城市浅层地热能开发地质环境问题研究

朱 巍，张 静，唐 雯，张旭升，毕立坤

（1.中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳 110000；2.辽宁省地质环境监测总站，辽宁沈阳 110033；3.辽宁省第二水文地质工程地质大队有限责任公司，辽宁大连 116037）

0 引言

在浅层地热能开发利用的过程中，地下能源的采集是关键环节，开发利用的合理性尤为重要，直接影响着周围的生态环境。北方地区供暖和制冷两种工况的运行时间相差较大时，地层的冷热平衡会随时间而发生较大的变化，最终导致被破坏（王秉忱，2012；王静等，2012；薛禹群，2012；吴烨等，2013；郎旭娟等，2016）。冷热平衡被打破时，会影响土壤中微生物种群的数量、植被的生长速度，导致地层中N2O和CH4集中释放、地层孔隙度变化、地下水质发生变化等；当回灌率较低时，会造成地下水资源的浪费、地下水位的下降以及地面塌陷等地质环境问题（李保珠等，2011；蔺文静等，2012，2013；班文韬等，2018；葛伟亚等，2021）。

采用地源热泵技术开发浅层地热能，系统运行过程中，管路进出口温度存在一定温差，系统持续运行将导致出口温度呈现升降的变化，即为热贯通（杨红亮等，2010；吴烨等，2013，李修成等，2016）。温度变化持续出现会引起土壤及地下水的热污染和相关生态环境问题（倪龙等，2006；陈阳等，2012；钟美玲等，2018）。当采集、排放热能超过其热补偿、扩散能力时，地下空间的天然冷热平衡会被破坏，土壤或地下水体的冷热量长期处在失衡状态，其温度会相应变化，进而直接影响热泵系统运行效率，严重时导致系统运行异常，土壤温度持续变化的状态也会影响微生物环境和周围植物生存环境等（戚美等，2008；马宏权等，2009；张博等，2011；豆惠萍等，2019）。

地层岩性主要为砂、粘土、砾石时，无法完全避免地下水的热贯通问题（曲云霞等，2007；赵静等，2009；朱家玲等，2012；李修成等，2016）。热贯通现象的持续，会导致地下水温度在冬季越来越低，夏季越来越高，当地源热泵开发类型、孔位、成井材料和探井工程设计不合理时，在运行过程中会造成热污染、地面沉降、地下水位下降、水质恶化等地质环境问题（卢予北等，2004，2011，2012）。

1 研究区背景

研究区位于大连市主城区（图1），辽东半岛南部，西北面为渤海，东南面向黄海，西南隔海为胶东半岛。地貌受到长期内外力地质作用的影响，同时在新构造运动与海水作用的影响下，形成了山地半岛类型的地貌特征，即丘陵多平原少，丘陵面积约占全区总面积80%，沟谷平原面积不足20%。年平均气温10℃。年降水量600～700 mm。区内前第四纪地层相对单一，仅出露新元古界青白口系、南华系、震旦系及新生界第四系，其中青白口系－震旦系发育完整，出露面积619.37 km2，占总面积84.89%，顶、底界线清楚。第四纪沉积物岩性包括砾（卵石、角砾）、砂砾、含砾砂、砂、粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘土、粘土、泥砾、淤泥、泥炭和黄土。

图1 大连市主城区分布位置（a）和区位图（b）Fig.1 Distribution （a） and location map （b） of the main urban area of Dalian City

2 地层热物理性质特征

2.1 地层热响应特征

在研究区内不同地貌单元完成现场热响应试验6组，测试孔位深度120～200 m，通过试验结果（表1），反映地层热响应特征，试验数据分析结果见图2、3。

表1 现场热响应试验成果表Table 1 Results of field thermal response tests

图2 大连市南关岭地温变化曲线图Fig.2 Ground temperature variations of Nanguanling in Dalian City

图3 大连市金普地温变化曲线图Fig.3 Ground temperature variations of Jinpu in Dalian City

研究区试验结果显示，供暖期间，通过热泵把地层中低品位热能进行提升，然后在能量释放末端实施供暖，同时在地层中蓄存冷量。制冷期间，通过热泵把空气中的热量输送到地层中进行能量交换，从而实现制冷降温，同时在地层中蓄存热量，在一年供暖制冷期内，向地下取出的热量等于夏季向大地蓄存的能量，则地层中低品位能量收支平衡。如果地层的吸热和放热的平衡破坏，多余的能量（热量和冷量）就会在地层中叠加，会引起地层中温度的变化。地层中的冷热平衡的破坏和温度的变化不仅会影响热泵的换热性能，増加运行费用，而且还会造成区域性生态环境的破坏（王艳霞等，2008）。

