淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響與監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)研究

劉杰

(山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)

地調(diào)項(xiàng)目：中國地質(zhì)調(diào)查局，濟(jì)南市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)(1212011220835)

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響與監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)研究

劉杰

(山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用能取得的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，已被社會(huì)廣泛認(rèn)可。但它的開發(fā)利用是通過熱泵系統(tǒng)，從地質(zhì)體中汲取地溫資源與建筑物間進(jìn)行能量交換，必然打破地質(zhì)環(huán)境的自然生態(tài)平衡。該文分析了地源熱泵工程對(duì)巖土體和地下水的溫度、地下水水位、水質(zhì)、微生物生存環(huán)境等產(chǎn)生的影響。介紹了地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容，包括前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了地埋管和地下水2種不同換熱方式熱泵工程各自前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)(孔)平面布置位置和數(shù)量、垂向上監(jiān)測儀器的深度和間隔距離、主要的監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測精度、頻率要求，以及利用監(jiān)測數(shù)據(jù)可進(jìn)行分析的內(nèi)容等。

淺層地?zé)崮埽坏刭|(zhì)環(huán)境影響；地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測

淺層地?zé)崮苜Y源與傳統(tǒng)化石類能源相比，具有資源穩(wěn)定、儲(chǔ)量巨大、再生迅速、節(jié)能環(huán)保、冬夏兩用、開發(fā)方便等特點(diǎn)，逐步得到較為廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益[1-2]。淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)是利用熱泵技術(shù)從地下環(huán)境中汲取熱量或冷量，再將冷量或熱量注回到地下環(huán)境中去，從而實(shí)現(xiàn)建筑物與地下環(huán)境間的能量交換，達(dá)到冬季供暖和夏季制冷的目的。但能量的轉(zhuǎn)移不可避免地對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生影響[3]，而這種影響反過來也會(huì)對(duì)熱泵系統(tǒng)的能效和應(yīng)用效果等產(chǎn)生作用。因此，建設(shè)地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)地質(zhì)環(huán)境影響進(jìn)行監(jiān)測研究十分必要。

1 淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響

淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響及產(chǎn)生的問題主要有：巖土體環(huán)境冷熱負(fù)荷堆積，使得地下環(huán)境溫度場單趨勢變化；巖土體溫度變化引發(fā)微生物種群改變及數(shù)量變化；地埋管施工造成含水層間的交叉污染，或地面污染物下滲導(dǎo)致地下水水質(zhì)污染；開采出的地下水不能全部回灌引起地下水位下降，引發(fā)松散層區(qū)地面沉降地質(zhì)災(zāi)害等[4]。山東地區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用工程主要有地埋管和地下水2種換熱方式，前者約占熱泵工程總數(shù)量的85%，后者數(shù)量相對(duì)較少，約占15%。該文分地埋管和地下水2種換熱方式，分析探討熱泵工程運(yùn)行對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響。

1.1 地埋管熱泵開發(fā)利用對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響分析

1.1.1 對(duì)地質(zhì)環(huán)境溫度的影響

地埋管熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不斷地向周圍的巖土體和地下水中釋放熱量或冷量，從而使埋管區(qū)內(nèi)及周圍一定范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)境的溫度發(fā)生改變，而變化幅度的大小則受多方面因素的影響，地源熱泵工程需求冷熱負(fù)荷大、地埋管換熱量大，熱泵機(jī)組連續(xù)運(yùn)行、單一制冷或單一供暖、埋管間距小、地下水滲流條件差，此種條件下的地下環(huán)境不利于冷熱負(fù)荷的消散，地質(zhì)環(huán)境溫度的變化幅度就越大，反之則較小。

如辦公樓、展館類建筑空調(diào)是間歇運(yùn)行方式[5-7]，熱泵機(jī)組關(guān)停時(shí)段內(nèi)，聚集在巖土體中的冷熱負(fù)荷逐步向周圍地下環(huán)境釋放，有利于地溫的恢復(fù)；而賓館、酒店及部分住宅等建筑連續(xù)運(yùn)行方式[8-10]，一個(gè)取暖季或制冷季內(nèi)熱泵機(jī)組24h運(yùn)行，換熱器持續(xù)不斷地向地下環(huán)境輸入冷量或熱量，冷熱負(fù)荷得不到及時(shí)消散，溫度不斷降低/升高呈現(xiàn)單趨勢變化。

