0 引言

經濟的快速發展使能源短缺和環境污染問題愈發嚴峻,而淺層地熱作為一種清潔能源,具有可再生、 分布范圍廣、使用成本低等優點,進而得以廣泛應用。

淺層地熱資源按照開發利用的技術類型可分為地下水源熱泵和土壤源熱泵兩種類型。其中,地下水源熱泵系統主要是采用地下水充當熱傳導介質來實現地下能量的提取和交換,與土壤源熱泵系統相比, 水源熱泵系統具有占地空間小、經濟成本低、換熱效率高和穩定性好等優勢。因此隨著淺層地熱資源的開采利用日益增加,水源熱泵系統的應用也越來越廣泛。

水源熱泵系統在應用時,如地下水開采不合理, 可能會給地下水環境造成水溫度變化、水質異常甚至地面沉降等問題。很多學者對此進行了深入的研究。竇明等人采用MODFLOW模擬720 h時,發現抽回井比例為1:2沒有出現流貫通和熱貫通現象,該布置方式效果最好;王家樂等人發現夏季運行160 d 的最大升高溫度為3℃且影響范圍在50 m內,而冬季運行100 d的最大下降溫度僅為1℃。Park等人發現大量的回灌水將引起地下水流速度明顯增大, 同時也會改變其熱彌散系數,導致溫度場的快速變化。通過對整個工程回灌井水質的監測,于慧明等人發現水源熱泵系統對地下水中Cl-和Na +含量影響較大,易導致地下水化學類型的改變。同時有學者發現,這種改變與初始成分之間差異值為10%左右,并指出該差異是由于地下水灌入導致大氣分壓和局部復雜流體動力學兩方面所致。

綜上所述,水源熱泵系統運行對地下水環境的影響及影響程度值得關注。為了可持續地利用地下水資源并保護地下水環境,本文從現有資料分析安陽市區水源熱泵系統對地下水動力場、地下水溫度場及地下水化學場的影響,以期對安陽市區淺層地熱資源的長期合理開采及水源熱泵技術的推廣應用提供參考。

1 研究區概況

1.1 自然地理概況

研究區位于豫北安陽市中心城區,面積約為 130 km2(見圖1),平均氣溫13.1℃,平均降水量 637.1 mm,相對濕度66.5%,屬于暖溫帶大陸性季風氣候。地勢西高東低,按第四紀地貌類型可分為侵蝕堆積丘陵和沖洪積平原兩種類型,區內水系主要為雨水補給類型,受降水的季節性影響較大,夏秋為豐水期,冬春為枯水期。

1.2 淺層地熱賦存條件

按淺層地下水含水介質的不同,將安陽市地下水類型分為松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙水兩種。 本次水源熱泵系統將潛水(松散巖類孔隙水)作為目標水源,其主要埋藏于洹河下游第四系沖洪積扇孔隙含水層中,該含水層上部為粉質黏土,下部為砂礫石, 厚度為20~40 m,具有典型的二元結構。

根據單井涌水量對潛水含水層進行分區,將其分為極強富水區、強富水區和中等富水區,呈現出中心向四周擴散的形勢。以文峰區為中心的潛水含水層為分選較好的卵石及中粗砂礫,調節能力強,單井出水能力大于5000 m3/d為極強富水區,同時具有較好的回灌能力(>3000 m3/d);其次,外圍的三分莊村、徐家口村和小官莊村一帶含水層由礫卵石層和中粗砂構成,賦水條件良好,單井出水能力5000~3000 m3/d, 為強富水區,該區域回灌能力一般(3000~1500 m3/d);在強富水區外圍,研究區其他區域均為中等富水區,其含水巖性為中粗中細砂礫巖,單井出水能力3000~1000 m3/d,埋深較小,回灌能力較小(1500~500 m 3/d)。

研究區淺層地下水通過降水入滲、地表水體滲入以及灌溉用水的回滲進行補給,其中降水入滲為主要補給來源,其次由恒河等地表水流進行的側向補給也是一種重要補給源,區內主要采取開井修渠的方式對72農田灌溉,用水均用做農作物的生長,對潛水的補給量很少。地下水徑流方向為自西向東,排泄方式有人工開采、側向徑流和蒸發等,其中以人工開采為主,潛水水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg型。

