漢江中游地區(qū)熱源井抽水與回灌對地下水質(zhì)的影響

饒志勇,簡春陽,伍華剛

(中聯(lián)西北工程設計研究院有限公司,西安 710077)

0 引言

漢江中游地區(qū)屬于暖溫帶季風氣候區(qū),具有豐富的地下水資源及良好的地下水滲透條件。地下水主要來自降水補給及河流、湖泊補給,具有一定的自凈能力。根據(jù)地下水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),漢江中游地區(qū)的地下水以HCO3-Ca(Mg)型為主,一般為中性、略硬、淡水,以礦化度、總硬度來判斷,全區(qū)呈上升趨勢。隨著城市的發(fā)展,各種生產(chǎn)經(jīng)營活動導致地下水水質(zhì)受到了一定的影響,地下水中微量組份如Cn、As、Cd、Cr、Cu、Pb及Zn等檢出率較高,區(qū)內(nèi)劣質(zhì)地下水區(qū)域中,Fe、Mn、As含量超標率較高,局部地區(qū)中層地下水中F含量偏高[1]。

地下水地源熱泵技術因其高效、節(jié)能、綠色特點得到了廣泛的應用,但應用過程中的抽水與回灌可能會對地下水產(chǎn)生污染。漢江中游地區(qū)作為典型的淺層地下水地源熱泵應用地區(qū),探討其熱源井抽水與回灌對地下水質(zhì)的影響具有重要意義。

1 地下水地源熱泵系統(tǒng)原理

1.1 運行原理

圖1為典型的地下水源熱泵系統(tǒng),主要由地下水換熱系統(tǒng)、地下水源熱泵機組及建筑物采暖空調(diào)末端組成。地下水換熱系統(tǒng)是系統(tǒng)的熱源或冷源,地下水源熱泵機組由電能驅(qū)動,通過運行模式與閥門的切換實現(xiàn)制冷及供暖模式的轉(zhuǎn)換。冬季時,V1、V2、V3、V4開啟,V5、V6、V7、V8關閉;夏季時,V5、V6、V7、V8開啟,V1、V2、V3、V4關閉。建筑物空調(diào)風機、暖氣片或地暖盤管等設備設施即為用戶的使用末端,達到制冷及供熱目的。

1-制冷壓縮機 2-冷凝器 3-節(jié)流機構 4-蒸發(fā)器 5-循環(huán)水泵 6-深井泵 7-板式換熱器 8-熱用戶 9-抽水井 10-回灌井 V1～V8-閥門

1.2 熱源井結構

熱源井是抽水井與回灌井的總稱,是地下水源熱泵系統(tǒng)的關鍵組成,其設計與施工質(zhì)量直接關系著整個項目工程的成敗[2-3]。抽水井負責從地下水中抽取水源,提供給熱泵系統(tǒng)進行熱量交換,回灌井則負責將熱泵系統(tǒng)使用過的水重新注入地下水層。熱源井的構造主要由井室、井壁管、過濾管及沉淀管組成,圖2為熱源井的結構示意圖。行業(yè)內(nèi)熱源井直徑多為200～650 mm。

1-井室 2-井壁管 3-過濾管 4-沉淀管 5-防滲黏土 6-礫料

井室是為保護熱源井免受污染、方便管理維護的構筑物,其內(nèi)部裝有截止閥、溫度計、壓力表、電動閥、止逆閥、排氣閥、井口閥門等。井壁管起支撐井壁的作用,過濾管是熱源井的主要組成部分,也是熱源井最為復雜的部分,是具有圓形空洞或條狀縫隙的管段,與井壁管及沉淀管直接連接,設置在含水層中,其作用是收集地下水,過濾含水層中的砂粒,故過濾管外會填充礫料。沉淀管在熱源井的最下面,具有支撐井壁的作用,進入熱源井的細小砂礫及其他較重的雜質(zhì)多沉積于此管段。

1.3 地下水抽水與回灌原理

抽水過程中,潛水泵將地下水抽取到地表,經(jīng)過熱泵系統(tǒng)交換熱量后通過回灌井重新注入地下同一含水層。地下水回灌到地下時,水溫發(fā)生變化。在制冷模式下,地下水溫度升高;在制熱模式下,地下水溫度降低。

2 影響地下水水質(zhì)的因素

通過對漢江中游地區(qū)淺層地下水地源熱泵熱源井抽水與回灌的觀察,總結影響地下水水質(zhì)的主要因素如下。

2.1 地下水的溫度變化

地源熱泵熱源井抽水與回灌過程中,水溫會發(fā)生較大變化。在冬季,地源熱泵系統(tǒng)將地下水中的低溫能量吸收,導致回灌的地下水溫度下降。在夏季,系統(tǒng)向地下水釋放熱量,回灌水溫較高的冷卻水,使地下水溫度升高。這種水溫變化可能會改變地下水中微生物群落的結構及數(shù)量,改變地下水中各種礦物質(zhì)的濃度,從而對地下水水質(zhì)產(chǎn)生影響。

