城市淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題研究

朱 巍，張 靜，唐 雯，張旭升，畢立坤

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽(yáng) 110000；2.遼寧省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，遼寧沈陽(yáng) 110033；3.遼寧省第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)有限責(zé)任公司，遼寧大連 116037）

0 引言

在淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的過(guò)程中，地下能源的采集是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)利用的合理性尤為重要，直接影響著周?chē)纳鷳B(tài)環(huán)境。北方地區(qū)供暖和制冷兩種工況的運(yùn)行時(shí)間相差較大時(shí)，地層的冷熱平衡會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生較大的變化，最終導(dǎo)致被破壞（王秉忱，2012；王靜等，2012；薛禹群，2012；吳燁等，2013；郎旭娟等，2016）。冷熱平衡被打破時(shí)，會(huì)影響土壤中微生物種群的數(shù)量、植被的生長(zhǎng)速度，導(dǎo)致地層中N2O和CH4集中釋放、地層孔隙度變化、地下水質(zhì)發(fā)生變化等；當(dāng)回灌率較低時(shí)，會(huì)造成地下水資源的浪費(fèi)、地下水位的下降以及地面塌陷等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題（李保珠等，2011；藺文靜等，2012，2013；班文韜等，2018；葛偉亞等，2021）。

采用地源熱泵技術(shù)開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮埽到y(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，管路進(jìn)出口溫度存在一定溫差，系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行將導(dǎo)致出口溫度呈現(xiàn)升降的變化，即為熱貫通（楊紅亮等，2010；吳燁等，2013，李修成等，2016）。溫度變化持續(xù)出現(xiàn)會(huì)引起土壤及地下水的熱污染和相關(guān)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題（倪龍等，2006；陳陽(yáng)等，2012；鐘美玲等，2018）。當(dāng)采集、排放熱能超過(guò)其熱補(bǔ)償、擴(kuò)散能力時(shí)，地下空間的天然冷熱平衡會(huì)被破壞，土壤或地下水體的冷熱量長(zhǎng)期處在失衡狀態(tài)，其溫度會(huì)相應(yīng)變化，進(jìn)而直接影響熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，土壤溫度持續(xù)變化的狀態(tài)也會(huì)影響微生物環(huán)境和周?chē)参锷姝h(huán)境等（戚美等，2008；馬宏權(quán)等，2009；張博等，2011；豆惠萍等，2019）。

地層巖性主要為砂、粘土、礫石時(shí)，無(wú)法完全避免地下水的熱貫通問(wèn)題（曲云霞等，2007；趙靜等，2009；朱家玲等，2012；李修成等，2016）。熱貫通現(xiàn)象的持續(xù)，會(huì)導(dǎo)致地下水溫度在冬季越來(lái)越低，夏季越來(lái)越高，當(dāng)?shù)卦礋岜瞄_(kāi)發(fā)類(lèi)型、孔位、成井材料和探井工程設(shè)計(jì)不合理時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)造成熱污染、地面沉降、地下水位下降、水質(zhì)惡化等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題（盧予北等，2004，2011，2012）。

1 研究區(qū)背景

研究區(qū)位于大連市主城區(qū)（圖1），遼東半島南部，西北面為渤海，東南面向黃海，西南隔海為膠東半島。地貌受到長(zhǎng)期內(nèi)外力地質(zhì)作用的影響，同時(shí)在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與海水作用的影響下，形成了山地半島類(lèi)型的地貌特征，即丘陵多平原少，丘陵面積約占全區(qū)總面積80%，溝谷平原面積不足20%。年平均氣溫10℃。年降水量600～700 mm。區(qū)內(nèi)前第四紀(jì)地層相對(duì)單一，僅出露新元古界青白口系、南華系、震旦系及新生界第四系，其中青白口系－震旦系發(fā)育完整，出露面積619.37 km2，占總面積84.89%，頂、底界線(xiàn)清楚。第四紀(jì)沉積物巖性包括礫（卵石、角礫）、砂礫、含礫砂、砂、粉砂、粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)粘土、粘土、泥礫、淤泥、泥炭和黃土。

圖1 大連市主城區(qū)分布位置（a）和區(qū)位圖（b）Fig.1 Distribution （a） and location map （b） of the main urban area of Dalian City

2 地層熱物理性質(zhì)特征

2.1 地層熱響應(yīng)特征

在研究區(qū)內(nèi)不同地貌單元完成現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)6組，測(cè)試孔位深度120～200 m，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果（表1），反映地層熱響應(yīng)特征，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

