水源热泵系统对安阳市区浅层地下水环境的影响研究

0 引言

经济的快速发展使能源短缺和环境污染问题愈发严峻,而浅层地热作为一种清洁能源,具有可再生、 分布范围广、使用成本低等优点,进而得以广泛应用。

浅层地热资源按照开发利用的技术类型可分为地下水源热泵和土壤源热泵两种类型。其中,地下水源热泵系统主要是采用地下水充当热传导介质来实现地下能量的提取和交换,与土壤源热泵系统相比, 水源热泵系统具有占地空间小、经济成本低、换热效率高和稳定性好等优势。因此随着浅层地热资源的开采利用日益增加,水源热泵系统的应用也越来越广泛。

水源热泵系统在应用时,如地下水开采不合理, 可能会给地下水环境造成水温度变化、水质异常甚至地面沉降等问题。很多学者对此进行了深入的研究。窦明等人采用MODFLOW模拟720 h时,发现抽回井比例为1:2没有出现流贯通和热贯通现象,该布置方式效果最好;王家乐等人发现夏季运行160 d 的最大升高温度为3℃且影响范围在50 m内,而冬季运行100 d的最大下降温度仅为1℃。Park等人发现大量的回灌水将引起地下水流速度明显增大, 同时也会改变其热弥散系数,导致温度场的快速变化。通过对整个工程回灌井水质的监测,于慧明等人发现水源热泵系统对地下水中Cl-和Na +含量影响较大,易导致地下水化学类型的改变。同时有学者发现,这种改变与初始成分之间差异值为10%左右,并指出该差异是由于地下水灌入导致大气分压和局部复杂流体动力学两方面所致。

综上所述,水源热泵系统运行对地下水环境的影响及影响程度值得关注。为了可持续地利用地下水资源并保护地下水环境,本文从现有资料分析安阳市区水源热泵系统对地下水动力场、地下水温度场及地下水化学场的影响,以期对安阳市区浅层地热资源的长期合理开采及水源热泵技术的推广应用提供参考。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区位于豫北安阳市中心城区,面积约为 130 km2(见图1),平均气温13.1℃,平均降水量 637.1 mm,相对湿度66.5%,属于暖温带大陆性季风气候。地势西高东低,按第四纪地貌类型可分为侵蚀堆积丘陵和冲洪积平原两种类型,区内水系主要为雨水补给类型,受降水的季节性影响较大,夏秋为丰水期,冬春为枯水期。

1.2 浅层地热赋存条件

按浅层地下水含水介质的不同,将安阳市地下水类型分为松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水两种。 本次水源热泵系统将潜水(松散岩类孔隙水)作为目标水源,其主要埋藏于洹河下游第四系冲洪积扇孔隙含水层中,该含水层上部为粉质黏土,下部为砂砾石, 厚度为20~40 m,具有典型的二元结构。

根据单井涌水量对潜水含水层进行分区,将其分为极强富水区、强富水区和中等富水区,呈现出中心向四周扩散的形势。以文峰区为中心的潜水含水层为分选较好的卵石及中粗砂砾,调节能力强,单井出水能力大于5000 m3/d为极强富水区,同时具有较好的回灌能力(>3000 m3/d);其次,外围的三分庄村、徐家口村和小官庄村一带含水层由砾卵石层和中粗砂构成,赋水条件良好,单井出水能力5000~3000 m3/d, 为强富水区,该区域回灌能力一般(3000~1500 m3/d);在强富水区外围,研究区其他区域均为中等富水区,其含水岩性为中粗中细砂砾岩,单井出水能力3000~1000 m3/d,埋深较小,回灌能力较小(1500~500 m 3/d)。

研究区浅层地下水通过降水入渗、地表水体渗入以及灌溉用水的回渗进行补给,其中降水入渗为主要补给来源,其次由恒河等地表水流进行的侧向补给也是一种重要补给源,区内主要采取开井修渠的方式对72农田灌溉,用水均用做农作物的生长,对潜水的补给量很少。地下水径流方向为自西向东,排泄方式有人工开采、侧向径流和蒸发等,其中以人工开采为主,潜水水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型。

