某地下水源熱泵誘發(fā)地下水水質(zhì)變異成因分析

徐紅霞　黃馳

摘要：為了研究地下水源熱泵的“抽—回”系統(tǒng)運行過程中地下水水質(zhì)的變化，選擇池州某地下水源熱泵工程為研究對象，在收集各項目所在地段的水文氣象、地質(zhì)、水文地質(zhì)和水質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，進行水質(zhì)水化學(xué)類型分析以及相關(guān)性分析。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件受熱泵系統(tǒng)影響機制，進行水質(zhì)變異成因分析。結(jié)果表明：水源熱泵系統(tǒng)的運行改變了工程所在地段的地下水化學(xué)類型；水質(zhì)變異成因中常規(guī)的動力場、溫度場和化學(xué)場因素影響可恢復(fù)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)因素影響不可恢復(fù)。

關(guān)鍵詞：地下水源熱泵；水質(zhì)分析；水化學(xué)類型；變異

中圖分類號：X824 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）08-0004-05

當(dāng)前，能源與環(huán)境問題已成為全球各國發(fā)展中的兩大重要突出問題。中國既是世界上的能源消耗大國，又是污染排放大國，面臨著巨大的能源壓力。在中國的能源消耗中，建筑耗能占很大比重。隨著科技的發(fā)展，水源熱泵系統(tǒng)在暖通領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢日益凸顯。淺層地溫能資源作為一種新型的、可再生的、清潔環(huán)保的能源，具有廣闊的開發(fā)利用前景。

地下水源熱泵系統(tǒng)的熱源和熱匯是地下水，熱泵系統(tǒng)利用含水層進行儲能，結(jié)合地下巖層的空隙、裂隙和溶洞等儲水結(jié)構(gòu)，并根據(jù)地下含水層中水流速度較慢以及水溫變化小的特點，利用管井回灌的方法將冷水或熱水回灌入含水層，灌入的冷水或熱水因自身具有的壓力而儲存在井周圍含水層里。它是地源熱泵系統(tǒng)中效率較高、成本較低的一種熱泵形式[1]。當(dāng)所利用的含水層屬地下水資源開發(fā)利用層時，地下水源熱泵一般采取“地下水抽采—能量交換—回灌”的循環(huán)過程，以達到在盡量減少工程運行對地下水資源數(shù)量與質(zhì)量影響的前提下，合理利用地下水體中所賦存的熱能。

含水層中地下水水質(zhì)受地下水源熱泵的“抽—回”系統(tǒng)運行影響，主要表現(xiàn)在以下3個方面：1） 地下水溫度的變化，將導(dǎo)致地下水天然狀態(tài)下的物理化學(xué)平衡狀態(tài)的變化，從而影響地下水水質(zhì)；2） “抽—回”過程中，地下水與空氣有一定程度的接觸，水中含氧量等將發(fā)生改變，這對地下水水質(zhì)也將構(gòu)成一定影響；3） “抽—回”過程如果涉及水質(zhì)存在一定差異的不同含水層組，“抽—回”將不同含水層組中地下水進行混合、回灌，這對地下水水質(zhì)可能形成影響。上述影響將對地下水源熱泵的建設(shè)與運行構(gòu)成約束；其影響的發(fā)展過程、程度及范圍，與地下水源熱泵運行條件下地下水動力場、化學(xué)場、溫度場分布特征密切相關(guān)。

開展地下水源熱泵系統(tǒng)的水質(zhì)變異成因分析，是“抽—回”系統(tǒng)合理確定的基礎(chǔ)，也可為區(qū)域地下水熱能開發(fā)利用規(guī)劃提供技術(shù)支撐。本課題選擇池州某大廈地下水源熱泵工程，開展熱泵系統(tǒng)運行對水資源影響程度的調(diào)查與監(jiān)測，對調(diào)查結(jié)果進行歸納分析，總結(jié)水質(zhì)變異規(guī)律，并結(jié)合工程所在地段的水文地質(zhì)條件，針對水質(zhì)變異成因進行分析。

