天津市地下水地源热泵系统地下水化学动态特征浅析

邴国林

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)



天津市地下水地源热泵系统地下水化学动态特征浅析

邴国林

(天津地热勘查开发设计院，天津 300250)

对天津市地下水地源热泵系统所利用的第四系地下水的化学特征进行分析，通过对40个地下水地源热泵系统工程水质取样分析，研究地下水地源热泵系统开发利用对地下水化学场的影响，结果表明：第四系各组水源井地下水多年来化学特征总体基本稳定，并没有因系统运行而出现明显变化，但从多年水质成果分析发现，地下水地源热泵系统水源井地下水化学性质比较稳定，系统运行条件变化不明显，大部分系统水源井地下水的总矿化度呈现出多年平稳略有上升的趋势。

天津市；地下水地源热泵系统；化学动态特征；总矿化度

地下水地源热泵系统本身是一个封闭的系统，一般不会通过物质的交换而使地下水遭到污染。然而地下水地源热泵系统的运行处于一个复杂的地质环境中，系统在对井或多井抽灌取排热过程中，会显著改变地下水原先均匀的温度分布[1]，由于混合作用、氧化还原反应、溶解/沉淀作用等水化学作用，将改变回灌水影响范围内原本的地下水化学平衡，不可避免的对地下水化学场产生一定的影响。

天津市地下水地源热泵系统主要利用第四系松散岩类孔隙水。除北部山区外，天津市广大地区均覆盖了松散的第四系沉积层，厚度为300～450 m，地层多为冲洪积、冲积、沼、湖积和海积，形成了砂、砂性土和粘性土之不规则互层，含水层岩性以中细砂、粉细砂为主。地下水地源热泵系统主要利用的第四系松散岩类孔隙水主要是第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组，由于其埋藏较深，不直接参与现代水循环，补给条件较差，主要接受侧向补给和上部浅层水的越流补给，水量丰富。地下水温度一般为16℃～35℃，具有良好的利用温差。

本次共选取40个地下水地源热泵系统工程进行了水样采集分析，采集点基本覆盖了整个研究区。水样采集严格按照地下水相关规范操作，及时送往化验单位，水样分析的时限、存放和运送均严格遵照《水质检测规范》SD127-84执行。

1 地下水化学分布特征

1.1 平面分布特征

天津市由北部山前平原向南部平原，含水层颗粒变细，径流条件变差，地下水由强径流带过渡到径流滞缓带和排泄带，呈现出由北向南的水平水化学带规律，反映出水化学分带与水动力分带是一致的。

1.2 垂向化学特征

通过对第四系第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组水质分析报告对比分析：整体上第Ⅱ、Ⅲ含水组地下水的总矿化度较第Ⅳ含水组高，但相差不大；第Ⅱ、Ⅲ含水组地下水埋深与总矿化度之间的线性关系不明显，这可能与取样地点较少有关，根据天津市第Ⅳ含水组地下水总矿化度与取水段埋深的散点图(图1)分析，第Ⅳ含水组地下水的总矿化度与埋深存在着反相关关系，这与地下水径流强度、含水介质岩性、温度及径流距离有关[2]。

图1 天津市第Ⅳ含水组地下水总矿化度与取水段埋深相关图

2 主要离子动态变化特征

2.1 主要离子成分分析

总矿化度表示水中各种盐类，即全部阴离子和阳离子。地下水总矿化度可以反映人类活动影响下地下水水质变化的一个重要指标[3]。地下水中化学组分特别是常量组分浓度的变化，将随之引起总矿化度的变化。因此，总矿化度能很好地反映地下水中物质组分在总体上的分布特征和变化趋势。

天津市地下水地源热泵系统工程水源井地下水中的主要离子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-，阳离子均以Na+、K+为主，其次是Ca2+和Mg2+。Na++K+含量随总矿化度的增加而增加，与各含水组关系不大，与总矿化度呈明显的正相关关系；Ca2+、Mg2+也显现出同样的规律(图2～图4)。相关系数均在0.95以上。

图2 Na++K+与总矿化度的关系图

地下水中阴离子的变化则显得较为复杂，随总矿化度的不同而有所差异。当总矿化度小于2 000 mg/L时，阴离子以HCO3-为主，当总矿化度大于2 000 mg/L时，阴离子以Cl-、SO42-为主。整体来说地下水的Cl-、SO42-含量与总矿化度呈正相关关系，相关系数均在0.95以上(图5、图6)；HCO3-含量则与总矿化度关系不大(图7)。

