某地下水源热泵系统运行对水质影响分析

徐红霞，杨　帆

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210000)

某地下水源热泵系统运行对水质影响分析

徐红霞1，杨帆2

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210000)

[摘要]以池州某地下水源热泵工程为例，采用单因子评价和模糊综合评价法对地下水源热泵工程运行前后地下水水质进行评价。结果表明，池州某地下水源热泵工程运行前后，地下水中大部分因子水质类别不变，总体水质类别由Ⅱ类变为Ⅲ类。可见，池州某地下水源热泵工程的运行对水质类别影响不大，且影响在正常范围内变动，是可接受的。

[关键词]地下水源热泵；地下水；水质评价

地源热泵技术即利用浅层地温能资源，将土壤或水源作为热源和热汇，使其与埋在地下的热换器中的循环液进行作用，从而达到冷热交换的效果。根据SHRAE中的规定，按所取冷热源的不同，可将地源热泵系统分为土壤源热泵系统(Ground Source Heat Pumps, GSHP)、地下水源热泵系统(Ground Water HeatPumps, GWHP)和地表水源热泵系统(Surface Water Heat Pumps,SWHP)三大类[1]。

地下水源热泵系统，是浅层地温能开发利用的一种重要途径，它是地源热泵系统中效率较高、成本较低的一种热泵形式[2]。当所利用的含水层属地下水资源开发利用层时，地下水源热泵一般采取“地下水抽采-能量交换-回灌”的循环过程，以达到在尽量减少工程运行对地下水资源数量与质量影响的前提下，合理利用地下水体中所赋存的热能。但地下水源热泵的“抽-回”系统运行过程中，对含水层中地下水水质可能造成一定的影响，为此，利用池州某大厦地下水源热泵工程实例进行水质监测，评价其对地下水水质的影响程度。

1工程概况

本工程位于安徽省池州市，大厦占地面积3.71万 m2，于2013年3月份建成。系统抽水井5口，回灌井8口，开采层位属裂隙岩溶含水层，埋深70～150 m，水量为181 m3/h，空调机组负荷2 152 kw。目前为止，系统运行情况良好。

评估区域地层区划属扬子地层区下扬子层分区和江南地层分区，出露有古生代志留纪—新生代第四纪地层。区内岩层除侏罗系地层外均有出露，现自新至老分述：

1)第四系松散岩类孔隙含水岩组

以冲击为主，其次为湖相堆积物，厚20～50 m，最大厚度35 m左右。

(1)第四系全新统(alQ4)孔隙含水层

该含水层组上部主要由灰黄色和褐灰色的粘土及粉质粘土组成，厚度约15～20 m，其中有冲积形成的厚度约5～6 m的少量黑灰色湖积淤泥层；下部主要由细、中粗粒沙砾形成，厚度约3-8m，其砾石成份以灰岩及石英粉砂岩为主，并含有少量的火成岩及石英岩，粒径一般为1～3 cm，少量达10 cm以上。地下水赋存其中水位埋深0.50～3.00 m，少数达6 m以上，单位涌水量0.139～1.457 L/s·m，富水性中等，地下水化学类型主要为HCO3-Ca型，矿化度小于1 g/L，水温17℃～20℃。该层主要接受大气降水补给，迳流条件良好，微承压、潜水型多下渗补给其下伏含水岩层。

(2)第四系上更新统(alQ3)孔隙含水层

该含水层组由冲积形成，上部主要由灰黄、黄褐色和棕黄色粉质粘土及粘土构成，且含有核径约0.2～0.5 cm的铁锰质结核；下部主要由石英砂岩砾石构成。该层主要接受大气降水补给，迳流条件差，富水性较弱，水化学类型主要为HCO3-Ca型。

2)第三系大通群Ed碎屑岩类隔水岩组

该隔水层组主要由灰紫色、棕褐色的砾岩和砂砾岩构成，结构致密，厚度高达1000m，虽裂隙较发育，但多被粘土充填，因而为相对隔水岩组。

3)三迭系裂隙岩溶含水岩组

(1)中统东马鞍山组(Td)裂隙岩溶含水层

该含水层组主要由浅灰、红褐色微晶藻屑含灰质白云岩、藻纹层微晶含膏假晶灰质白云岩，顶部膏溶角砾岩。含石膏层。厚度>317 m。

(2)下统南陵湖组(Tn)裂隙岩溶含水层

该含水层组主要由深灰、青灰、灰红等色的白云岩及白云质灰岩构成，厚度约600 m，顶部夹有少量的紫红色瘤状灰岩，呈薄―中厚层状。岩石结构致密，较完整坚硬。地表露头溶沟、溶槽、石芽、溶洞及溶蚀漏斗极为发育，溶隙充填有红色铁质物及粘土。该组主要接受大气降水和其它含水层补给，迳流条件良好，地下水主要以管道流形式向其它含水层渗透，部分以泉的形式补给地表水体。富水性中等偏强，单井最大出水量可达2 000 m3/d，单位涌水量为0.47～4.329 L/s·m，水温17℃～20℃，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型，矿化度0.26～0.31 g/L。

(3)下统和龙山组(Th)裂隙岩溶含水层

该含水层组厚度约143～235 m，上部主要由青灰色、浅灰色的条带状灰岩夹钙质页岩构成；下部主要由黄绿色的钙质页岩夹条带状灰岩构成。地表仅见石芽、溶沟等，裂隙较发育，局部见溶隙。该层组主要接受大气降水和其它含水层补给，富水性较差，迳流条件一般，排泄方式主要为侧向迳流排泄。

