地下水源熱泵系統(tǒng)對(duì)地下水資源的影響分析
隨著地下水源熱泵的大面積推廣，一方面其節(jié)能、減排效果在我國(guó)的能源戰(zhàn)略中發(fā)揮了重要的作用;另一方面，由于對(duì)地下水資源的利用存在著不環(huán)評(píng)、不科學(xué)、不合理的開發(fā)，導(dǎo)致了地下水資源正逐步受到影響。文章通過分析我國(guó)31個(gè)省市地下水資源的變化，倡導(dǎo)科學(xué)的、有效的地下水資源綜合開發(fā)利用管理及應(yīng)用。地下水源熱泵(groundwaterheatpump)是地源熱泵(groundsourceheatpump)的一個(gè)分支。這項(xiàng)技術(shù)起始于1912年，瑞士zoelly提出了“地?zé)嵩礋岜?rdquo;的概念。1948年，*臺(tái)地下水源熱泵系統(tǒng)在美國(guó)俄勒岡州波特蘭市的聯(lián)邦大廈投入了運(yùn)行。在其后的幾十年中，地下水源熱泵得到了更為廣泛的應(yīng)用。美國(guó)在過去的10年內(nèi)，地下水源熱泵的年增長(zhǎng)率為12%，每年大約有50，000套地下水源熱泵在安裝。我國(guó)地下水源熱泵從1997年開始學(xué)習(xí)和引進(jìn)歐洲產(chǎn)品，出現(xiàn)了大規(guī)模的地下水源熱泵采暖工程項(xiàng)目。到2005年底，全國(guó)范圍內(nèi)除香港、澳門、中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的31個(gè)省市均有地源熱泵項(xiàng)目，項(xiàng)目數(shù)量達(dá)到3869項(xiàng);統(tǒng)計(jì)歸納建筑部三批共計(jì)212項(xiàng)示范項(xiàng)目，其中地下水系統(tǒng)占總量的39.26%。近30年來，全國(guó)地下水開采量以每年25億m3的速度遞增，總開采量超過1000億m3，伴隨著國(guó)家可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略的調(diào)整，水源熱泵在建筑節(jié)能降耗領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。1、地下水源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介地水源熱泵是利用了地下水作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)?、然油等鍋爐房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙、排污等污染;供冷時(shí)省去冷卻塔，避免了冷卻塔的噪音、霉菌污染及水耗。地水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。而夏季水體為18～35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。據(jù)美國(guó)環(huán)保署[1]epa估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的地下水源熱泵，平均來說可以為用戶節(jié)約20～30%的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。采用地源熱泵系統(tǒng)作為樓宇空調(diào)系統(tǒng)，其運(yùn)行費(fèi)用可大大降低。根據(jù)北京11個(gè)地源熱泵項(xiàng)目2003～2004年冬季的運(yùn)行費(fèi)用調(diào)查結(jié)果，其中7項(xiàng)工程低于燃煤集中供熱的采暖價(jià)格，所有被調(diào)查項(xiàng)目均低于燃油、燃?xì)夂碗婂仩t供暖價(jià)格;用地源熱泵系統(tǒng)制冷時(shí)，其運(yùn)行費(fèi)用可比傳統(tǒng)*空調(diào)系統(tǒng)降低15%～30%。折算到一次能源，以能源利用系統(tǒng)總能效進(jìn)行比較，現(xiàn)有地下水熱泵系統(tǒng)供熱總能效zui高，約為115%，土壤源熱泵系統(tǒng)供熱總能效約為100%，燃煤集中鍋爐房供熱總能效55%左右，燃?xì)饧绣仩t房供熱總能效的65%左右，熱電廠供熱總能效約為70%。2、地下水源熱泵的應(yīng)用對(duì)地下水位的影響我國(guó)水資源非常缺乏，主管部門對(duì)開采地下水有嚴(yán)格管理，為保證地下水源熱泵系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行，補(bǔ)充地下水源，調(diào)節(jié)水位，維持儲(chǔ)量平衡，必須進(jìn)行100%同層回灌。