2.1.1 對微生物群落的影響

2.1.2 對礦物質(zhì)濃度的影響

2.2 外界污染物

在地源熱泵系統(tǒng)抽水與回灌過程中,外界污染物可能進入井中,對地下水水質(zhì)造成污染。進入地下水的主要途徑是通過井口或地表水滲透。

2.2.1 井口污染

外界污染物隨風飄落或隨雨水流入水井,包括各種有機物、無機物、病原體、微生物等,這些污染物進入水井流入地下后會影響地下水的濁度、色度、懸浮物含量等指標。井周邊的污水進入地下水井,會導致地下水中的病原菌、有機污染物及重金屬等污染物濃度升高。外界污染物進入地下還可能導致地下水的化學成分發(fā)生變化,進一步影響其水質(zhì)。

2.2.2 滲透污染

抽水井附近的化工廠、垃圾場等污染源排放的污染物滲入地下或周邊醫(yī)院、修理廠、餐廳、居民家庭等排放含有污染物的廢水,可能通過排水管道滲入地下,進入淺層被抽取后再回灌到地底較深處。這些污染物會導致地下水中重金屬污染物含量升高,對水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

2.3 井壁管銹蝕污染

熱源井潮濕的井壁管與空氣接觸,極易發(fā)生銹蝕。井壁管生銹后會釋放出Fe、Mn等金屬離子,這些金屬離子進入地下水后,對地下水中的Fe、Mn等重金屬元素含量產(chǎn)生較大影響。如部分水源井中Fe離子濃度超標,經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),井壁管生銹嚴重可能是導致Fe離子濃度超標的原因。

2.4 管道管件銹蝕污染

抽水管道、回水管道、管件也會生銹,特別是地下水排空后,空氣進入管道內(nèi)部,管道、管件內(nèi)壁迅速發(fā)生銹蝕,待系統(tǒng)重新運行時,這些銹蝕物將隨著地下水進入地下,對地下水造成污染。

2.5 設備污染

地源熱泵系統(tǒng)中的設備,如潛水泵、循環(huán)泵、旋流除砂器、熱泵主機等會對地下水造成污染。內(nèi)壁銹蝕會造成污染,設備運行過程中因摩擦、磨損,金屬粉塵進入地下水造成污染。此外,設備的潤滑油、清洗劑的泄漏也會污染地下水。

3 減少地下水污染的方法

3.1 增加取水量,減小熱源水的進出溫差

為了減少溫度變化對地下水質(zhì)的影響,可增加取水量,降低地下水進出熱泵主機前后的溫差。根據(jù)流體熱力學原理,熱量的傳遞速度與溫度差及流速成正比。同一臺地源熱泵主機,通過增加取水量可以有效降低通過地源熱泵主機地下水的溫差。在某地源熱泵項目中,原本設計的取水量為20 L/s,經(jīng)調(diào)整,取水量增加至27 L/s。結果顯示,進出水溫差由原來的10.5 ℃降低至8.0 ℃,減小了所在區(qū)域地下水溫度的變化幅度,降低了對地下水水質(zhì)的影響。

3.2 優(yōu)化熱源井、井壁管材及輸水管道的設計

為防止外界雜物及污染物進入井室,需對熱源井井室進行優(yōu)化設計。可適當加高井室圍墻,控制好井室周邊坡度,設置排水溝,以便快速排放雨污水。在井室四周墻壁外設計防水,確保污水不會滲入井室。上述設計簡單,可有效避免外界雜物及污水等進入井室,有效保護地下水水質(zhì)。

需摒棄開放式的井口設置,在水井井壁管口設置法蘭,加夾橡膠墊片與法蘭井蓋,通過螺栓連接,地下水取水管、回水管及電纜穿越井蓋預制空洞,空洞四周采用橡膠圈密閉,最大限度地防止外界污染物通過井口進入水井污染地下水。優(yōu)化后的熱源井設計如圖3。

圖3 水井的優(yōu)化設計

將鍍鋅螺旋鋼管、鍍鋅濾水管等難以腐蝕的管材作為井壁管(沉淀管)與濾水管,可大大減少因熱源井井壁管的銹蝕而對地下水造成污染,延長水井的使用壽命。

選用PE管、襯塑鋼管等耐腐蝕的管道替代易銹蝕的鋼管,可明顯降低地下水污染風險,延長管道的使用壽命。

3.3 正確保養(yǎng)設備

對潛水泵、循環(huán)泵、旋流除砂器、熱泵主機等設備進行正確保養(yǎng),保持最佳的設備運轉(zhuǎn)狀態(tài),避免不必要的磨損或泄漏而造成地下水污染。

4 結論與建議

通過對漢江中游地區(qū)淺層地源熱泵熱源井抽水與回灌對地下水質(zhì)影響的研究可以得出以下結論:淺層地源熱泵熱源井的抽水與回灌會對地下水質(zhì)有一定的污染,可能導致地下水環(huán)境惡化。對地下水地源熱泵系統(tǒng)進行優(yōu)化設計并展開合理維護保養(yǎng),可有效降低污染程度。應對地下水進行長期檢測,評估地下水地源熱泵系統(tǒng)運行對其的影響。對于新建的地下水源熱泵系統(tǒng)項目,應結合當?shù)氐膶嶋H情況,針對不同的地質(zhì)情況及周邊形態(tài),從多角度分析可能導致地下水污染的因素,以制定相應的優(yōu)化方案。