單個(gè)地埋管換熱器對(duì)地下環(huán)境溫度的影響，以換熱器為中心，靠近中心，地下環(huán)境溫度變化幅度大，沿徑向遠(yuǎn)離換熱器，地下環(huán)境溫度變化幅度減小，直至不受影響。間距過小，相鄰換熱器熱影響相互疊加，溫度變化幅度增大。因此，地埋管工程設(shè)計(jì)時(shí)，場地空間條件允許的前提下，埋管間距盡可能大，最大限度減少或避免管群區(qū)換熱器間的相互干擾，將溫度影響控制在可接受的溫變幅度內(nèi)[11-12]。

地下水滲流有利于減弱或消除由地埋管換熱而引起的冷熱負(fù)荷累積效應(yīng)[13-14]，冷熱負(fù)荷以地下水為載體向下游傳遞，并逐漸消散，滲流速度越快，冷熱負(fù)荷消散越快，地下環(huán)境溫度變化相對(duì)越小。

1.1.2 防凍劑對(duì)環(huán)境的影響

實(shí)際地埋管熱泵系統(tǒng)密閉管路中的循環(huán)介質(zhì)通常是水。有的工程室外管路埋設(shè)深度小于該區(qū)的凍土層厚度，或上覆保護(hù)(溫)層厚度較薄，冬季管內(nèi)循環(huán)水存在上凍的可能，從而造成水流不暢，局部堵塞，甚至管道凍裂。為防止此類事故，一般向循環(huán)水中加注適量的防凍劑，還有的工程直接全部采用防凍劑。循環(huán)液在管路中閉式循環(huán)，通常情況下，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)對(duì)地下環(huán)境造成污染。一旦出現(xiàn)地埋管壁破裂或者接縫開裂，循環(huán)液在泵壓下向外噴射，直接對(duì)周圍的土壤環(huán)境和水環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，另外，管道安裝調(diào)試時(shí)也有可能發(fā)生局部泄露。防凍液大多是有機(jī)物，地面泄露還可采用移除的方式將污染物消除，若泄露點(diǎn)位于地下，一旦污染則極難治理。

1.2 地下水熱泵開發(fā)利用對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響分析

1.2.1 對(duì)地下水位的影響

地下水熱泵系統(tǒng)是從開采井汲取地下水，利用熱泵技術(shù)從中提取冷熱量，然后再將水回灌入地下，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境與地下環(huán)境間的能量交換。若同層回灌且采灌量基本平衡，則不會(huì)對(duì)地下水位產(chǎn)生明顯的影響；若開采量不能全部同層回灌或?yàn)楫悓硬晒啵瑒t局部會(huì)出現(xiàn)地下水降落漏斗，對(duì)地下水位影響程度的大小取決于工程消耗水量的多少和地下水補(bǔ)給條件的優(yōu)劣。以濟(jì)南為例，濟(jì)南地下水源熱泵工程主要分布于長清區(qū)城區(qū)，地處山前沖洪積平原，含水層顆粒較粗，多粗砂、礫石，富水性較強(qiáng)，抽取的地下水大多數(shù)能全部同層回灌，最低的回灌率也在80%左右，加之含水層顆粒孔隙度大，徑流條件好，豐水期下伏巖溶地下水的頂托補(bǔ)給強(qiáng)烈。據(jù)調(diào)查，工程運(yùn)行以來地下水水位沒有明顯單趨勢下降。而在濟(jì)南西郊高鐵站以西、小清河南部含水層顆粒細(xì)、補(bǔ)給條件相對(duì)較差的地帶，若地下水不能全部回灌，則會(huì)以開采井為中心產(chǎn)生一個(gè)小范圍的地下水位降落漏斗，停采后，水位緩慢回升；此區(qū)域若地下水長時(shí)間、高強(qiáng)度開采而又得不到及時(shí)補(bǔ)充，區(qū)域水位將單趨勢大幅度下降，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)地面沉降和地面裂縫[15]。

