引言

熱泵技術(shù)在暖通空調(diào)領(lǐng)域中構(gòu)成的熱泵供暖方式不僅避免了“高位能源—供暖—廢棄物”的單向性傳統(tǒng)供暖方式,而且跳過“過程末端治理”的第二種模式,直接走“再生能源+高位能—供暖—廢棄物與再生能源的”部分能量循環(huán)使用的閉環(huán)式循環(huán)過程的第三種模式。因此,近年來熱泵供暖(冷)在我國應(yīng)用十分廣泛[1]。但是,縱觀世界各國熱泵的發(fā)展態(tài)勢,我們明顯地看到,在世界各國熱泵發(fā)展過程中曾多次出現(xiàn)熱泵發(fā)展停滯、熱泵市場下跌等問題。我們應(yīng)很好地吸取各國發(fā)展熱泵的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),以便避免在今后我國熱泵快速發(fā)展中出現(xiàn)類似的發(fā)展停滯現(xiàn)象。為此,撰寫本文,以發(fā)出科學(xué)的善良警告———地下水源熱泵若不100%回灌地下水將是子孫后代的災(zāi)難。其理由十分簡單,即:

我國地下水資源十分短缺;

我國地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重,已引起一些地質(zhì)災(zāi)害問題,亟待解決;

目前,國內(nèi)運(yùn)行的地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌尚存在許多問題,又未引起有關(guān)部門的高度關(guān)注;

國內(nèi)有關(guān)部門與業(yè)主對地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌缺乏有效的管理與監(jiān)測。

1我國地下水資源十分短缺

全球地下水水量為0.237×108km3,僅占全球水總量的1.71%,而其中咸水為0.1287×108km3,淡水為0.1083×108km3[2]。而我國地下淡水資源量為694km3[3],僅占世界地下淡水資源的0.6/10000,可見我國地下水總量貧乏。同時(shí),由于我國地形、降水分布的地域性差異,使我國地下水資源具有南方豐富、北方貧乏的特征。占全國總面積的60%的北方地區(qū)地下水天然資源量約260km3/a,約占全國地下水天然資源量的30%,不足南方的1/2。占全國總面積約1 /3的西北地區(qū)地下水天然資源量約110km3/a,約占全國地下水天然資源量的13%;而東南及中南地區(qū),面積僅占全國的13%,但地下水天然資源量約為260km3/a,約占全國地下水天然資源量的30%[2]。我國地下水分布的不均勻性,為普遍地推廣與應(yīng)用地下水源熱泵帶來地域的局限性。

我國人口眾多,淡水資源人均占有量為900m3, 低于世界平均水平的1/4,居世界第110位,被聯(lián)合國列為13個典型貧水國之一[4]。再加上水質(zhì)污染狀況嚴(yán)重,導(dǎo)致我國600多個城市有300多個城市缺水[5],根據(jù)1988年統(tǒng)計(jì),在300多個缺水城市中,其中100多個是嚴(yán)重缺水城市,主要集中在北方,高峰季節(jié)只能滿足65%的用水量,全國城市日缺水量達(dá)到1600萬m3。特別是北方地區(qū),由于地表水資源缺乏,主要依靠開采地下水來彌補(bǔ)用水量的不足。

根據(jù)《2000年中國水資源公報(bào)》記載,2000 年全國總供水量5531億m3,其中地下水開采量達(dá)1060億m3。北方松遼河、海河、黃河、淮河四大流域片,地下水開采量達(dá)845億m3,占全國地下水開采量的79%。北方地區(qū)地下水供水量在總供水量中占有較大比例。其中海河流域占66%,黃河中下游占60%,遼河流域占59%。南方各流域片地下水占總供水量的比例都在5%以下,但集中在都市化區(qū)域。

基于這種現(xiàn)狀,決定了地下水源熱泵只能通過地下水來采集淺層地能(熱),而不得再對地下水資源造成浪費(fèi)和污染。

2地下水超采面臨的問題與教訓(xùn)

地下水超采是指兩部分:一是淺層地下水超采,即地下水多年平均開采量超過相應(yīng)的總補(bǔ)給量,并造成地下水位持續(xù)下降的現(xiàn)象;二是深層承壓水超采,由于補(bǔ)給十分困難,其大規(guī)模開采即可視為超采量。