表1 現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)試驗(yàn)成果表Table 1 Results of field thermal response tests

圖2 大連市南關(guān)嶺地溫變化曲線(xiàn)圖Fig.2 Ground temperature variations of Nanguanling in Dalian City

圖3 大連市金普地溫變化曲線(xiàn)圖Fig.3 Ground temperature variations of Jinpu in Dalian City

研究區(qū)試驗(yàn)結(jié)果顯示，供暖期間，通過(guò)熱泵把地層中低品位熱能進(jìn)行提升，然后在能量釋放末端實(shí)施供暖，同時(shí)在地層中蓄存冷量。制冷期間，通過(guò)熱泵把空氣中的熱量輸送到地層中進(jìn)行能量交換，從而實(shí)現(xiàn)制冷降溫，同時(shí)在地層中蓄存熱量，在一年供暖制冷期內(nèi)，向地下取出的熱量等于夏季向大地蓄存的能量，則地層中低品位能量收支平衡。如果地層的吸熱和放熱的平衡破壞，多余的能量（熱量和冷量）就會(huì)在地層中疊加，會(huì)引起地層中溫度的變化。地層中的冷熱平衡的破壞和溫度的變化不僅會(huì)影響熱泵的換熱性能，増加運(yùn)行費(fèi)用，而且還會(huì)造成區(qū)域性生態(tài)環(huán)境的破壞（王艷霞等，2008）。

區(qū)內(nèi)地溫場(chǎng)的垂向分布特征總體表現(xiàn)為隨深度的增加，地溫緩慢升高，變化類(lèi)型屬于直線(xiàn)漸變升溫型，但是不同深度的地溫變化具有一定的差異性。恒溫帶以上區(qū)域，地溫變化主要受到太陽(yáng)能的影響，隨著近地表氣溫的季節(jié)性變化而變化，地溫的波動(dòng)較大；恒溫帶以下區(qū)域，地溫變化主要受到地球內(nèi)部熱源的影響，隨著深度的增加溫度逐漸升高，地溫梯度為1.7～2.1℃/100 m。能量交換后的循環(huán)水通過(guò)回灌井進(jìn)入地下，不可避免地會(huì)影響地溫場(chǎng)的變化，主要含水層中地下水溫度影響最大，并且隨著熱泵運(yùn)行時(shí)間的推移，地溫場(chǎng)溫度的變化幅度會(huì)逐漸加大，影響范圍也不斷向外擴(kuò)展。若采灌井間距過(guò)小，即使回灌井位于開(kāi)采井的下游，由于開(kāi)采井取水形成局部降落漏斗，漏斗伸向回灌井方向，回灌井溫度的變化也可能會(huì)影響到開(kāi)采井周?chē)?，使得熱泵機(jī)組利用地溫場(chǎng)的溫差減小，影響系統(tǒng)換熱效率，節(jié)能效率和應(yīng)用效果會(huì)明顯降低。

2.2 地層冷熱平衡特征

淺層地?zé)崮苤饕ㄟ^(guò)熱泵技術(shù)開(kāi)發(fā)利用。根據(jù)研究區(qū)地埋管孔壁、鉆孔中心和邊界土壤在運(yùn)行一年的過(guò)程中，各月土壤的平均溫度變化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示（表2），地埋管壁面溫度隨季節(jié)變化，冬季1月管壁溫度比周邊地層低0.8℃，夏季8月管壁溫度比周邊地層高24.9℃，由于地層冷熱平衡不均，導(dǎo)致在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，地埋管周邊土壤溫度由初始的16.8℃上升至17.3℃，提升了0.5℃。利用地下水源熱泵系統(tǒng)供暖制冷時(shí)，同樣會(huì)使地層溫度發(fā)生變化，當(dāng)?shù)叵滤毓嗬щy或排放市政管網(wǎng)中時(shí)，必將加重市政管網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成市政管網(wǎng)癱瘓，其危害更大。

表2 地埋管鉆孔及周邊土壤年度運(yùn)行溫度變化（℃）Table 2 Annual operating temperature change （℃） of buried pipe drilling and surrounding soil