1.3 水源熱泵開發利用現狀

研究區水源熱泵項目共開發47個項目(見圖1), 共計230眼水源井,安陽市區的淺層地熱系統以開采地下水換熱方式進行,用戶包括公共衛生、工業生產、 商業經營和小區供暖制冷等多個領域。區內水源熱泵工程井井深一般為70~100 m,井數一般為3~12眼, 個別用戶小于3眼或大于12眼。水源井井管材質以鋼管為主,個別為水泥管;孔徑一般為500~600 mm, 井徑多為Ф325 mm。單井出水量約為60 m3/h。1個項目需要配置1眼抽水井及多眼回灌井,確保抽回井比例為1∶2或2∶3。

淺層地熱水主要用于夏季制冷和冬季供暖,制冷期一般為6月-9月,運行約100 d,抽出的水溫一般為16~18℃,通過機器制冷后可達8~12℃,最終回灌地下水溫度為21~29℃,可有效地將室內溫度降低 10~15℃左右;供暖期為1 1月15日至次年3月15日, 運行約120 d,井水進主機溫度一般17℃,回灌水溫度7~12℃,可有效地將室內溫度提升到15℃左右。

1.4 樣品采集與分析

采用鋼尺水位計(人工測量的方法)測量水源熱泵項目監測井中地下水的水位變化,在2008年- 2014年的制冷期和供暖期各進行一次測量。在測量水位的同時使用水質參數儀(Aquaread AP-800)對水溫和pH值進行現場檢測,并使用高密度聚乙烯瓶對水樣進行采集,蠟封避光送至實驗室分析。K+、Na+、Ca 2+和Mg 2+采用電感耦合等離子體發射光譜法進行檢測,檢出限分別為0.07 mg/L、0.03 mg/L、 0.02 mg/L和0.02 mg/L;HCO3-采用滴定法進行檢測,檢出限為5.0 mg/L;Cl-和SO4 2-采用離子色譜法進行檢測,檢出限分別為0.007 mg/L和0.018 mg/L。水樣均于河南省地質礦產勘查開發局第一地質環境調查院實驗室進行檢測,同時采用陰陽離子平衡的誤差對水樣試驗數據進行可靠性分析,所有水樣誤差均處于±5%以內,因此數據結果可靠。

2 水源熱泵對地下水環境的影響分析

2.1 對地下水動力場的影響

原則上,水源熱泵系統在運行過程中抽出的地下水在進行熱交換后,應當重新全部注入原含水層,但在實踐過程中,受含水層滲透能力的制約,很難實現。因此,項目開發對地下水動力場的影響研究很有必要。為了分析水源熱泵項目開發對地下水動力場的

影響,選取不同年份制冷期和供暖期的等水位線圖進行比較。分別對比制冷期2008年7月(見圖2(a)) 和2012年8月(見圖2(b))的等水位線圖和供暖期 2008年12月(見圖2(c))和2012年12月(見圖2(d))的等水位線圖可得出相似的結論:漏斗中心水位從52 m升高至56 m且研究區內地下水分水嶺有向漏斗中心移動的趨勢,表明地下水位升高且地下水降落漏斗范圍縮小。而分別對比同一年2008年 7月(見圖2(a))和2008年12月(見圖2(c))的等水位線圖和2012年8月(見圖2(b))和2012年12月 (見圖2(d))的等水位線圖亦可得出相似的結論:同一年從制冷期到供暖期,漏斗中心水位沒有明顯變化,但地下水降落漏斗范圍縮小。

選取安陽市水利局、三角湖公園和東風鄉寺溝 3個代表點位201 1年-2012年各月的降雨量和地下水水位數據繪制成圖,如圖3所示。根據代表點位的地下水水位與降雨量動態變化圖可得:該研究區降雨量隨季節變化明顯,降雨集中在夏季和秋季,冬季和春季少雨;3個點位的地下水水位在年內(1月- 12月)呈現先降低再升高的特點,地下水位最低點均出現在夏季。