由于地下水開采過于集中,在城市地區(qū)引起地下水位持續(xù)下降、地面下沉、海水入侵等環(huán)境地質(zhì)問題。

2·1區(qū)域地下水位持續(xù)下降,降落漏斗面積不斷擴(kuò)大

例如:

目前北京超采區(qū)形成1000km2的下降漏斗,漏斗區(qū)平均水位下降4m多,中心水位下降20-30m,嚴(yán)重的地區(qū)達(dá)40m[5]。

天津、滄州、衡水、德州一帶下降漏斗已連成一片,面積達(dá)3.18萬km2。

華北深層水位以3-5m/a的速度下降。

蘇錫常地區(qū)區(qū)域降落漏斗已達(dá)3000km2,漏斗中心水位埋深60-70m。

遼寧全省地下水超采面積達(dá)1500km2。沈陽地區(qū)形成了地下水位降深為28m、面積為280km2的超采漏斗,遼陽地區(qū)形成了深為23.5m,面積為320km2的超采漏斗[6],[5]。

2·2地面沉降

上海早在20世紀(jì)30年代開始,由于大量超采地下水導(dǎo)致地面下沉,從1921年到1967年,最嚴(yán)重的地區(qū)地面下降2.37m[7]。至今,全國已有50多個大中城市出現(xiàn)了區(qū)域性地面沉降,80%分布在沿海地區(qū),較嚴(yán)重的是上海、天津、滄州、蘇州、寧波等地,如表1所示。    

表1

2·3海水入侵

沿海地區(qū),特別是山東半島、遼東半島和渤海灣由于地下水超采造成不同程度的海水入侵。例如:

山東半島海水入侵總面積已達(dá)643km2,每年糧食減產(chǎn)2-3億kg,45萬人缺乏飲用水。海水現(xiàn)在正繼續(xù)以每年幾十至幾百米的速度向陸地含水層推進(jìn)[5]。

大連、營口、錦州、葫蘆島市的沿海地區(qū),海水入侵面積由20世紀(jì)80年代初的50km2發(fā)展到90年代的766km2[6]。

另外,在我國北方、云貴高原和兩廣等開采巖溶地下水的地區(qū),由于超采,巖溶塌陷現(xiàn)象也比較普遍。

地下水超采引發(fā)地面沉降、地裂、塌陷、海水入侵等地質(zhì)災(zāi)害,給人類的生命安全與生產(chǎn)環(huán)境等造成極大的危害。例如:

海水入侵使地下水質(zhì)量變差,喪失了原有地下水的使用價(jià)值;

海水入侵會造成糧食減產(chǎn)甚至絕收;

地面下沉造成大壩、河堤和樓房等市政設(shè)施和城市建筑物的嚴(yán)重?fù)p壞。如西安唐代大雁塔因地面沉降發(fā)生嚴(yán)重傾斜。西安、天津等城市因地面沉降造成上下水管道和煤氣管道的斷裂。

地面下沉使橋梁凈空減少,影響正常的航運(yùn)。河堤斷裂,如從任丘到文安白洋淀千里堤上縱橫裂縫長達(dá)2000m,滹沱河北大堤的裂縫等。

地面下沉使城市重力排污能力失效,地區(qū)的防洪、防汛效能降低;

20世紀(jì)70年代,黃河下流多年持續(xù)斷流,1972-1997年間,有20年發(fā)生斷流,90年以來,斷流歷時(shí)不斷增長,1997年累計(jì)達(dá)226天,引發(fā)許多社會問題和生態(tài)環(huán)境問題。

上述數(shù)例說明,我國由于地下水超采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害的問題已越來越嚴(yán)重,因此,在推廣和應(yīng)用地下水源熱泵時(shí),首要的任務(wù)是保護(hù)地下水資源。采取調(diào)節(jié)措施,涵養(yǎng)水源,逐步實(shí)現(xiàn)地下水資源的合理配置、科學(xué)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展利用的目標(biāo)。

3100%回灌地下水是正確使用地下水源熱泵的基本標(biāo)志

評價(jià)一個運(yùn)行的地下水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)劣,應(yīng)該首先看它是否能100%的回灌地下水。必須符合《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2005)中5.1.1的規(guī)定。要有完善的回灌系統(tǒng),在整個運(yùn)行壽命期內(nèi),保證100%回灌地下水。然后才能看它的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,可靠性和安全性等。

