浅层地温能开发对环境地质可能产生的影响浅析
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４论文天地ｌ 浅层地温能开发对环境地质可能产生的影响浅析 原年福李佳洋随春明 内蒙古自治区地质调查院呼和浩特０１００２０ 摘要：浅层地温能是一种可再生的新型环保能源，利用前景广阔。随着近些年国家对环境保护工作的加大投入以及 对浅层地温能研究的逐步深入，这种清洁能源已在现代城市生活中得到了广泛的应用。但对于开发利用过程中出现的各 种环境地质问题，还需在将来的工作中予以重视，应避免引起次生环境问题。 浅层地温能是赋存在地球表层岩 土体中的低温地热资源，是一种新型 的优质清洁能源，具有可再生、分布 广、储量大、清洁环保、经济实惠、安全 性强和可用性强等特点。浅层地温能 开发工程技术，按冷热源工程分类可 分为土壤源热泵系统和地下水源热泵 系统。其中，土壤源热泵系统是在浅 层地层中设置人工管道，通过循环水 在管道中的运行来实现同地层的冷热 源转换；地下水源热泵系统即是利用 井孑Ｌ开采地下水，冬灌夏用，夏灌冬 用，实现同地层冷、热源交换和反季节 储能。在相同的地质、水文地质条件 下，开发利用技术的不同，就导致在浅 层地温能开发利用过程中出现的问题 也不尽相同。 一、地下水地源热泵工程开发利 用对地质环境的影响 １．对地下水水位的影响 地下水地源热泵系统在采、灌过 程中，如果采、灌基本平衡，则不会对 区域地下水动力场产生明显的影响； 若采灌不平衡或为异层采灌，则对局 部地下水动力场有一定的影响，其影 响强度取决于消耗的地下水量。 地下水地源热泵系统在运行过程 关键词：浅层地温能环境地质影响 中，会在区域地下水下降漏斗的基础 上，以开采井为中心，再产生一个小范 围的地下水位下降漏斗，产生下降漏 斗的范围取决于地下水的开采强度和 地层条件。在不考虑开采条件下越流 量和挤压释水量的影响时，可按理想 状态下承压水泰斯井流条件来定量计 算分析地下水地源热泵系统开发利用 对地下水动力场的影响。 一般采、灌运行时，虽然抽水井周 围会形成一个局部的小型水位降落漏 斗，但由于回灌水的注人会逐渐填平 开采所形成的这个降落漏斗，弥补部 分水头损失，对含水层地下水水位有 一定的抬升作用。抽水井在不同时刻 所引起的水位降深，与回灌井的水位 上升进行了叠加，使得含水层的水位 降幅有所减小，抽水引起的区域水位 降落漏斗并不十分明显。 在对井采、灌条件下，地下水位下 降漏斗影响范围会明显的小于同等条 件下只抽水时的影响半径。因此，地 下水地源热泵运行过程中，含水层回 灌能力的大小对地下水位的影响起主 要作用，进而影响到环境问题的发生。 从理论和实际抽、灌运行经验与 效果来看，这种抽、灌结合的对井或多 采多灌的开采方式效果也较好，因为 一方面抽水降低了抽水井周围含水层 的动水压力，另一方面回灌抬高了注 水井井口压力而增大了回灌井周围含 水层的动水压力，使得抽、灌井间水力 坡度加大，回灌也更易于进行。 ２．对水质的影响 水源热泵系统地下水采灌对水质 的影响方式主要有混合作用、氧化还 原作用、溶解／沉淀作用。 （１）混合作用：水源热泵运行过程 中，不同水质问的混合作用是对地下 水质影响最大。同一工程场地不同含 水组间存在较大的水质差异。同一含 水组自上而下各含水层间也存在一定 的水质差异。 （２）氧化还原作用：深层地下水处 于还原环境，在地下水的采灌过程中， 若回灌系统密封性差，则地下水会与 大气接触，水中溶解氧含量增加，对还 原成分产生氧化作用，最终影响到地 下水的化学成分，从而对地下水水质 产生不良的影响。 （３）溶解／沉淀作用：在地下水开 采过程中，由于压力降低，水中部分 ＣＯ：释出，降低了Ｈ 的浓度，使溶液中 的ＣａＣＯ，（方解石）、ＭｇＣＯ，（文石）、 ＣａＭｇ（ＣＯ，） （白云石）等矿物达到饱和 或进一步饱和。因此，在地下水回灌 过程中，真正会产生沉淀，对回灌井产
ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ｜２０５ ｎ论文天地 ２０６ 生影响的是Ｆｅ：０ （赤铁矿）、ＦｅＯＯＨ （针铁矿）等铁的三价矿物和ＳｉＯ （石 英）。 ３．对温度场的影响 人类为了使室内保持舒适的温 度，将建筑内的高温或低温环境热量 转移到了地下，如果规模较小、局部、 短期的热量转移不会引起明显的冷热 岛问题，但是如果规模较大，时间较 长，就有可能引起地下的冷热岛效 应。一般情况下，如果热泵夏季输入 到地下的总热量和冬季从地下提取的 总热量保持平衡，那么从长期看空间 的热流地下的热量收支仍然是平衡 的，只产生季节性的冷热岛现象，但是 在很多地区，建筑物的夏季冷负荷和 冬季热负荷需求并不平衡，这样会形 成长期的冷热岛，不但降低热泵的效 率对地质环境不利，有可能造成地下 的冷热污染，引起生态平衡问题，而且 长期下去会对地质环境不利，有可能 造成地下的冷热污染，引起生态平衡 问题降低热泵的效率。 抽水井周围地下水温度的稳定性 是维持地源热泵系统运行的关键，合 理的井距决定了热堆积和冷堆积。但 地下水的回灌不可避免地会抬高或降 低回灌井周围的地下水温度，这种温 度的变化将随着时间的推移扩展到抽 水井周围，可能在热泵运行期间导致 “热短路”。根据华北地区水源热泵的 工程运行监测，抽灌井的温差如果小 于５℃，地下水地源热泵的效能将大 大降低，可以以此温差作为判断热短 路的参考依据。因此，在进行地下水 源热泵的设计时，要通过水文地质试 验合理设计井间距，将回灌井对抽灌 井的温度影响减小到最低的水平，避 免热短路的发生。 地下水温度升高主要带来以下危 害：水温升高使水中缺氧，加速含氮有 机化合物的矿化和有机残体的分解； 水体温度的升高，可能会超出某些生 物的适应范围，从而影响生物的正常 生活、发育、繁殖等，从而改变局部地 区的自然规律；水温升高会加剧水分 子的热运动，从而加速液体蒸发，局部 含水体失水增多，对缺水地区尤为不 利。冬季回灌的水温较低，同样会改 变周围的温度环境，带来相似的影响。 ４．地面沉降 浅层地下水通常储存在由松散 的、未固结或弱固结的第四纪沉积物 组成的含水层中，地下水源热泵往往 开采的是夹在粘性土层之间的砂层中 的地下水，砂层内部也会夹有粘性 土。而粘性土层压缩性大，地下水位 下降时易发生压缩形变，如果开采区 粘性土层厚度较大，并且不及时回灌， 就有可能会产生难以察觉的岩土体变 形，导致不均匀的地面沉降。不过，一 般情况下独立的地下水源热泵不会诱 发显著的地面沉降，但当地下水源热 泵密集分布时，如果形成联合漏斗，有 可能会增加地面沉降的风险。 二、地埋管地源热泵工程开发利 用对地质环境的影响 １．对土壤温度的影响 地埋管地源热泵换热会向周围的 土壤中释放热量或是从周围的土壤中 吸收热量，从而导致局部土壤温度改 变。在其他条件不变时，适当增加布 孔间距有利于增加换热器的换热量。 布孔间距过小，两个换热孔之间会出 现相互换热的情况，导致换热器换热 性能降低。具体工程中，当一个项目 决定采用浅层地温能资源作冷、热源 时，在做方案设计之前，均须进行场地 勘查，取得项目所在地的土壤换热能 力等相关参数，并以此对地下地埋管 布孔间距和布孔数量进行设计，保证 合理间距。根据天津市地埋管换热模 拟及实际运行的经验，地埋管长时间 运行后，土壤温度通常都会有一定的 升高。土壤温度的升高会造成以下危 害： ①土壤温度升高会增强越冬类昆 虫的繁殖能力，使病虫害增加。 ②近地表土壤温度升高会加快土 壤的干燥过程，而土壤中的微生物和 菌类的繁殖和生存是要靠较高的湿度 才能进行，土壤的干燥会使微生物失 去生存的环境，从而引发生态灾害。 ２．防冻液对环境的影响 在地埋管地源热泵系统中，通过 向地埋管循环水中加适量防冻液的方 法来提高埋管换热器的换热量，这种 做法不会对地下环境造成影响，但是 如果防冻液泄露就会对地埋管周围的 土壤环境、水环境以及大气环境造成 严重的影响。防冻液可能泄露的方式 有两种：一是热泵系统运行过程中管 道的破裂或者接缝开裂；二是管道安 装过程中防冻液的泄露。防冻液的泄 露主要与液体的张力有关，张力越小， 泄露的可能性越大。实验表明，一般 条件下向地埋管换热器中注人防冻 液，甲醇无泄漏，乙醇和乙二醇有少量 的泄露。由于防冻液大多是有机物， 会使地下水受到较为严重的污染，治 理难度也较大。因此，在地埋管设计 时，应该尽量不加防冻液，从根本上杜 绝这个隐患。