区内地温场的垂向分布特征总体表现为随深度的增加，地温缓慢升高，变化类型属于直线渐变升温型，但是不同深度的地温变化具有一定的差异性。恒温带以上区域，地温变化主要受到太阳能的影响，随着近地表气温的季节性变化而变化，地温的波动较大；恒温带以下区域，地温变化主要受到地球内部热源的影响，随着深度的增加温度逐渐升高，地温梯度为1.7～2.1℃/100 m。能量交换后的循环水通过回灌井进入地下，不可避免地会影响地温场的变化，主要含水层中地下水温度影响最大，并且随着热泵运行时间的推移，地温场温度的变化幅度会逐渐加大，影响范围也不断向外扩展。若采灌井间距过小，即使回灌井位于开采井的下游，由于开采井取水形成局部降落漏斗，漏斗伸向回灌井方向，回灌井温度的变化也可能会影响到开采井周围，使得热泵机组利用地温场的温差减小，影响系统换热效率，节能效率和应用效果会明显降低。

2.2 地层冷热平衡特征

浅层地热能主要通过热泵技术开发利用。根据研究区地埋管孔壁、钻孔中心和边界土壤在运行一年的过程中，各月土壤的平均温度变化监测结果显示（表2），地埋管壁面温度随季节变化，冬季1月管壁温度比周边地层低0.8℃，夏季8月管壁温度比周边地层高24.9℃，由于地层冷热平衡不均，导致在运行时间内，地埋管周边土壤温度由初始的16.8℃上升至17.3℃，提升了0.5℃。利用地下水源热泵系统供暖制冷时，同样会使地层温度发生变化，当地下水回灌困难或排放市政管网中时，必将加重市政管网的负担，严重时会造成市政管网瘫痪，其危害更大。

表2 地埋管钻孔及周边土壤年度运行温度变化（℃）Table 2 Annual operating temperature change （℃） of buried pipe drilling and surrounding soil

3 地质环境问题

3.1 热污染造成的环境问题

研究区长期利用地埋管或水源热泵开发利用浅层地热能时，如果设计不合理或者地下水回灌率低，供暖期、制冷期运行时间差别较大时，地层将导致冷热失衡。这些现象将造成区域性热污染，土壤和地下水的热污染最终导致土壤微生物、植被和地层孔隙度变化。区域水温和土壤温度升高使水中溶解氧逐年减少，水体和土壤本身处于缺氧状态，水生生物或土壤微生物代谢率增高从而需要更多氧气，造成部分水生生物和微生物在热效力作用下发育受阻或死亡，破坏区域生态平衡（廖荣等，2010；吴烨，2013，2014；王卫星等，2015）。地表土壤中氧气浓度较低，植物夜间无法进行光合作用时会死去。温度通过影响植被体内生物酶的活性对植被生长发育及完成整个生命周期产生重要的影响。

北方地区热污染对地层土壤结构影响较大，温度对冻结土壤入渗能力有重要作用。东北冻土地区，在冻结条件下，土壤温度变化会引起固、液相水分比例失调，地层孔隙度变化，随温度逐步升高，土壤饱和导水率呈上升态势，冻结土壤逐步融化，呈现蠕动或流动状态，此时冻土处于退化过程，其地层结构发生变化，岩土强度随之降低（倪龙等，2006；闫岩等，2018）。冻土融化将产生温室气体集中排放。地层中温室气体N2O年总排放量约70%发生在土壤融化、冻结过程，冻层下产生大量N2O、CH4气体，土壤冻层融化后，气体上移释放（安树青等， 2007）。因此，冻土区温度升高会造成山体边坡失稳、路面塌陷、地基不均匀沉降、温室气体集中释放等系列地质环境问题。

3.2 地面沉降与塌陷问题

研究区抽取地下液体是诱发地面沉降的重要原因。土体覆盖层荷载引起的总应力由土壤孔隙中的水和颗粒共同承担，孔隙含水层抽取地下水，水位变化会降低地下水压力，并等量增加土体有效应力，粘土层会产生次生固结压密，降低水浮力的同时，产生附加应力，含水砂层排水固结，压密下沉，并随水位抬升而回弹。粘土层固结变形和砂层压密变形的相互叠加，就造成了地面沉降或塌陷。