同時(shí)，為避免在熱泵裝置中冷卻或加熱后回灌到地下的水，因短路而被抽回，回灌井與取水井之間應(yīng)保證一定距離。目前，雖然還沒有回灌水質(zhì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但回灌水質(zhì)至少應(yīng)等于原地下水質(zhì)，以保證回灌后不會(huì)引起區(qū)域性地下水水質(zhì)污染。根據(jù)*發(fā)布的《我國(guó)主要城市和地區(qū)地下水水情通報(bào)》，2006年163個(gè)城市地下水水位監(jiān)測(cè)資料顯示，與2005年相比，監(jiān)測(cè)區(qū)地下水位總體保持穩(wěn)定，深層地下水位較淺層變化明顯，水位變化明顯區(qū)主要在地下水開采程度較高的華北、華東、西北等地區(qū)。在開展淺層地下水水位監(jiān)測(cè)的126個(gè)城市中，與2005年相比，水位總體呈下降趨勢(shì)(下降幅度大于0.5米)的城市有23個(gè)，主要分布在華北、華東、西北地區(qū)。在開展深層地下水水位監(jiān)測(cè)的78個(gè)城市中，與2005年相比，水位總體呈下降趨勢(shì)的城市有24個(gè)，主要分布在華北、華東地區(qū)。2006年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，全國(guó)有地下水降落漏斗216個(gè)，其中淺層地下水降落漏斗120個(gè)，深層地下水降落漏斗91個(gè)，巖溶地下水降落漏斗5個(gè)。與2005年相比，地下水降落漏斗狀況總體保持穩(wěn)定，有明顯變化的降落漏斗主要分布在受地下水開采影響較大的華北、華東地區(qū)。其中淺層地下水降落漏斗主要分布在華北、華東地區(qū);深層地下水降落漏斗主要分布在華北、東北、華東地區(qū)。地下水回灌的方法有三種，即：真空回灌、重力(自流)回灌和壓力回灌。真空回灌：真空回灌是利用存頗低的靜水位(低于地面10m)形成真空進(jìn)行回灌，含水層滲透性要良好，由于回灌時(shí)，對(duì)井的濾水層沖擊力不強(qiáng)，所以很適用于老井。采用真空回灌，對(duì)于細(xì)顆粒含水層，回灌量一般為取水量的1/3-1/2;對(duì)于粗顆粒含水層，回灌量可達(dá)取水量的1/2-2/3。重力回灌：依靠自然重力進(jìn)行回灌也適用于低水位和滲透性良好的含水層，此法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單。對(duì)于砂卵石含水層，其回灌量一般為取水量的50%;對(duì)于滲透性好的礫卵石層來說，回灌量可達(dá)取水量75-90%。壓力回灌：壓力回灌用于高水位和低滲透性的含水層，其缺點(diǎn)是回灌時(shí)，對(duì)井的濾水層和含水砂層的沖擊力強(qiáng)。因此，綜合目前的地下水源熱泵的取水層情況，國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出回灌井不得少于抽水井的兩倍，其目的也就是為了實(shí)現(xiàn)抽水與回灌量的平衡。3、地下水源熱泵的應(yīng)用對(duì)地下水質(zhì)的影響2006年163個(gè)城市的地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析，監(jiān)測(cè)區(qū)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水水質(zhì)以良好-較差為主，深層地下水水質(zhì)優(yōu)于淺層地下水，開采程度低的地區(qū)地下水水質(zhì)優(yōu)于開采程度高的地區(qū)。在開展淺層地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的125個(gè)城市中，主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)的城市有21個(gè)，主要分布在東北、西北、華東、中南等地區(qū);開展深層地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)的75個(gè)城市中，主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)的城市12個(gè)，主要分布東部沿海地區(qū)。一般而言，第三系含水層較少，第四系含水層較多，水量豐富，除污染嚴(yán)重或咸堿水區(qū)域外，地下水物化特性比較適中。