1.3 水源热泵开发利用现状

研究区水源热泵项目共开发47个项目(见图1), 共计230眼水源井,安阳市区的浅层地热系统以开采地下水换热方式进行,用户包括公共卫生、工业生产、 商业经营和小区供暖制冷等多个领域。区内水源热泵工程井井深一般为70~100 m,井数一般为3~12眼, 个别用户小于3眼或大于12眼。水源井井管材质以钢管为主,个别为水泥管;孔径一般为500~600 mm, 井径多为Ф325 mm。单井出水量约为60 m3/h。1个项目需要配置1眼抽水井及多眼回灌井,确保抽回井比例为1∶2或2∶3。

浅层地热水主要用于夏季制冷和冬季供暖,制冷期一般为6月-9月,运行约100 d,抽出的水温一般为16~18℃,通过机器制冷后可达8~12℃,最终回灌地下水温度为21~29℃,可有效地将室内温度降低 10~15℃左右;供暖期为1 1月15日至次年3月15日, 运行约120 d,井水进主机温度一般17℃,回灌水温度7~12℃,可有效地将室内温度提升到15℃左右。

1.4 样品采集与分析

采用钢尺水位计(人工测量的方法)测量水源热泵项目监测井中地下水的水位变化,在2008年- 2014年的制冷期和供暖期各进行一次测量。在测量水位的同时使用水质参数仪(Aquaread AP-800)对水温和pH值进行现场检测,并使用高密度聚乙烯瓶对水样进行采集,蜡封避光送至实验室分析。K+、Na+、Ca 2+和Mg 2+采用电感耦合等离子体发射光谱法进行检测,检出限分别为0.07 mg/L、0.03 mg/L、 0.02 mg/L和0.02 mg/L;HCO3-采用滴定法进行检测,检出限为5.0 mg/L;Cl-和SO4 2-采用离子色谱法进行检测,检出限分别为0.007 mg/L和0.018 mg/L。水样均于河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院实验室进行检测,同时采用阴阳离子平衡的误差对水样试验数据进行可靠性分析,所有水样误差均处于±5%以内,因此数据结果可靠。

2 水源热泵对地下水环境的影响分析

2.1 对地下水动力场的影响

原则上,水源热泵系统在运行过程中抽出的地下水在进行热交换后,应当重新全部注入原含水层,但在实践过程中,受含水层渗透能力的制约,很难实现。因此,项目开发对地下水动力场的影响研究很有必要。为了分析水源热泵项目开发对地下水动力场的

影响,选取不同年份制冷期和供暖期的等水位线图进行比较。分别对比制冷期2008年7月(见图2(a)) 和2012年8月(见图2(b))的等水位线图和供暖期 2008年12月(见图2(c))和2012年12月(见图2(d))的等水位线图可得出相似的结论:漏斗中心水位从52 m升高至56 m且研究区内地下水分水岭有向漏斗中心移动的趋势,表明地下水位升高且地下水降落漏斗范围缩小。而分别对比同一年2008年 7月(见图2(a))和2008年12月(见图2(c))的等水位线图和2012年8月(见图2(b))和2012年12月 (见图2(d))的等水位线图亦可得出相似的结论:同一年从制冷期到供暖期,漏斗中心水位没有明显变化,但地下水降落漏斗范围缩小。

选取安阳市水利局、三角湖公园和东风乡寺沟 3个代表点位201 1年-2012年各月的降雨量和地下水水位数据绘制成图,如图3所示。根据代表点位的地下水水位与降雨量动态变化图可得:该研究区降雨量随季节变化明显,降雨集中在夏季和秋季,冬季和春季少雨;3个点位的地下水水位在年内(1月- 12月)呈现先降低再升高的特点,地下水位最低点均出现在夏季。

