某地下水源热泵诱发地下水水质变异成因分析

徐红霞，黄 驰(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥 20000； 2.安徽新富地能源科技有限公司， 安徽 合肥 20000；.中建三局第二建设工程有限责任公司， 湖北 武汉 40000)

某地下水源热泵诱发地下水水质变异成因分析

徐红霞1，2，黄 驰3
(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥 230000； 2.安徽新富地能源科技有限公司， 安徽 合肥 230000；3.中建三局第二建设工程有限责任公司， 湖北 武汉 430000)

为了研究地下水源热泵的“抽—回”系统运行过程中对地下水水质的变化，选择池州某地下水源热泵工程为研究对象，在收集各项目所在地段的水文气象、地质、水文地质和水质资料的基础上，进行水质水化学类型分析以及相关性分析。并根据区域水文地质条件受热泵系统影响机制，进行水质变异成因分析。研究结果表明：水源热泵系统的运行改变了工程所在地段的地下水化学类型；水质变异成因中常规的动力场、温度场和化学场因素影响可恢复，地质结构因素影响不可恢复。

地下水源热泵；水质分析；水化学类型

能源与环境问题已成为全球各国发展中的两大重要突出问题[1]。中国既是世界上的能源消耗大国，又是世界上的污染排放大国，面临着巨大的能源压力。在中国的能源消耗中，建筑耗能占很大比重。随着科技的发展，水源热泵系统在暖通领域应用的优势日益凸显。浅层地温能资源是作为一种新型的、可再生的、清洁环保的能源，具有广阔的开发利用前景。

地下水源热泵系统的热源和热汇是地下水，地下水具有流速慢、水温变幅小的特点。热泵系统根据含水层的这些特点利用管井回灌的方法进行能量交换，是效率较高、成本较低的一种地温能利用形式[2]。在此过程中，“抽—回”系统可能从以下三个方面对含水层中地下水水质产生影响：

(1) 地下水温度的变化，将导致地下水天然状态下的物理化学平衡状态的变化；

(2) “抽—回”过程中，地下水与空气有一定程度的接触，水中含氧量等将发生改变；

(3) 如果涉及水质存在一定差异的不同含水层组，“抽—回”将不同含水层组中地下水进行混合、回灌。

上述影响，将对地下水源热泵的建设与运行构成约束；其影响的发展过程、程度及范围，与地下水源热泵运行条件下地下水动力场、化学场、温度场分布特征密切相关。

本文选择某大厦地下水源热泵工程，开展热泵系统运行对水资源影响程度的调查和监测；对调查结果进行归纳分析，总结水质变异规律；并结合工程所在地段的水文地质条件，针对水质变异成因进行分析。从而为“抽—回”系统合理确定奠定基础，也为区域地下水热能开发利用规划提供技术支撑。因此，开展本项目研究具有重要的理论意义。

1 工程概况

本工程水源热泵系统的抽水井、回灌井在大厦建设场地范围内，空调系统所覆盖的建筑物面积约37 121 m2(见图1)，热、冷负荷总量分别为2 152 kW、1 974 kW，设计有2台机组。夏季由水源热泵系统提供7℃～12℃的空调冷冻水，冬季提供45℃～50℃的空调热水。在经济合理条件下，并考虑当地的水源条件，夏季制冷时,若利用一台单冷机承担部分负荷，系统设计最大需水量为181 m3/h。

图1 工程井群平面布置图

开采井和回灌井都位于大厦建筑场地规划范围内，碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组为抽水目的层，含水岩组埋深90 m～150 m；实行同层回灌。总体设计抽水井5口(4用1备)、回灌井8口，总井数13口。系统已于2013年3月建成。

工程所在区域地层区划属扬子地层区下扬子层分区和江南地层分区，出露有古生代志留纪—新生代第四纪地层[3-4]。自新至老分述：

(1) 第四系松散岩类孔隙含水岩组。以冲击为主，其次为湖相堆积物，厚20 m～50 m，最大厚度35 m左右。

(2) 第三系大通群Ed碎屑岩类隔水岩组。该隔水层组结构致密，厚度高达1000 m，虽裂隙较发育，但多被黏土充填。

(3) 三迭系裂隙岩溶含水岩组。该层由中统东马鞍山组(Td)裂隙岩溶含水层、下统南陵湖组(Tn)裂隙岩溶含水层、下统和龙山组(Th)裂隙岩溶含水层和下统殷坑组(T1y)裂隙岩溶含水层组成。

其中中统东马鞍山组(Td)裂隙岩溶含水层组主要由浅灰、红褐色微晶藻屑含灰质白云岩、藻纹层微晶含膏假晶灰质白云岩构成。含石膏层。厚度>317 m。

2 水质分析结果

自2014年11月开始，每个运行工况对工程所在地段进行连续水质取样工作，本节引用数据中，部分已在另一文章中引用，具体参见文献[4]，本文在此基础上延续了水质检测数据并增加了水质分析方法，使数据更完整、研究更深入。

