谷 瑜，寧 佳

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045)

0 引 言

地下水地源熱泵系統(tǒng)以抽取淺層地下水作為系統(tǒng)熱源。地下水通過熱泵機組進行熱量提取后回灌入地下。因抽水井含水層與回水井含水層屬于同一含水層，若經(jīng)熱泵系統(tǒng)運行后，回灌水水質(zhì)發(fā)生變化，會引起地下水水化學類型的變化，導致地下水污染等地下水環(huán)境問題。國內(nèi)外有關學者相繼開展了一些研究，但目前這方面的研究都是短期、時間間隔無規(guī)律的觀測數(shù)據(jù)(僅1個供暖、制冷期)，對于規(guī)律性的數(shù)據(jù)分析存在一定的不足，沒有長時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支撐。因此，要了解整個過程是否對地下水存在污染和破壞，對水質(zhì)是否存在影響以及影響程度如何，就必須對地下水水質(zhì)進行定期監(jiān)測。因此本文利用安陽市市區(qū)已建地下水地源熱泵監(jiān)測單位，開展長時間序列(2006年7月至2018年12月)的水質(zhì)(22項)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從地下水化學的角度，開展地下水地源熱泵系統(tǒng)長期運行對地下水環(huán)境的影響研究。每年有針對性地對具有代表性的連續(xù)使用單位采取水樣。

1 安陽市地下水地源熱泵開發(fā)利用現(xiàn)狀

安陽市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用起步于2001年。截止到2018年底，地下水開采量為1 051.36 萬m3，比2017年增加了73.21 萬m3；回水量為983.46 萬m3，比2017年增加了17.35 萬m3，抽水井數(shù)量與回水井數(shù)量比例為1：2～2：3，使用時間為每年的冬季120天，夏季100天。目前安陽市市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)使用單位已經(jīng)由2001年的8家到2018年底增長到49家，實現(xiàn)供暖面積141×104 m2。

安陽市市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)水源井水質(zhì)監(jiān)測工作始于2006年，監(jiān)測單位6家，至2018年底，監(jiān)測單位為49家。2006—2018年，水源井水質(zhì)監(jiān)測工作未間斷的單位有4家，該文選取安陽市泰豐房地產(chǎn)開發(fā)有限責任公司文峰時代廣場項目12年夏季水質(zhì)情況進分析論述，將該系統(tǒng)的抽、回水質(zhì)中含量變化較明顯的總硬度、硫酸鹽、氯化物、溶解性總固體及硝酸鹽(以氮計)含量繪制成曲線圖，見圖1-2，通過曲線圖進一步分析地下水地源熱泵回灌水質(zhì)變化現(xiàn)狀及趨勢。

圖1 安陽市泰豐房地產(chǎn)開發(fā)有限責任公司文峰時代廣場夏季抽水水質(zhì)Fig.1 Water quality of pumped water in Wenfeng Times Square of Anyang Taifeng Real Estate Development Co.，Ltd. in summer

圖2 安陽市泰豐房地產(chǎn)開發(fā)有限責任公司文峰時代廣場夏季回水水質(zhì)Fig.2 Backwater quality of Wenfeng Times Square of Anyang Taifeng Real Estate Development Co.，Ltd. in summer

2 水文地質(zhì)概況

含水層層組特征：根據(jù)含水介質(zhì)的巖性、蓄水條件、含水程度等水文地質(zhì)特征，將安陽市劃分為兩大含水巖(層)組：碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、松散巖類孔隙含水巖組。本次監(jiān)測的安陽市市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)水源井屬于松散巖類孔隙含水巖組。

富水性分區(qū)：松散層孔隙含水巖組

極強富水區(qū)(>5 000 m3/d)：分布在安陽市老城區(qū)一帶。含水層巖性為卵礫石。

強富水區(qū)(5 000～3 000 m3/d)：分布在北部的柏莊鎮(zhèn)和安陽市市區(qū)以及安湯新城湯陰區(qū)域韓莊—白營一帶。含水層巖性為卵礫石層，中粗砂層。

中等富水區(qū)(3 000～1 000 m3/d)：分布在花園莊村、高莊鄉(xiāng)、前尊貴村以及安湯新城湯陰區(qū)域羑河村—西木佛村等地。含水層巖性為中粗砂含礫，中細砂層。