同时再选取这3个代表点位2009年-2014年的地下水位埋深数据绘制成图进行分析,如图4所示。 根据3个点位的地下水埋深动态曲线可得3个点位呈现相似的规律,地下水埋深逐年减小,即地下水水位逐年升高。

综合上述数据呈现的规律分析该研究区地下水动力场的变化情况:3个代表点位201 1年和2012年年内地下水水位的变化趋势是先降低再升高,这是由于研究区降水量的季节性变化规律导致的,研究区地下水主要依靠大气降水补给,在降雨量较少的春季, 地下水开采没有得到及时的补给所以导致水位下降, 而雨季来临时,地下水位开始明显回升;等水位线图显示从2008年-2012年制冷期和供暖期的研究区水位不降反升,地下水降落漏斗的范围也有所缩小,同时3个代表点位2009年-2014年的地下水埋深逐年减小也可证明地下水位的逐年升高,这与安阳市有效管理地下水资源和严格控制地下水开采有关,同时表明研究区水源热泵系统开发对当地地下水动力场尚未产生显著影响。

2.2 对地下水温度场的影响

安阳市浅层地热资源为冬季和夏季两用,夏季制冷,冬季供暖,洹河以北目前仅用于冬季供暖。由于水源热泵系统运行过程中进水与回水存在温差,可能会影响地下水温度场的变化。

为了研究浅层地热开发对地下水温度场的影响, 选取4个代表性观测孔的地下水水温多年动态监测数据进行分析。所选4个观测孔包含研究区的各个方位,并分别与其附近的热源井属于同一含水层。 4个观测孔2010年-2014年地下水温度随月份的动态变化曲线,如图5所示。其中,东风乡寺沟观测孔地下水水温变化较小,稳定在15℃左右,但2013年以来水温波动范围增大;西苏里养犬场观测孔和安阳市铝箔厂观测孔的地下水水温变化基本一致,随季节有波动,夏季水温升高而冬季水温降低;纱厂东加油站观测孔水温相较其他3个观测孔水温整体高2℃,整体上看地下水水温略有降低趋势。

东风乡寺沟观测孔位于研究区的西南角,远离市区,水源热泵项目较少,地下水受人类活动影响较小, 所以地下水水温整体很稳定;西苏里养犬场观测孔和安阳市铝箔厂观测孔位于市区,分别位于研究区西南侧和东侧,两处地下水水温变化规律类似,随季节性波动明显;纱厂东加油站位于洹河以北,该观测孔所在含水层比另外3个观测孔埋深大,因此该地下水水温高于另外3个,同时由于该观测孔附近5 km内有 4个小区利用水源热泵技术供暖且仅供暖不制冷,而供暖期回灌水温度低,因此该观测孔水温有降低趋势。

选取研究区制冷期、供暖期和间歇期的地下水温度场分布图进行对比分析,如图6所示。其中图6(a) 为制冷期,图6(c)为供暖期,而图6(b)和图6(d)为间歇期。由4个时间段的地下水温度场变化图可得: 2012年8月的制冷期由于水源热泵系统热水的回灌, 导致研究区水温大于16℃的面积较大,主要分布在水源热泵项目较多的区域;随着制冷期结束,地下水水温得以恢复,2012年1 1月的间歇期,地下水水温大于16℃的区域明显减小;2012年12月,随着供暖期的开始,地下水水温大于16℃的范围进一步减少; 2013年4月的间歇期,由于供暖期结束,水温大于 16℃的面积属四时间段内的最小值。

结合地下水温度场分布图的变化特征和4个代表性观测孔地下水水温的年变化规律可得:制冷期开始后地下水水温有所升高,供暖期开始后地下水水温有所降低;制冷期水温升高可以调节供暖期水温的降低量,而供暖期水温降低可以调节制冷期水温的升高量。这表明该地区浅层地热利用中回灌水对地下水局部温度产生了一定的影响,但由于制冷期与供暖期地下水位温度变化的互相调节,使得监测数据显示研究区地下水温度场整体处于相对稳定的状态,但需要注意单个制冷周期或者供暖周期内地下水温度的负荷值。

