徐紅霞，楊　帆

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210000)

某地下水源熱泵系統(tǒng)運行對水質(zhì)影響分析

徐紅霞1，楊帆2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210000)

[摘要]以池州某地下水源熱泵工程為例，采用單因子評價和模糊綜合評價法對地下水源熱泵工程運行前后地下水水質(zhì)進行評價。結(jié)果表明，池州某地下水源熱泵工程運行前后，地下水中大部分因子水質(zhì)類別不變，總體水質(zhì)類別由Ⅱ類變?yōu)棰箢??？梢?，池州某地下水源熱泵工程的運行對水質(zhì)類別影響不大，且影響在正常范圍內(nèi)變動，是可接受的。

[關(guān)鍵詞]地下水源熱泵；地下水；水質(zhì)評價

地源熱泵技術(shù)即利用淺層地溫能資源，將土壤或水源作為熱源和熱匯，使其與埋在地下的熱換器中的循環(huán)液進行作用，從而達到冷熱交換的效果。根據(jù)SHRAE中的規(guī)定，按所取冷熱源的不同，可將地源熱泵系統(tǒng)分為土壤源熱泵系統(tǒng)(Ground Source Heat Pumps, GSHP)、地下水源熱泵系統(tǒng)(Ground Water HeatPumps, GWHP)和地表水源熱泵系統(tǒng)(Surface Water Heat Pumps,SWHP)三大類[1]。

地下水源熱泵系統(tǒng)，是淺層地溫能開發(fā)利用的一種重要途徑，它是地源熱泵系統(tǒng)中效率較高、成本較低的一種熱泵形式[2]。當(dāng)所利用的含水層屬地下水資源開發(fā)利用層時，地下水源熱泵一般采取“地下水抽采-能量交換-回灌”的循環(huán)過程，以達到在盡量減少工程運行對地下水資源數(shù)量與質(zhì)量影響的前提下，合理利用地下水體中所賦存的熱能。但地下水源熱泵的“抽-回”系統(tǒng)運行過程中，對含水層中地下水水質(zhì)可能造成一定的影響，為此，利用池州某大廈地下水源熱泵工程實例進行水質(zhì)監(jiān)測，評價其對地下水水質(zhì)的影響程度。

1工程概況

本工程位于安徽省池州市，大廈占地面積3.71萬 m2，于2013年3月份建成。系統(tǒng)抽水井5口，回灌井8口，開采層位屬裂隙巖溶含水層，埋深70～150 m，水量為181 m3/h，空調(diào)機組負荷2 152 kw。目前為止，系統(tǒng)運行情況良好。

評估區(qū)域地層區(qū)劃屬揚子地層區(qū)下?lián)P子層分區(qū)和江南地層分區(qū)，出露有古生代志留紀—新生代第四紀地層。區(qū)內(nèi)巖層除侏羅系地層外均有出露，現(xiàn)自新至老分述：

1)第四系松散巖類孔隙含水巖組

以沖擊為主，其次為湖相堆積物，厚20～50 m，最大厚度35 m左右。

(1)第四系全新統(tǒng)(alQ4)孔隙含水層

該含水層組上部主要由灰黃色和褐灰色的粘土及粉質(zhì)粘土組成，厚度約15～20 m，其中有沖積形成的厚度約5～6 m的少量黑灰色湖積淤泥層；下部主要由細、中粗粒沙礫形成，厚度約3-8m，其礫石成份以灰?guī)r及石英粉砂巖為主，并含有少量的火成巖及石英巖，粒徑一般為1～3 cm，少量達10 cm以上。地下水賦存其中水位埋深0.50～3.00 m，少數(shù)達6 m以上，單位涌水量0.139～1.457 L/s·m，富水性中等，地下水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型，礦化度小于1 g/L，水溫17℃～20℃。該層主要接受大氣降水補給，逕流條件良好，微承壓、潛水型多下滲補給其下伏含水巖層。

(2)第四系上更新統(tǒng)(alQ3)孔隙含水層

該含水層組由沖積形成，上部主要由灰黃、黃褐色和棕黃色粉質(zhì)粘土及粘土構(gòu)成，且含有核徑約0.2～0.5 cm的鐵錳質(zhì)結(jié)核；下部主要由石英砂巖礫石構(gòu)成。該層主要接受大氣降水補給，逕流條件差，富水性較弱，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型。