3 地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

3.1 熱污染造成的環(huán)境問(wèn)題

研究區(qū)長(zhǎng)期利用地埋管或水源熱泵開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮軙r(shí)，如果設(shè)計(jì)不合理或者地下水回灌率低，供暖期、制冷期運(yùn)行時(shí)間差別較大時(shí)，地層將導(dǎo)致冷熱失衡。這些現(xiàn)象將造成區(qū)域性熱污染，土壤和地下水的熱污染最終導(dǎo)致土壤微生物、植被和地層孔隙度變化。區(qū)域水溫和土壤溫度升高使水中溶解氧逐年減少，水體和土壤本身處于缺氧狀態(tài)，水生生物或土壤微生物代謝率增高從而需要更多氧氣，造成部分水生生物和微生物在熱效力作用下發(fā)育受阻或死亡，破壞區(qū)域生態(tài)平衡（廖榮等，2010；吳燁，2013，2014；王衛(wèi)星等，2015）。地表土壤中氧氣濃度較低，植物夜間無(wú)法進(jìn)行光合作用時(shí)會(huì)死去。溫度通過(guò)影響植被體內(nèi)生物酶的活性對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育及完成整個(gè)生命周期產(chǎn)生重要的影響。

北方地區(qū)熱污染對(duì)地層土壤結(jié)構(gòu)影響較大，溫度對(duì)凍結(jié)土壤入滲能力有重要作用。東北凍土地區(qū)，在凍結(jié)條件下，土壤溫度變化會(huì)引起固、液相水分比例失調(diào)，地層孔隙度變化，隨溫度逐步升高，土壤飽和導(dǎo)水率呈上升態(tài)勢(shì)，凍結(jié)土壤逐步融化，呈現(xiàn)蠕動(dòng)或流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)凍土處于退化過(guò)程，其地層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，巖土強(qiáng)度隨之降低（倪龍等，2006；閆巖等，2018）。凍土融化將產(chǎn)生溫室氣體集中排放。地層中溫室氣體N2O年總排放量約70%發(fā)生在土壤融化、凍結(jié)過(guò)程，凍層下產(chǎn)生大量N2O、CH4氣體，土壤凍層融化后，氣體上移釋放（安樹(shù)青等， 2007）。因此，凍土區(qū)溫度升高會(huì)造成山體邊坡失穩(wěn)、路面塌陷、地基不均勻沉降、溫室氣體集中釋放等系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

3.2 地面沉降與塌陷問(wèn)題

研究區(qū)抽取地下液體是誘發(fā)地面沉降的重要原因。土體覆蓋層荷載引起的總應(yīng)力由土壤孔隙中的水和顆粒共同承擔(dān)，孔隙含水層抽取地下水，水位變化會(huì)降低地下水壓力，并等量增加土體有效應(yīng)力，粘土層會(huì)產(chǎn)生次生固結(jié)壓密，降低水浮力的同時(shí)，產(chǎn)生附加應(yīng)力，含水砂層排水固結(jié)，壓密下沉，并隨水位抬升而回彈。粘土層固結(jié)變形和砂層壓密變形的相互疊加，就造成了地面沉降或塌陷。

超采地下水資源導(dǎo)致大面積地下水位降落漏斗，水位降低會(huì)改變地層中含水層以及頂、底板弱透水層應(yīng)力狀態(tài)變化，含水層和弱透水層同時(shí)釋水，從而使弱透水的粘土層壓縮變形，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致地面沉降及地裂縫。在構(gòu)造沉降基礎(chǔ)上，長(zhǎng)期開(kāi)采地?zé)嵝纬傻牡孛娉两?，可引發(fā)建筑物基礎(chǔ)不均勻下沉、傾斜和房屋裂縫和地下管線(xiàn)破壞，從而嚴(yán)重影響建筑物的正常使用和壽命；由于地面沉降造成地面高程的降化，導(dǎo)致城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨季大量積水、防洪工程能力下降，嚴(yán)重影響著城市交通、生產(chǎn)和生命財(cái)產(chǎn)安全；由于地面不均勻沉降或塌陷，在包括大連在內(nèi)的許多地區(qū)已形成地裂縫地質(zhì)災(zāi)害。

研究區(qū)淺層地?zé)崮苜x存于第四系和新近系松散地層，主要為松散地層孔隙水，具有含水層分布廣、資源豐富、易開(kāi)采、恢復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在粗顆粒松散層和基巖裂隙地層，以水源熱泵開(kāi)發(fā)淺層地?zé)崮軙r(shí)，一般采用抽回1∶1模式；細(xì)顆粒地層多采用抽回1∶2～1∶4模式。在此抽回比例下，突出問(wèn)題是回灌困難，為解決回灌困難問(wèn)題和減少成本，采取回灌井與市政排水管網(wǎng)連接，使回灌水分流，這種情況在北方地區(qū)普遍存在，危害較大。