1 工程概況

該工程水源熱泵系統(tǒng)的抽水井、回灌井在紅森國際大廈建設(shè)場地范圍內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)所覆蓋的建筑物面積約37 121 m2（如圖1所示），設(shè)計有2臺機組，熱負荷總量為2 152 kW，冷負荷總量為1 974 kW。夏季由水源熱泵系統(tǒng)提供7/12 ℃的空調(diào)冷凍水，冬季提供50/45 ℃的空調(diào)熱水。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃礂l件，并在經(jīng)濟合理條件下平衡系統(tǒng)冷、熱負荷差，在夏季制冷時利用1臺單冷機承擔(dān)部分負荷的條件下，系統(tǒng)設(shè)計最大需水量為181 m3/h。

水源熱泵工程的水源工程（與地下水流場有關(guān)的部分）主要包括開采井和回灌井，開采井和回灌井都位于池州市紅森國際大廈建筑場地規(guī)劃范圍內(nèi)。抽水目的層為碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組，含水巖組埋深90～150 m，實行同層回灌。

依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件和相關(guān)技術(shù)規(guī)范，確定開采井與回灌井各自的數(shù)量?？傮w設(shè)計抽水井5口（4用1備）、回灌井8口，總井?dāng)?shù)13口。系統(tǒng)已于2013年3月建成。

2 區(qū)域地質(zhì)與水文地質(zhì)

該工程所在區(qū)域地層區(qū)劃屬揚子地層區(qū)下?lián)P子層分區(qū)和江南地層分區(qū)，出露有古生代志留紀(jì)—新生代第四紀(jì)地層[2]。區(qū)內(nèi)巖層除侏羅系地層外均有出露，現(xiàn)自新至老分述。

1） 第四系松散巖類孔隙含水巖組。以沖擊為主，其次為湖相堆積物，厚20～50 m，最大厚度35 m左右。①第四系全新統(tǒng)（AlQ4）孔隙含水層。該含水層組上部主要由灰黃色和褐灰色的粘土及粉質(zhì)粘土組成，厚度約15～20 m，其中有沖積形成的厚度約5～6 m的少量黑灰色湖積淤泥層；下部主要由細、中粗粒砂礫形成，厚度約3～8 m，其礫石成分以灰?guī)r及石英粉砂巖為主，并含有少量的火成巖及石英巖，粒徑一般為1～3 cm，少量達10 cm以上。地下水賦存其中，水位埋深50～300 mm，少數(shù)達600 mm以上，單位涌水量0.139～1.457 L/（s·m），富水性中等，地下水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型，礦化度小于1.00 g/L，水溫17～20 ℃。該層主要接受大氣降水補給，徑流條件良好，微承壓、潛水型多下滲補給其下伏含水巖層。②第四系上更新統(tǒng)（AlQ3）孔隙含水層。該含水層組由沖積形成，上部主要由灰黃、黃褐色和棕黃色粉質(zhì)粘土及粘土構(gòu)成，且含有核徑約0.2～0.5 cm的鐵錳質(zhì)結(jié)核；下部主要由石英砂巖礫石構(gòu)成。該層主要接受大氣降水補給，徑流條件差，富水性較弱，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型。

2） 第三系大通群Ed碎屑巖類隔水巖組。該隔水層組主要由灰紫色、棕褐色的礫巖和砂礫巖構(gòu)成，結(jié)構(gòu)致密，厚度高達1 000 m，雖裂隙較發(fā)育，但多被粘土充填，因而為相對隔水巖組。

