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

摘要：为了研究地下水源热泵的“抽—回”系统运行过程中地下水水质的变化，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。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。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。

关键词：地下水源热泵；水质分析；水化学类型；变异

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）08-0004-05

当前，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。中国既是世界上的能源消耗大国，又是污染排放大国，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，热泵系统利用含水层进行储能，结合地下岩层的空隙、裂隙和溶洞等储水结构，并根据地下含水层中水流速度较慢以及水温变化小的特点，利用管井回灌的方法将冷水或热水回灌入含水层，灌入的冷水或热水因自身具有的压力而储存在井周围含水层里。它是地源热泵系统中效率较高、成本较低的一种热泵形式[1]。当所利用的含水层属地下水资源开发利用层时，地下水源热泵一般采取“地下水抽采—能量交换—回灌”的循环过程，以达到在尽量减少工程运行对地下水资源数量与质量影响的前提下，合理利用地下水体中所赋存的热能。

含水层中地下水水质受地下水源热泵的“抽—回”系统运行影响，主要表现在以下3个方面：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，从而影响地下水水质；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，这对地下水水质也将构成一定影响；3） “抽—回”过程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，这对地下水水质可能形成影响。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。

开展地下水源热泵系统的水质变异成因分析，是“抽—回”系统合理确定的基础，也可为区域地下水热能开发利用规划提供技术支撑。本课题选择池州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与监测，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。

1 工程概况

该工程水源热泵系统的抽水井、回灌井在红森国际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（如图1所示），设计有2台机组，热负荷总量为2 152 kW，冷负荷总量为1 974 kW。夏季由水源热泵系统提供7/12 ℃的空调冷冻水，冬季提供50/45 ℃的空调热水。根据当地的水源条件，并在经济合理条件下平衡系统冷、热负荷差，在夏季制冷时利用1台单冷机承担部分负荷的条件下，系统设计最大需水量为181 m3/h。

水源热泵工程的水源工程（与地下水流场有关的部分）主要包括开采井和回灌井，开采井和回灌井都位于池州市红森国际大厦建筑场地规划范围内。抽水目的层为碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组，含水岩组埋深90～150 m，实行同层回灌。

依据区域水文地质条件和相关技术规范，确定开采井与回灌井各自的数量。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。

2 区域地质与水文地质

该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[2]。区内岩层除侏罗系地层外均有出露，现自新至老分述。

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20～50 m，最大厚度35 m左右。①第四系全新统（AlQ4）孔隙含水层。该含水层组上部主要由灰黄色和褐灰色的粘土及粉质粘土组成，厚度约15～20 m，其中有冲积形成的厚度约5～6 m的少量黑灰色湖积淤泥层；下部主要由细、中粗粒砂砾形成，厚度约3～8 m，其砾石成分以灰岩及石英粉砂岩为主，并含有少量的火成岩及石英岩，粒径一般为1～3 cm，少量达10 cm以上。地下水赋存其中，水位埋深50～300 mm，少数达600 mm以上，单位涌水量0.139～1.457 L/（s·m），富水性中等，地下水化学类型主要为HCO3-Ca型，矿化度小于1.00 g/L，水温17～20 ℃。该层主要接受大气降水补给，径流条件良好，微承压、潜水型多下渗补给其下伏含水岩层。②第四系上更新统（AlQ3）孔隙含水层。该含水层组由冲积形成，上部主要由灰黄、黄褐色和棕黄色粉质粘土及粘土构成，且含有核径约0.2～0.5 cm的铁锰质结核；下部主要由石英砂岩砾石构成。该层主要接受大气降水补给，径流条件差，富水性较弱，水化学类型主要为HCO3-Ca型。

2） 第三系大通群Ed碎屑岩类隔水岩组。该隔水层组主要由灰紫色、棕褐色的砾岩和砂砾岩构成，结构致密，厚度高达1 000 m，虽裂隙较发育，但多被粘土充填，因而为相对隔水岩组。