弱富水區(qū)(1 000～100 m3/d)：分布在蔡村、南流寺村以及南部寶蓮寺一帶。含水層為中細砂、粉細砂等。

3 監(jiān)測指標

安陽市市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)取水水源多為洹河沖洪積扇松散層孔隙水，與市區(qū)居民生活飲用水水源同層取水。因此，地下水地源熱泵系統(tǒng)水源水質(zhì)可以直接反應洹河沖洪積扇松散層孔隙水水質(zhì)情況。依據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標準(GB5749—2006)，對2018年安陽市市區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)單位的抽、回水井水質(zhì)進行飲用水水質(zhì)評價，旨在評價地源熱泵在使用過程中對洹河沖洪積扇地下水環(huán)境產(chǎn)生的影響。

4 水化學場年內(nèi)變化分析

總硬度ρ(CaCO3)：根據(jù)歷年水質(zhì)檢測結果，可以看出總硬度ρ(CaCO3)較高，是水化學背景值的客觀存在，說明當?shù)販\層地下水總硬度ρ(CaCO3)的含量背景值較高。故不作為年內(nèi)水質(zhì)評價因子。選取溶解性總固體、Cl-1、鐵、硝酸鹽(以氮計)為評價因子進行對比分析。

4.1 溶解性總固體

溶解性總固體是溶解在水里的無機鹽和有機物的總稱。含量的高低取決于水中鈣、鎂、鈉、鉀離子和碳酸根離子、碳酸氫根離子、氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子含量。抽水、回水水質(zhì)對比分析，溶解性總固體含量處于652.4～587.83 mg/L之間，均低于《生活飲用水衛(wèi)生標準》中的限值，變化量為0.1 %～10 %。數(shù)據(jù)波動較小，地下水中溶解性總固體含量不會發(fā)生明顯變化。

4.2 Cl-1

隨機選取12家監(jiān)測單位進行抽水、回水水質(zhì)對比分析。經(jīng)實驗室水化學分析，由水質(zhì)檢測報告看出，Cl-1含量處于82.49～159.77 mg/L之間，根據(jù)國家地下水質(zhì)量標準(GB/T14848-93)，該地下水體屬于Ⅱ～Ⅲ類水，適用于地下水源熱泵系統(tǒng)。抽水、回水中氯化物含量變?yōu)?.88 mg/L～9.64 mg/L，變化量為0.8 %～7.3 %，根據(jù)地下水地源熱泵系統(tǒng)回水井與抽水井水質(zhì)對比，回水較抽水波動較小，地下水中氯化物含量并未發(fā)生明顯變化。

4.3 鐵

地下水源熱泵系統(tǒng)運行年限比較長，管道局部有生銹情況時，在取樣過程中，會發(fā)現(xiàn)管口有銹跡、水樣偏黃，水質(zhì)報告會出現(xiàn)鐵超標反應。該12家監(jiān)測單位中，有一家單位抽水井水質(zhì)報告顯示總鐵含量為0.37 mg/L，回水水質(zhì)報告鐵含量為0.130 mg/L，這種抽水水質(zhì)鐵含量高于回水水質(zhì)，判斷是抽水管(泵管)局部有生銹情況造成，通過定期維護，可以避免此類情況發(fā)生。其他11家監(jiān)測單位抽水、回水鐵含量變化量為0～5.8 %?？傮w來看，熱泵機組運行前后不會對地下水中Fe離子含量產(chǎn)生明顯干擾。

4.4 硝酸鹽(以氮計)

3家監(jiān)測單位抽水水質(zhì)顯示有超過《生活飲用水衛(wèi)生標準》限值的情況，對比往年2017年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，該3家單位均未超標。硝酸鹽氮硝酸鹽超標的原因為局部地下水受到污染造成的，如地下水受到農(nóng)藥、化學肥料、城市生活污水和生活垃圾等的污染。建議在超標單位周邊多布置監(jiān)測點，核實超標原因。

5 水化學場多年變化分析

通過分析2006—2018年度安陽市泰豐房地產(chǎn)開發(fā)有限責任公司文峰時代廣場地下水水質(zhì)檢測報告結果，繪制水質(zhì)變化折線圖，回水水質(zhì)波動變化趨勢與抽水水質(zhì)相同，地下水進入機組提取熱量后，水質(zhì)未發(fā)生明顯變化。

5.1 總硬度ρ(CaCO3)