1.2.2 對(duì)地下水水質(zhì)的影響

熱泵工程需水量大，同一場地有時(shí)需要施工多口開采井，水井位置不同，地下水質(zhì)也不盡相同。既使同一口井，不同含水層間也存在一定的差異，取水段若貫穿多個(gè)含水層，地下水多層混合；若淺部含水層受到污染，而深層含水層水質(zhì)良好，將會(huì)產(chǎn)生串層污染。同井不同層水質(zhì)混合、不同井水質(zhì)的混合或井組采灌功能的相互轉(zhuǎn)換，都會(huì)使地下水水質(zhì)發(fā)生一定的變化；同層回灌則對(duì)地下水水質(zhì)影響較小。若回灌系統(tǒng)密封性差，地下水水質(zhì)也會(huì)因氧化作用發(fā)生改變；另外，金屬出水管或回灌管還有可能與空氣發(fā)生細(xì)菌銹蝕、電偶縫隙銹蝕、氧濃差銹蝕等污染地下水。意外的井管破裂也有可能使地表污水或污染物直接通過破損處滲入含水層污染地下水。

1.2.3 對(duì)溫度場的影響

能量交換后的循環(huán)水通過回灌井進(jìn)入地下，不可避免地會(huì)使周圍地下水及巖土體的溫度升高或降低，其中主要含水層中地下水溫度影響最大，并且隨著熱泵運(yùn)行時(shí)間的推移，溫度的變化幅度會(huì)逐漸加大，影響范圍也不斷向外擴(kuò)展。換熱功率大，地下水徑流條件好，冷熱負(fù)荷以地下水為載體由主要含水層迅速向外擴(kuò)展，擴(kuò)展速度和影響程度以沿地下水流向?yàn)樽睢Ｈ舨晒嗑g距過小，即使回灌井位于開采井的下游，由于開采井取水形成局部降落漏斗，漏斗伸向回灌井方向，回灌井溫度的變化也可能會(huì)影響到開采井周圍，使得熱泵機(jī)組利用地下水的溫差減小，影響系統(tǒng)換熱效率，當(dāng)利用溫差小于3℃時(shí)，節(jié)能效果和應(yīng)用效果會(huì)明顯降低。只有確定合理的采灌井間距，才能避免地下水流形成“熱短路”，保障工程制冷或供暖效果。

1.2.4 對(duì)微生物的影響

水源熱泵工程回灌改變地下水和含水層顆粒的溫度，有可能影響到對(duì)溫度變化敏感的微生物的生活環(huán)境，從而對(duì)其種群及數(shù)量產(chǎn)生影響。

2 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一般包括前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與控制系統(tǒng)三大部分。系統(tǒng)建設(shè)遵循監(jiān)測方式自動(dòng)化、監(jiān)測技術(shù)手段先進(jìn)、監(jiān)測內(nèi)容全面、監(jiān)測精度高的原則，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測實(shí)時(shí)、查詢方便、效果直觀的目的。

2.1 前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)

地下水熱泵系統(tǒng)和地埋管熱泵系統(tǒng)由于其換熱方式不同，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容也不盡相同[16-18]。

2.1.1 監(jiān)測站選擇原則

一個(gè)監(jiān)測站即是一個(gè)安裝監(jiān)測裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集的熱泵工程。監(jiān)測站選擇遵循如下原則：

(1)典型性：選擇典型水文地質(zhì)條件、不同地層巖性構(gòu)成和地質(zhì)構(gòu)造單元的地源熱泵工程[19]。

(2)代表性：選擇在熱泵工程較集中的地段；考慮工程不同的換熱方式，地埋管和地下水2種換熱方式兼顧；結(jié)合建筑物功能，考慮工程不同運(yùn)行方式和模式，如以冬季供暖為主或以夏季制冷為主單季節(jié)利用的工程，冬季供暖和夏季制冷負(fù)荷強(qiáng)度基本均衡的工程，醫(yī)院、賓館、住宅等熱泵機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的工程，學(xué)校、辦公樓、寫字樓、商場、展館等間歇運(yùn)行的工程；考慮工程規(guī)模，如小到百十平方米的小戶，大到上萬平方米的樓宇或建筑群，均應(yīng)覆蓋；重點(diǎn)監(jiān)測單一淺層地?zé)崮苜Y源利用工程，兼顧淺層地?zé)崮芘c深層地?zé)帷⑷加腿細(xì)狻⑻柲堋㈦娔艿榷嗄茉绰?lián)合利用的工程。

(3)可操作性：考慮熱泵工程的分布現(xiàn)狀特點(diǎn)和實(shí)際情況，便于建設(shè)和管理。

(4)結(jié)合實(shí)際，區(qū)別對(duì)待：已完工或已投入使用的地源熱泵工程，確需作為監(jiān)測站的，應(yīng)按監(jiān)測站建設(shè)要求補(bǔ)充換熱監(jiān)測孔或地溫觀測孔，安裝相應(yīng)的儀器設(shè)備；籌建、在建的地源熱泵工程，在工程建設(shè)時(shí)同步建設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1.2 地下水熱泵前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)