图3 Ca2+与总矿化度的关系图

图4 Mg2+与总矿化度的关系图

图5 HCO3-与总矿化度的关系图

图6 Cl-与总矿化度的关系图

图7 SO42-与总矿化度的关系图

2.2 主要离子动态变化特征

通过跟踪分析多年地下水水质检测报告可知，各个含水组地下水地源热泵系统水源井的化学性质比较稳定，开采条件下变化不明显，虽然个别离子组分含量表现略微增大或减小的动态特点，但这些细微的变化主要与当年取样时地下水的温度不同有关，并没有影响地下水的化学特征和水化学类型，如天津市地矿局办公楼地下水地源热泵系统工程。

天津市地矿局办公楼地下水地源热泵系统运行的3年期间，通过跟踪检测水质变化曲线图(图8、图9)可知，水质并无明显变化，水化学类型稳定，接受DCG-3井水回灌的DCG-2井水矿化度降低，接受DCG-2井水回灌的DCG-3井水的矿化度增高，水质向着回灌水方向演化，且各离子的变化趋势基本一致，说明整个系统运行过程中对各离子的影响程度基本相同，可以看成是简单的水质混合作用，并没有发生异常的增高或降低。

图8 DCG-2井多年水质变化曲线

图9 DCG-3井多年水质变化曲线

虽然大多地下水地源热泵系统水源井的化学组份及特征并没有发生明显变化，但从多年水质成果分析发现，地下水的总矿化度仍然存在一定的变化规律：大部分系统工程水源井的总矿化度呈现出多年平稳略有上升的趋势(见图10)。这种动态变化特征应与连续多年开采所引起的地下水动力场变化有关。在天然条件下，天津市地下水接受北部山区和大气降水的入渗补给，自北向南径流流入渤海。但随着地下水的开采强度和规模不断增大，地下水资源弹性储量逐渐减少，地下水径流速度加快，水位降落漏斗逐渐形成，使得渤海海水转而补给地下水，致使各含水组地下水矿化度普遍出现微弱上升的开采动态特征。

图10 部分地下水地源热泵系统总矿化度历年变化曲线

3 结语

(1)天津市第四系地下水在平面上呈现出由北向南的水平水化学带规律，反映出水化学分带与水动力分带是一致的；在垂向上第Ⅱ、Ⅲ含水组地下水的总矿化度较第Ⅳ含水组高，第Ⅱ、Ⅲ含水组地下水埋深与总矿化度之间的线性关系不明显，第Ⅳ含水组地下水的总矿化度与埋深存在着反相关关系。

(2)天津市地下水地源热泵系统地下水中阳离子均以Na+、K+为主，其均随总矿化度的增加而增加，与各含水组关系不大，与矿化度呈明显的正相关关系；当总矿化度小于2 000 mg/L时，阴离子以HCO3-为主，当总矿化度大于2 000 mg/L时，阴离子以Cl-、SO42-为主。整体来说地下水的Cl-、SO42-含量与矿化度呈正相关关系，而HCO3-含量则与矿化度关系不大。

(3)通过跟踪分析多年地下水水质检测报告可知，地下水地源热泵系统水源井地下水的化学性质比较稳定，系统运行条件下变化不明显，虽然个别离子组分含量表现略微增大或减小的动态特点，但这些细微的变化主要与当年取样时地下水的温度不同有关，并没有影响地下水的化学特征和水化学类型。

(4)虽然大多地下水地源热泵系统水源井的化学组份及特征并没有发生明显变化，但从多年水质成果分析发现，大部分系统工程水源井地下水的总矿化度呈现出多年平稳略有上升的趋势。

[1]刘九龙，邴国林，袁小飞，等. 天津市地下水地源热泵系统回灌技术研究及工程示范报告[R].天津地热勘查开发设计院.2015.

[2]杜军，杨培岭，李云开，等.河套灌区年内地下水埋深与矿化度的时空变化[J].农业工程学报.2010，(7)：26-31.

[3]黄耀裔，王天宝，杨琳绗.晋江市地下水矿化度分布及与离子间关系[J].泉州师范学院学报.2014，(2)：40-44.

Groundwater Chemical Dynamic Characteristics of Underground Water Source Heat Pump System in Tianjin

BING Guo-lin

(Tianjin Geothermal Exploration and Development-designing Institute，Tianjin 300250)

The paper analyzed the chemical characteristics of quaternary groundwater used on underground water source heat pump system in Tianjin,and studied on the influence of groundwater chemical field of groundwater development and utilization of ground source heat pump system through water sampling analysis of 40 underground water source heat pump system, the results show that groundwater chemical characteristics of quaternary groundwater overall is basically stable for many years,no obvious change because of the system utilization,but from water examination reports of many years ,it is found that groundwater total mineralization of most of underground water source heat pump system is slightly rising steadily for present years.

Underground water source heat pump system；hydrochemical characteristics and total mineralization

2016-05-18

邴国林(1985-)，女，山东冠县人，工程师，主要从事地热勘查开发利用与动态监测保护方面的工作。

P641.12

A

1004-1184(2016)06-0001-03