安阳市区地下水地源热泵系统对地下水影响趋势研究

谷 瑜，宁 佳

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南 郑州 450045)

0 引 言

地下水地源热泵系统以抽取浅层地下水作为系统热源。地下水通过热泵机组进行热量提取后回灌入地下。因抽水井含水层与回水井含水层属于同一含水层，若经热泵系统运行后，回灌水水质发生变化，会引起地下水水化学类型的变化，导致地下水污染等地下水环境问题。国内外有关学者相继开展了一些研究，但目前这方面的研究都是短期、时间间隔无规律的观测数据(仅1个供暖、制冷期)，对于规律性的数据分析存在一定的不足，没有长时间序列的监测数据作为支撑。因此，要了解整个过程是否对地下水存在污染和破坏，对水质是否存在影响以及影响程度如何，就必须对地下水水质进行定期监测。因此本文利用安阳市市区已建地下水地源热泵监测单位，开展长时间序列(2006年7月至2018年12月)的水质(22项)的监测数据，从地下水化学的角度，开展地下水地源热泵系统长期运行对地下水环境的影响研究。每年有针对性地对具有代表性的连续使用单位采取水样。

1 安阳市地下水地源热泵开发利用现状

安阳市区地下水地源热泵系统开发利用起步于2001年。截止到2018年底，地下水开采量为1 051.36 万m3，比2017年增加了73.21 万m3；回水量为983.46 万m3，比2017年增加了17.35 万m3，抽水井数量与回水井数量比例为1：2～2：3，使用时间为每年的冬季120天，夏季100天。目前安阳市市区地下水地源热泵系统使用单位已经由2001年的8家到2018年底增长到49家，实现供暖面积141×104 m2。

安阳市市区地下水地源热泵系统水源井水质监测工作始于2006年，监测单位6家，至2018年底，监测单位为49家。2006—2018年，水源井水质监测工作未间断的单位有4家，该文选取安阳市泰丰房地产开发有限责任公司文峰时代广场项目12年夏季水质情况进分析论述，将该系统的抽、回水质中含量变化较明显的总硬度、硫酸盐、氯化物、溶解性总固体及硝酸盐(以氮计)含量绘制成曲线图，见图1-2，通过曲线图进一步分析地下水地源热泵回灌水质变化现状及趋势。

图1 安阳市泰丰房地产开发有限责任公司文峰时代广场夏季抽水水质Fig.1 Water quality of pumped water in Wenfeng Times Square of Anyang Taifeng Real Estate Development Co.，Ltd. in summer

图2 安阳市泰丰房地产开发有限责任公司文峰时代广场夏季回水水质Fig.2 Backwater quality of Wenfeng Times Square of Anyang Taifeng Real Estate Development Co.，Ltd. in summer

2 水文地质概况

含水层层组特征：根据含水介质的岩性、蓄水条件、含水程度等水文地质特征，将安阳市划分为两大含水岩(层)组：碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、松散岩类孔隙含水岩组。本次监测的安阳市市区地下水地源热泵系统水源井属于松散岩类孔隙含水岩组。

富水性分区：松散层孔隙含水岩组

极强富水区(>5 000 m3/d)：分布在安阳市老城区一带。含水层岩性为卵砾石。

强富水区(5 000～3 000 m3/d)：分布在北部的柏庄镇和安阳市市区以及安汤新城汤阴区域韩庄—白营一带。含水层岩性为卵砾石层，中粗砂层。

中等富水区(3 000～1 000 m3/d)：分布在花园庄村、高庄乡、前尊贵村以及安汤新城汤阴区域羑河村—西木佛村等地。含水层岩性为中粗砂含砾，中细砂层。

弱富水区(1 000～100 m3/d)：分布在蔡村、南流寺村以及南部宝莲寺一带。含水层为中细砂、粉细砂等。

3 监测指标

安阳市市区地下水地源热泵系统取水水源多为洹河冲洪积扇松散层孔隙水，与市区居民生活饮用水水源同层取水。因此，地下水地源热泵系统水源水质可以直接反应洹河冲洪积扇松散层孔隙水水质情况。依据生活饮用水卫生标准(GB5749—2006)，对2018年安阳市市区地下水地源热泵系统单位的抽、回水井水质进行饮用水水质评价，旨在评价地源热泵在使用过程中对洹河冲洪积扇地下水环境产生的影响。

4 水化学场年内变化分析

总硬度ρ(CaCO3)：根据历年水质检测结果，可以看出总硬度ρ(CaCO3)较高，是水化学背景值的客观存在，说明当地浅层地下水总硬度ρ(CaCO3)的含量背景值较高。故不作为年内水质评价因子。选取溶解性总固体、Cl-1、铁、硝酸盐(以氮计)为评价因子进行对比分析。

4.1 溶解性总固体

溶解性总固体是溶解在水里的无机盐和有机物的总称。含量的高低取决于水中钙、镁、钠、钾离子和碳酸根离子、碳酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子含量。抽水、回水水质对比分析，溶解性总固体含量处于652.4～587.83 mg/L之间，均低于《生活饮用水卫生标准》中的限值，变化量为0.1 %～10 %。数据波动较小，地下水中溶解性总固体含量不会发生明显变化。