3） 三迭系裂隙岩溶含水岩组。①中统东马鞍山组（Td）裂隙岩溶含水层。该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，顶部膏溶角砾岩构成，含石膏层，厚度大于317 m。②下统南陵湖组（Tn）裂隙岩溶含水层。该含水层组主要由深灰、青灰、灰红等色的白云岩及白云质灰岩构成，厚度约600 m，顶部夹有少量的紫红色瘤状灰岩，呈薄至中厚层状。岩石结构致密，较完整坚硬。地表露头溶沟、溶槽、石芽、溶洞及溶蚀漏斗极为发育，溶隙充填有红色铁质物及粘土。该层组主要接受大气降水和其他含水层补给，径流条件良好，地下水主要以管道流形式向其他含水层渗透，部分以泉的形式补给地表水体，富水性中等偏强，单井最大出水量可达2 000 m3/d，单位涌水量为0.470～4.329 L/（s·m），水温17～20 ℃，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型，矿化度0.26～0.31 g/L。③下统和龙山组（Th）裂隙岩溶含水层。该含水层组厚度约143～235 m，上部主要由青灰色、浅灰色的条带状灰岩夹钙质页岩构成；下部主要由黄绿色的钙质页岩夹条带状灰岩构成。地表仅见石芽、溶沟等，裂隙较发育，局部见溶隙。该层组主要接受大气降水和其他含水层补给，富水性較差，径流条件一般，排泄方式主要为侧向迳流排泄。④下统殷坑组（Tly）裂隙岩溶含水层。该层组厚度约58～83 m，上部主要由深灰色的薄至中厚层灰岩构成；下部主要由黄绿、灰绿色钙质页岩构成。裂隙、溶隙及溶洞均较发育，洞径约0.8～2.5 m。该层组地下水赋存在溶隙及溶洞之中，主要接受大气降水及其他含水岩层（组）补给，富水性一般，径流条件较好，排泄方式主要为侧向排泄。

3 水质分析

3.1 水质数据分析

取样时间及水源热泵运行工况见表1，水质数据见表2。

由表2可知：SO42-、硝酸盐、溶解性总固体含量随着水源热泵系统的运行有所增加，随着系统的停止有所减少；而HCO3-，Ca2+，F-含量则随着系统的运行有所减少。

3.2 水化学类型分析

利用Piper三线图解法[3-4]对该工程所在地段水化学类型进行分析（如图2所示）。

由图2可见：2014年11月的样品分析表明，该工程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。

3.3 水质相关性分析

为了更好地分析水质变异成因，选取部分离子进行相关性分析[5-6]，结果见表3。

由表3可知：Ca2+，Mg2+，HCO3-离子和溶解性总固体的相关性较高；NH4+和硝酸盐的相关性较高。

4 水质变异成因分析

选取Ca2+，HCO3-，NO3-，NH4+、溶解性总固体和SO42-进行分析，探究这些离子浓度的变化成因。

1） Ca2+，HCO3-、溶解性总固体。由相关性分析可知，Ca2+与Mg2+离子高度相关，与HCO3-离子中度相关；HCO3-离子与溶解性总固体、pH和Mg2+离子高度相关，与Ca2+离子中度相关。说明这些离子的变化与它们之间的相互作用有很大的关系。

该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分及地下水运动有关，通过一系列物理、化学变化进行着水—岩化学成分的交换，从而对地下水水化学类型产生重要影响。

该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，该区中统东马鞍山组（Td）含水层组主要有浅灰、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，顶部膏溶角砾岩，并含有石膏层。地层中发生溶滤作用的可能化学反应主要包括以下几种：

CaCO3+H2O+CO2Ca2++2HCO3- （1）

CaMg（CO3）2+2H2O+2CO2Ca2++Mg2++4HCO3- （2）

CaSO4·2H2OCa2+SO42- （3）

在天然条件下，地下水接受大气降水及河流侧向补给，主要发生式（1）、式（2）反应，导致地下水水化学类型以HCO3-Ca类型为主。随着地下水源热泵系统的运行，改变了地下水水动力场，石膏发生溶滤，即发生式（3）反应，大量出现SO42-离子，同时，发生同离子效应，影响着式（1）、式（2）反应，使得HCO3-离子浓度降低。在此过程中，阳离子的交替吸附作用，使得地下水中Ca2+，Mg2+，Na+等离子含量发生变化。

2） NO3-，NH4+。在供暖期“三氮”质量浓度变化具有较强的规律性：NO3--N质量浓度不断升高，而NO2--N和NH4+-N的质量浓度则不断降低。这些离子变化是温度场和化学场的变化导致的。