(1)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)平面布置

地下水熱泵地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)包括開采井、回灌井和觀測孔。

一般情況下，回灌井位于開采井的下游，觀測孔應(yīng)布置在開采井與回灌井之間，條件允許時(shí)可在采灌井連線側(cè)面其他方向上布設(shè)一定數(shù)量的觀測孔。以“一采一灌”和“一采兩罐”2種組合方式加以說明。

1—開采井；2—回灌井；3—觀測井；4—地下水主要徑流方向圖1 地下水熱泵地質(zhì)環(huán)境觀測孔平面布置圖

“一采一灌”方式是一口井開采地下水，汲取冷熱量后的循環(huán)水全部注入到另一口回灌井中。地下水觀測孔布置在開采井與回灌井之間連線上以及與連線相垂的方向上。其中采灌井連線中垂線上布置G1和G2兩個(gè)(圖1)；采灌井連線上觀測孔的數(shù)量以不少于2個(gè)為宜(G3、G4....)，距離回灌井大約0.25L，0.5L....(L為采灌井間距)。

“一采兩灌”方式則是一口井用于開采地下水，2口井進(jìn)行回灌。地下水觀測孔仍然主要布置在采灌井之間，其數(shù)量以不少于3個(gè)為宜；為全面研究采灌條件下地下水溫度場特征，條件允許時(shí)可在回灌井之間增布適當(dāng)數(shù)量的觀測孔。

觀測孔深度視其揭露的主要含水層而定，其所揭露的主要含水層應(yīng)與采灌井相同。最終成孔口徑以方便采取水樣、安裝監(jiān)測設(shè)備為準(zhǔn)。成孔時(shí)濾水管位置、成孔工藝、監(jiān)測目的含水層等與采灌井相同。

(2)監(jiān)測儀器布置

監(jiān)測儀器主要包括電磁流量計(jì)、溫度傳感器、水位傳感器(水頭壓力計(jì))、用電計(jì)量裝置、壓力傳感器等，儀器均要求能夠自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)記錄和自動(dòng)存儲(chǔ)。

開采井和回灌井揭露的所有取水層和回灌層、觀測孔與取水層和回灌層存在水力聯(lián)系的含水層，均應(yīng)安裝溫度傳感器；所有抽水井、回灌井和觀測孔中均布置水位傳感器(圖2)。

圖2 地下水熱泵地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測儀器垂向布置圖

開采井進(jìn)水管和回灌井回水管安裝溫度傳感器、壓力傳感器和流量計(jì)；潛水泵安裝用電計(jì)量裝置。

(3)監(jiān)測項(xiàng)目與目的

包括開采井和回灌井的抽灌量，采灌井及其周圍一定范圍內(nèi)(大于影響半徑)相同含水層水位、水溫和水質(zhì)，潛水泵用電量等。重點(diǎn)對(duì)采灌井及周圍的含水層溫度的變化以及采灌井之間熱冷鋒面的移動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。

①開采量和回灌量監(jiān)測。在開采井管和回灌井管上安裝電磁流量計(jì)，監(jiān)測開采井的取水量及回灌井的回灌水量，了解地下水循環(huán)利用量、消耗量以及工程正常運(yùn)行對(duì)地下水的需求情況、地下水的供給保障程度；掌握回灌能力及回灌井堵塞問題。

②地下水位監(jiān)測。在回灌井、開采井和觀測孔中分別安裝水位傳感器(條件允許時(shí)，在抽水井和回灌井影響半徑之外區(qū)域也應(yīng)布置觀測孔，安裝相應(yīng)水位傳感器)，監(jiān)測熱泵系統(tǒng)運(yùn)行過程中場地水位變化和采灌停止時(shí)的水位恢復(fù)情況，實(shí)時(shí)掌握地下水流場形態(tài)，分析工程運(yùn)行對(duì)場地及區(qū)域地下水位的影響。

