安陽(yáng)市淺層地下水再利用回灌對(duì)地下水的影響

張國(guó)建,楊德貴,尉鵬翔

(1.河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,河南鄭州 453002;2.太原市水文水資源勘測(cè)局,山西太原 030002)

安陽(yáng)市淺層地下水再利用回灌對(duì)地下水的影響

張國(guó)建1,楊德貴1,尉鵬翔2

(1.河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,河南鄭州 453002;2.太原市水文水資源勘測(cè)局,山西太原 030002)

利用安陽(yáng)市水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了淺層地下水再利用回灌對(duì)地下水的影響。地下水水質(zhì)、地下水溫度場(chǎng)及地下水水位的分析結(jié)果表明,目前安陽(yáng)市淺層地下水再利用回灌未對(duì)地下環(huán)境造成明顯不利影響。

水源熱泵;地下水;溫度場(chǎng);安陽(yáng)市

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)是一種節(jié)能和環(huán)保的熱泵技術(shù)。安陽(yáng)市水源熱泵空調(diào)從無(wú)到有,自2001年以來(lái),相繼批準(zhǔn)了具有商場(chǎng)性質(zhì)的文峰時(shí)代廣場(chǎng)、銀基商貿(mào)城,具有教學(xué)辦公性質(zhì)的市廣播電視局、市第五中學(xué)、市第五人民醫(yī)院和市公安局,具有研究試驗(yàn)性質(zhì)的安陽(yáng)農(nóng)科院棉花研究所、三分莊,具有餐飲服務(wù)性質(zhì)的喜相逢大酒店、南灣湖湘菜館共10家單位,并作為試點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以地下水作為熱量交換媒介,運(yùn)行過(guò)程中對(duì)地下水會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為安陽(yáng)市市區(qū),安陽(yáng)市區(qū)主要坐落于安陽(yáng)河沖洪積扇上。安陽(yáng)沖洪積扇是中、晚更新世及全新世后期次復(fù)合堆積而成的,具有明顯的上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu)。其三面被丘陵崗地環(huán)繞,向東敞開(kāi),呈向東傾的簸箕狀,封閉條件較好,構(gòu)成一完整的水文地質(zhì)單元。

安陽(yáng)市區(qū)地形平坦,表層多為粉土,有利于大氣降水的補(bǔ)給,含水介質(zhì)由中上更新統(tǒng)砂、卵礫石層組成,分布規(guī)律是扇的主流帶較厚,顆粒較粗,向兩側(cè)及下部逐漸變薄、變細(xì)。研究區(qū)主要是開(kāi)采淺層(100m以上)地下水,淺層地下水儲(chǔ)存在安陽(yáng)沖洪積扇松散巖類(lèi)孔隙水儲(chǔ)水介質(zhì)中,其底部是由第三系黏土巖下更新統(tǒng)泥礫或黏土組成的相對(duì)隔水層。

安陽(yáng)市區(qū)淺層地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給和河渠的自由滲漏補(bǔ)給,其次為農(nóng)灌入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給。市區(qū)地下水的總體流向是由西向東,由于近些年來(lái)的集中開(kāi)采,形成了以安陽(yáng)市為中心的區(qū)域性水位降落漏斗,改變了地下水原來(lái)的徑流方向,使得周?chē)叵滤邢蚵┒分行膮R流。市區(qū)地下水的主要排泄方式為人工開(kāi)采,其次為東部的側(cè)向徑流排泄。

安陽(yáng)市區(qū)內(nèi)地下水以HCO3-Ca?Mg(Ca)型淡水為主 ,HCO3?Cl-Ca?Mg 、HCO3?SO4-Ca?Mg 型水兼有的復(fù)雜局面,礦化度多小于1g/L,可作為工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水。

2 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理[1]

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。地源熱泵通過(guò)輸入少量的高品位能源(如電能),實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移。地能分別在冬季作為熱泵供暖的熱源和夏季空調(diào)的冷源,即在冬季,把地能(這里指的是淺層地下水)中的熱量“取”出來(lái),提高溫度后,供給室內(nèi)采暖;夏季,把室內(nèi)的熱量取出來(lái),釋放到地下。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理