3·1地下水源熱泵回灌的目的

3·1·1保護(hù)地下水資源,避免出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害。

基于地下水資源嚴(yán)重短缺和長期超采的現(xiàn)狀,如果地下水源熱泵的回灌技術(shù)有問題,不能將100%的井水回灌到含水層內(nèi),那將會使現(xiàn)在已不樂觀的地下水資源狀況雪上加霜。在全國大力推廣地源熱泵的同時(shí),會帶來和加速由于地下水超采引發(fā)的更大的地質(zhì)災(zāi)害,地下水位下降、含水層疏干、地面下沉、河道斷流、海水入侵等。

3·1·2改善和提高淺層地能(熱)的利用效率。

淺層地能(熱)一部分儲存在含水層的地下水中,而大部分儲存在含水層巖石骨架、頂層與底層巖土中,通過地下水源熱泵系統(tǒng)的回灌井把溫度較低的水注入含水層中,重新與含水層、頂層和底層巖土進(jìn)行換熱,以此來提高淺層地能(熱)的利用率。

3·1·3回灌保持含水層內(nèi)的壓力,維護(hù)淺層地能(熱)的開采條件。

地下水源熱泵若不能100%回灌地下水,其用水的實(shí)質(zhì)變?yōu)榈叵滤囊环N人工排泄。當(dāng)大量的地下水源熱泵被采用和長期運(yùn)行,勢必會使含水層的地下水補(bǔ)給、徑流、排泄的小循環(huán)遭到破壞。眾所周知,地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄是緊密聯(lián)系在一起的,是形成地下水運(yùn)行的一個完整的、不可分割的過程。為此,地下水源熱泵必須采取可靠的回灌措施,確保置換冷量或熱量后的地下水全部回灌到同一含水層,以保持含水層的壓力與穩(wěn)定的出水量。

3·2地下水源熱泵回灌的問題與對策

地下不源熱泵回灌技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù),已引起空調(diào)制冷業(yè)內(nèi)人員的關(guān)注[8-10]。同時(shí),人工地下水回灌技術(shù)也是水資源管理的新戰(zhàn)略[5]。人工地下水回灌技術(shù)是指將多余的地表水、暴雨徑流或再生污水通過地面滲流或回灌井注水等方法將水從地面上輸送到地下含水層中,隨后同地下水一起作為新的水源開發(fā)利用。在地?zé)豳Y源開發(fā)與利用領(lǐng)域也采用地?zé)崴毓嗉夹g(shù)來保護(hù)地?zé)豳Y源[1],[2]?？梢?地下水回灌技術(shù)現(xiàn)已成為諸領(lǐng)域中的熱門研究課題。

地下水源熱泵應(yīng)用于工程實(shí)際已有60多年的歷史,在這60多年中時(shí)常暴露出了回灌井失效問題?；毓嗑氯斐蓡尉吭焦嘣缴?甚至灌而不下。這已是制約地下水源熱泵應(yīng)用的一個瓶頸?；毓嗄芰ο陆档脑蚴蔷?、巖石表面和地層結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生堵塞。引起堵塞的因素有:

3·2·1懸浮物堵塞。

由于水中含有的懸浮物顆粒在回灌壓力作用下,附著于回灌井的井壁或進(jìn)入含水層的孔隙而影響回灌能力。當(dāng)細(xì)小顆粒被吸附于井壁上時(shí),會形成塊狀物,此時(shí),可通過回?fù)P和酸洗手段來消解;而當(dāng)運(yùn)動的細(xì)小顆粒在地層中的某一位置由于壓力和流速不能維持顆粒的正常運(yùn)動,而使顆粒被駐留,形成阻擋的環(huán)狀區(qū)域,當(dāng)發(fā)生這種堵塞時(shí),盡管采用回?fù)P措施,通常也是不可消除的。