同時再選取這3個代表點位2009年-2014年的地下水位埋深數據繪制成圖進行分析,如圖4所示。 根據3個點位的地下水埋深動態曲線可得3個點位呈現相似的規律,地下水埋深逐年減小,即地下水水位逐年升高。

綜合上述數據呈現的規律分析該研究區地下水動力場的變化情況:3個代表點位201 1年和2012年年內地下水水位的變化趨勢是先降低再升高,這是由于研究區降水量的季節性變化規律導致的,研究區地下水主要依靠大氣降水補給,在降雨量較少的春季, 地下水開采沒有得到及時的補給所以導致水位下降, 而雨季來臨時,地下水位開始明顯回升;等水位線圖顯示從2008年-2012年制冷期和供暖期的研究區水位不降反升,地下水降落漏斗的范圍也有所縮小,同時3個代表點位2009年-2014年的地下水埋深逐年減小也可證明地下水位的逐年升高,這與安陽市有效管理地下水資源和嚴格控制地下水開采有關,同時表明研究區水源熱泵系統開發對當地地下水動力場尚未產生顯著影響。

2.2 對地下水溫度場的影響

安陽市淺層地熱資源為冬季和夏季兩用,夏季制冷,冬季供暖,洹河以北目前僅用于冬季供暖。由于水源熱泵系統運行過程中進水與回水存在溫差,可能會影響地下水溫度場的變化。

為了研究淺層地熱開發對地下水溫度場的影響, 選取4個代表性觀測孔的地下水水溫多年動態監測數據進行分析。所選4個觀測孔包含研究區的各個方位,并分別與其附近的熱源井屬于同一含水層。 4個觀測孔2010年-2014年地下水溫度隨月份的動態變化曲線,如圖5所示。其中,東風鄉寺溝觀測孔地下水水溫變化較小,穩定在15℃左右,但2013年以來水溫波動范圍增大;西蘇里養犬場觀測孔和安陽市鋁箔廠觀測孔的地下水水溫變化基本一致,隨季節有波動,夏季水溫升高而冬季水溫降低;紗廠東加油站觀測孔水溫相較其他3個觀測孔水溫整體高2℃,整體上看地下水水溫略有降低趨勢。

東風鄉寺溝觀測孔位于研究區的西南角,遠離市區,水源熱泵項目較少,地下水受人類活動影響較小, 所以地下水水溫整體很穩定;西蘇里養犬場觀測孔和安陽市鋁箔廠觀測孔位于市區,分別位于研究區西南側和東側,兩處地下水水溫變化規律類似,隨季節性波動明顯;紗廠東加油站位于洹河以北,該觀測孔所在含水層比另外3個觀測孔埋深大,因此該地下水水溫高于另外3個,同時由于該觀測孔附近5 km內有 4個小區利用水源熱泵技術供暖且僅供暖不制冷,而供暖期回灌水溫度低,因此該觀測孔水溫有降低趨勢。

選取研究區制冷期、供暖期和間歇期的地下水溫度場分布圖進行對比分析,如圖6所示。其中圖6(a) 為制冷期,圖6(c)為供暖期,而圖6(b)和圖6(d)為間歇期。由4個時間段的地下水溫度場變化圖可得: 2012年8月的制冷期由于水源熱泵系統熱水的回灌, 導致研究區水溫大于16℃的面積較大,主要分布在水源熱泵項目較多的區域;隨著制冷期結束,地下水水溫得以恢復,2012年1 1月的間歇期,地下水水溫大于16℃的區域明顯減小;2012年12月,隨著供暖期的開始,地下水水溫大于16℃的范圍進一步減少; 2013年4月的間歇期,由于供暖期結束,水溫大于 16℃的面積屬四時間段內的最小值。

結合地下水溫度場分布圖的變化特征和4個代表性觀測孔地下水水溫的年變化規律可得:制冷期開始后地下水水溫有所升高,供暖期開始后地下水水溫有所降低;制冷期水溫升高可以調節供暖期水溫的降低量,而供暖期水溫降低可以調節制冷期水溫的升高量。這表明該地區淺層地熱利用中回灌水對地下水局部溫度產生了一定的影響,但由于制冷期與供暖期地下水位溫度變化的互相調節,使得監測數據顯示研究區地下水溫度場整體處于相對穩定的狀態,但需要注意單個制冷周期或者供暖周期內地下水溫度的負荷值。