3 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地下水的影響

3.1 對(duì)地下水水質(zhì)的影響

為了了解水源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)地下水水質(zhì)的影響,首先對(duì)安陽(yáng)市目前運(yùn)行的水源熱泵單位的抽水井和回水井取水樣,并對(duì)其化驗(yàn)分析,然后根據(jù)GB5750—85《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》,進(jìn)行抽回水水質(zhì)評(píng)價(jià)(本次評(píng)價(jià)依據(jù) 2009年7月水樣化驗(yàn)結(jié)果)。

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)回水的多項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)都未超過(guò)生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn),超標(biāo)項(xiàng)目只有硬度和硝酸鹽。硬度超標(biāo)是由原生的水文地球化學(xué)特征(條件)決定的,是水化學(xué)背景值的客觀存在;硝酸鹽超標(biāo)與人為污染有關(guān)。

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)抽、回水水質(zhì)基本一致,但少數(shù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化顯著,如文峰時(shí)代廣場(chǎng)氯化物減少56%、錳增加500%、硝酸鹽氮減少79%;銀基商貿(mào)城氨氮增加67%;市廣播電視局鋅減少50%、細(xì)菌總數(shù)增加100%;市公安局鋅增加50%;安陽(yáng)農(nóng)科院棉花研究所錳減少82%、鋅增加222%、細(xì)菌總數(shù)增加110%;南灣湖湘菜館鋅增加 50%、氨氮增加100%、高錳酸鉀指數(shù)增加112%;市第五人民醫(yī)院細(xì)菌總數(shù)增加64%。錳、鋅的增加可能與水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、管道使用的材料有關(guān);氯化物、硝酸鹽氮、氨氮及細(xì)菌總數(shù)的變化與人類(lèi)活動(dòng)和溫度場(chǎng)的變化相關(guān)。

3.2 對(duì)地下水溫度場(chǎng)的影響

由圖2可知,南灣湖湘菜館和銀基商貿(mào)城兩家水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的地下水溫度呈現(xiàn)略微上升趨勢(shì),其他水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地下水溫度波動(dòng)不大,地下水水溫處于隨季節(jié)略有變化的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定中?？梢?jiàn)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地下水溫度場(chǎng)影響不大。

圖2 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地下水溫度變化曲線

3.3 對(duì)地下水水位的影響

通過(guò)野外試驗(yàn)計(jì)算,回灌量的大小除與地層有關(guān)外(卵礫石層疏干區(qū)與相對(duì)未疏干區(qū)回灌量大[2]),還與成井工藝密不可分。三分莊與市廣播電視局抽注試驗(yàn)相比,兩試驗(yàn)點(diǎn)均處在同一水文地質(zhì)單元內(nèi),三分莊卵礫石層疏干程度較市廣播電視局大,由于采用的濾水管不同,其計(jì)算滲透系數(shù)相差1.26倍,計(jì)算單井最大注水量相差1.52倍。市第五中學(xué)與市公安局抽注試驗(yàn)相比,試驗(yàn)段也同處在一個(gè)水文地質(zhì)單元,水文地質(zhì)條件基本相似,市公安局處卵礫石料徑較市第五中學(xué)大些,但由于成井工藝存在差異,市公安局抽注試驗(yàn)的結(jié)果反而小于市第五中學(xué),其計(jì)算滲透系數(shù)相差1.50倍,計(jì)算最大回灌量相差1.16倍。試驗(yàn)的這5眼井,回灌量最大的是市廣播電視局,未采用傳統(tǒng)的鋼管或水管打眼包棕片包網(wǎng)濾水管,而是采用較先進(jìn)的孔隙高、耐腐蝕的鋼質(zhì)橋式濾水管,其他4眼均采用傳統(tǒng)的包網(wǎng)濾水管,其回灌量相對(duì)較小(三分莊處于卵礫石疏干部位)[3]。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

由圖3可知,水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地下水水位無(wú)明顯影響,可見(jiàn)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的回灌效果比較好。