3） 三迭系裂隙巖溶含水巖組。①中統(tǒng)東馬鞍山組（Td）裂隙巖溶含水層。該含水層組主要由淺灰、紅褐色微晶藻屑含灰質(zhì)白云巖、藻紋層微晶含膏假晶灰質(zhì)白云巖，頂部膏溶角礫巖構(gòu)成，含石膏層，厚度大于317 m。②下統(tǒng)南陵湖組（Tn）裂隙巖溶含水層。該含水層組主要由深灰、青灰、灰紅等色的白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成，厚度約600 m，頂部夾有少量的紫紅色瘤狀灰?guī)r，呈薄至中厚層狀。巖石結(jié)構(gòu)致密，較完整堅硬。地表露頭溶溝、溶槽、石芽、溶洞及溶蝕漏斗極為發(fā)育，溶隙充填有紅色鐵質(zhì)物及粘土。該層組主要接受大氣降水和其他含水層補給，徑流條件良好，地下水主要以管道流形式向其他含水層滲透，部分以泉的形式補給地表水體，富水性中等偏強，單井最大出水量可達2 000 m3/d，單位涌水量為0.470～4.329 L/（s·m），水溫17～20 ℃，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型，礦化度0.26～0.31 g/L。③下統(tǒng)和龍山組（Th）裂隙巖溶含水層。該含水層組厚度約143～235 m，上部主要由青灰色、淺灰色的條帶狀灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖構(gòu)成；下部主要由黃綠色的鈣質(zhì)頁巖夾條帶狀灰?guī)r構(gòu)成。地表僅見石芽、溶溝等，裂隙較發(fā)育，局部見溶隙。該層組主要接受大氣降水和其他含水層補給，富水性較差，徑流條件一般，排泄方式主要為側(cè)向逕流排泄。④下統(tǒng)殷坑組（Tly）裂隙巖溶含水層。該層組厚度約58～83 m，上部主要由深灰色的薄至中厚層灰?guī)r構(gòu)成；下部主要由黃綠、灰綠色鈣質(zhì)頁巖構(gòu)成。裂隙、溶隙及溶洞均較發(fā)育，洞徑約0.8～2.5 m。該層組地下水賦存在溶隙及溶洞之中，主要接受大氣降水及其他含水巖層（組）補給，富水性一般，徑流條件較好，排泄方式主要為側(cè)向排泄。

3 水質(zhì)分析

3.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)分析

取樣時間及水源熱泵運行工況見表1，水質(zhì)數(shù)據(jù)見表2。

由表2可知：SO42-、硝酸鹽、溶解性總固體含量隨著水源熱泵系統(tǒng)的運行有所增加，隨著系統(tǒng)的停止有所減少；而HCO3-，Ca2+，F(xiàn)-含量則隨著系統(tǒng)的運行有所減少。

3.2 水化學(xué)類型分析

利用Piper三線圖解法[3-4]對該工程所在地段水化學(xué)類型進行分析（如圖2所示）。

由圖2可見：2014年11月的樣品分析表明，該工程所在地段水化學(xué)類型為HCO3-Ca類型，與區(qū)域水文地質(zhì)條件相符；2015年1月、3月和7月的樣品分析表明，隨著水源熱泵系統(tǒng)的運行，該區(qū)地下水化學(xué)類型變化為SO4-Ca類型，這可能是由于中統(tǒng)東馬鞍山組（Td）裂隙巖溶含水層中含有石膏層所致；2015年10月的樣品分析表明，該區(qū)地下水化學(xué)類型變化為HCO3-Ca類型，恢復(fù)到系統(tǒng)運行之初。

3.3 水質(zhì)相關(guān)性分析

為了更好地分析水質(zhì)變異成因，選取部分離子進行相關(guān)性分析[5-6]，結(jié)果見表3。

由表3可知：Ca2+，Mg2+，HCO3-離子和溶解性總固體的相關(guān)性較高；NH4+和硝酸鹽的相關(guān)性較高。

4 水質(zhì)變異成因分析

選取Ca2+，HCO3-，NO3-，NH4+、溶解性總固體和SO42-進行分析，探究這些離子濃度的變化成因。

1） Ca2+，HCO3-、溶解性總固體。由相關(guān)性分析可知，Ca2+與Mg2+離子高度相關(guān)，與HCO3-離子中度相關(guān)；HCO3-離子與溶解性總固體、pH和Mg2+離子高度相關(guān)，與Ca2+離子中度相關(guān)。說明這些離子的變化與它們之間的相互作用有很大的關(guān)系。

該工程所在地段地下水水化學(xué)類型為HCO3-Ca類型，系統(tǒng)運行后地下水化學(xué)類型變化為SO4-Ca類型。水化學(xué)類型的變化主要與地層中巖石的巖分及地下水運動有關(guān)，通過一系列物理、化學(xué)變化進行著水—巖化學(xué)成分的交換，從而對地下水水化學(xué)類型產(chǎn)生重要影響。