由于水體比熱容大,具有較強的熱調節作用,可以減小制冷期和供暖期回水井與原含水層的溫差影響,但在經歷長時期的連續水源熱泵系統運行后,回水井的水源溫差仍會對附近同層地下水溫度場造成微小的影響。

綜合上述分析,目前研究區地下水溫度場處于相對穩定的狀態,水源熱泵系統回灌水的溫差對研究區局部地下水溫度造成影響,但對地下水溫度場整體未有影響。

2.3 對地下水化學場的影響

選取7個水源熱泵點在2008年和2012年進行地下水水化學監測,分別在7月-8月(制冷期)和12月 (供暖期)各進行一次水化學檢測。所有水樣的pH值為7.00~8.49,處于中性-弱堿性水,采用Piper三線圖來更好地分析研究區水化學類型,如圖7所示。從圖中可以看出所有陽離子均處于左三角的鈣鎂型區域,2008年大部分陰離子繪制于右三角的重碳酸鹽區,隨著年數的增加,少數幾個點位處于氯化物類型與硫酸鹽類型區域。因此Ca^{2 +}和Mg ²⁺相對于 K⁺+Na ⁺具有更明顯的優勢,而早期弱酸HCO₃ ^-優勢于強酸Cl^-和SO₄ ^2-,但隨著系統運行年限的增加, 開采和回灌次數的增多,使得Cl-和SO4 2-的濃度的升高,水中3種主要陰離子濃度比較平均。根據舒卡列夫分類法得出:2008年7月(制冷期)監測點位的地下水水化學類型全部為HCO3-Ca·Mg,至2012年8月(制冷期),以HCO·SO 4·Cl-Ca·Mg為主,占比 42.86%,HCO₃·SO ₄-Ca·Mg次之,占比28.57%;而 2008年12月(供暖期)水化學類型為HCO₃-Ca·Mg 和HCO₃-Ca兩種,分別占比57.14%和42.86%,至 2012年12月(供暖期),HCO₃Cl-Ca·Mg型占主導,HCO₃SO ₄-Ca·Mg和HCO ₃SO ₄·Cl-Ca·Mg均出現零星分布。

考慮到數據的連續性,選取靠近降落漏斗中心處的DW1水源熱泵點作為代表,分別從2008年-2012年的制冷期和供暖期進行主要離子濃度逐漸變化的水化學分析,如圖8所示。制冷期分析結果顯示(見圖8(a)):陽離子中,Mg^{2 +}的總濃度變化不大,而K⁺+Na ⁺呈逐年遞增的趨勢,Ca ²⁺在2009年濃度最低,但整體毫克當量維持在7.5 meq/L左右,占據主導作用;陰離子中,高濃度的HCO3-相對變化不大,在水化學類型中起決定作用,Cl^-和SO₄ ^2-呈逐年增大的趨勢,最大值均超過了3 meq/L,這導致水化學類型從HCO₃-Ca·Mg向HCO ₃·Cl·(SO ₄)-Ca·Mg 轉變。

供暖期分析結果顯示(見圖8(b)):3種陽離子(Ca2 +、Mg ²⁺和K ⁺+Na ⁺)的濃度變化不大,均維持在2008年的含量,其中Ca^{2 +}的含量最高,Mg ²⁺次之;陰離子中Cl-從2008年到2009年供暖期含量呈明顯的下降趨勢,隨后逐年依次增加,推測受人為擾動較大,而SO42 -在2008年的含量最高,隨后呈先減后增的趨勢,但2012年的濃度仍沒有高于2008年, HCO3-在所有陰離子中含量最高,但濃度基本不變, 受地熱供暖影響很小,因此供暖期水化學類型基本不變,為HCO₃-Ca·Mg型。

