地下水源热泵回灌堵塞的研究现状与展望

亢 涵，王谋薇，藏春月，潘 俊

沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，沈阳 110168

地下水源热泵回灌堵塞的研究现状与展望

亢 涵，王谋薇，藏春月，潘 俊

沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，沈阳 110168

地下水源热泵回灌堵塞现象制约了地下水源热泵的可持续发展，因此需要根据其堵塞机理寻找解决方法。回灌堵塞按成因分为物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞三种类型。本文总结了这三种类型回灌堵塞的产生机理和解决方法的研究现状，根据目前研究中存在的问题，展望了回灌堵塞研究领域未来的发展趋势。

地下水源热泵；回灌堵塞；研究现状；未来展望

地下水源热泵系统的工作原理是将地表浅层地下水通过抽水井群抽出，经过热量释放（供暖）或者吸收热能（制冷），由回灌井群回灌入地下。地下水源热泵系统绿色环保，经济稳定，被广泛应用于室内供暖与制冷。截止到2011年，全国31各省（区、市）应用浅层地热能供暖制冷的建筑项目2236个，建筑面积超过1.3亿平方米。北京约2000万平方米的建筑利用浅层地温能供暖和制冷，沈阳市已超过4300万平方米。据估算，2010年浅层地温能的开发利用，使我国二氧化碳减排约2200万吨（中央政府门户网站，2011）。

但在地下水源热泵推广和实践的过程中，出现了回灌效率衰减现象，严重的甚至出现回灌堵塞，部分堵塞严重的回灌井会彻底报废，造成了资金和资源的双重浪费，这制约了地下水源热泵技术的可持续发展。本文总结了回灌堵塞的研究现状和解决方法，并展望了回灌堵塞的未来发展方向，为深入研究回灌堵塞的预测和防治提供参考实例与理论依据。

1 地下水源热泵回灌堵塞研究现状

1.1 物理堵塞的研究现状

物理堵塞是最常见的回灌堵塞类型。Pavelic et al（2007）对26个回灌井回灌情况做了调查，发现80%的回灌井都会发生堵塞，其中50%的堵塞是由于物理堵塞因素所引起的。对于物理堵塞的机理研究和防治技术已经相对成熟。大多数学者认为，物理堵塞是由回灌水中的悬浮颗粒导致的，因此对于悬浮颗粒堵塞的机理研究较多（McDowell-Boyer et al，1986；Pavelic et al，1998）。Katarzyna（2006）进行了室内的淋滤试验和室外的自然条件试验，研究了堵塞物质的结构和尺寸对堵塞速率的影响，结果表明：物理堵塞产生取决于颗粒物直径，颗粒越大，堵塞时间越长；且大颗粒物质聚集在表层，深层多为小颗粒物质。单蓓蓓等（2013）模拟人工回灌过程中含水层的物理堵塞过程，发现随着回灌液中悬浮物浓度的增大，悬浮物首先在含水介质的表层沉积。白冰等（2015）对天然硅粉悬浮颗粒在饱和的石英多孔介质中的渗透迁移特性进行圆柱穿透试验，结果表明：当渗透速度相同时，颗粒穿透过程中的浓度峰值一般随颗粒粒径的增大而减小；而随渗透速度的增大，水动力学作用对颗粒迁移的影响越来越大，此时颗粒粒径大小的影响则逐渐减小。Rehg et al（2005）研究发现，大颗粒物质会沉积在多孔介质表面，而小颗粒物质会继续向下入渗。

随着研究的不断深入，学者们通过建立数理公式或者数学模型，模拟物理堵塞发生发展过程以及预测物理堵塞的产生。潘俊等（2014b）进行室内回灌试验，测定了不同级配试样回灌渗透能力，结果表明级配分形维数D与不均匀系数的对数（lnCu）之间呈负相关，与渗透系数和孔隙度n则呈正相关。王子佳等（2012）研究了入渗介质与悬浮物粒径中值之比（D50/ d50）对堵塞层空间分布的影响，建立了过滤模型描述堵塞发展过程，并确定了孔隙堵塞系数和阻力增长系数，取得了较好的拟合效果。郑西来等（2013）应用COMSOL Multiphysics软件对含水介质物理堵塞过程进行数值模拟，预测了含水介质物理堵塞的发生和发展过程，结果表明含水介质渗透性初期下降后期稳定，悬浮物堵塞会导致介质的非均质性。赵军等（2013）建立了基于质量平衡方程来模拟多孔介质中颗粒的迁移方程和颗粒的沉积造成孔隙损伤的数学模型。黄修东等（2014）根据人工回灌物理堵塞特征试验推导出渗滤经验公式，试验发现，回灌水悬浮物颗粒进入砂样空隙中引起渗透性减弱，和逐渐沉积在砂柱顶部形成的淤泥层是造成堵塞的直接原因。

