天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)地下水化學(xué)動(dòng)態(tài)特征淺析

邴國林

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250)

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天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)地下水化學(xué)動(dòng)態(tài)特征淺析

邴國林

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院，天津 300250)

對(duì)天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)所利用的第四系地下水的化學(xué)特征進(jìn)行分析，通過對(duì)40個(gè)地下水地源熱泵系統(tǒng)工程水質(zhì)取樣分析，研究地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用對(duì)地下水化學(xué)場(chǎng)的影響，結(jié)果表明：第四系各組水源井地下水多年來化學(xué)特征總體基本穩(wěn)定，并沒有因系統(tǒng)運(yùn)行而出現(xiàn)明顯變化，但從多年水質(zhì)成果分析發(fā)現(xiàn)，地下水地源熱泵系統(tǒng)水源井地下水化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行條件變化不明顯，大部分系統(tǒng)水源井地下水的總礦化度呈現(xiàn)出多年平穩(wěn)略有上升的趨勢(shì)。

天津市；地下水地源熱泵系統(tǒng)；化學(xué)動(dòng)態(tài)特征；總礦化度

地下水地源熱泵系統(tǒng)本身是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，一般不會(huì)通過物質(zhì)的交換而使地下水遭到污染。然而地下水地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行處于一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境中，系統(tǒng)在對(duì)井或多井抽灌取排熱過程中，會(huì)顯著改變地下水原先均勻的溫度分布[1]，由于混合作用、氧化還原反應(yīng)、溶解/沉淀作用等水化學(xué)作用，將改變回灌水影響范圍內(nèi)原本的地下水化學(xué)平衡，不可避免的對(duì)地下水化學(xué)場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響。

天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)主要利用第四系松散巖類孔隙水。除北部山區(qū)外，天津市廣大地區(qū)均覆蓋了松散的第四系沉積層，厚度為300～450 m，地層多為沖洪積、沖積、沼、湖積和海積，形成了砂、砂性土和粘性土之不規(guī)則互層，含水層巖性以中細(xì)砂、粉細(xì)砂為主。地下水地源熱泵系統(tǒng)主要利用的第四系松散巖類孔隙水主要是第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組，由于其埋藏較深，不直接參與現(xiàn)代水循環(huán)，補(bǔ)給條件較差，主要接受側(cè)向補(bǔ)給和上部淺層水的越流補(bǔ)給，水量豐富。地下水溫度一般為16℃～35℃，具有良好的利用溫差。

本次共選取40個(gè)地下水地源熱泵系統(tǒng)工程進(jìn)行了水樣采集分析，采集點(diǎn)基本覆蓋了整個(gè)研究區(qū)。水樣采集嚴(yán)格按照地下水相關(guān)規(guī)范操作，及時(shí)送往化驗(yàn)單位，水樣分析的時(shí)限、存放和運(yùn)送均嚴(yán)格遵照《水質(zhì)檢測(cè)規(guī)范》SD127-84執(zhí)行。

1 地下水化學(xué)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，含水層顆粒變細(xì)，徑流條件變差，地下水由強(qiáng)徑流帶過渡到徑流滯緩帶和排泄帶，呈現(xiàn)出由北向南的水平水化學(xué)帶規(guī)律，反映出水化學(xué)分帶與水動(dòng)力分帶是一致的。

1.2 垂向化學(xué)特征

通過對(duì)第四系第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組水質(zhì)分析報(bào)告對(duì)比分析：整體上第Ⅱ、Ⅲ含水組地下水的總礦化度較第Ⅳ含水組高，但相差不大；第Ⅱ、Ⅲ含水組地下水埋深與總礦化度之間的線性關(guān)系不明顯，這可能與取樣地點(diǎn)較少有關(guān)，根據(jù)天津市第Ⅳ含水組地下水總礦化度與取水段埋深的散點(diǎn)圖(圖1)分析，第Ⅳ含水組地下水的總礦化度與埋深存在著反相關(guān)關(guān)系，這與地下水徑流強(qiáng)度、含水介質(zhì)巖性、溫度及徑流距離有關(guān)[2]。

圖1 天津市第Ⅳ含水組地下水總礦化度與取水段埋深相關(guān)圖

2 主要離子動(dòng)態(tài)變化特征

2.1 主要離子成分分析

總礦化度表示水中各種鹽類，即全部陰離子和陽離子。地下水總礦化度可以反映人類活動(dòng)影響下地下水水質(zhì)變化的一個(gè)重要指標(biāo)[3]。地下水中化學(xué)組分特別是常量組分濃度的變化，將隨之引起總礦化度的變化。因此，總礦化度能很好地反映地下水中物質(zhì)組分在總體上的分布特征和變化趨勢(shì)。

天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)工程水源井地下水中的主要離子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-，陽離子均以Na+、K+為主，其次是Ca2+和Mg2+。Na++K+含量隨總礦化度的增加而增加，與各含水組關(guān)系不大，與總礦化度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系；Ca2+、Mg2+也顯現(xiàn)出同樣的規(guī)律(圖2～圖4)。相關(guān)系數(shù)均在0.95以上。

圖2 Na++K+與總礦化度的關(guān)系圖

地下水中陰離子的變化則顯得較為復(fù)雜，隨總礦化度的不同而有所差異。當(dāng)總礦化度小于2 000 mg/L時(shí)，陰離子以HCO3-為主，當(dāng)總礦化度大于2 000 mg/L時(shí)，陰離子以Cl-、SO42-為主。整體來說地下水的Cl-、SO42-含量與總礦化度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.95以上(圖5、圖6)；HCO3-含量則與總礦化度關(guān)系不大(圖7)。