在第四系與第三系地層覆蓋較薄區(qū)域，水源大都采自基巖井，華北地區(qū)由于寒武紀(jì)地層埋藏大部分較深，一般建井是在奧灰地層，水源是原生水或次生水(有一定的補(bǔ)給關(guān)系，與外界連通交換并有區(qū)域流動(dòng)和流向)。原生水水質(zhì)與其形成地質(zhì)時(shí)代有巨大關(guān)系，大都埋藏較深，目前水文地質(zhì)界因視其為“戰(zhàn)備水”而不建議開采;次生水是區(qū)域降雨可以補(bǔ)充的地下水，華北地區(qū)常采的是奧陶系灰?guī)r地層水，水文地質(zhì)界稱為“奧灰水”，由其形成特性決定其水質(zhì)。因此目前國(guó)家針對(duì)地下水的回灌，不僅僅要求是滿足等量回灌，更加關(guān)鍵的是為了防止不同含水層中水質(zhì)的相互影響，同時(shí)提出了同層回灌的要求，即所謂異井回灌。關(guān)于單井回灌技術(shù)，確實(shí)具有降低初投資、部分增加回灌效果等優(yōu)點(diǎn)，但是，不可否認(rèn)的是，除了容易導(dǎo)致熱干擾(熱短路)之外，由于不同含水層之間的回灌互用，違背了同層回灌的要求，導(dǎo)致了深層地下水(戰(zhàn)略儲(chǔ)備水)與淺層地下水之間的相互混溶，破壞了地下水系的結(jié)構(gòu)，帶來了不可逆的后果與影響。4、地下水源熱泵良性發(fā)展關(guān)鍵1)建立證政府行政監(jiān)管體系，對(duì)地下水資源的開發(fā)與利用進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)管;防止區(qū)域性的水資源過度開發(fā)與利用。2)國(guó)家相關(guān)水力資源部門進(jìn)行全國(guó)范圍的水利調(diào)查，繪制全國(guó)地下水資源綜合分布圖;對(duì)于地下水資源貧瘠地區(qū)，或者地質(zhì)結(jié)構(gòu)不適宜地區(qū)，堅(jiān)決不允許開采地下水資源。3)對(duì)于新建或者已建成的水源熱泵項(xiàng)目，務(wù)必要求100%的同層回灌;防止地下水資源的流失;同時(shí)做好回灌水資源的水質(zhì)監(jiān)管工作，防止對(duì)深層戰(zhàn)略儲(chǔ)備地下水的污染。4)為提高回灌效果，在進(jìn)行回灌過程中，需要定期進(jìn)行回?fù)P?；毓嗑幕?fù)P次數(shù)和回?fù)P持續(xù)時(shí)間，取決于含水層顆粒大小和滲透性。巖溶裂隙含水層的回灌井，長(zhǎng)期不回?fù)P，回灌能力仍維持不變;松散粗大顆粒含水層，每周回?fù)P1-2次;中、細(xì)顆粒含水層，回?fù)P間隔應(yīng)進(jìn)一步縮短，而對(duì)于細(xì)顆粒含水層的回灌井來說，回?fù)P作為保持回灌量的措施尤為重要。5)據(jù)專家測(cè)算，目前我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量為5.08億千瓦，百米內(nèi)地下水每年可采集低溫能量約為2.2×108千瓦，相當(dāng)于其43%，淺層地能的應(yīng)用具有相當(dāng)大的市場(chǎng)空間，如果全國(guó)每年在1億m2建筑中推廣應(yīng)用地源熱泵供暖空調(diào)，則每個(gè)采暖季可替代374萬噸標(biāo)煤，或25億m3左右天然氣，削減約6.4萬噸n0x、933萬噸co2、約16萬噸顆粒物的排放。鑒于此，建設(shè)部提出，在“十一五”期間，推廣淺層低能使其使用面積達(dá)到2.4億平方米。因此，在地下水源熱泵不適宜地區(qū)，鼓勵(lì)發(fā)展土壤源熱泵系統(tǒng);在具有較豐富地表水，諸如江水、湖水、河水等水與區(qū)域，建議推廣地表水源熱泵系統(tǒng);沿海城市建議重點(diǎn)推廣海水源熱泵。總之，地源熱泵系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用，一定要本著因地制宜的原則。
*：超八成地下水遭受污染威脅
地下水正遭受污染與超采的雙重威脅。
*zui近公開的2016年1月《地下水動(dòng)態(tài)月報(bào)》（以下簡(jiǎn)稱《月報(bào)》）顯示，全國(guó)地下水普遍“水質(zhì)較差”。具體來看，*于2015年對(duì)分布于 松遼平原、黃淮海平原、山西及西北地區(qū)盆地和平原、江漢平原的2103眼地下水水井進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：iv類水691個(gè)，占32.9%；v類水 994個(gè)，占47.3%，兩者合計(jì)占比為80.2%。