由于水体比热容大,具有较强的热调节作用,可以减小制冷期和供暖期回水井与原含水层的温差影响,但在经历长时期的连续水源热泵系统运行后,回水井的水源温差仍会对附近同层地下水温度场造成微小的影响。

综合上述分析,目前研究区地下水温度场处于相对稳定的状态,水源热泵系统回灌水的温差对研究区局部地下水温度造成影响,但对地下水温度场整体未有影响。

2.3 对地下水化学场的影响

选取7个水源热泵点在2008年和2012年进行地下水水化学监测,分别在7月-8月(制冷期)和12月 (供暖期)各进行一次水化学检测。所有水样的pH值为7.00~8.49,处于中性-弱碱性水,采用Piper三线图来更好地分析研究区水化学类型,如图7所示。从图中可以看出所有阳离子均处于左三角的钙镁型区域,2008年大部分阴离子绘制于右三角的重碳酸盐区,随着年数的增加,少数几个点位处于氯化物类型与硫酸盐类型区域。因此Ca^{2 +}和Mg ²⁺相对于 K⁺+Na ⁺具有更明显的优势,而早期弱酸HCO₃ ^-优势于强酸Cl^-和SO₄ ^2-,但随着系统运行年限的增加, 开采和回灌次数的增多,使得Cl-和SO4 2-的浓度的升高,水中3种主要阴离子浓度比较平均。根据舒卡列夫分类法得出:2008年7月(制冷期)监测点位的地下水水化学类型全部为HCO3-Ca·Mg,至2012年8月(制冷期),以HCO·SO 4·Cl-Ca·Mg为主,占比 42.86%,HCO₃·SO ₄-Ca·Mg次之,占比28.57%;而 2008年12月(供暖期)水化学类型为HCO₃-Ca·Mg 和HCO₃-Ca两种,分别占比57.14%和42.86%,至 2012年12月(供暖期),HCO₃Cl-Ca·Mg型占主导,HCO₃SO ₄-Ca·Mg和HCO ₃SO ₄·Cl-Ca·Mg均出现零星分布。

考虑到数据的连续性,选取靠近降落漏斗中心处的DW1水源热泵点作为代表,分别从2008年-2012年的制冷期和供暖期进行主要离子浓度逐渐变化的水化学分析,如图8所示。制冷期分析结果显示(见图8(a)):阳离子中,Mg^{2 +}的总浓度变化不大,而K⁺+Na ⁺呈逐年递增的趋势,Ca ²⁺在2009年浓度最低,但整体毫克当量维持在7.5 meq/L左右,占据主导作用;阴离子中,高浓度的HCO3-相对变化不大,在水化学类型中起决定作用,Cl^-和SO₄ ^2-呈逐年增大的趋势,最大值均超过了3 meq/L,这导致水化学类型从HCO₃-Ca·Mg向HCO ₃·Cl·(SO ₄)-Ca·Mg 转变。

供暖期分析结果显示(见图8(b)):3种阳离子(Ca2 +、Mg ²⁺和K ⁺+Na ⁺)的浓度变化不大,均维持在2008年的含量,其中Ca^{2 +}的含量最高,Mg ²⁺次之;阴离子中Cl-从2008年到2009年供暖期含量呈明显的下降趋势,随后逐年依次增加,推测受人为扰动较大,而SO42 -在2008年的含量最高,随后呈先减后增的趋势,但2012年的浓度仍没有高于2008年, HCO3-在所有阴离子中含量最高,但浓度基本不变, 受地热供暖影响很小,因此供暖期水化学类型基本不变,为HCO₃-Ca·Mg型。