通過分析2006年水質(zhì)檢測報告，可以看出淺層地下水中分析項目總硬度ρ(CaCO3)的含量為495 mg/L，而總硬度是由原生的水文地球化學特征(條件)決定的(地下水多儲存在以碳酸巖為主要成份的卵礫石層中)，是水化學背景值的客觀存在，說明當?shù)販\層地下水總硬度ρ(CaCO3)的含量背景值較高。結合2018年度監(jiān)測單位抽、回灌井水質(zhì)監(jiān)測結果，總硬度ρ(CaCO3)為593.77 mg/L，由圖1折線圖可以看出，總硬度ρ(CaCO3)的含量呈現(xiàn)波動變化趨勢，無明顯升高趨勢。

5.2 氯化物

通過分析2006年水質(zhì)檢測報告，可以看出淺層地下水中氯化物的含量為162.72 mg/L。氯化物指標主要指的是水中常見的無機陰離子Cl-1的含量，它通常狀況下存在于所有的天然水體中，其主要來源于地下含水層中沉積巖石中鉀鹽、鈉鹽的溶解，以及巖漿巖等的風化溶解。生活上，水中氯離子含量關系到人類的生產(chǎn)運動以及身體健康狀況；工業(yè)上，氯離子還會對不銹管等材料產(chǎn)生比較嚴重的腐蝕。現(xiàn)狀年2018年氯化物的含量為126.2 mg/L，由圖1可見，氯化物的含量呈現(xiàn)波動變化趨勢。

5.3 溶解性總固體(TDS)

起始年2006年分析項目溶解性總固體(TDS)的含量為639～1 015.7 mg/L。溶解性總固體是溶解在水里的無機鹽和有機物的總稱。其主要成分有鈣、鎂、鈉、鉀離子和碳酸根離子、碳酸氫根離子、氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子；溶解性總固體(TDS)含量曲線呈現(xiàn)波動變化，現(xiàn)狀年2018與起始年2006年監(jiān)測數(shù)值相比，變化量<15 %，未呈現(xiàn)統(tǒng)一變化趨勢，說明監(jiān)測過程中相關離子沒有發(fā)生明顯趨勢性的變化。

5.4 硫酸鹽

硫酸鹽的含量于起始年為179.58 mg/L。硫酸鹽主要來源是地層礦物質(zhì)的硫酸鹽，多以硫酸鈣、硫酸鎂的形態(tài)存在；石膏、其它硫酸鹽沉積物的溶解。由圖1-2可見，監(jiān)測單位2013年水質(zhì)數(shù)據(jù)中硫酸鹽含量有升高趨勢，對比區(qū)域水質(zhì)報告，硫酸鹽含量均有升高趨勢。隨著時間推移，于2015年含量于起始年2006年基本一致。

5.5 硝酸鹽(以氮計)

起始年2006年地下水中分析項目硫酸鹽的含量為23.19 mg/L，現(xiàn)狀年為19.54 mg/L，未呈現(xiàn)明顯變化趨勢。地下水中硝酸鹽是含氮有機化合物氧化分解的最終產(chǎn)物，人類活動如：生活污水排放、農(nóng)藥化肥的大量使用等都會使其含量升高。由于地溫空調(diào)單位抽取洹河沖洪積扇地下水，監(jiān)測單位水質(zhì)狀況反映了洹河沖洪積扇水質(zhì)狀況。監(jiān)測結果顯示，目前洹河沖洪積扇地下水中硝酸鹽含量變化趨勢較穩(wěn)定，未因多年來的人類活動導致含量增加。

6 結 語

從監(jiān)測單位水化學場年內(nèi)變化可以看出，各個時期抽回水井及混合水樣中各離子含量基本一致，并未因地溫空調(diào)系統(tǒng)回灌水的回灌產(chǎn)生水化學類型的變化。

現(xiàn)狀年與起始年水質(zhì)監(jiān)測值基本一致。從地下水化學類型多年變化趨勢可以看出，地溫空調(diào)開發(fā)利用初期到規(guī)模性開發(fā)利用，地下水化學類型尚未出現(xiàn)大的改變，水化學類型仍以HCO3-Ca型及HCO3-Ca·Mg型為主，總體分布規(guī)律也一致，從12家單位地下水分析結果可以看出：制冷期、供暖期及間歇期抽回水井及混合水樣中各離子含量基本一致，并未因地溫空調(diào)的開發(fā)利用產(chǎn)生水化學類型的變化。由此可以看出，地溫空調(diào)系統(tǒng)回灌水的回灌尚未對地下水化學場造成較大影響。

建議在地下水地源熱泵系統(tǒng)運行過程中，做好系統(tǒng)維護，避免出現(xiàn)管道生銹腐蝕現(xiàn)象。