2)第三系大通群Ed碎屑巖類隔水巖組

該隔水層組主要由灰紫色、棕褐色的礫巖和砂礫巖構(gòu)成，結(jié)構(gòu)致密，厚度高達1000m，雖裂隙較發(fā)育，但多被粘土充填，因而為相對隔水巖組。

3)三迭系裂隙巖溶含水巖組

(1)中統(tǒng)東馬鞍山組(Td)裂隙巖溶含水層

該含水層組主要由淺灰、紅褐色微晶藻屑含灰質(zhì)白云巖、藻紋層微晶含膏假晶灰質(zhì)白云巖，頂部膏溶角礫巖。含石膏層。厚度>317 m。

(2)下統(tǒng)南陵湖組(Tn)裂隙巖溶含水層

該含水層組主要由深灰、青灰、灰紅等色的白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r構(gòu)成，厚度約600 m，頂部夾有少量的紫紅色瘤狀灰?guī)r，呈薄―中厚層狀。巖石結(jié)構(gòu)致密，較完整堅硬。地表露頭溶溝、溶槽、石芽、溶洞及溶蝕漏斗極為發(fā)育，溶隙充填有紅色鐵質(zhì)物及粘土。該組主要接受大氣降水和其它含水層補給，逕流條件良好，地下水主要以管道流形式向其它含水層滲透，部分以泉的形式補給地表水體。富水性中等偏強，單井最大出水量可達2 000 m3/d，單位涌水量為0.47～4.329 L/s·m，水溫17℃～20℃，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型，礦化度0.26～0.31 g/L。

(3)下統(tǒng)和龍山組(Th)裂隙巖溶含水層

該含水層組厚度約143～235 m，上部主要由青灰色、淺灰色的條帶狀灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖構(gòu)成；下部主要由黃綠色的鈣質(zhì)頁巖夾條帶狀灰?guī)r構(gòu)成。地表僅見石芽、溶溝等，裂隙較發(fā)育，局部見溶隙。該層組主要接受大氣降水和其它含水層補給，富水性較差，逕流條件一般，排泄方式主要為側(cè)向逕流排泄。

(4)下統(tǒng)殷坑組(T1y)裂隙巖溶含水層

該含水層組厚度約58～83 m，上部主要由深灰色得薄至中厚層灰?guī)r構(gòu)成；下部主要由黃綠、灰綠色鈣質(zhì)頁巖構(gòu)成。裂隙、溶隙及溶洞均較發(fā)育，洞徑約0.8～2.5 m。該層地下水賦存在溶隙及溶洞之中，主要接受大氣降水及其它含水巖層(組)補給，富水性一般，逕流條件較好，排泄方式主要為側(cè)向排泄。

2水質(zhì)評價

2.1水質(zhì)數(shù)據(jù)分析

取樣時間及水質(zhì)數(shù)據(jù)見表1和圖1。

圖1　水質(zhì)數(shù)據(jù)變化曲線

由表1可知：pH、SO42-、硝酸鹽含量隨著水源熱泵系統(tǒng)的運行有所增加，隨著系統(tǒng)的停止有所減少，而HCO3-、總硬度、總堿度含量則隨著系統(tǒng)的運行有所減少。

該區(qū)中統(tǒng)東馬鞍山組(Td)含有石膏層，石膏是單斜晶系礦物，其主要化學(xué)成分為CaSO4的水合物。由于水源熱泵系統(tǒng)的運行，可能引發(fā)含水層水壓和滲流途徑的改變，導(dǎo)致地下水中SO42-的大量出現(xiàn)。

2.2評價方法

地下水水質(zhì)變化是多種因子共同作用的結(jié)果，是一個模糊和漸變的過程。因此地下水水質(zhì)評價可以選用單因子評價法[3]和模糊綜合評價法[4]相結(jié)合的方法。