③水溫監(jiān)測。在抽水井管和回灌井管及地下水觀測孔中均安裝溫度傳感器。依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，了解監(jiān)測采出水的溫度和灌入水的溫度，掌握熱泵系統(tǒng)利用地下水的溫差，以及溫差變化對(duì)供暖和制冷效果的影響；分析回灌水對(duì)開采井的水溫是否產(chǎn)生影響、影響程度及響應(yīng)速度，指導(dǎo)相似水文地質(zhì)條件下采灌井合理間距的確定；分析采灌井及周圍地下水溫度場的分布特征、變化情況，了解工程運(yùn)行過程中冷熱負(fù)荷聚集和停止運(yùn)行后的消散規(guī)律；分析熱泵工程運(yùn)行效能受地下水溫度變化的影響程度。

④水質(zhì)監(jiān)測。定期在采灌井及觀測孔中分別采取水樣進(jìn)行分析，分析回灌水對(duì)原生水環(huán)境中微生物的影響，檢驗(yàn)地下水中微生物種類及數(shù)量的變化；監(jiān)控工程運(yùn)行對(duì)地下水質(zhì)量的影響，是否受到污染，是否有細(xì)菌滋生，受到污染要了解其污染程度及發(fā)展趨勢；監(jiān)測地下水化學(xué)成分有無發(fā)生變化。

⑤管路壓力監(jiān)測。在進(jìn)水管和回水管上安裝壓力傳感器，監(jiān)測管路滲漏情況，掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

⑥設(shè)備用電監(jiān)測。潛水泵安裝用電計(jì)量裝置，監(jiān)測電能消耗情況，結(jié)合熱泵機(jī)組及其他加壓設(shè)備、熱輔設(shè)備、照明設(shè)備等用電監(jiān)測情況，計(jì)算系統(tǒng)總能耗，分析整個(gè)熱泵系統(tǒng)的能效和節(jié)能情況。

2.1.3 地埋管前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)

(1)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測孔平面布置

地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測孔包括換熱監(jiān)測孔、地溫監(jiān)測孔和水質(zhì)監(jiān)測孔。地埋管換熱監(jiān)測孔是借用地埋管孔，在換熱器上按一定間隔綁縛上溫度傳感器，測量地埋管換熱孔不同深度的溫度。地溫監(jiān)測孔是在施工的鉆孔內(nèi)布置溫度傳感器，專門用于地溫監(jiān)測。換熱監(jiān)測孔與地溫監(jiān)測孔配合，了解埋管區(qū)及外圍地溫特征，分析換熱器熱影響范圍和工程運(yùn)行對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度。水質(zhì)監(jiān)測孔用于地下水樣品采集。

監(jiān)測孔平面布置原則：①地埋管群中心區(qū)域、平面形狀的長邊和短邊中間以及拐角之處[20-21]均應(yīng)布置換熱監(jiān)測孔和地溫監(jiān)測孔；②監(jiān)測孔布置應(yīng)考慮地下水流向，在水流的上游、下游及垂直水流方向上均應(yīng)有換熱監(jiān)測孔和地溫監(jiān)測控制；③換熱監(jiān)測孔與地溫監(jiān)測孔常常結(jié)合組成若干個(gè)監(jiān)測孔組，每組包含換熱監(jiān)測孔1個(gè)和地溫監(jiān)測孔1～6個(gè)，監(jiān)測孔間距也因其在管群區(qū)中的位置而異；④水質(zhì)監(jiān)測孔應(yīng)布置在水流的下游管群邊界中心位置附近。

以管間距為X、7×9陣列管群為例(圖3)，平面形狀為長方形。管B為管群中心區(qū)域換熱監(jiān)測孔，以其為正方形左上角頂端，相鄰的4個(gè)換熱孔中心(交叉連線中點(diǎn))布置一個(gè)專門的地溫監(jiān)測孔，再在其左、右、下各0.3X、0.5X和0.4X布置3個(gè)地溫監(jiān)測孔。在管群邊緣及拐角分別布設(shè)換熱監(jiān)測孔：地下水流上游管群長邊中心(管C)、地下水流下游管群長邊中心(管A)、與地下水流向垂直方向管群短邊中心(管E)、管群拐角(管D和管F)。管A和管C監(jiān)測孔組主要監(jiān)測在地下水滲流作用下管群上游區(qū)域和下游區(qū)域換熱孔對(duì)地溫的熱影響范圍，同時(shí)了解有相鄰換熱孔的情況下其側(cè)向溫度變化特征，地溫監(jiān)測孔數(shù)量較多，主要沿地下水流向布置，上游布置5個(gè)，與換熱孔的距離0.3X～0.9X；下游布置7個(gè)，與換熱孔的距離0.2X～1.8X。管D、管E、管F監(jiān)測孔組主要是監(jiān)測管群短邊垂直與地下水流向方向上換熱孔熱擴(kuò)散范圍。具體到一個(gè)熱泵工程，監(jiān)測孔的位置和數(shù)量應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和監(jiān)測目的作適當(dāng)調(diào)整。

