漢江中游地區熱源井抽水與回灌對地下水質的影響

饒志勇,簡春陽,伍華剛

(中聯西北工程設計研究院有限公司,西安 710077)

0 引言

漢江中游地區屬于暖溫帶季風氣候區,具有豐富的地下水資源及良好的地下水滲透條件。地下水主要來自降水補給及河流、湖泊補給,具有一定的自凈能力。根據地下水質監測數據,漢江中游地區的地下水以HCO3-Ca(Mg)型為主,一般為中性、略硬、淡水,以礦化度、總硬度來判斷,全區呈上升趨勢。隨著城市的發展,各種生產經營活動導致地下水水質受到了一定的影響,地下水中微量組份如Cn、As、Cd、Cr、Cu、Pb及Zn等檢出率較高,區內劣質地下水區域中,Fe、Mn、As含量超標率較高,局部地區中層地下水中F含量偏高[1]。

地下水地源熱泵技術因其高效、節能、綠色特點得到了廣泛的應用,但應用過程中的抽水與回灌可能會對地下水產生污染。漢江中游地區作為典型的淺層地下水地源熱泵應用地區,探討其熱源井抽水與回灌對地下水質的影響具有重要意義。

1 地下水地源熱泵系統原理

1.1 運行原理

圖1為典型的地下水源熱泵系統,主要由地下水換熱系統、地下水源熱泵機組及建筑物采暖空調末端組成。地下水換熱系統是系統的熱源或冷源,地下水源熱泵機組由電能驅動,通過運行模式與閥門的切換實現制冷及供暖模式的轉換。冬季時,V1、V2、V3、V4開啟,V5、V6、V7、V8關閉;夏季時,V5、V6、V7、V8開啟,V1、V2、V3、V4關閉。建筑物空調風機、暖氣片或地暖盤管等設備設施即為用戶的使用末端,達到制冷及供熱目的。

1-制冷壓縮機 2-冷凝器 3-節流機構 4-蒸發器 5-循環水泵 6-深井泵 7-板式換熱器 8-熱用戶 9-抽水井 10-回灌井 V1～V8-閥門

1.2 熱源井結構

熱源井是抽水井與回灌井的總稱,是地下水源熱泵系統的關鍵組成,其設計與施工質量直接關系著整個項目工程的成敗[2-3]。抽水井負責從地下水中抽取水源,提供給熱泵系統進行熱量交換,回灌井則負責將熱泵系統使用過的水重新注入地下水層。熱源井的構造主要由井室、井壁管、過濾管及沉淀管組成,圖2為熱源井的結構示意圖。行業內熱源井直徑多為200～650 mm。

1-井室 2-井壁管 3-過濾管 4-沉淀管 5-防滲黏土 6-礫料

井室是為保護熱源井免受污染、方便管理維護的構筑物,其內部裝有截止閥、溫度計、壓力表、電動閥、止逆閥、排氣閥、井口閥門等。井壁管起支撐井壁的作用,過濾管是熱源井的主要組成部分,也是熱源井最為復雜的部分,是具有圓形空洞或條狀縫隙的管段,與井壁管及沉淀管直接連接,設置在含水層中,其作用是收集地下水,過濾含水層中的砂粒,故過濾管外會填充礫料。沉淀管在熱源井的最下面,具有支撐井壁的作用,進入熱源井的細小砂礫及其他較重的雜質多沉積于此管段。

1.3 地下水抽水與回灌原理

抽水過程中,潛水泵將地下水抽取到地表,經過熱泵系統交換熱量后通過回灌井重新注入地下同一含水層。地下水回灌到地下時,水溫發生變化。在制冷模式下,地下水溫度升高;在制熱模式下,地下水溫度降低。

2 影響地下水水質的因素

通過對漢江中游地區淺層地下水地源熱泵熱源井抽水與回灌的觀察,總結影響地下水水質的主要因素如下。

2.1 地下水的溫度變化

地源熱泵熱源井抽水與回灌過程中,水溫會發生較大變化。在冬季,地源熱泵系統將地下水中的低溫能量吸收,導致回灌的地下水溫度下降。在夏季,系統向地下水釋放熱量,回灌水溫較高的冷卻水,使地下水溫度升高。這種水溫變化可能會改變地下水中微生物群落的結構及數量,改變地下水中各種礦物質的濃度,從而對地下水水質產生影響。

