淺層地溫能開發對環境地質可能產生的影響淺析

原年福　李佳洋　隨春明

內蒙古自治區地質調查院　呼和浩特　010020

淺層地溫能開發對環境地質可能產生的影響淺析

原年福李佳洋隨春明

內蒙古自治區地質調查院呼和浩特010020

淺層地溫能是一種可再生的新型環保能源，利用前景廣闊。隨著近些年國家對環境保護工作的加大投入以及對淺層地溫能研究的逐步深入，這種清潔能源已在現代城市生活中得到了廣泛的應用。但對于開發利用過程中出現的各種環境地質問題，還需在將來的工作中予以重視，應避免引起次生環境問題。

淺層地溫能環境地質影響

淺層地溫能是賦存在地球表層巖土體中的低溫地熱資源，是一種新型的優質清潔能源，具有可再生、分布廣、儲量大、清潔環保、經濟實惠、安全性強和可用性強等特點。淺層地溫能開發工程技術，按冷熱源工程分類可分為土壤源熱泵系統和地下水源熱泵系統。其中，土壤源熱泵系統是在淺層地層中設置人工管道，通過循環水在管道中的運行來實現同地層的冷熱源轉換；地下水源熱泵系統即是利用井孔開采地下水，冬灌夏用，夏灌冬用，實現同地層冷、熱源交換和反季節儲能。在相同的地質、水文地質條件下，開發利用技術的不同，就導致在淺層地溫能開發利用過程中出現的問題也不盡相同。

一、地下水地源熱泵工程開發利用對地質環境的影響

1.對地下水水位的影響

地下水地源熱泵系統在采、灌過程中，如果采、灌基本平衡，則不會對區域地下水動力場產生明顯的影響；若采灌不平衡或為異層采灌，則對局部地下水動力場有一定的影響，其影響強度取決于消耗的地下水量。

地下水地源熱泵系統在運行過程中，會在區域地下水下降漏斗的基礎上，以開采井為中心，再產生一個小范圍的地下水位下降漏斗，產生下降漏斗的范圍取決于地下水的開采強度和地層條件。在不考慮開采條件下越流量和擠壓釋水量的影響時，可按理想狀態下承壓水泰斯井流條件來定量計算分析地下水地源熱泵系統開發利用對地下水動力場的影響。

一般采、灌運行時，雖然抽水井周圍會形成一個局部的小型水位降落漏斗，但由于回灌水的注入會逐漸填平開采所形成的這個降落漏斗，彌補部分水頭損失，對含水層地下水水位有一定的抬升作用。抽水井在不同時刻所引起的水位降深，與回灌井的水位上升進行了疊加，使得含水層的水位降幅有所減小，抽水引起的區域水位降落漏斗并不十分明顯。

在對井采、灌條件下，地下水位下降漏斗影響范圍會明顯的小于同等條件下只抽水時的影響半徑。因此，地下水地源熱泵運行過程中，含水層回灌能力的大小對地下水位的影響起主要作用，進而影響到環境問題的發生。

從理論和實際抽、灌運行經驗與效果來看，這種抽、灌結合的對井或多采多灌的開采方式效果也較好，因為一方面抽水降低了抽水井周圍含水層的動水壓力，另一方面回灌抬高了注水井井口壓力而增大了回灌井周圍含水層的動水壓力，使得抽、灌井間水力坡度加大，回灌也更易于進行。

2.對水質的影響

水源熱泵系統地下水采灌對水質的影響方式主要有混合作用、氧化還原作用、溶解/沉淀作用。

（1）混合作用：水源熱泵運行過程中，不同水質間的混合作用是對地下水質影響最大。同一工程場地不同含水組間存在較大的水質差異。同一含水組自上而下各含水層間也存在一定的水質差異。

（2）氧化還原作用：深層地下水處于還原環境，在地下水的采灌過程中，若回灌系統密封性差，則地下水會與大氣接觸，水中溶解氧含量增加，對還原成分產生氧化作用，最終影響到地下水的化學成分，從而對地下水水質產生不良的影響。

（3）溶解/沉淀作用：在地下水開采過程中，由于壓力降低，水中部分CO2釋出，降低了H+的濃度，使溶液中的CaCO3（方解石）、MgCO3（文石）、CaMg（CO3）2（白云石）等礦物達到飽和或進一步飽和。因此，在地下水回灌過程中，真正會產生沉淀，對回灌井產生影響的是Fe2O3（赤鐵礦）、FeOOH（針鐵礦）等鐵的三價礦物和SiO2（石英）。