該工程所在地段水質(zhì)呈弱堿性，由地層結(jié)構(gòu)可知，第五層目標(biāo)含水層組為碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組，該區(qū)中統(tǒng)東馬鞍山組（Td）含水層組主要有淺灰、紅褐色微晶藻屑含灰質(zhì)白云巖、藻紋層微晶含膏假晶灰質(zhì)白云巖，頂部膏溶角礫巖，并含有石膏層。地層中發(fā)生溶濾作用的可能化學(xué)反應(yīng)主要包括以下幾種：

CaCO3+H2O+CO2Ca2++2HCO3- （1）

CaMg（CO3）2+2H2O+2CO2Ca2++Mg2++4HCO3- （2）

CaSO4·2H2OCa2+SO42- （3）

在天然條件下，地下水接受大氣降水及河流側(cè)向補給，主要發(fā)生式（1）、式（2）反應(yīng)，導(dǎo)致地下水水化學(xué)類型以HCO3-Ca類型為主。隨著地下水源熱泵系統(tǒng)的運行，改變了地下水水動力場，石膏發(fā)生溶濾，即發(fā)生式（3）反應(yīng)，大量出現(xiàn)SO42-離子，同時，發(fā)生同離子效應(yīng)，影響著式（1）、式（2）反應(yīng)，使得HCO3-離子濃度降低。在此過程中，陽離子的交替吸附作用，使得地下水中Ca2+，Mg2+，Na+等離子含量發(fā)生變化。

2） NO3-，NH4+。在供暖期“三氮”質(zhì)量濃度變化具有較強的規(guī)律性：NO3--N質(zhì)量濃度不斷升高，而NO2--N和NH4+-N的質(zhì)量濃度則不斷降低。這些離子變化是溫度場和化學(xué)場的變化導(dǎo)致的。

與制冷期相比，制暖期NO3-和NH4+離子濃度變化幅度較大，可以得出溫度對這兩種離子濃度的影響較大。熱泵系統(tǒng)的運行破壞了地下水中的還原環(huán)境，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有：

NH4++1.5O2=NO2-+2H++H2O （4）

NO2-+0.5O2=NO3- （5）

NO2--N和NH4+-N在硝化菌的參與下被氧氣硝化為NO3--N，且硝化細菌的最適宜溫度為30～35 ℃，研究區(qū)制暖期水溫在32 ℃左右，較適宜硝化細菌的生長繁殖[7]，故導(dǎo)致“三氮”質(zhì)量濃度的上述變化規(guī)律。

3） SO42-。SO42-離子與其他離子的相關(guān)性均不高，說明SO42-離子的變化主要與地層中的巖性有關(guān)。石膏是單斜晶系礦物，其主要化學(xué)成分為CaSO4的水合物。由于水源熱泵系統(tǒng)的運行，引發(fā)含水層水壓和滲流途徑的改變，導(dǎo)致地下水中SO42-的大量出現(xiàn)。石膏為弱電解質(zhì)，它在稀溶液中溶解過程中，影響其溶解度的因素有同離子效應(yīng)、鹽效應(yīng)、酸效應(yīng)和配位效應(yīng)。在研究區(qū)，影響SO42-濃度的因素主要有鹽效應(yīng)。

因為石膏是中溶鹽，它在水中的溶解不是全部溶解，因此，它的溶解存在著一個溶解平衡[8]，如下式：

CaSO4（s）?CaSO4（aq）?Ca2+SO42-（aq） （6）

式中：“?”為平衡移動符號。溶解處于平衡后，離子的濃度制約著平衡的移動。在水質(zhì)分析中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地層的地下水中主要離子除了Ca2+和SO42-外，還有Na+，Mg2+，HCO3-，Cl-等離子。由于這些離子的存在，使得溶液中的離子強度增大，離子間彼此牽制效應(yīng)增強，導(dǎo)致石膏解離的陰、陽離子結(jié)合形成分子的幾率減小，繼而形成石膏分子的幾率減小，離子濃度相應(yīng)增大，溶解度增大。且溶解達到平衡后，HCO3-與Ca2+結(jié)合，同樣促使該溶解平衡朝著正向進行，SO42-濃度增大。