4.2 Cl-1

随机选取12家监测单位进行抽水、回水水质对比分析。经实验室水化学分析，由水质检测报告看出，Cl-1含量处于82.49～159.77 mg/L之间，根据国家地下水质量标准(GB/T14848-93)，该地下水体属于Ⅱ～Ⅲ类水，适用于地下水源热泵系统。抽水、回水中氯化物含量变为0.88 mg/L～9.64 mg/L，变化量为0.8 %～7.3 %，根据地下水地源热泵系统回水井与抽水井水质对比，回水较抽水波动较小，地下水中氯化物含量并未发生明显变化。

4.3 铁

地下水源热泵系统运行年限比较长，管道局部有生锈情况时，在取样过程中，会发现管口有锈迹、水样偏黄，水质报告会出现铁超标反应。该12家监测单位中，有一家单位抽水井水质报告显示总铁含量为0.37 mg/L，回水水质报告铁含量为0.130 mg/L，这种抽水水质铁含量高于回水水质，判断是抽水管(泵管)局部有生锈情况造成，通过定期维护，可以避免此类情况发生。其他11家监测单位抽水、回水铁含量变化量为0～5.8 %。总体来看，热泵机组运行前后不会对地下水中Fe离子含量产生明显干扰。

4.4 硝酸盐(以氮计)

3家监测单位抽水水质显示有超过《生活饮用水卫生标准》限值的情况，对比往年2017年水质监测数据，该3家单位均未超标。硝酸盐氮硝酸盐超标的原因为局部地下水受到污染造成的，如地下水受到农药、化学肥料、城市生活污水和生活垃圾等的污染。建议在超标单位周边多布置监测点，核实超标原因。

5 水化学场多年变化分析

通过分析2006—2018年度安阳市泰丰房地产开发有限责任公司文峰时代广场地下水水质检测报告结果，绘制水质变化折线图，回水水质波动变化趋势与抽水水质相同，地下水进入机组提取热量后，水质未发生明显变化。

5.1 总硬度ρ(CaCO3)

通过分析2006年水质检测报告，可以看出浅层地下水中分析项目总硬度ρ(CaCO3)的含量为495 mg/L，而总硬度是由原生的水文地球化学特征(条件)决定的(地下水多储存在以碳酸岩为主要成份的卵砾石层中)，是水化学背景值的客观存在，说明当地浅层地下水总硬度ρ(CaCO3)的含量背景值较高。结合2018年度监测单位抽、回灌井水质监测结果，总硬度ρ(CaCO3)为593.77 mg/L，由图1折线图可以看出，总硬度ρ(CaCO3)的含量呈现波动变化趋势，无明显升高趋势。

5.2 氯化物

通过分析2006年水质检测报告，可以看出浅层地下水中氯化物的含量为162.72 mg/L。氯化物指标主要指的是水中常见的无机阴离子Cl-1的含量，它通常状况下存在于所有的天然水体中，其主要来源于地下含水层中沉积岩石中钾盐、钠盐的溶解，以及岩浆岩等的风化溶解。生活上，水中氯离子含量关系到人类的生产运动以及身体健康状况；工业上，氯离子还会对不锈管等材料产生比较严重的腐蚀。现状年2018年氯化物的含量为126.2 mg/L，由图1可见，氯化物的含量呈现波动变化趋势。

5.3 溶解性总固体(TDS)

起始年2006年分析项目溶解性总固体(TDS)的含量为639～1 015.7 mg/L。溶解性总固体是溶解在水里的无机盐和有机物的总称。其主要成分有钙、镁、钠、钾离子和碳酸根离子、碳酸氢根离子、氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子；溶解性总固体(TDS)含量曲线呈现波动变化，现状年2018与起始年2006年监测数值相比，变化量<15 %，未呈现统一变化趋势，说明监测过程中相关离子没有发生明显趋势性的变化。

5.4 硫酸盐

硫酸盐的含量于起始年为179.58 mg/L。硫酸盐主要来源是地层矿物质的硫酸盐，多以硫酸钙、硫酸镁的形态存在；石膏、其它硫酸盐沉积物的溶解。由图1-2可见，监测单位2013年水质数据中硫酸盐含量有升高趋势，对比区域水质报告，硫酸盐含量均有升高趋势。随着时间推移，于2015年含量于起始年2006年基本一致。

5.5 硝酸盐(以氮计)

起始年2006年地下水中分析项目硫酸盐的含量为23.19 mg/L，现状年为19.54 mg/L，未呈现明显变化趋势。地下水中硝酸盐是含氮有机化合物氧化分解的最终产物，人类活动如：生活污水排放、农药化肥的大量使用等都会使其含量升高。由于地温空调单位抽取洹河冲洪积扇地下水，监测单位水质状况反映了洹河冲洪积扇水质状况。监测结果显示，目前洹河冲洪积扇地下水中硝酸盐含量变化趋势较稳定，未因多年来的人类活动导致含量增加。

6 结 语

从监测单位水化学场年内变化可以看出，各个时期抽回水井及混合水样中各离子含量基本一致，并未因地温空调系统回灌水的回灌产生水化学类型的变化。

现状年与起始年水质监测值基本一致。从地下水化学类型多年变化趋势可以看出，地温空调开发利用初期到规模性开发利用，地下水化学类型尚未出现大的改变，水化学类型仍以HCO3-Ca型及HCO3-Ca·Mg型为主，总体分布规律也一致，从12家单位地下水分析结果可以看出：制冷期、供暖期及间歇期抽回水井及混合水样中各离子含量基本一致，并未因地温空调的开发利用产生水化学类型的变化。由此可以看出，地温空调系统回灌水的回灌尚未对地下水化学场造成较大影响。

建议在地下水地源热泵系统运行过程中，做好系统维护，避免出现管道生锈腐蚀现象。