某地下水源熱泵誘發地下水水質變異成因分析

徐紅霞　黃馳

摘要：為了研究地下水源熱泵的“抽—回”系統運行過程中地下水水質的變化，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、水文地質和水質資料的基礎上，進行水質水化學類型分析以及相關性分析。根據區域水文地質條件受熱泵系統影響機制，進行水質變異成因分析。結果表明：水源熱泵系統的運行改變了工程所在地段的地下水化學類型；水質變異成因中常規的動力場、溫度場和化學場因素影響可恢復，地質結構因素影響不可恢復。

關鍵詞：地下水源熱泵；水質分析；水化學類型；變異

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

當前，能源與環境問題已成為全球各國發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。隨著科技的發展，水源熱泵系統在暖通領域應用的優勢日益凸顯。淺層地溫能資源作為一種新型的、可再生的、清潔環保的能源，具有廣闊的開發利用前景。

地下水源熱泵系統的熱源和熱匯是地下水，熱泵系統利用含水層進行儲能，結合地下巖層的空隙、裂隙和溶洞等儲水結構，并根據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。它是地源熱泵系統中效率較高、成本較低的一種熱泵形式[1]。當所利用的含水層屬地下水資源開發利用層時，地下水源熱泵一般采取“地下水抽采—能量交換—回灌”的循環過程，以達到在盡量減少工程運行對地下水資源數量與質量影響的前提下，合理利用地下水體中所賦存的熱能。

含水層中地下水水質受地下水源熱泵的“抽—回”系統運行影響，主要表現在以下3個方面：1） 地下水溫度的變化，將導致地下水天然狀態下的物理化學平衡狀態的變化，從而影響地下水水質；2） “抽—回”過程中，地下水與空氣有一定程度的接觸，水中含氧量等將發生改變，這對地下水水質也將構成一定影響；3） “抽—回”過程如果涉及水質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，這對地下水水質可能形成影響。上述影響將對地下水源熱泵的建設與運行構成約束；其影響的發展過程、程度及范圍，與地下水源熱泵運行條件下地下水動力場、化學場、溫度場分布特征密切相關。

開展地下水源熱泵系統的水質變異成因分析，是“抽—回”系統合理確定的基礎，也可為區域地下水熱能開發利用規劃提供技術支撐。本課題選擇池州某大廈地下水源熱泵工程，開展熱泵系統運行對水資源影響程度的調查與監測，對調查結果進行歸納分析，總結水質變異規律，并結合工程所在地段的水文地質條件，針對水質變異成因進行分析。

1 工程概況

該工程水源熱泵系統的抽水井、回灌井在紅森國際大廈建設場地范圍內，空調系統所覆蓋的建筑物面積約37 121 m2（如圖1所示），設計有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提供7/12 ℃的空調冷凍水，冬季提供50/45 ℃的空調熱水。根據當地的水源條件，并在經濟合理條件下平衡系統冷、熱負荷差，在夏季制冷時利用1臺單冷機承擔部分負荷的條件下，系統設計最大需水量為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劃范圍內。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。