5 結(jié)論

1） 利用RockWare AqQA軟件繪制 Piper-三線圖，進行工程所在地段水化學(xué)類型分析，可知：水源熱泵系統(tǒng)的運行導(dǎo)致研究區(qū)地下水水化學(xué)類型由HCO3-Ca類型轉(zhuǎn)變?yōu)镾O4-Ca類型，機組停止運行后水化學(xué)類型又恢復(fù)到HCO3-Ca類型。表明水源熱泵系統(tǒng)長期運行之后趨于穩(wěn)定，停機后不改變工程所在地段水化學(xué)類型。

2） 利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法對部分離子進行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：Ca2+，Mg2+，HCO3-離子和溶解性總固體的相關(guān)性較高；NH4+和硝酸鹽的相關(guān)性較高。說明這些離子濃度的變化具有較大的相關(guān)性。

3） 分別對熱泵運行導(dǎo)致地下水動力場、溫度場和化學(xué)場的變化機制進行分析，結(jié)合水質(zhì)分析成果，對研究區(qū)水質(zhì)變異成因進行合理解釋。分析結(jié)果表明：該工程所在地段水質(zhì)變異是由于熱泵運行改變了地下水物理化學(xué)環(huán)境導(dǎo)致的；溫度通過影響物理化學(xué)反應(yīng)的條件間接影響地下水水質(zhì)；上述影響在一定條件下是可恢復(fù)的，一般隨著系統(tǒng)的停止，影響也會逐漸消除。除了上述影響，地下水源熱泵系統(tǒng)運行誘發(fā)地下水水質(zhì)變異還與工程所在地的地層巖性有關(guān)。就池州而言，地層中石膏的存在導(dǎo)致地下水中SO42-離子大幅度增加，這種影響具有地域性，系統(tǒng)停止后，水質(zhì)會略有恢復(fù)，但恢復(fù)不到系統(tǒng)運行前的水平。因此，在地下水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計之初要根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件進行水質(zhì)評價，以降低熱泵系統(tǒng)建設(shè)對地下水水質(zhì)造成污染的幾率。

參考文獻

[1] 劉瀚，陳安國，周吉光，等.淺層地溫能開發(fā)利用的環(huán)境效應(yīng)[J].中國國土資源經(jīng)濟，2013，26（8）：36-39.

[2] 韋婷.地下水源熱泵水質(zhì)性約束研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 許延春，高玉兵，李衛(wèi)民，等.基于水化學(xué)特征的模糊評判法分析突水水源[J].煤炭技術(shù)，2014，33（5）：17-20.

[4] 田沖，張戈，趙世涌.模糊數(shù)學(xué)在地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用——以盤錦曙光地區(qū)為例[J].地下水，2013，35（6）：20-23.

[5] 劉經(jīng)倫.東河水質(zhì)生物指標(biāo)與理化指標(biāo)相關(guān)性分析[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2015，5（5）：57-58.

[6] 王平，王云峰.綜合權(quán)重的灰色關(guān)聯(lián)分析法在河流水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].水資源保護，2013，29（5）：52-55.

[7] 董悅安.溫度變化對地下水中微生物影響的研究[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2008（2）：15-18.

[8] 胡彬鋒，何鵬，徐嬌，等.青居水電站地層中石膏質(zhì)溶蝕的化學(xué)效應(yīng)[J].人民珠江，2013（2）：58-59.

Abstract： In order to study the change of groundwater quality in the process of operation of the pumping-recharge system of water source heat pump， underground water heat pump engineering in Chizhou was chosen as the research project. Water quality and hydrochemical type was analyzed， as well as correlation analysis， on the basis of collecting hydrometeorological， geological， hydrogeological information and water quality data in every project district. According to the impact mechanism of the regional hydrogeological conditions， the analysis of the cause of water quality variance was carried out. The results showed that： The underground water hydrochemical type was changed by the operation of water source heat pump system； Water quality variation can be recovered when it is caused by conventional power field， temperature field and chemical field factors， while when it is caused by geological structure it can not be restored.

Key words： underground water source heat pump； water quality analysis； hydrochemical type； variation