圖3 Ca2+與總礦化度的關(guān)系圖

圖4 Mg2+與總礦化度的關(guān)系圖

圖5 HCO3-與總礦化度的關(guān)系圖

圖6 Cl-與總礦化度的關(guān)系圖

圖7 SO42-與總礦化度的關(guān)系圖

2.2 主要離子動(dòng)態(tài)變化特征

通過跟蹤分析多年地下水水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告可知，各個(gè)含水組地下水地源熱泵系統(tǒng)水源井的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，開采條件下變化不明顯，雖然個(gè)別離子組分含量表現(xiàn)略微增大或減小的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，但這些細(xì)微的變化主要與當(dāng)年取樣時(shí)地下水的溫度不同有關(guān)，并沒有影響地下水的化學(xué)特征和水化學(xué)類型，如天津市地礦局辦公樓地下水地源熱泵系統(tǒng)工程。

天津市地礦局辦公樓地下水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的3年期間，通過跟蹤檢測(cè)水質(zhì)變化曲線圖(圖8、圖9)可知，水質(zhì)并無明顯變化，水化學(xué)類型穩(wěn)定，接受DCG-3井水回灌的DCG-2井水礦化度降低，接受DCG-2井水回灌的DCG-3井水的礦化度增高，水質(zhì)向著回灌水方向演化，且各離子的變化趨勢(shì)基本一致，說明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中對(duì)各離子的影響程度基本相同，可以看成是簡單的水質(zhì)混合作用，并沒有發(fā)生異常的增高或降低。

圖8 DCG-2井多年水質(zhì)變化曲線

圖9 DCG-3井多年水質(zhì)變化曲線

雖然大多地下水地源熱泵系統(tǒng)水源井的化學(xué)組份及特征并沒有發(fā)生明顯變化，但從多年水質(zhì)成果分析發(fā)現(xiàn)，地下水的總礦化度仍然存在一定的變化規(guī)律：大部分系統(tǒng)工程水源井的總礦化度呈現(xiàn)出多年平穩(wěn)略有上升的趨勢(shì)(見圖10)。這種動(dòng)態(tài)變化特征應(yīng)與連續(xù)多年開采所引起的地下水動(dòng)力場(chǎng)變化有關(guān)。在天然條件下，天津市地下水接受北部山區(qū)和大氣降水的入滲補(bǔ)給，自北向南徑流流入渤海。但隨著地下水的開采強(qiáng)度和規(guī)模不斷增大，地下水資源彈性儲(chǔ)量逐漸減少，地下水徑流速度加快，水位降落漏斗逐漸形成，使得渤海海水轉(zhuǎn)而補(bǔ)給地下水，致使各含水組地下水礦化度普遍出現(xiàn)微弱上升的開采動(dòng)態(tài)特征。

圖10 部分地下水地源熱泵系統(tǒng)總礦化度歷年變化曲線

3 結(jié)語

(1)天津市第四系地下水在平面上呈現(xiàn)出由北向南的水平水化學(xué)帶規(guī)律，反映出水化學(xué)分帶與水動(dòng)力分帶是一致的；在垂向上第Ⅱ、Ⅲ含水組地下水的總礦化度較第Ⅳ含水組高，第Ⅱ、Ⅲ含水組地下水埋深與總礦化度之間的線性關(guān)系不明顯，第Ⅳ含水組地下水的總礦化度與埋深存在著反相關(guān)關(guān)系。

(2)天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)地下水中陽離子均以Na+、K+為主，其均隨總礦化度的增加而增加，與各含水組關(guān)系不大，與礦化度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)總礦化度小于2 000 mg/L時(shí)，陰離子以HCO3-為主，當(dāng)總礦化度大于2 000 mg/L時(shí)，陰離子以Cl-、SO42-為主。整體來說地下水的Cl-、SO42-含量與礦化度呈正相關(guān)關(guān)系，而HCO3-含量則與礦化度關(guān)系不大。

(3)通過跟蹤分析多年地下水水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告可知，地下水地源熱泵系統(tǒng)水源井地下水的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行條件下變化不明顯，雖然個(gè)別離子組分含量表現(xiàn)略微增大或減小的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，但這些細(xì)微的變化主要與當(dāng)年取樣時(shí)地下水的溫度不同有關(guān)，并沒有影響地下水的化學(xué)特征和水化學(xué)類型。

(4)雖然大多地下水地源熱泵系統(tǒng)水源井的化學(xué)組份及特征并沒有發(fā)生明顯變化，但從多年水質(zhì)成果分析發(fā)現(xiàn)，大部分系統(tǒng)工程水源井地下水的總礦化度呈現(xiàn)出多年平穩(wěn)略有上升的趨勢(shì)。

[1]劉九龍，邴國林，袁小飛，等. 天津市地下水地源熱泵系統(tǒng)回灌技術(shù)研究及工程示范報(bào)告[R].天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院.2015.

[2]杜軍，楊培嶺，李云開，等.河套灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深與礦化度的時(shí)空變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2010，(7)：26-31.

[3]黃耀裔，王天寶，楊琳絎.晉江市地下水礦化度分布及與離子間關(guān)系[J].泉州師范學(xué)院學(xué)報(bào).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

邴國林(1985-)，女，山東冠縣人，工程師，主要從事地?zé)峥辈殚_發(fā)利用與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)方面的工作。

P641.12

A

1004-1184(2016)06-0001-03