气体堵塞也是物理堵塞的一种。夏雄等（2012）通过室内曝气回灌试验发现，回灌水相对于天然地下水具有较多气相介质，其存在会堵塞土层渗透路径，造成渗透系数下降，使得地下水回灌困难增大。刘乐军等（2013）研究了水源热泵压力回灌中气相堵塞机理，结果表明压力回灌导致气象堵塞的产生，可通过回扬或者“加压 — 排气 — 加压”的回灌模式预防气体堵塞的产生。

1.2 化学堵塞的研究现状

地下水从地下抽提出来经过地源热泵系统后再回灌回地下，环境的变更使地下水内部的理化性质发生改变，如溶解氧增加、地下水组分改变、微生物种类增加等等，这些改变引发了一系列复杂的化学反应，导致了化学堵塞的产生。因此，化学堵塞的产生机理与影响因素成为学者们的研究重点。

Xu et al（2011）研究尾矿坝渗流场回灌时发现由于地下水中溶解某些重金属元素导致化学堵塞发生。李璐等（2010）通过沙槽渗透试验对地下水回灌进行模拟，结果表明经过砂槽渗透流出水的铁离子浓度大幅降低，由此认为是铁离子吸附沉淀形成了Fe(OH)2或Fe(OH)3沉淀，导致含水介质堵塞。郑磊等（2015）将西安与咸阳孔隙型热储尾水回灌堵塞进行对比，发现由于西安回灌井水体中铁含量高，其堵塞情况要比咸阳回灌井严重，因此认为回灌水中的铁离子是导致回灌堵塞的原因之一。

部分学者深入研究了重金属离子对回灌堵塞的影响及作用规律。潘俊等（2014a）研究了地下水中铁锰离子对地下水地源热泵回灌影响，认为铁离子浓度越高，堵塞发生时间越早，程度越严重。Bustos Medina et al（2013）观察含铁回灌水的回灌井时发现，氢氧化铁硬壳位于渗透介质表层，铁化合物和微生物絮体存在于回灌井的中下部。孙永福和徐永春（1980）研究了上海地区回灌井的铁细菌堵塞，发现铁细菌适宜生长温度为12℃左右，DO在1—2 mg ∙ L−1，pH在6.5—7.5。姜桂华等（1998）发现当pH值发生变化时，水体中的铁化合物可能形成Fe(OH)2或Fe(OH)3沉淀，这些沉淀凝聚成为胶体，显著降低含水介质的渗透能力。

除了重金属造成的氢氧化物沉淀，有研究发现另外一类造成化学堵塞的物质。毕二平（1998）用地球化学方法模拟了冰岛Laugaland低温热田回灌过程中发生的化学作用，结果表明石英不会产生沉淀，有少量方解石沉淀，镁硅酸盐沉淀大量生成。Pavelic et al（2006，2007）在澳大利亚南部地区开展了ASD现场试验，发现当含水层pH值较高时，会出现较强的沉淀作用从而导致化学堵塞的产生，这种情况可以通过溶解方解石来缓解。徐国芳等（2013）以咸阳一号回灌井为研究对象，对地压型出流体回灌的化学堵塞进行了研究，结果表明化学堵塞占总堵塞率的38.2%，主要结构矿物为方解石、天青石、硅类矿物及铁类矿物。

综上所述，目前造成化学堵塞的物质有两类，一种是Fe2+和Fe3+的氢氧化物胶体或沉淀，一种是方解石沉淀、结合有重金属离子的硅类矿物等。化学堵塞产生机理复杂，除了以上两类物质外，是否还有其他离子或其他因素导致化学堵塞产生，还需进一步深入研究。

