安陽市淺層地下水再利用回灌對地下水的影響

張國建,楊德貴,尉鵬翔

(1.河南省水文地質工程地質勘察院,河南鄭州 453002;2.太原市水文水資源勘測局,山西太原 030002)

安陽市淺層地下水再利用回灌對地下水的影響

張國建1,楊德貴1,尉鵬翔2

(1.河南省水文地質工程地質勘察院,河南鄭州 453002;2.太原市水文水資源勘測局,山西太原 030002)

利用安陽市水源熱泵空調系統監測數據,分析了淺層地下水再利用回灌對地下水的影響。地下水水質、地下水溫度場及地下水水位的分析結果表明,目前安陽市淺層地下水再利用回灌未對地下環境造成明顯不利影響。

水源熱泵;地下水;溫度場;安陽市

水源熱泵空調系統技術是一種節能和環保的熱泵技術。安陽市水源熱泵空調從無到有,自2001年以來,相繼批準了具有商場性質的文峰時代廣場、銀基商貿城,具有教學辦公性質的市廣播電視局、市第五中學、市第五人民醫院和市公安局,具有研究試驗性質的安陽農科院棉花研究所、三分莊,具有餐飲服務性質的喜相逢大酒店、南灣湖湘菜館共10家單位,并作為試點進行監測。水源熱泵空調系統以地下水作為熱量交換媒介,運行過程中對地下水會產生一定的影響。

1 研究區概況

研究區為安陽市市區,安陽市區主要坐落于安陽河沖洪積扇上。安陽沖洪積扇是中、晚更新世及全新世后期次復合堆積而成的,具有明顯的上細下粗的二元結構。其三面被丘陵崗地環繞,向東敞開,呈向東傾的簸箕狀,封閉條件較好,構成一完整的水文地質單元。

安陽市區地形平坦,表層多為粉土,有利于大氣降水的補給,含水介質由中上更新統砂、卵礫石層組成,分布規律是扇的主流帶較厚,顆粒較粗,向兩側及下部逐漸變薄、變細。研究區主要是開采淺層(100m以上)地下水,淺層地下水儲存在安陽沖洪積扇松散巖類孔隙水儲水介質中,其底部是由第三系黏土巖下更新統泥礫或黏土組成的相對隔水層。

安陽市區淺層地下水主要接受大氣降水補給和河渠的自由滲漏補給,其次為農灌入滲補給和側向徑流補給。市區地下水的總體流向是由西向東,由于近些年來的集中開采,形成了以安陽市為中心的區域性水位降落漏斗,改變了地下水原來的徑流方向,使得周圍地下水集中向漏斗中心匯流。市區地下水的主要排泄方式為人工開采,其次為東部的側向徑流排泄。

安陽市區內地下水以HCO3-Ca?Mg(Ca)型淡水為主 ,HCO3?Cl-Ca?Mg 、HCO3?SO4-Ca?Mg 型水兼有的復雜局面,礦化度多小于1g/L,可作為工業、農業及生活用水。

2 水源熱泵空調系統工作原理[1]

水源熱泵空調系統是一種利用地下淺層地熱資源的既可供熱又可制冷的高效節能空調系統。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源(如電能),實現低溫位熱能向高溫位轉移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調的冷源,即在冬季,把地能(這里指的是淺層地下水)中的熱量“取”出來,提高溫度后,供給室內采暖;夏季,把室內的熱量取出來,釋放到地下。水源熱泵空調系統工作原理見圖1。

圖1 水源熱泵空調系統工作原理

3 水源熱泵空調系統對地下水的影響

3.1 對地下水水質的影響

為了了解水源熱泵系統運行對地下水水質的影響,首先對安陽市目前運行的水源熱泵單位的抽水井和回水井取水樣,并對其化驗分析,然后根據GB5750—85《生活飲用水標準檢驗法》,進行抽回水水質評價(本次評價依據 2009年7月水樣化驗結果)。

水源熱泵空調系統回水的多項監測指標都未超過生活飲用水的標準,超標項目只有硬度和硝酸鹽。硬度超標是由原生的水文地球化學特征(條件)決定的,是水化學背景值的客觀存在;硝酸鹽超標與人為污染有關。

水源熱泵空調系統抽、回水水質基本一致,但少數監測項目變化顯著,如文峰時代廣場氯化物減少56%、錳增加500%、硝酸鹽氮減少79%;銀基商貿城氨氮增加67%;市廣播電視局鋅減少50%、細菌總數增加100%;市公安局鋅增加50%;安陽農科院棉花研究所錳減少82%、鋅增加222%、細菌總數增加110%;南灣湖湘菜館鋅增加 50%、氨氮增加100%、高錳酸鉀指數增加112%;市第五人民醫院細菌總數增加64%。錳、鋅的增加可能與水源熱泵空調系統設備、管道使用的材料有關;氯化物、硝酸鹽氮、氨氮及細菌總數的變化與人類活動和溫度場的變化相關。