表1 單井最大注水量統(tǒng)計(jì)

圖3 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)地下水水位變化曲線

4 環(huán)境效益分析

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是一種新型中央空調(diào)系統(tǒng),它以水為載體,借助熱泵系統(tǒng)置換地溫,使能量轉(zhuǎn)換達(dá)到冷、暖兩用的目的,在一定程度上有節(jié)能環(huán)保、高效經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn),特別是對(duì)臭氧層起到了一定的保護(hù)作用。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以水作為載體,但其耗水量微乎其微,根據(jù)目前安陽(yáng)市運(yùn)行情況看,除空調(diào)機(jī)組消耗少部分地下水外(主要是凈化水質(zhì)、濾砂時(shí)消耗的地下水),絕大部分回灌地下。統(tǒng)計(jì)分析,抽取地下水每100m3消耗水約1m3,即耗水約1%.若在鑿井過(guò)程中,加強(qiáng)成井質(zhì)量管理,減少出砂量,耗水量降低的可能性很大[4]。

在水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用中,由于水源熱泵空調(diào)設(shè)備生產(chǎn)廠家的不同,對(duì)材料的應(yīng)用不一,給地下水水質(zhì)也帶來(lái)了一些影響,如在測(cè)試中,多數(shù)鋅的含量都有增高的趨勢(shì),部分鐵錳也有增高的勢(shì)頭,由于回灌時(shí)人為的污染,造成部分回灌井中的地下水硝酸鹽、高錳酸鹽指數(shù)增高。

通過(guò)以上分析,雖然水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在環(huán)境保護(hù)方面有許多優(yōu)點(diǎn),但也存在一定的缺點(diǎn),所以在今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水源熱泵設(shè)備所用材料的管理,以及盡可能地減少回灌水源的人為污染。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)安陽(yáng)市水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)分析表明,淺層地下水再利用回灌未對(duì)地下水環(huán)境造成明顯不利影響。但淺層地下水再利用回灌對(duì)地下水環(huán)境的影響,特別是對(duì)地下水水質(zhì)、水量、溫度場(chǎng)的影響,到目前系統(tǒng)性的研究成果較少。本文只是在安陽(yáng)市局部地區(qū)就目前水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地下水環(huán)境的初步分析,長(zhǎng)期使用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地下水環(huán)境的影響程度還需進(jìn)行長(zhǎng)期的調(diào)查研究。為此,應(yīng)盡快開(kāi)展水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)對(duì)地下水水質(zhì)、水位、溫度場(chǎng)影響的系統(tǒng)研究,為水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

[1]蔣能照,劉道平.水源?地源?水環(huán)熱泵空調(diào)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:35-39.

[2]謝新民,張海慶.安陽(yáng)市水資源綜合評(píng)價(jià)[R].安陽(yáng):河南省安陽(yáng)市水利局,2001:30-50.

[3]張國(guó)建,張和軍.安陽(yáng)市地下水回灌技術(shù)研究報(bào)告[R].鄭州:河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,1999:25-40.

[4]云桂春,成徐州.人工地下水回灌[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004:43-47.

Impact of reusing recharge to shallow groundwater on groundwater in Anyang

ZHANG Guo-jian1,YANG De-gui1,WEI Peng-xiang2
(1.Investigation Institute of Hydrogeology and Engineering Geology of Henan Province,Zhengzhou453002,China;2.Taiyuan Hydrology and Water Resources Survey Bureau,Taiyuan030002,China)

The impact of reusing recharge to shallow groundwater on groundwater was analyzed using monitoring data of the water source heat pump air conditional system.Through analysis of water quality,temperature,and the groundwater level,the results showed that the negative effect of reusing recharge to shallow groundwater on groundwater was not significant in Anyang.

water source heat pump;groundwater;temperature field;Anyang City

X832;P641.8

A

1004-6933(2010)03-0038-03

張國(guó)建(1968—),男,河北安新人,高級(jí)工程師,主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)研究。E-mail:zgj1128@163.com

2008-12-08 編輯:熊水斌)