水源熱泵系統對地下水水質的影響研究

王國良+王亞斌+韓榮文+李明明+王琴萍

摘 要： 水源熱泵是利用淺層地溫能的一種有效方式，該系統同時也對地質環境產生一定影響。本文在調查收集相關資料的基礎上，嘗試分析水源熱泵系統對地下水水質的影響。

關鍵詞： 水源熱泵； 地質環境； 影響

Abstract： Water source heat pump is the use of the shallow ground temperature can be an effective way， the system also has certain influence on the geological environment.On the basis of the investigation to collect relevant data， this paper tries to analyze water source heat pump system's influence on the groundwater quality.

Key words： Water source heat pump； Geological environment；

1. 水源熱泵系統簡介

水源熱泵是利用了地球水體所儲藏的太陽能資源作為熱源，利用地球水體自然散熱后的低溫水作為冷源，進行能量轉換的供暖空調系統。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。

2. 水源熱泵運行對地下水水質的影響情況

為探討研究水源熱泵系統運行后對地下水水質的影響，首先收集天津某地區各水源熱泵系統成井初期的水質分析資料，作為研究水質變化的基準數據。在此基礎上，有針對性地對不同水源熱泵系統再次采取水樣。并保證樣品具有代表性和針對性。采樣程序嚴格按照相關規程執行，采取二價和三價鐵時，按照要求先加入適量的硫酸溶液。天津某地區部分水源熱泵井水質變化對比見表1。

對天津某地區水源熱泵運行若干年后地下水水質取樣結果對比分析，可以發現以下規律：

a. 存在異層采灌的熱泵系統中，地下水化學變化表現出明顯的混合特征。

b. 全開放運行的水源熱泵地下水中氧氣含量明顯增加，二價鐵、總鐵含量均大幅度降低；全封閉運行的水源熱泵系統中地下水中的二價鐵含量保持相對穩定。樣品5、樣品6取自開放式運行的水源熱泵。樣品1和樣品2取自全封閉運行水源熱泵系統。

c. TDS小于1.5g/L的Na-HCO3型地下水區，TDS、Ca2+、Na+含量均呈現明顯增加態勢。具有這種變化規律的水源熱泵系統多為同層回灌系統，表1中樣品1至樣品6均取自這類系統。樣品1系統運行4年采樣對比，TDS由947.3mg/L增加到1020mg/L，Ca2+含量由7mg/L增加到11mg/L， Na+含量由274mg/L增加到283mg/L。

d. TDS大于1.5g/L的Na-HCO3型地下水區，TDS、Ca2+、Na+含量增加態勢不明顯。例如樣品8至樣品11代表的水源熱泵系統。

3. 地下水水質變化的原因分析

天津某地區水源熱統對地下水水質影響的主要方式有：混合作用、氧化還原作用、溶解/沉淀作用等。

3.1 混合作用

混合作用對地下水水質影響主要表現在兩個方面：井流引起的混合作用、異層采灌引起的混合作用。

井流引起的混合作用：天津地區地下水水質復雜多變，地下水水質隨著取水層位及取水地點的不同存在著較大的變化。同一含水組一般由4個～9個含水層組成，各含水層間均存在一定的水質差異，同時由上至下靜水壓力逐漸減小，成井后造成水力溝通。停井時，由于井流作用，在下部含水層中發生混合作用。

異層采灌引起的混合作用：由于同一工程場地不同含水組間存在較大的水質差異，不同水質間的混合作用對地下水水質影響最大，由于混合比例的不同與變化，地下水水質的變化呈現較為復雜的變化趨勢。另外，成井過程中因封井不嚴而導致的上部較高礦化度水體的滲漏，也可能引起熱泵井地下水水質的較大變化，特別是上覆地層為咸水體的含水組。

3.2 氧化還原作用

天津某地區深層地下水處于還原環境，地下水采灌過程中，大多數回灌系統密封性差，地下水易與大氣接觸，因此水中溶解氧含量增加，對地下水的二價鐵等還原成分產生氧化作用。表1中樣品1的水源熱泵系統回揚過程中最大含鐵量超過地下水中的含鐵量達700多倍，其中一部分就來自地下水中亞鐵的氧化。運行時間最長的水源熱泵系統和開放式的水源熱泵系統地下水含鐵量大為減少，均是由于水中亞鐵的氧化，而嚴格的封閉式的水源熱泵系統地下水中含鐵量與成井初期基本保持一致。

3.3 溶解/沉淀作用

溫度變化對地下水中礦物飽和狀態的影響：熱泵運行過程中，回灌水的溫度發生較大變化。根據“化學反應平衡移動原理”，硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硫化物、氧化物等的溶解均為吸熱反應，溫度升高促進礦物溶解。碳酸鹽、硫酸鹽的溶解則是放熱反應，其溶解度隨溫度升高而降低。

4. 結論和建議

4.1 結論

水源熱泵系統建設和運行對地下水水質具有一定的影響，由于大多數水源熱泵系統處于半封閉運行狀況，同層回灌井系統中一般會引起地下水中二價鐵離子、總鐵含量降低。TDS、Ca2+、Na+含量增加。引起地下水水質變化的水文地質化學原因包括混合作用、氧化還原作用、溶解/沉淀作用等。

4.2 建議

加強對水源熱泵系統調查、監測與研究工作。重點監測咸水分布區水源熱泵系統建設與運行后，對咸淡水下移的影響及對下部淡水層的水質影響。

參考文獻：

[1] 劉景蘭， 杜紅梅， 范麗平. 天津市區及新四區地下水地源熱泵適宜性分區研究[J]. 地下水， 2012（2）：59-62.

[2] 王亞斌， 張海濤， 郭淑娟，等. 天津市水源熱泵系統水文地質條件適宜性評價方法研究[C]. 地溫資源與地源熱泵技術應用論文集. 2007.

[3] 寇文杰. 地下水化學分類方法的思考[J]. 西部資源， 2012（5）：108-109.

[4] 張春華， 施俊杰， 孟祥辰，等. 呼和浩特市烏素圖地區HR4地熱井水化學特征及同位素分析[J]. 西部資源， 2016（2）：111-114.