1.3 生物堵塞的研究现状

在发生物理堵塞和化学堵塞的同时，经常伴生着生物堵塞。黄修东等（2009）研究物理堵塞的同时也进行细菌数目测定，认为悬浮物颗粒填充砂粒介质空隙引起的机械堵塞和微生物积聚、繁殖堵塞介质空隙引起的生物堵塞是砂柱堵塞的主要原因。张晓婉等（2014）通过试验研究了地下水人工回灌过程中微生物堵塞对含水介质渗透性的影响，结果表明微生物堵塞可直接导致含水介质渗透性的降低，砂柱上层微生物数量在试验初期出现峰值后迅速降低并保持稳定，而下层微生物数量始终维持在较低水平。有科学家研究认为，微生物生物体或代谢产物附着或堆积在介质颗粒上形成生物膜并导致生物堵塞，且认为细菌是生物堵塞产生的主要原因（Albrechtsen and Winding，1992；Chapelle，1992）。

为了对生物堵塞进行预测，部分学者将数学模型应用于生物堵塞的研究当中。Vigneswaran and Suazo（1987）采用数学模型建立起不同下渗率与生物堵塞程度的关系，可对生物堵塞进行预测。路莹等（2012）基于微生物生长模型与多孔介质渗透理论，耦合微生物生长量与介质渗透性变化的定量关系，建立了地下水回灌过程中沿入渗途径上微生物堵塞程度的预测模型。王宏宇（2013）根据微生物生长、营养物质降解、孔隙度-渗透系数关系等理论，针对渗流柱试验的水动力条件和定解条件，建立了一维定流量回灌过程中含水介质生物堵塞的数学模型。

研究生物堵塞的方法一般采用光学电镜或者扫描电镜观察，或者视频录像（Blascheke et al，2003），这些方法得到的结果比较宏观。为了更深入地研究造成生物堵塞的微生物特征，部分学者利用分子生物学方法进行考察。夏璐等（2014）采用PCR和DGGE技术研究砂柱微生物堵塞过程及机理，研究结果表明：生物堵塞程度随着渗流距离的增加而减缓，含水介质的渗透性呈现明显的非均质性；并获得造成含水介质微生物堵塞的优势菌群。苏小四等（2015）应用DGGE技术对场地回灌过程中地下水中的微生物群落结构变化进行研究，结果表明：同一位置处微生物群落结构与原始地下水状态的相似性随时间降低；同一时刻距离回灌井越远的监测井的微生物群落结构越接近于原始地下水状态。

2 地下水源热泵回灌堵塞的解决方法

发生回灌堵塞时，多孔介质表层会形成一层固体物质，阻碍回灌水的入渗。在实际应用当中，回扬和洗井是最常用也是最直接的缓解回灌堵塞的方法。其中包括气举循环工艺洗井、酸化洗井、对置泵管等处理方法（李任年，2015）。

回扬的处理方法，是将原抽水井变成回灌井，原回灌井变成抽水井，让水流反向运动，对多孔介质内部进行反冲洗，使附着于多孔介质表面的堵塞物脱落，恢复多孔介质的渗透性能。但回扬产生的压力会使含水层内部压力发生变化，导致含水层内部颗粒物重组，改变多孔介质的原生结构，所以在回扬时，回扬压力不应过大。

洗井的处理方法包括气流法、射水法、化学喷射法等等。洗井应满足下列要求：洗井方法应根据含水层特性、管井结构及管井强度等因素选用，并宜采用两种或两种以上洗井方法联合进行。洗井效果的检查宜符合下列规定：（1）出水量应接近设计要求，或连续两次单位出水量之差小于10%；（2）水的含砂量应符合设计要求。洗井方法能有效地解决回灌堵塞问题，但是费用较高，部分回灌井由于频繁堵塞，需要多次洗井，增加了运营成本。

除了以上两种方法外，还可根据不同堵塞类型选择相应的处理方法，具体处理方法如表1所示。

表1 不同类型回灌堵塞处理方法Tab.1 Treatment method of different types clogging

3 地下水源热泵回灌堵塞研究的未来展望

目前，物理和化学回灌堵塞机理研究较多，成果显著，而对于生物堵塞的研究内容尚不深入，少有微观层面研究，因此回灌堵塞的研究内容可以向生物堵塞的产生机制方面拓展。考察生物堵塞的产生机制可以考虑采用分子生物学研究方法。分子生物学方法的使用，可以从微观角度了解微生物种群结构特征以及动态变化特征，还可以获得主导微生物的基因序列信息，深入了解导致生物堵塞的微生物种类。这些实验结果对未来进行生物堵塞的预测和防治措施的研发具有重要的指导意义。此外，为了更深入更全面的了解生物堵塞的成因，需要利用更多的微观层面研究方法，这需要科学研究者们继续开发和实践。