采用Gibbs图分别对制冷期和供暖期的水源热泵点水样进行成因分析,如图9所示。该图将主要成因机制分为3类:蒸发浓缩、岩石风化和大气沉降。研究区内地下水TDS浓度范围在制冷期和供暖期分别为 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⁺)的比值处于0.1 1~0.24之间,ρ(Cl-)/ρ(Cl ^-+HCO₃ ^-) 的比值为0.1 1~0.41。从图中可以看出,大部分点位处于图中左侧中心位置,说明水化学成分主要受岩石风化作用影响,地下水中的主要离子大部分来源于浅层土壤及渗流途径下产生的溶滤作用。值得注意的是,随着年数的增加,制冷期中部分水源热泵点在向蒸发浓缩作用的方向靠近,这主要是因为水源热泵的开发利用,导致浅层地下水在夏季炎热时蒸发作用更为剧烈,从而Cl-含量增多,比值高达0.41。从图中可以看出大气沉降作用对研究区水化学组分成因没有影响。

通过分析水中主要离子的关系比值来确定其受水岩相互作用下来源方式,如图10所示。前文分析得出随着时间的增加,地下水中Cl^-和SO₄^2-含量在不断增加,因此采用γ(Cl^-+SO₄^2-)/γ(HCO₃^-)的比值来确定这3种阴离子的来源。从图10(a)可以看出,供暖期大部分点位处于γ(Cl^-+SO₄^2-)/ γ(HCO₃^-)=1∶1比值线的下方,占比85.7 1%,这说明HCO3-主要来源于碳酸盐岩的溶解,而制冷期在 2012年的所有水泵点的水样均处于γ(Cl^-+SO₄^2-)/γ(HCO₃^-)=1∶1比值线上方,导致线上点位占比42.85%,说明随着水源热泵项目持续进行,地下水蒸发作用强烈,Cl^-+SO₄^2-含量不断增大。研究区大部分地下水类型为HCO₃-Ca·Mg型,采用γ(Ca²⁺+Mg ²⁺)/γ(HCO₃ ^-)的比值来确定Ca ²⁺和 Mg²⁺的来源,从图10(b)中可以看出,制冷期和供暖期的所有水源热泵点均处于γ(Ca^{2 +}+Mg²⁺)/ γ(HCO₃^-)=1∶1比值线的上方,说明所有水样中的Ca^{2 +}和Mg ²⁺都来自于碳酸盐岩的溶解。

3 结论

本文以安阳市区的地下水数据为基础,从地下水动力场、地下水温度场和地下水化学场三方面研究了水源热泵系统对浅层地下水环境的影响,为水源热泵系统的推广应用提供参考和建议,结论如下:

(1)研究区代表点位2009年-2014年地下水埋深减小、水位升高且2008年-2012年制冷期和供暖期的水位升高,地下水降落漏斗范围缩小,研究区水源热泵项目开发对当地地下水动力场还没有影响。说明水源热泵系统采用采灌结合的方式,合理设置空调井抽回灌井比例及间距,严格控制地下水开采量,可减少水源热泵项目开发对当地地下水动力场的影响。

(2)研究区地下水温度场处于相对稳定的状态, 水源热泵系统回灌水的温差对研究区局部地下水温度有影响,但对地下水温度场整体未造成影响。说明实时监控地下水温度的变化,控制采灌井水的温度差,可减少水源热泵项目开发对当地地下水温度场的影响。

(3)水源热泵系统导致研究区地下水蒸发作用强烈,Cl-和SO₄ ^2-含量不断增大,使得制冷期地下水水化学类型由HCO₃-Ca·Mg转变为以HCO₃Cl-(SO₄) Ca·Mg为主,HCO₃·SO₄-Ca·Mg次之;而供暖期影响较小,由HCO₃-Ca·Mg和HCO₃-Ca两种转变为以HCO₃Cl-Ca·Mg型占主导的水化学类型。说明水源热泵系统应配备相关数据监测手段加强持续观测,开采量应根据气候和降雨量进行适当调整,避免冷热堆积及过度开采对地下水化学场的影响。