2.1 水质数据分析

水源热泵系统运行工况及取样时间见表1，水质数据见表2。

表1 池州工程所在地段水源热泵工程运行工况表

表2 池州工程所在地段水质数据统计表

2.2 水化学类型分析

利用Piper三线图解法[7-8]对该工程所在地段水化学类型进行分析，用RockWare AqQA软件绘制Piper三线图，结果见图2。

由图2可知，2014年11月的样品分析表明，该项目所在地段水化学类型为HCO3-Ca类型，与区域水文地质条件相符；2015年1月、3月和7月的样品分析表明，随着水源热泵系统的运行，该区地下水化学类型变化为SO4-Ca类型，这可能是由于中统东马鞍山组(Td)裂隙岩溶含水层中含有石膏层所致。2015年10月的样品分析表明，该区地下水化学类型变化为HCO3-Ca类型，恢复到系统运行之初。

2.3 水质相关性分析

为了更好的分析水质变异成因，根据离子间相互反应的物理化学关系，选取部分离子利用皮尔逊相关系数法[9-10]进行相关性分析，分析结果见表3。

图2 池州区域水化学类型变化图

3 水质变异成因分析结果

工程所在地段地下水水化学类型为HCO3-Ca类型，系统运行后地下水化学类型变化为SO4-Ca类型。水化学类型的变化主要与地层中岩石的岩份及地下水运动有关，地层中岩石的岩份及地下水通过一系列物理、化学变化进行着化学成分的交换，从而影响地下水水化学类型。

工程所在地段水质呈弱碱性，由地层结构可知，第五层目标含水层组为碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组，并含有石膏层。地层中可能发生溶虑作用，具体的化学反应主要包括以下几种：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

因为石膏的溶解不是全部溶解，故它在水中存在着一个溶解平衡[13]，如下式：

(6)

4 结 论

(1) 水源热泵系统的运行导致研究区地下水水化学类型由HCO3-Ca类型转变为SO4-Ca类型，机组停止运行后水化学类型又恢复到HCO3-Ca类型，表明水源热泵系统长期运行之后趋于稳定，停机后不改变项目所在地段水化学类型。

[1] 刘慧媛,杨忠直.资源消耗与经济增长[J].投资研究,2012,8(31):69-70.

[2] 刘 瀚,陈安国,周吉光,等.浅层地温能开发利用的环境效应[J].中国国土资源经济,2013,26(8):36-39.

[3] 韦 婷.地下水源热泵水质性约束研究[D].合肥：合肥工业大学,2015:27-29.

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[5] 郭 华,陈 勇,李高民,等.冯家山水库水质变化及其成因分析[J].水利与建筑工程学报,2011,9(5):31-35.

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[8] 田 冲,张 戈,赵世涌.模糊数学在地下水水质评价中的应用——以盘锦曙光地区为例[J].地下水,2013,35(6):20-23.

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[12] 董悦安.温度变化对地下水中微生物影响的研究[J].勘察科学技术,2008(2):15-18.

[13] 胡彬锋,何 鹏,徐 娇,等.青居水电站地层中石膏质溶蚀的化学效应[J].人民珠江,2013(2):58-59.

Groundwater Quality Variation Reasons Induced by Groundwater Heat Pumps

XU Hongxia1，2， HUANG Chi3

(1.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,Anhui230000,China;2.AnhuiXinfudiEnergyTechnologyCo.Ltd.,Hefei,Anhui230000,China;3.TheSecondConstructionCo.Ltd.ofChinaConstructionThirdEngineeringBureau,Wuhan,Hubei430000,China)

In order to analyze the impacts of groundwater heat pumps to groundwater quality, this paper choose a groundwater heat pump located in Chizhou city as an example. After collecting data from hydrology, weather, geology, hydrogeology and water quality, Correlation analysis and hydrochemical type analysis were conducted based on the hydrology, weather, geology, hydrogeology and water quality data. In addition, analysis on the reasons of water quality variance was carried out according to the impact mechanism of the regional hydrogeological conditions. We conclude that groundwater heat pumps could change the surrounding hydrochemical type, power field, temperature field and chemical field factors can be recoverable, while geological structure changes cannot be restored.

ground water heat pumps; water quality evaluation; hydrochemical type

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.031

2016-08-20

徐红霞(1987—)，女，河南沈丘人，硕士研究生，主要从事地下水资源评价与保护方面的研究。E-mail：xhongxia2009@163.com

X824

A

1672—1144(2016)06—0157—05