3.2 對地下水溫度場的影響

由圖2可知,南灣湖湘菜館和銀基商貿城兩家水源熱泵空調系統的地下水溫度呈現略微上升趨勢,其他水源熱泵空調系統地下水溫度波動不大,地下水水溫處于隨季節略有變化的動態穩定中。可見水源熱泵空調系統對地下水溫度場影響不大。

圖2 水源熱泵空調系統地下水溫度變化曲線

3.3 對地下水水位的影響

通過野外試驗計算,回灌量的大小除與地層有關外(卵礫石層疏干區與相對未疏干區回灌量大[2]),還與成井工藝密不可分。三分莊與市廣播電視局抽注試驗相比,兩試驗點均處在同一水文地質單元內,三分莊卵礫石層疏干程度較市廣播電視局大,由于采用的濾水管不同,其計算滲透系數相差1.26倍,計算單井最大注水量相差1.52倍。市第五中學與市公安局抽注試驗相比,試驗段也同處在一個水文地質單元,水文地質條件基本相似,市公安局處卵礫石料徑較市第五中學大些,但由于成井工藝存在差異,市公安局抽注試驗的結果反而小于市第五中學,其計算滲透系數相差1.50倍,計算最大回灌量相差1.16倍。試驗的這5眼井,回灌量最大的是市廣播電視局,未采用傳統的鋼管或水管打眼包棕片包網濾水管,而是采用較先進的孔隙高、耐腐蝕的鋼質橋式濾水管,其他4眼均采用傳統的包網濾水管,其回灌量相對較小(三分莊處于卵礫石疏干部位)[3]。計算參數見表1。

由圖3可知,水源熱泵空調系統對地下水水位無明顯影響,可見水源熱泵空調系統的回灌效果比較好。

表1 單井最大注水量統計

圖3 水源熱泵空調系統地下水水位變化曲線

4 環境效益分析

水源熱泵空調系統是一種新型中央空調系統,它以水為載體,借助熱泵系統置換地溫,使能量轉換達到冷、暖兩用的目的,在一定程度上有節能環保、高效經濟的優點,特別是對臭氧層起到了一定的保護作用。水源熱泵空調系統以水作為載體,但其耗水量微乎其微,根據目前安陽市運行情況看,除空調機組消耗少部分地下水外(主要是凈化水質、濾砂時消耗的地下水),絕大部分回灌地下。統計分析,抽取地下水每100m3消耗水約1m3,即耗水約1%.若在鑿井過程中,加強成井質量管理,減少出砂量,耗水量降低的可能性很大[4]。

在水源熱泵空調系統的應用中,由于水源熱泵空調設備生產廠家的不同,對材料的應用不一,給地下水水質也帶來了一些影響,如在測試中,多數鋅的含量都有增高的趨勢,部分鐵錳也有增高的勢頭,由于回灌時人為的污染,造成部分回灌井中的地下水硝酸鹽、高錳酸鹽指數增高。

通過以上分析,雖然水源熱泵空調系統在環境保護方面有許多優點,但也存在一定的缺點,所以在今后應加強對水源熱泵設備所用材料的管理,以及盡可能地減少回灌水源的人為污染。

5 結 語

對安陽市水源熱泵空調系統的監測分析表明,淺層地下水再利用回灌未對地下水環境造成明顯不利影響。但淺層地下水再利用回灌對地下水環境的影響,特別是對地下水水質、水量、溫度場的影響,到目前系統性的研究成果較少。本文只是在安陽市局部地區就目前水源熱泵空調系統對地下水環境的初步分析,長期使用水源熱泵空調系統對地下水環境的影響程度還需進行長期的調查研究。為此,應盡快開展水源熱泵空調系統對地下水水質、水位、溫度場影響的系統研究,為水源熱泵空調系統應用提供科學依據。

[1]蔣能照,劉道平.水源?地源?水環熱泵空調技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2007:35-39.

[2]謝新民,張海慶.安陽市水資源綜合評價[R].安陽:河南省安陽市水利局,2001:30-50.

[3]張國建,張和軍.安陽市地下水回灌技術研究報告[R].鄭州:河南省水文地質工程地質勘察院,1999:25-40.

[4]云桂春,成徐州.人工地下水回灌[M].北京:中國建筑工業出版社,2004:43-47.

Impact of reusing recharge to shallow groundwater on groundwater in Anyang

ZHANG Guo-jian1,YANG De-gui1,WEI Peng-xiang2
(1.Investigation Institute of Hydrogeology and Engineering Geology of Henan Province,Zhengzhou453002,China;2.Taiyuan Hydrology and Water Resources Survey Bureau,Taiyuan030002,China)

The impact of reusing recharge to shallow groundwater on groundwater was analyzed using monitoring data of the water source heat pump air conditional system.Through analysis of water quality,temperature,and the groundwater level,the results showed that the negative effect of reusing recharge to shallow groundwater on groundwater was not significant in Anyang.

water source heat pump;groundwater;temperature field;Anyang City

X832;P641.8

A

1004-6933(2010)03-0038-03

張國建(1968—),男,河北安新人,高級工程師,主要從事水文地質與環境地質研究。E-mail:zgj1128@163.com

2008-12-08 編輯:熊水斌)