与制冷期相比，制暖期NO3-和NH4+离子浓度变化幅度较大，可以得出温度对这两种离子浓度的影响较大。热泵系统的运行破坏了地下水中的还原环境，发生的化学反应有：

NH4++1.5O2=NO2-+2H++H2O （4）

NO2-+0.5O2=NO3- （5）

NO2--N和NH4+-N在硝化菌的参与下被氧气硝化为NO3--N，且硝化细菌的最适宜温度为30～35 ℃，研究区制暖期水温在32 ℃左右，较适宜硝化细菌的生长繁殖[7]，故导致“三氮”质量浓度的上述变化规律。

3） SO42-。SO42-离子与其他离子的相关性均不高，说明SO42-离子的变化主要与地层中的岩性有关。石膏是单斜晶系矿物，其主要化学成分为CaSO4的水合物。由于水源热泵系统的运行，引发含水层水压和渗流途径的改变，导致地下水中SO42-的大量出现。石膏为弱电解质，它在稀溶液中溶解过程中，影响其溶解度的因素有同离子效应、盐效应、酸效应和配位效应。在研究区，影响SO42-浓度的因素主要有盐效应。

因为石膏是中溶盐，它在水中的溶解不是全部溶解，因此，它的溶解存在着一个溶解平衡[8]，如下式：

CaSO4（s）?CaSO4（aq）?Ca2+SO42-（aq） （6）

式中：“?”为平衡移动符号。溶解处于平衡后，离子的浓度制约着平衡的移动。在水质分析中发现，研究区地层的地下水中主要离子除了Ca2+和SO42-外，还有Na+，Mg2+，HCO3-，Cl-等离子。由于这些离子的存在，使得溶液中的离子强度增大，离子间彼此牵制效应增强，导致石膏解离的阴、阳离子结合形成分子的几率减小，继而形成石膏分子的几率减小，离子浓度相应增大，溶解度增大。且溶解达到平衡后，HCO3-与Ca2+结合，同样促使该溶解平衡朝着正向进行，SO42-浓度增大。

5 结论

1） 利用RockWare AqQA软件绘制 Piper-三线图，进行工程所在地段水化学类型分析，可知：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復到HCO3-Ca类型。表明水源热泵系统长期运行之后趋于稳定，停机后不改变工程所在地段水化学类型。

2） 利用皮尔逊相关系数法对部分离子进行相关性分析，结果表明：Ca2+，Mg2+，HCO3-离子和溶解性总固体的相关性较高；NH4+和硝酸盐的相关性较高。说明这些离子浓度的变化具有较大的相关性。

3） 分別对热泵运行导致地下水动力场、温度场和化学场的变化机制进行分析，结合水质分析成果，对研究区水质变异成因进行合理解释。分析结果表明：该工程所在地段水质变异是由于热泵运行改变了地下水物理化学环境导致的；温度通过影响物理化学反应的条件间接影响地下水水质；上述影响在一定条件下是可恢复的，一般随着系统的停止，影响也会逐渐消除。除了上述影响，地下水源热泵系统运行诱发地下水水质变异还与工程所在地的地层岩性有关。就池州而言，地层中石膏的存在导致地下水中SO42-离子大幅度增加，这种影响具有地域性，系统停止后，水质会略有恢复，但恢复不到系统运行前的水平。因此，在地下水源热泵系统设计之初要根据区域水文地质条件进行水质评价，以降低热泵系统建设对地下水水质造成污染的几率。

参考文献

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[8] 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.

Abstract： In order to study the change of groundwater quality in the process of operation of the pumping-recharge system of water source heat pump， underground water heat pump engineering in Chizhou was chosen as the research project. Water quality and hydrochemical type was analyzed， as well as correlation analysis， on the basis of collecting hydrometeorological， geological， hydrogeological information and water quality data in every project district. According to the impact mechanism of the regional hydrogeological conditions， the analysis of the cause of water quality variance was carried out. The results showed that： The underground water hydrochemical type was changed by the operation of water source heat pump system； Water quality variation can be recovered when it is caused by conventional power field， temperature field and chemical field factors， while when it is caused by geological structure it can not be restored.

Key words： underground water source heat pump； water quality analysis； hydrochemical type； variation