王國良+王亞斌+韓榮文+李明明+王琴萍

摘 要： 水源熱泵是利用淺層地溫能的一種有效方式，該系統(tǒng)同時(shí)也對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。本文在調(diào)查收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，嘗試分析水源熱泵系統(tǒng)對地下水水質(zhì)的影響。

關(guān)鍵詞： 水源熱泵； 地質(zhì)環(huán)境； 影響

Abstract： Water source heat pump is the use of the shallow ground temperature can be an effective way， the system also has certain influence on the geological environment.On the basis of the investigation to collect relevant data， this paper tries to analyze water source heat pump system's influence on the groundwater quality.

Key words： Water source heat pump； Geological environment；

1. 水源熱泵系統(tǒng)簡介

水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽能資源作為熱源，利用地球水體自然散熱后的低溫水作為冷源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。

2. 水源熱泵運(yùn)行對地下水水質(zhì)的影響情況

為探討研究水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行后對地下水水質(zhì)的影響，首先收集天津某地區(qū)各水源熱泵系統(tǒng)成井初期的水質(zhì)分析資料，作為研究水質(zhì)變化的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，有針對性地對不同水源熱泵系統(tǒng)再次采取水樣。并保證樣品具有代表性和針對性。采樣程序嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程執(zhí)行，采取二價(jià)和三價(jià)鐵時(shí)，按照要求先加入適量的硫酸溶液。天津某地區(qū)部分水源熱泵井水質(zhì)變化對比見表1。

對天津某地區(qū)水源熱泵運(yùn)行若干年后地下水水質(zhì)取樣結(jié)果對比分析，可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

a. 存在異層采灌的熱泵系統(tǒng)中，地下水化學(xué)變化表現(xiàn)出明顯的混合特征。

b. 全開放運(yùn)行的水源熱泵地下水中氧氣含量明顯增加，二價(jià)鐵、總鐵含量均大幅度降低；全封閉運(yùn)行的水源熱泵系統(tǒng)中地下水中的二價(jià)鐵含量保持相對穩(wěn)定。樣品5、樣品6取自開放式運(yùn)行的水源熱泵。樣品1和樣品2取自全封閉運(yùn)行水源熱泵系統(tǒng)。

c. TDS小于1.5g/L的Na-HCO3型地下水區(qū)，TDS、Ca2+、Na+含量均呈現(xiàn)明顯增加態(tài)勢。具有這種變化規(guī)律的水源熱泵系統(tǒng)多為同層回灌系統(tǒng)，表1中樣品1至樣品6均取自這類系統(tǒng)。樣品1系統(tǒng)運(yùn)行4年采樣對比，TDS由947.3mg/L增加到1020mg/L，Ca2+含量由7mg/L增加到11mg/L， Na+含量由274mg/L增加到283mg/L。

d. TDS大于1.5g/L的Na-HCO3型地下水區(qū)，TDS、Ca2+、Na+含量增加態(tài)勢不明顯。例如樣品8至樣品11代表的水源熱泵系統(tǒng)。

3. 地下水水質(zhì)變化的原因分析

天津某地區(qū)水源熱統(tǒng)對地下水水質(zhì)影響的主要方式有：混合作用、氧化還原作用、溶解/沉淀作用等。

3.1 混合作用

混合作用對地下水水質(zhì)影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：井流引起的混合作用、異層采灌引起的混合作用。

井流引起的混合作用：天津地區(qū)地下水水質(zhì)復(fù)雜多變，地下水水質(zhì)隨著取水層位及取水地點(diǎn)的不同存在著較大的變化。同一含水組一般由4個(gè)～9個(gè)含水層組成，各含水層間均存在一定的水質(zhì)差異，同時(shí)由上至下靜水壓力逐漸減小，成井后造成水力溝通。停井時(shí)，由于井流作用，在下部含水層中發(fā)生混合作用。

異層采灌引起的混合作用：由于同一工程場地不同含水組間存在較大的水質(zhì)差異，不同水質(zhì)間的混合作用對地下水水質(zhì)影響最大，由于混合比例的不同與變化，地下水水質(zhì)的變化呈現(xiàn)較為復(fù)雜的變化趨勢。另外，成井過程中因封井不嚴(yán)而導(dǎo)致的上部較高礦化度水體的滲漏，也可能引起熱泵井地下水水質(zhì)的較大變化，特別是上覆地層為咸水體的含水組。

3.2 氧化還原作用

天津某地區(qū)深層地下水處于還原環(huán)境，地下水采灌過程中，大多數(shù)回灌系統(tǒng)密封性差，地下水易與大氣接觸，因此水中溶解氧含量增加，對地下水的二價(jià)鐵等還原成分產(chǎn)生氧化作用。表1中樣品1的水源熱泵系統(tǒng)回?fù)P過程中最大含鐵量超過地下水中的含鐵量達(dá)700多倍，其中一部分就來自地下水中亞鐵的氧化。運(yùn)行時(shí)間最長的水源熱泵系統(tǒng)和開放式的水源熱泵系統(tǒng)地下水含鐵量大為減少，均是由于水中亞鐵的氧化，而嚴(yán)格的封閉式的水源熱泵系統(tǒng)地下水中含鐵量與成井初期基本保持一致。

3.3 溶解/沉淀作用

溫度變化對地下水中礦物飽和狀態(tài)的影響：熱泵運(yùn)行過程中，回灌水的溫度發(fā)生較大變化。根據(jù)“化學(xué)反應(yīng)平衡移動(dòng)原理”，硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硫化物、氧化物等的溶解均為吸熱反應(yīng)，溫度升高促進(jìn)礦物溶解。碳酸鹽、硫酸鹽的溶解則是放熱反應(yīng)，其溶解度隨溫度升高而降低。

4. 結(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行對地下水水質(zhì)具有一定的影響，由于大多數(shù)水源熱泵系統(tǒng)處于半封閉運(yùn)行狀況，同層回灌井系統(tǒng)中一般會(huì)引起地下水中二價(jià)鐵離子、總鐵含量降低。TDS、Ca2+、Na+含量增加。引起地下水水質(zhì)變化的水文地質(zhì)化學(xué)原因包括混合作用、氧化還原作用、溶解/沉淀作用等。

4.2 建議

加強(qiáng)對水源熱泵系統(tǒng)調(diào)查、監(jiān)測與研究工作。重點(diǎn)監(jiān)測咸水分布區(qū)水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行后，對咸淡水下移的影響及對下部淡水層的水質(zhì)影響。

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