(4)下统殷坑组(T1y)裂隙岩溶含水层

该含水层组厚度约58～83 m，上部主要由深灰色得薄至中厚层灰岩构成；下部主要由黄绿、灰绿色钙质页岩构成。裂隙、溶隙及溶洞均较发育，洞径约0.8～2.5 m。该层地下水赋存在溶隙及溶洞之中，主要接受大气降水及其它含水岩层(组)补给，富水性一般，迳流条件较好，排泄方式主要为侧向排泄。

2水质评价

2.1水质数据分析

取样时间及水质数据见表1和图1。

图1　水质数据变化曲线

由表1可知：pH、SO42-、硝酸盐含量随着水源热泵系统的运行有所增加，随着系统的停止有所减少，而HCO3-、总硬度、总碱度含量则随着系统的运行有所减少。

该区中统东马鞍山组(Td)含有石膏层，石膏是单斜晶系矿物，其主要化学成分为CaSO4的水合物。由于水源热泵系统的运行，可能引发含水层水压和渗流途径的改变，导致地下水中SO42-的大量出现。

2.2评价方法

地下水水质变化是多种因子共同作用的结果，是一个模糊和渐变的过程。因此地下水水质评价可以选用单因子评价法[3]和模糊综合评价法[4]相结合的方法。

表1　水质数据统计表

注：2014.11.27和2015.03.20均属工程间歇期；2015.01.24属工程运行期。

2.3地下水水质评价

根据水质监测结果，SO42-含量随着水源热泵系统的运行急骤增加，这可能是由于中统东马鞍山组(Td)裂隙岩溶含水层中含有石膏层所致，因此不作为水质评价因子。结合项目所在地段水质资料，选取溶解性总固体、Cl-、Fe、F-、硝酸盐和高锰酸盐指数这6个指标作为评价因子，其在《中华人民共和国地下水质量标准》[5]中的限值见表2。

表2　评价因子限值表　mg/L

1)单因子评价法

各评价因子监测结果见表3。

由3表可得出结论：

(1)Fe含量随着水源热泵系统的运行有所减少，水质类别由Ⅲ类变为Ⅱ类。可能由于系统运行中，抽水回灌过程管道的密封性问题，导致氧气进入，致使水中的Fe2+发生反应，同时，系统的间歇性运行，可能会改变地下水的径流条件，使溶滤速度增加，这些因素都可能造成Fe含量的减少；

(2)溶解性总固体含量随着水源热泵系统的运行有所增加；

(3)Cl-、硝酸盐含量随着水源热泵系统的运行有所增加，随着系统的停止有所减少。可能由于系统运行过程中，抽水回灌时管道的密封性问题导致氧气进入，致使水中的NH4+发生反应，水中硝酸盐含量增加。

表3　评价因子监测数据表　 mg/L

2)模糊综合评价法

将2014.11.27样品编号为A，2015.01.24样品编号为B，2015.03.20样品编号为C，结合表3.4，计算得模糊矩阵[6]分别为：

各因子权重归一化结果见表4。

由表4可知，工程所在地段各样品的权重集[7]分别为：

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)

则综合评价集分别为：

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 )

依据最大隶属度原则[8]，三个样品水质级别分别为Ⅱ类，Ⅱ类和Ⅲ类，可见水源热泵系统工程的运行对该区水质产生了一定的影响，但对水质类别影响不大。

3结语

根据水质监测结果，结合工程所在地段水质资料，选取溶解性总固体、Cl-、Fe、F-、硝酸盐和高锰酸盐指数这6个指标作为评价因子，选用单因子评价法[3]和模糊综合评价法[4]相结合的方法对地下水水质进行评价，得出，水源热泵系统工程的运行对该区水质的影响有一定影响，但对水质类别影响不大，且影响在正常范围内变动，是可接受的。

表4　各因子权重归一化结果表

参考文献

[1]李小鹏.长沙市某医院土壤源热泵系统工程应用与经济性能分析[D].湖南大学.2011.

[2]刘瀚,陈安国,周吉光,等.浅层地温能开发利用的环境效应[J].中国国土资源经济.2013,26(8):36-39.

[3]翟敏.用单因子和综合指数法评价农村小型集中式供水水质[J].环境与职业医学.2010,27(7).

[4]管延海,李强,柴成繁.模糊数学方法在天津市地下水水质评价中的应用[J].地下水.2008,30(2):27-28.

[5]GB/T14848-93,中华人民共和国地下水质量标准[S].

[6]程凤林,马英芝,申红莲,等.模糊综合评判法在水环境评价中的应用[J].黑龙江科技信息.2014,12:123.

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[10]HJ-T164-2004.地下水环境监测技术规范[S].

[11]SL58-1993,水文普通测量规范[S].谢文逸.基于GMS的某电厂地下水污染物运移研究[D].合肥工业大学.2013.

[12]王菲,刘佩贵，等.浅薄含水层水源热泵井群设计方案研究[J].地下水.Nov.,2013,Vol.35,NO.6.

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

[作者简介]徐红霞(1987-)，女，河南沈丘人，在读硕士研究生，主攻方向：水文水资源。

[中图分类号]P314.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0052-03