圖3 地埋管熱泵地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測孔平面布置圖

(2)監(jiān)測儀器布置

監(jiān)測儀器主要包括電磁流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器等，儀器要求均能自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)記錄和自動(dòng)存儲(chǔ)。

①所有監(jiān)測孔均布設(shè)溫度傳感器，以監(jiān)測換熱孔壁溫度及周圍巖土體溫度變化情況，分析地埋管熱影響范圍。換熱監(jiān)測孔溫度傳感器垂向間距10～20m，以10m間隔為宜；地溫監(jiān)測孔在深度35m和40m上分別布置1個(gè)溫度傳感器。溫度傳感器位置和數(shù)量根據(jù)地層巖性適當(dāng)調(diào)整，含水層和隔水層對(duì)應(yīng)的位置均應(yīng)布設(shè)(圖4)。

圖4 地埋管監(jiān)測孔監(jiān)測儀器垂向布置圖

②地埋管總進(jìn)水管(或劃分的若干小單元)和總回水管安裝溫度傳感器、進(jìn)水管壓力傳感器、流量計(jì)。

(3)監(jiān)測項(xiàng)目與目的

包括埋管區(qū)及外圍的巖土體溫度、地下水水質(zhì)、管路循環(huán)水的壓力、流量等。重點(diǎn)是監(jiān)測埋管區(qū)巖土體的溫度變化情況。

①溫度監(jiān)測。包括巖土體溫度監(jiān)測、管內(nèi)循環(huán)水的溫度監(jiān)測。依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析地埋管區(qū)地溫場特征、系統(tǒng)長期運(yùn)行過程時(shí)地埋管換熱器的熱影響范圍和熱傳導(dǎo)速率；監(jiān)測管群進(jìn)出口循環(huán)水的溫度，了解利用溫差，分析系統(tǒng)換熱效能；通過分析，為科學(xué)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行策略和相似地質(zhì)條件區(qū)地埋換熱器合理間距、長度的確定提供依據(jù)，指導(dǎo)同類熱泵工程科學(xué)設(shè)計(jì)與施工；與系統(tǒng)總能耗監(jiān)測相結(jié)合，分析地溫場變化對(duì)系統(tǒng)節(jié)能情況和應(yīng)用效果的影響[22-25]。

②地下水水質(zhì)的監(jiān)測。定期在埋管區(qū)采取地下水水樣進(jìn)行化驗(yàn)，檢驗(yàn)水中微生物種類及數(shù)量的變化，分析掌握工程運(yùn)行對(duì)地下水質(zhì)量的影響。

③管路水壓力和流量監(jiān)測。在地埋管進(jìn)出水管上安裝壓力傳感器和流量計(jì)，監(jiān)測管路中循環(huán)水的壓力和流動(dòng)速度，及時(shí)掌握管路密封質(zhì)量和有無泄露；控制管內(nèi)循環(huán)液合理流速，以期達(dá)到最大換熱效果。

2.1.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測要求

溫度監(jiān)測：監(jiān)測精度0.01℃；監(jiān)測頻率與熱泵機(jī)組運(yùn)行與否及運(yùn)行時(shí)間相關(guān)，在機(jī)組啟動(dòng)前2天至啟動(dòng)后第10天時(shí)段內(nèi)以及關(guān)停前2天至關(guān)停后10天時(shí)段內(nèi)為1次/h，啟動(dòng)后第11天至第30天和關(guān)停后第11天至第30天時(shí)段內(nèi)逐步由1次/h調(diào)整為1次/6h，啟動(dòng)后第31天至關(guān)停前2天時(shí)段以及關(guān)停第31天后至啟動(dòng)前2天的時(shí)段內(nèi)為1次/6h(圖5)。

圖5 地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖

水質(zhì)監(jiān)測：微生物監(jiān)測熱泵機(jī)組運(yùn)行過程和關(guān)停期間每10天取1次；其他組分監(jiān)測熱泵機(jī)組運(yùn)行過程每10天取1次，關(guān)停期間每30天1次。啟動(dòng)前5天和關(guān)停后2天內(nèi)需保證各取1次。