3.對溫度場的影響

人類為了使室內保持舒適的溫度，將建筑內的高溫或低溫環境熱量轉移到了地下，如果規模較小、局部、短期的熱量轉移不會引起明顯的冷熱島問題，但是如果規模較大，時間較長，就有可能引起地下的冷熱島效應。一般情況下，如果熱泵夏季輸入到地下的總熱量和冬季從地下提取的總熱量保持平衡，那么從長期看空間的熱流地下的熱量收支仍然是平衡的，只產生季節性的冷熱島現象，但是在很多地區，建筑物的夏季冷負荷和冬季熱負荷需求并不平衡，這樣會形成長期的冷熱島，不但降低熱泵的效率對地質環境不利，有可能造成地下的冷熱污染，引起生態平衡問題，而且長期下去會對地質環境不利，有可能造成地下的冷熱污染，引起生態平衡問題降低熱泵的效率。

抽水井周圍地下水溫度的穩定性是維持地源熱泵系統運行的關鍵，合理的井距決定了熱堆積和冷堆積。但地下水的回灌不可避免地會抬高或降低回灌井周圍的地下水溫度，這種溫度的變化將隨著時間的推移擴展到抽水井周圍，可能在熱泵運行期間導致“熱短路”。根據華北地區水源熱泵的工程運行監測，抽灌井的溫差如果小于5℃，地下水地源熱泵的效能將大大降低，可以以此溫差作為判斷熱短路的參考依據。因此，在進行地下水源熱泵的設計時，要通過水文地質試驗合理設計井間距，將回灌井對抽灌井的溫度影響減小到最低的水平，避免熱短路的發生。

地下水溫度升高主要帶來以下危害：水溫升高使水中缺氧，加速含氮有機化合物的礦化和有機殘體的分解；水體溫度的升高，可能會超出某些生物的適應范圍，從而影響生物的正常生活、發育、繁殖等，從而改變局部地區的自然規律；水溫升高會加劇水分子的熱運動，從而加速液體蒸發，局部含水體失水增多，對缺水地區尤為不利。冬季回灌的水溫較低，同樣會改變周圍的溫度環境，帶來相似的影響。

4.地面沉降

淺層地下水通常儲存在由松散的、未固結或弱固結的第四紀沉積物組成的含水層中，地下水源熱泵往往開采的是夾在粘性土層之間的砂層中的地下水，砂層內部也會夾有粘性土。而粘性土層壓縮性大，地下水位下降時易發生壓縮形變，如果開采區粘性土層厚度較大，并且不及時回灌，就有可能會產生難以察覺的巖土體變形，導致不均勻的地面沉降。不過，一般情況下獨立的地下水源熱泵不會誘發顯著的地面沉降，但當地下水源熱泵密集分布時，如果形成聯合漏斗，有可能會增加地面沉降的風險。

二、地埋管地源熱泵工程開發利用對地質環境的影響

1.對土壤溫度的影響

地埋管地源熱泵換熱會向周圍的土壤中釋放熱量或是從周圍的土壤中吸收熱量，從而導致局部土壤溫度改變。在其他條件不變時，適當增加布孔間距有利于增加換熱器的換熱量。布孔間距過小，兩個換熱孔之間會出現相互換熱的情況，導致換熱器換熱性能降低。具體工程中，當一個項目決定采用淺層地溫能資源作冷、熱源時，在做方案設計之前，均須進行場地勘查，取得項目所在地的土壤換熱能力等相關參數，并以此對地下地埋管布孔間距和布孔數量進行設計，保證合理間距。根據天津市地埋管換熱模擬及實際運行的經驗，地埋管長時間運行后，土壤溫度通常都會有一定的升高。土壤溫度的升高會造成以下危害：

①土壤溫度升高會增強越冬類昆蟲的繁殖能力，使病蟲害增加。

②近地表土壤溫度升高會加快土壤的干燥過程，而土壤中的微生物和菌類的繁殖和生存是要靠較高的濕度才能進行，土壤的干燥會使微生物失去生存的環境，從而引發生態災害。

2.防凍液對環境的影響

在地埋管地源熱泵系統中，通過向地埋管循環水中加適量防凍液的方法來提高埋管換熱器的換熱量，這種做法不會對地下環境造成影響，但是如果防凍液泄露就會對地埋管周圍的土壤環境、水環境以及大氣環境造成嚴重的影響。防凍液可能泄露的方式有兩種：一是熱泵系統運行過程中管道的破裂或者接縫開裂；二是管道安裝過程中防凍液的泄露。防凍液的泄露主要與液體的張力有關，張力越小，泄露的可能性越大。實驗表明，一般條件下向地埋管換熱器中注入防凍液，甲醇無泄漏，乙醇和乙二醇有少量的泄露。由于防凍液大多是有機物，會使地下水受到較為嚴重的污染，治理難度也較大。因此，在地埋管設計時，應該盡量不加防凍液，從根本上杜絕這個隱患。