表1　水質(zhì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

注：2014.11.27和2015.03.20均屬工程間歇期；2015.01.24屬工程運行期。

2.3地下水水質(zhì)評價

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，SO42-含量隨著水源熱泵系統(tǒng)的運行急驟增加，這可能是由于中統(tǒng)東馬鞍山組(Td)裂隙巖溶含水層中含有石膏層所致，因此不作為水質(zhì)評價因子。結(jié)合項目所在地段水質(zhì)資料，選取溶解性總固體、Cl-、Fe、F-、硝酸鹽和高錳酸鹽指數(shù)這6個指標作為評價因子，其在《中華人民共和國地下水質(zhì)量標準》[5]中的限值見表2。

表2　評價因子限值表　mg/L

1)單因子評價法

各評價因子監(jiān)測結(jié)果見表3。

由3表可得出結(jié)論：

(1)Fe含量隨著水源熱泵系統(tǒng)的運行有所減少，水質(zhì)類別由Ⅲ類變?yōu)棰蝾?。可能由于系統(tǒng)運行中，抽水回灌過程管道的密封性問題，導(dǎo)致氧氣進入，致使水中的Fe2+發(fā)生反應(yīng)，同時，系統(tǒng)的間歇性運行，可能會改變地下水的徑流條件，使溶濾速度增加，這些因素都可能造成Fe含量的減少；

(2)溶解性總固體含量隨著水源熱泵系統(tǒng)的運行有所增加；

(3)Cl-、硝酸鹽含量隨著水源熱泵系統(tǒng)的運行有所增加，隨著系統(tǒng)的停止有所減少?？赡苡捎谙到y(tǒng)運行過程中，抽水回灌時管道的密封性問題導(dǎo)致氧氣進入，致使水中的NH4+發(fā)生反應(yīng)，水中硝酸鹽含量增加。

表3　評價因子監(jiān)測數(shù)據(jù)表　 mg/L

2)模糊綜合評價法

將2014.11.27樣品編號為A，2015.01.24樣品編號為B，2015.03.20樣品編號為C，結(jié)合表3.4，計算得模糊矩陣[6]分別為：

各因子權(quán)重歸一化結(jié)果見表4。

由表4可知，工程所在地段各樣品的權(quán)重集[7]分別為：

wA=(0.369,0.031,0.288,0.066,0.012,0.234)

wB=(0.471,0.041,0.157,0.019,0.081,0.230)

wC=(0.525,0.008,0.143,0.147,0.022,0.155)

則綜合評價集分別為：

BA=(0.168,0.499,0.332,0, 0)

BB=(0.231,0.467,0.302,0, 0 )

BC=(0.376,0.216,0.408,0, 0 )

依據(jù)最大隸屬度原則[8]，三個樣品水質(zhì)級別分別為Ⅱ類，Ⅱ類和Ⅲ類，可見水源熱泵系統(tǒng)工程的運行對該區(qū)水質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響，但對水質(zhì)類別影響不大。

3結(jié)語

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合工程所在地段水質(zhì)資料，選取溶解性總固體、Cl-、Fe、F-、硝酸鹽和高錳酸鹽指數(shù)這6個指標作為評價因子，選用單因子評價法[3]和模糊綜合評價法[4]相結(jié)合的方法對地下水水質(zhì)進行評價，得出，水源熱泵系統(tǒng)工程的運行對該區(qū)水質(zhì)的影響有一定影響，但對水質(zhì)類別影響不大，且影響在正常范圍內(nèi)變動，是可接受的。

表4　各因子權(quán)重歸一化結(jié)果表

參考文獻

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Analysis on Influence of Groundwater Heat Pump System Running on Water Quality

XU Hong-xia1，YANGFan2

(1.School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China；2.School of Water resources and hydropower,Hohai University,Nanjing210000,China)

Abstract:Taking the ground water heat pump in Chizhou as an example, the paper evaluates the water quality of a ground water heat pump with solitary-factor and comprehensive index. The results show that,the most of the factors of water quality category in groundwater are unchanged and the overall water quality category turns to class three from class two before and after the running of the ground water heat pump.Therefore, the operation of a groundwater source heat pump in Chizhou has little effect on the water quality, and the influence is changed in the normal range.

Key words:Ground water heat pump；groundwater and water quality evaluation

[收稿日期]2016-03-23

[作者簡介]徐紅霞(1987-)，女，河南沈丘人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文水資源。

[中圖分類號]P314.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0052-03