開采量與回灌量監(jiān)測：監(jiān)測精度0.001m3，監(jiān)測頻率1次/h。

地下水位監(jiān)測：監(jiān)測精度1mm，監(jiān)測頻率1次/6h。

管路壓力監(jiān)測：監(jiān)測精度0.01MPa，監(jiān)測頻率1次/6h。

設(shè)備用電監(jiān)測：監(jiān)測精度0.01度，監(jiān)測頻率1次/6h。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建設(shè)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由發(fā)射器利用無線傳輸(GPRS，CDMA)或有線網(wǎng)絡(luò)(Internet)傳輸出去，用戶數(shù)據(jù)中心進(jìn)行接收。

網(wǎng)絡(luò)傳輸要求能通過非對(duì)稱數(shù)字用戶線路(ADSL)寬帶連接上網(wǎng)的監(jiān)測站，這種方式信號(hào)穩(wěn)定；無線傳輸無需互聯(lián)網(wǎng)連接，但通信質(zhì)量受信號(hào)強(qiáng)度影響，相對(duì)而言，數(shù)據(jù)傳輸速度和響應(yīng)速度較慢，有時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)吊事現(xiàn)象。

2.3 控制系統(tǒng)建設(shè)

所有的數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳輸均采用自動(dòng)化、實(shí)時(shí)同步化，監(jiān)測數(shù)據(jù)可現(xiàn)場查看、儲(chǔ)存，可遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行儲(chǔ)存、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)等，輸出Excel格式或自動(dòng)繪制以圖表形式顯示。數(shù)據(jù)發(fā)射系統(tǒng)需要帶網(wǎng)口工控機(jī)、DTU模塊、組態(tài)軟件等，數(shù)據(jù)中心由工控機(jī)、VPN、顯示器、軟件等組成，配備網(wǎng)橋。

3 結(jié)語

淺層地?zé)崮艽笠?guī)模開發(fā)利用的時(shí)間較短，僅僅十余年，建設(shè)單位往往重視工程建設(shè)而忽視能源開發(fā)對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成的影響，大多工程沒有建設(shè)相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，即使建有監(jiān)測系統(tǒng)的工程，其監(jiān)測項(xiàng)目也較少，多數(shù)缺乏有效的管理，使得監(jiān)測成為擺設(shè)，目前熱泵工程運(yùn)行5年、10年或更長時(shí)間對(duì)地質(zhì)環(huán)境到底有多大影響，影響程度如何，尚缺乏強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)來以佐證。因此，建設(shè)完善的地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)甚至區(qū)域動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取有效措施進(jìn)行防治和補(bǔ)救，才能保障熱泵工程經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能和持久運(yùn)行。

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StudyonImpactoftheDevelopmentandUtilizationofShallowGeothermalEnergytoGeologicalEnvironmentandMonitoringSystemConstruction

LIU Jie

(Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute, Shandong Jinan 250013, China)

The development and utilization of shallow geothermal energy can achieve remarkable environmental, social and economic benefits, and have been widely recognized by the society. But it is realized by absorbing geothermal resources from the geological body through the heat pump system and carried out energy exchange with builidings. This process will inevitably break the natural ecological balance of geological environment. In this paper, the influence and the influence degree of ground source heat pump project on rock and soil and groundwater temperature, groundwater level, water quality and microbial environment have been analyzed. The construction contents of geological environment monitoring system have been introduced, including front-end data acquisition system, data transmission system and control system, focusing on introducing two different heat exchange forms as underground pipe and groundwater, plane location and quantity of geological environment monitoring poles in front-end data acquisition system in each heat pump project, the depth and interval distance of monitoring project vertically, main monitoring projects, accuracy precision and frequency requirements, and analysis which can be carried out by a series of monitoring data.

Shallow geothermal energy; impact to geological environment; geological environment monitoring

2017-05-24；

2017-09-02；

陶衛(wèi)衛(wèi)

劉杰(1983—)，女，山東濟(jì)南人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail：54193431@qq.com

TK521

B

劉杰.淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響與監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)研究[J].山東國土資源，2018,34(1)：49-55.LIU Jie.Study on Impact of the Development and Utilization of Shallow Geothermal Energy to Geological Environment and Monitoring System Construction[J].Shandong Land and Resources, 2018,34(1)：49-55.