Energy Storage Experiment of Canadian BORDEN Based on TOUGH Software
LI Xiaoguang1 ， ZHANG Yanjun1 ， YU Ziwang1 ， WANG Cheng2 ，HUANG Xianlong1 ， QU Chengsong3
采用有限元方法计算了二维稳定流非完整井 ［17 ］ 含水层储能； 1989 年薛禹群等 对上海含水层试
［18 ］ 验进行了数值模拟； 1992 年 J． W． Molson 等 对加 拿大 BORDEN 含 水 层 储 能 试 验 建 立 了 数 值 模 型；
2002 年 K． Nagano 等 对自然对流的出现及影响 ［20 ］ 进行了定量计算； 2004 年马捷等 对含水层储能 ［21 ］ 进行了研究； 2009 年 Bridger 等 模拟了加拿大某 含水层储能系统运行情况。
增刊 1
李晓光， 等： 基于 TOUGH 软件模拟加拿大 BORDEN 含水层储能试验
215
地下含水层储能技术最早出现在 20 世纪 60 年 ［2 ］ ［3 ］ 代初的中国上海 ； 1971 年 Kazmann 提出了含水 ： “利 他在阐述含水层的应用时指出 层储能的思想， 可以充分利用低品位的废热继 用含水层进行储热，
应用高斯散度定理转化上式可以得到 TOUGH 水流 和热流的一般控制方程： M κ = － F κ + q κ 。 t 水流： M w = （ S l ρ l X wl + S g ρ g X wg ） ， F w = X wl ρ l u l + X wg ρ g u g ， q w = q wl + q wg 。 热流： M h = （ S l ρ l U l + S g ρ g U g + （ 1 － ） ρ s U s ， （ 6 ） Fh =