采用Gibbs圖分別對制冷期和供暖期的水源熱泵點水樣進行成因分析,如圖9所示。該圖將主要成因機制分為3類:蒸發濃縮、巖石風化和大氣沉降。研究區內地下水TDS濃度范圍在制冷期和供暖期分別為 434.53~912.00 mg/L和539.74~910.54 mg/L,供暖期的平均值高于制冷期,其中ρ(Na⁺)/ρ(Na ⁺+Ca ²⁺)的比值處于0.1 1~0.24之間,ρ(Cl-)/ρ(Cl ^-+HCO₃ ^-) 的比值為0.1 1~0.41。從圖中可以看出,大部分點位處于圖中左側中心位置,說明水化學成分主要受巖石風化作用影響,地下水中的主要離子大部分來源于淺層土壤及滲流途徑下產生的溶濾作用。值得注意的是,隨著年數的增加,制冷期中部分水源熱泵點在向蒸發濃縮作用的方向靠近,這主要是因為水源熱泵的開發利用,導致淺層地下水在夏季炎熱時蒸發作用更為劇烈,從而Cl-含量增多,比值高達0.41。從圖中可以看出大氣沉降作用對研究區水化學組分成因沒有影響。

通過分析水中主要離子的關系比值來確定其受水巖相互作用下來源方式,如圖10所示。前文分析得出隨著時間的增加,地下水中Cl^-和SO₄^2-含量在不斷增加,因此采用γ(Cl^-+SO₄^2-)/γ(HCO₃^-)的比值來確定這3種陰離子的來源。從圖10(a)可以看出,供暖期大部分點位處于γ(Cl^-+SO₄^2-)/ γ(HCO₃^-)=1∶1比值線的下方,占比85.7 1%,這說明HCO3-主要來源于碳酸鹽巖的溶解,而制冷期在 2012年的所有水泵點的水樣均處于γ(Cl^-+SO₄^2-)/γ(HCO₃^-)=1∶1比值線上方,導致線上點位占比42.85%,說明隨著水源熱泵項目持續進行,地下水蒸發作用強烈,Cl^-+SO₄^2-含量不斷增大。研究區大部分地下水類型為HCO₃-Ca·Mg型,采用γ(Ca²⁺+Mg ²⁺)/γ(HCO₃ ^-)的比值來確定Ca ²⁺和 Mg²⁺的來源,從圖10(b)中可以看出,制冷期和供暖期的所有水源熱泵點均處于γ(Ca^{2 +}+Mg²⁺)/ γ(HCO₃^-)=1∶1比值線的上方,說明所有水樣中的Ca^{2 +}和Mg ²⁺都來自于碳酸鹽巖的溶解。

3 結論

本文以安陽市區的地下水數據為基礎,從地下水動力場、地下水溫度場和地下水化學場三方面研究了水源熱泵系統對淺層地下水環境的影響,為水源熱泵系統的推廣應用提供參考和建議,結論如下:

(1)研究區代表點位2009年-2014年地下水埋深減小、水位升高且2008年-2012年制冷期和供暖期的水位升高,地下水降落漏斗范圍縮小,研究區水源熱泵項目開發對當地地下水動力場還沒有影響。說明水源熱泵系統采用采灌結合的方式,合理設置空調井抽回灌井比例及間距,嚴格控制地下水開采量,可減少水源熱泵項目開發對當地地下水動力場的影響。

(2)研究區地下水溫度場處于相對穩定的狀態, 水源熱泵系統回灌水的溫差對研究區局部地下水溫度有影響,但對地下水溫度場整體未造成影響。說明實時監控地下水溫度的變化,控制采灌井水的溫度差,可減少水源熱泵項目開發對當地地下水溫度場的影響。

(3)水源熱泵系統導致研究區地下水蒸發作用強烈,Cl-和SO₄ ^2-含量不斷增大,使得制冷期地下水水化學類型由HCO₃-Ca·Mg轉變為以HCO₃Cl-(SO₄) Ca·Mg為主,HCO₃·SO₄-Ca·Mg次之;而供暖期影響較小,由HCO₃-Ca·Mg和HCO₃-Ca兩種轉變為以HCO₃Cl-Ca·Mg型占主導的水化學類型。說明水源熱泵系統應配備相關數據監測手段加強持續觀測,開采量應根據氣候和降雨量進行適當調整,避免冷熱堆積及過度開采對地下水化學場的影響。