值得注意的是，iv類水主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的用水區(qū)，已經(jīng)不適合人類飲用，v類水污染就更加嚴(yán)重。這也意味著，超八成地下水遭受污染威脅。《月報(bào)》還顯示，主要污染指標(biāo)中“三氮”污染情況較重，部分地區(qū)存在一定程度的重金屬和有毒有機(jī)物污染。
與此同時(shí)，地下水還遭受嚴(yán)重的超采威脅。數(shù)據(jù)顯示，2016年1月，全國(guó)主要平原區(qū)地下水儲(chǔ)存量比去年同期減少82.4億立方米（約82.4億噸）。
多為淺層地下水
在長(zhǎng)江、黃河、淮河、海河和松遼等流域，污染和超采正在成為流域內(nèi)地下水的主要威脅。
在*本輪地下水監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)范圍基本涵蓋了地下水開發(fā)利用程度較大、污染較嚴(yán)重的地區(qū)，監(jiān)測(cè)對(duì)象以淺層地下水為主，易受地表或土壤水污染下滲影響，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果總體較差。
本輪2103眼水井的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：無i類水，ii至iii類水418個(gè)，占總數(shù)的19.9%；iv類水691個(gè)，占32.9%；v類水994個(gè)，占47.3%。
其中，主要污染指標(biāo)除總硬度、錳、鐵和氟化物可能由于水文地質(zhì)化學(xué)背景而監(jiān)測(cè)值偏高外，“三氮”污染情況較重，部分地區(qū)存在一定程度的重金屬和有毒有機(jī)物污染。
本輪全國(guó)范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)，正是按照2011年公布的《全國(guó)地下水污染防治規(guī)劃（2011~2020年）》的部署，為摸清地下水污染的“家底”，規(guī)劃提出到2015年要基本掌握地下水污染狀況。
“iv類水已經(jīng)不適合人類飲用，v類水污染就更加嚴(yán)重。實(shí)際上，這兩類水都已經(jīng)不太適合人類接觸。”公眾與環(huán)境研究中心主任馬軍告訴《每日經(jīng)濟(jì)新 聞》記者，“從監(jiān)測(cè)流域和監(jiān)測(cè)對(duì)象看，這個(gè)高達(dá)80%的數(shù)值并不特別令人驚訝。其中出現(xiàn)的重金屬和有毒有機(jī)物污染，是因?yàn)榱鹘?jīng)城市的淺層地下水，更容易遭 受農(nóng)業(yè)面源、工業(yè)廢棄物以及垃圾掩埋污染。”
值得注意的是，淺層地下水的污染，與地表水的污染存在“相互影響”的關(guān)系。馬軍指出，“以淺層地下水為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象的結(jié)果，也說明流域內(nèi)地表水亦存在相應(yīng)污染。旱季時(shí)，淺層地下水會(huì)補(bǔ)給地表水；同理，地下水的補(bǔ)給來自地表水。”
污染、超采威脅“水安全”
地下水遭受污染，或產(chǎn)生嚴(yán)重的“水安全”問題。
根據(jù)此前*的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前全國(guó)657個(gè)城市中，有400多個(gè)以地下水為飲用水源。全國(guó)范圍內(nèi)，有近70%的人口飲用地下水。那么高達(dá)八成的地下水污染監(jiān)測(cè)結(jié)果，會(huì)影響居民飲用水的安全嗎？
“一般來說，城市內(nèi)多采用深層地下水作為飲用水源，深層地下水不易遭受污染。”馬軍說，“但還有很多農(nóng)村地區(qū)居民飲用淺層地下水，污染將主要對(duì)他們帶來影響。”
值得一提的，除污染問題外，超采也是我國(guó)保障“水安全”的一大威脅。
《月報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2016年1月，全國(guó)主要平原區(qū)地下水儲(chǔ)存量比去年同期減少82.4億立方米，單黃淮海平原就減少了49.2億立方米，其中又以河北地區(qū)地下水儲(chǔ)存量減少為首：一年間，河北地區(qū)減少了22.1億立方米的地下水。
馬軍表示，“針對(duì)地下水的治理，其花費(fèi)更甚于治理地表水，地下水污染問題相對(duì)復(fù)雜，而地下水的超采，還會(huì)帶來地縫、塌陷等次生災(zāi)害。”
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