2.1.1 對微生物群落的影響

2.1.2 對礦物質濃度的影響

2.2 外界污染物

在地源熱泵系統抽水與回灌過程中,外界污染物可能進入井中,對地下水水質造成污染。進入地下水的主要途徑是通過井口或地表水滲透。

2.2.1 井口污染

外界污染物隨風飄落或隨雨水流入水井,包括各種有機物、無機物、病原體、微生物等,這些污染物進入水井流入地下后會影響地下水的濁度、色度、懸浮物含量等指標。井周邊的污水進入地下水井,會導致地下水中的病原菌、有機污染物及重金屬等污染物濃度升高。外界污染物進入地下還可能導致地下水的化學成分發生變化,進一步影響其水質。

2.2.2 滲透污染

抽水井附近的化工廠、垃圾場等污染源排放的污染物滲入地下或周邊醫院、修理廠、餐廳、居民家庭等排放含有污染物的廢水,可能通過排水管道滲入地下,進入淺層被抽取后再回灌到地底較深處。這些污染物會導致地下水中重金屬污染物含量升高,對水質產生不利影響。

2.3 井壁管銹蝕污染

熱源井潮濕的井壁管與空氣接觸,極易發生銹蝕。井壁管生銹后會釋放出Fe、Mn等金屬離子,這些金屬離子進入地下水后,對地下水中的Fe、Mn等重金屬元素含量產生較大影響。如部分水源井中Fe離子濃度超標,經調查發現,井壁管生銹嚴重可能是導致Fe離子濃度超標的原因。

2.4 管道管件銹蝕污染

抽水管道、回水管道、管件也會生銹,特別是地下水排空后,空氣進入管道內部,管道、管件內壁迅速發生銹蝕,待系統重新運行時,這些銹蝕物將隨著地下水進入地下,對地下水造成污染。

2.5 設備污染

地源熱泵系統中的設備,如潛水泵、循環泵、旋流除砂器、熱泵主機等會對地下水造成污染。內壁銹蝕會造成污染,設備運行過程中因摩擦、磨損,金屬粉塵進入地下水造成污染。此外,設備的潤滑油、清洗劑的泄漏也會污染地下水。

3 減少地下水污染的方法

3.1 增加取水量,減小熱源水的進出溫差

為了減少溫度變化對地下水質的影響,可增加取水量,降低地下水進出熱泵主機前后的溫差。根據流體熱力學原理,熱量的傳遞速度與溫度差及流速成正比。同一臺地源熱泵主機,通過增加取水量可以有效降低通過地源熱泵主機地下水的溫差。在某地源熱泵項目中,原本設計的取水量為20 L/s,經調整,取水量增加至27 L/s。結果顯示,進出水溫差由原來的10.5 ℃降低至8.0 ℃,減小了所在區域地下水溫度的變化幅度,降低了對地下水水質的影響。

3.2 優化熱源井、井壁管材及輸水管道的設計

為防止外界雜物及污染物進入井室,需對熱源井井室進行優化設計。可適當加高井室圍墻,控制好井室周邊坡度,設置排水溝,以便快速排放雨污水。在井室四周墻壁外設計防水,確保污水不會滲入井室。上述設計簡單,可有效避免外界雜物及污水等進入井室,有效保護地下水水質。

需摒棄開放式的井口設置,在水井井壁管口設置法蘭,加夾橡膠墊片與法蘭井蓋,通過螺栓連接,地下水取水管、回水管及電纜穿越井蓋預制空洞,空洞四周采用橡膠圈密閉,最大限度地防止外界污染物通過井口進入水井污染地下水。優化后的熱源井設計如圖3。

圖3 水井的優化設計

將鍍鋅螺旋鋼管、鍍鋅濾水管等難以腐蝕的管材作為井壁管(沉淀管)與濾水管,可大大減少因熱源井井壁管的銹蝕而對地下水造成污染,延長水井的使用壽命。

選用PE管、襯塑鋼管等耐腐蝕的管道替代易銹蝕的鋼管,可明顯降低地下水污染風險,延長管道的使用壽命。

3.3 正確保養設備

對潛水泵、循環泵、旋流除砂器、熱泵主機等設備進行正確保養,保持最佳的設備運轉狀態,避免不必要的磨損或泄漏而造成地下水污染。

4 結論與建議

通過對漢江中游地區淺層地源熱泵熱源井抽水與回灌對地下水質影響的研究可以得出以下結論:淺層地源熱泵熱源井的抽水與回灌會對地下水質有一定的污染,可能導致地下水環境惡化。對地下水地源熱泵系統進行優化設計并展開合理維護保養,可有效降低污染程度。應對地下水進行長期檢測,評估地下水地源熱泵系統運行對其的影響。對于新建的地下水源熱泵系統項目,應結合當地的實際情況,針對不同的地質情況及周邊形態,從多角度分析可能導致地下水污染的因素,以制定相應的優化方案。