超采地下水资源导致大面积地下水位降落漏斗，水位降低会改变地层中含水层以及顶、底板弱透水层应力状态变化，含水层和弱透水层同时释水，从而使弱透水的粘土层压缩变形，严重时导致地面沉降及地裂缝。在构造沉降基础上，长期开采地热形成的地面沉降，可引发建筑物基础不均匀下沉、倾斜和房屋裂缝和地下管线破坏，从而严重影响建筑物的正常使用和寿命；由于地面沉降造成地面高程的降化，导致城市和乡镇雨季大量积水、防洪工程能力下降，严重影响着城市交通、生产和生命财产安全；由于地面不均匀沉降或塌陷，在包括大连在内的许多地区已形成地裂缝地质灾害。

研究区浅层地热能赋存于第四系和新近系松散地层，主要为松散地层孔隙水，具有含水层分布广、资源丰富、易开采、恢复性强等优点，在粗颗粒松散层和基岩裂隙地层，以水源热泵开发浅层地热能时，一般采用抽回1∶1模式；细颗粒地层多采用抽回1∶2～1∶4模式。在此抽回比例下，突出问题是回灌困难，为解决回灌困难问题和减少成本，采取回灌井与市政排水管网连接，使回灌水分流，这种情况在北方地区普遍存在，危害较大。

3.3 地下水污染问题

地下水大量开发利用和超采加速了水中污染物的迁移，地下水位降落、漏斗面积的扩大和水位下降破坏了原有地下水的水力平衡，污染水通过渗流方式迁移至深部含水层，导致深部清洁地下水逐步污染，出现水质恶化和污染水界面下移问题（曲云霞等，2007；朱娜等，2007；张博等，2011）。目前研究区多数水源热泵工程的水源井管材和地面设备均为金属，在地下水循环、冷却系统中存在大量硫酸盐还原菌、硝化细菌、硫杆菌、铁细菌等腐蚀性细菌。另外热泵系统属于开放式循环模式，管网设备存在大量腐蚀细菌、泥砂、粉尘和无机物等，这些混合物在一定环境和温度条件下形成微生物粘泥沉积其中，不仅造成设备堵塞，降低运行效率，还会造成地下水水质恶化和污染。

供暖制冷期运行导致的地下水温度变化直接影响地下水中污染物的降解，从而间接影响着地下水水质。抽取回灌过程中，空气中的氧会随之溶解在地下水中，会造成地下水水质的变化。北方地区制冷季节正常回灌水的温度约为22℃，若井间距偏小时地下水的回灌温度将超29℃，这种情况下菌落种群将增多，细菌大量繁殖，并增加了细菌的新陈代谢，导致地下水中硫酸盐、硝酸盐等浓度增加，使得地下水中的总硬度、溶解性总固体、及SO42-、Cl-等含量处于上升状态，回灌井周边的温度适宜反硝化菌和有机污染物降解菌的生长繁殖，从而抑制了地下水中的氮污染物和有机污染物的浓度。

4 结论

浅层地热能开发利用的合理性直接影响区域生态和地质环境，特别是地层冷热平衡被破坏以及回灌困难时，将导致植被、生物种群变化和热污染、地下水位下降、地面沉降和地下水质污染恶化等问题。总之，把浅层地热清洁能源开发利用和环境影响同步研究，是使其真正达到可持续发展的切实可行的途径。

（1）研究区地埋管在运行一年的过程中，周边土壤温度由初始的16.8℃上升至17.3℃，提升了0.5℃。因此长期利用热泵系统开发利用浅层地热能时，如果设计不合理或者地下水回灌率低，会导致地层冷热平衡的破坏。

（2）冷热平衡的破坏会导致地层中热能逐年叠加，土壤温度大幅提升，进而发生区域性热污染，土壤和地下水的热污染最终影响土壤中微生物种群数量、植被的生长速度。土壤或地下水温度越高，氧气的溶解度越低，地表土壤中氧气浓度较低时，植物会因夜间无法进行光合作用而死去，温度通过影响植被体内生物酶活性对植被生长发育及完成整个生命周期产生影响。

（3）东北冻土区出现地层温度升高现象时，会造成山体边坡失稳、路面塌陷、建筑物地基不均匀沉降、温室气体N2O和CH4集中释放等系列地质环境问题。当供暖期大于制冷期时，地层温度逐年下降，会造成生物生长速度过缓。

（4）热泵系统运行导致的温度变化，直接影响着地下水中污染物的降解，间接影响着地下水质。抽取、回灌地下水时，空气的氧气随之溶解于地下水中，会造成地下水质的变化。

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