3.3 地下水污染問(wèn)題

地下水大量開(kāi)發(fā)利用和超采加速了水中污染物的遷移，地下水位降落、漏斗面積的擴(kuò)大和水位下降破壞了原有地下水的水力平衡，污染水通過(guò)滲流方式遷移至深部含水層，導(dǎo)致深部清潔地下水逐步污染，出現(xiàn)水質(zhì)惡化和污染水界面下移問(wèn)題（曲云霞等，2007；朱娜等，2007；張博等，2011）。目前研究區(qū)多數(shù)水源熱泵工程的水源井管材和地面設(shè)備均為金屬，在地下水循環(huán)、冷卻系統(tǒng)中存在大量硫酸鹽還原菌、硝化細(xì)菌、硫桿菌、鐵細(xì)菌等腐蝕性細(xì)菌。另外熱泵系統(tǒng)屬于開(kāi)放式循環(huán)模式，管網(wǎng)設(shè)備存在大量腐蝕細(xì)菌、泥砂、粉塵和無(wú)機(jī)物等，這些混合物在一定環(huán)境和溫度條件下形成微生物粘泥沉積其中，不僅造成設(shè)備堵塞，降低運(yùn)行效率，還會(huì)造成地下水水質(zhì)惡化和污染。

供暖制冷期運(yùn)行導(dǎo)致的地下水溫度變化直接影響地下水中污染物的降解，從而間接影響著地下水水質(zhì)。抽取回灌過(guò)程中，空氣中的氧會(huì)隨之溶解在地下水中，會(huì)造成地下水水質(zhì)的變化。北方地區(qū)制冷季節(jié)正?；毓嗨臏囟燃s為22℃，若井間距偏小時(shí)地下水的回灌溫度將超29℃，這種情況下菌落種群將增多，細(xì)菌大量繁殖，并增加了細(xì)菌的新陳代謝，導(dǎo)致地下水中硫酸鹽、硝酸鹽等濃度增加，使得地下水中的總硬度、溶解性總固體、及SO42-、Cl-等含量處于上升狀態(tài)，回灌井周邊的溫度適宜反硝化菌和有機(jī)污染物降解菌的生長(zhǎng)繁殖，從而抑制了地下水中的氮污染物和有機(jī)污染物的濃度。

4 結(jié)論

淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的合理性直接影響區(qū)域生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境，特別是地層冷熱平衡被破壞以及回灌困難時(shí)，將導(dǎo)致植被、生物種群變化和熱污染、地下水位下降、地面沉降和地下水質(zhì)污染惡化等問(wèn)題?？傊褱\層地?zé)崆鍧嵞茉撮_(kāi)發(fā)利用和環(huán)境影響同步研究，是使其真正達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的切實(shí)可行的途徑。

（1）研究區(qū)地埋管在運(yùn)行一年的過(guò)程中，周邊土壤溫度由初始的16.8℃上升至17.3℃，提升了0.5℃。因此長(zhǎng)期利用熱泵系統(tǒng)開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮軙r(shí)，如果設(shè)計(jì)不合理或者地下水回灌率低，會(huì)導(dǎo)致地層冷熱平衡的破壞。

（2）冷熱平衡的破壞會(huì)導(dǎo)致地層中熱能逐年疊加，土壤溫度大幅提升，進(jìn)而發(fā)生區(qū)域性熱污染，土壤和地下水的熱污染最終影響土壤中微生物種群數(shù)量、植被的生長(zhǎng)速度。土壤或地下水溫度越高，氧氣的溶解度越低，地表土壤中氧氣濃度較低時(shí)，植物會(huì)因夜間無(wú)法進(jìn)行光合作用而死去，溫度通過(guò)影響植被體內(nèi)生物酶活性對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育及完成整個(gè)生命周期產(chǎn)生影響。

（3）東北凍土區(qū)出現(xiàn)地層溫度升高現(xiàn)象時(shí)，會(huì)造成山體邊坡失穩(wěn)、路面塌陷、建筑物地基不均勻沉降、溫室氣體N2O和CH4集中釋放等系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)供暖期大于制冷期時(shí)，地層溫度逐年下降，會(huì)造成生物生長(zhǎng)速度過(guò)緩。

（4）熱泵系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致的溫度變化，直接影響著地下水中污染物的降解，間接影響著地下水質(zhì)。抽取、回灌地下水時(shí)，空氣的氧氣隨之溶解于地下水中，會(huì)造成地下水質(zhì)的變化。

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