依據區域水文地質條件和相關技術規范，確定開采井與回灌井各自的數量。總體設計抽水井5口（4用1備）、回灌井8口，總井數13口。系統已于2013年3月建成。

2 區域地質與水文地質

該工程所在區域地層區劃屬揚子地層區下揚子層分區和江南地層分區，出露有古生代志留紀—新生代第四紀地層[2]。區內巖層除侏羅系地層外均有出露，現自新至老分述。

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（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，其礫石成分以灰巖及石英粉砂巖為主，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（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粘土及粘土構成，且含有核徑約0.2～0.5 cm的鐵錳質結核；下部主要由石英砂巖礫石構成。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成，結構致密，厚度高達1 000 m，雖裂隙較發育，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白云巖、藻紋層微晶含膏假晶灰質白云巖，頂部膏溶角礫巖構成，含石膏層，厚度大于317 m。②下統南陵湖組（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灰巖構成，厚度約600 m，頂部夾有少量的紫紅色瘤狀灰巖，呈薄至中厚層狀。巖石結構致密，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育，溶隙充填有紅色鐵質物及粘土。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 ℃，水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg型，礦化度0.26～0.31 g/L。③下統和龍山組（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、淺灰色的條帶狀灰巖夾鈣質頁巖構成；下部主要由黃綠色的鈣質頁巖夾條帶狀灰巖構成。地表僅見石芽、溶溝等，裂隙較發育，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，排泄方式主要為側向逕流排泄。④下統殷坑組（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巖構成；下部主要由黃綠、灰綠色鈣質頁巖構成。裂隙、溶隙及溶洞均較發育，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，排泄方式主要為側向排泄。

3 水質分析

3.1 水質數據分析

取樣時間及水源熱泵運行工況見表1，水質數據見表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的運行有所增加，隨著系統的停止有所減少；而HCO3-，Ca2+，F-含量則隨著系統的運行有所減少。

3.2 水化學類型分析

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類型為HCO3-Ca類型，與區域水文地質條件相符；2015年1月、3月和7月的樣品分析表明，隨著水源熱泵系統的運行，該區地下水化學類型變化為SO4-Ca類型，這可能是由于中統東馬鞍山組（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，該區地下水化學類型變化為HCO3-Ca類型，恢復到系統運行之初。

3.3 水質相關性分析

為了更好地分析水質變異成因，選取部分離子進行相關性分析[5-6]，結果見表3。

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

4 水質變異成因分析

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

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

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

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向補給，主要發生式（1）、式（2）反應，導致地下水水化學類型以HCO3-Ca類型為主。隨著地下水源熱泵系統的運行，改變了地下水水動力場，石膏發生溶濾，即發生式（3）反應，大量出現SO42-離子，同時，發生同離子效應，影響著式（1）、式（2）反應，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+等離子含量發生變化。

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

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。熱泵系統的運行破壞了地下水中的還原環境，發生的化學反應有：

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 ℃，研究區制暖期水溫在32 ℃左右，較適宜硝化細菌的生長繁殖[7]，故導致“三氮”質量濃度的上述變化規律。

3） SO42-。SO42-離子與其他離子的相關性均不高，說明SO42-離子的變化主要與地層中的巖性有關。石膏是單斜晶系礦物，其主要化學成分為CaSO4的水合物。由于水源熱泵系統的運行，引發含水層水壓和滲流途徑的改變，導致地下水中SO42-的大量出現。石膏為弱電解質，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、鹽效應、酸效應和配位效應。在研究區，影響SO42-濃度的因素主要有鹽效應。

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。在水質分析中發現，研究區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增強，導致石膏解離的陰、陽離子結合形成分子的幾率減小，繼而形成石膏分子的幾率減小，離子濃度相應增大，溶解度增大。且溶解達到平衡后，HCO3-與Ca2+結合，同樣促使該溶解平衡朝著正向進行，SO42-濃度增大。

5 結論

1） 利用RockWare AqQA軟件繪制 Piper-三線圖，進行工程所在地段水化學類型分析，可知：水源熱泵系統的運行導致研究區地下水水化學類型由HCO3-Ca類型轉變為SO4-Ca類型，機組停止運行后水化學類型又恢復到HCO3-Ca類型。表明水源熱泵系統長期運行之后趨于穩定，停機后不改變工程所在地段水化學類型。

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

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

參考文獻

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

[2] 韋婷.地下水源熱泵水質性約束研究[D].合肥：合肥工業大學，2015.

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

[4] 田沖，張戈，趙世涌.模糊數學在地下水水質評價中的應用——以盤錦曙光地區為例[J].地下水，2013，35（6）：20-23.

[5] 劉經倫.東河水質生物指標與理化指標相關性分析[J].農業災害研究，2015，5（5）：57-58.

[6] 王平，王云峰.綜合權重的灰色關聯分析法在河流水質評價中的應用[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].勘察科學技術，2008（2）：15-18.

[8] 胡彬鋒，何鵬，徐嬌，等.青居水電站地層中石膏質溶蝕的化學效應[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