回灌堵塞是一种复合作用的表现，单一因素的研究缺乏全面性。后续的研究可以考虑进行物理-化学堵塞、物理-生物堵塞、化学-生物堵塞的双因素复合作用规律的研究，或者开展更全面的物理-化学-生物堵塞的三因素复合作用规律的研究。同时可以借助数学模型构建三因素复合作用模型，对回灌堵塞的发生发展进行预测。

研究回灌堵塞机理的最终目的还是找到解决堵塞的方法，并抑制或者消除回灌堵塞的产生。目前常用的物理方法可以快速解决回灌堵塞，但是无法根除回灌堵塞的发生；采用化学方法有可能导致地下水污染，广适性较差。Eroglu et al（2012）利用溶解碳酸钙的细菌来解决滴管系统的堵塞状况，在解决回灌堵塞问题上，也可以借鉴该研究思路，利用微生物在自然界中的生态服务作用，采用无环境威胁的微生物对堵塞物质进行溶解消化，抑制或者延缓堵塞物质的产生。研发和利用微生物解决回灌堵塞问题是未来研究的一个新方向。

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Research status and prospect of recharge clogging of groundwater heat pump

KANG Han, WANG Mouwei, ZANG Chunyue, PAN Jun
School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China

Background, aim, and scope Groundwater heat pump system is widely used in indoor heating and refrigeration. Because this system is green, economic and stability. But the recharging efficiency decreased in the practice of groundwater heat pump system. Even a serious recharge clogging appeared. Partial clogging serious recharge wells will be completely scrapped. This situation wasted money and resources, which restricted the sustainable development of underground source heat pump system. Materials and methods In this paper, the current research status and solution methods of recharge clogging were summarized. And the future development direction of recharge clogging was prospected. Results Recharge clogging had three types: physical, chemical and biological. Physical clogging included suspended solids clogging and gas clogging. Suspended solids clogging was most common. Suspended particle size affected clogging location and its distribution in porous media. Mathematical model was used to study the mechanism and forecast of physical clogging. Heavy metal ions caused chemical clogging. Ferric hydroxide precipitation was common. And the precipitation of calcite and silicon compounds could cause chemical clogging too. Biological clogging accompanied by physical and chemical clogging. Metabolites produced by microorganisms caused biological clogging. Mathematical modeling based on microbial growth model could forecast biological clogging. Using molecular biology methods could study the clogging mechanism deeply. At present, the main method to solve clogging was backwashing and washing well. Other method are acidification treatment and sterilization, etc.. Discussion Recharge clogging was a comprehensive performance of variety clogging types. At present, the research results of physical clogging and chemical clogging mechanism were relatively mature. But the study of biological clogging mechanism was less or not deeply. The solve methods of physical clogging and chemical clogging were more mature, but the solve methods of biological clogging were less. Conclusions Groundwater heat pump clogging had three types. And so far there was no perfect solution to eliminate clogging. But according to the clogging situation, the researchers provided a rapid way to eliminate recharge clogging, such as backwashing, washing wells, etc.. Recommendations and perspectives Further study can focus on the rule of multi factors on recharge clogging, and the model establishes for the study of the mechanism of clogging. Biological clogging mechanism is studied using metagenomic research methods. Research and utilization of microbial solution recharge clogging problem is a new research direction in the future.

groundwater heat pump; recharge clogging; research status; future prospects

National Natural Science Foundation of China (41271512, 41603125); Ministry of Science and Technology of China (2015FY110800); Open Fund of State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology (SKLLQG1304)

ZHOU Weijian, E-mail: weijian@loess.llqg.ac.cn

2016-11-15；录用日期：2017-02-14

Received Date: 2016-11-15; Accepted Date: 2017-02-14

国家自然科学基金项目（41271512，41603125）；科技部科技基础性工作专项（2015FY110800）；黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金（SKLLQG1304）

周卫健，E-mail: weijian@loess.llqg.ac.cn

陈 宁, 周卫健, 侯小琳, 等. 2017. 西安地区2008年降雨129I水平与特征分析[J]. 地球环境学报, 8(4): 327 – 339.

: Chen N, Zhou W J, Hou X L, et al. 2017. Level and characteristic of129I of rain samples in Xi’an region, China [J]. Journal of Earth Environment, 8(4): 327 – 339.