防止懸浮物的具體措施是加裝過濾器,除去水中的懸浮物之后再回灌。因此,控制回灌水中懸浮固體物的含量是防止回灌井堵塞的首要因素。

3·2·2氣泡堵塞。

由于回灌水中可能攜帶大量氣泡、水中溶解性氣體可能因溫度與壓力的變化而釋放出來、也可能因生化反應(yīng)而生成氣體物質(zhì),氣體在含水層孔隙和通道中駐留、堆積,可能發(fā)生氣體堵塞。防止回灌水夾帶氣泡的具體措施是在回灌井口水系統(tǒng)的最高點(diǎn)設(shè)置集氣罐,集氣罐上設(shè)置自動排氣閥。

3·2·3化學(xué)沉淀堵塞。

由于物理化學(xué)狀態(tài)的改變或回灌水與地下水之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生沉淀,從而降低井的回灌能力。其中,水中的離子和含水層中粘土顆粒上的陽離子發(fā)生交換,導(dǎo)致粘粒的膨脹和擴(kuò)散,這是報(bào)道最多的因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的堵塞。
防止粘粒膨脹和擴(kuò)散的具體措施是可通過注入CaCl2等鹽來解決。

3·2·4微生物的生長。

回灌水中的微生物在適宜的條件下,在回灌井周圍迅速繁殖,形成生物膜,堵塞過濾器孔隙或含水層孔隙,降低含水層的導(dǎo)水能力。

防止生物膜形成的具體措施是:

去除水中的有機(jī)物;

進(jìn)行預(yù)消毒,殺死微生物,如常用氯消毒。

3·2·5含水層細(xì)顆粒介質(zhì)重組。

當(dāng)回灌井為雙用途井,又兼作抽水井用,反復(fù)的抽水與回灌可能引起井壁周圍細(xì)顆粒介質(zhì)的重組,這種堵塞一旦形成,很難處理。

據(jù)Dillon等人對40個回灌事例的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)80%的回灌井出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,其中65%的井的堵塞原因已經(jīng)查明,其余15%的原因尚不清楚。已查明堵塞井中,各種情況所占的比例列入表2中[2]。     

表2

這充分說明,在目前的技術(shù)條件下,回灌井堵塞仍是一種普遍存在的問題。這些基本問題不解決,而盲目推廣與應(yīng)用,其后果難以預(yù)料。

3·3有效的管理與監(jiān)控

運(yùn)行中,為了掌握回灌效果,及時(shí)發(fā)現(xiàn)回灌中出現(xiàn)的問題,應(yīng)做好以下幾點(diǎn)工作:

3·3·1回灌效果的監(jiān)測。要對回灌井的回灌水量、水溫、水質(zhì)及井口壓力等進(jìn)行監(jiān)測,并記錄以備查閱。

3·3·2回?fù)P。回?fù)P清洗方法是預(yù)防和處理回灌井堵塞的有效方法之一。目前在國內(nèi),常采用回?fù)P清洗方法來維持地下水源熱泵系統(tǒng)的地下水回灌。

3·3·3回灌井的維護(hù)與管理。每年至少要檢修一次井,將井管抽出,清洗過濾網(wǎng)及井管。

3·3·4采用化學(xué)的方法(加酸、消毒及氯化劑等)對回灌井進(jìn)行周期性的再生與處理,以保護(hù)井的回灌能力。

4·結(jié)束語

進(jìn)入21世紀(jì)后,地下水源熱泵系統(tǒng)在我國的發(fā)展十分迅速,其應(yīng)用日益廣泛。目前,有的部門和地區(qū)制定實(shí)施了一系列優(yōu)惠政策和措施,使地下水源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛。在這種形勢下,我們更應(yīng)該注意到地下水的雙重性,它不僅是地下水源熱泵優(yōu)良的源與匯,而且是一種寶貴的資源,是人類賴以生存的最重要的基本物質(zhì)之一。沒有水,人類無法生存和發(fā)展。因此,保護(hù)地下水資源、合理地開發(fā)和利用地下水資源走可持續(xù)發(fā)展之路,使人類社會與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展,事在當(dāng)代,功在千秋。

為此,建議:

對各地區(qū)正在運(yùn)行的地下水源熱泵的回灌措施與回灌效果作全面調(diào)查研究,杜絕抽水多、回灌少的現(xiàn)象存在,堅(jiān)決貫徹GB50366-2005中關(guān)于抽取地下水全部回灌到同一含水層的強(qiáng)制性條文規(guī)定。對違反者,堅(jiān)決停止運(yùn)行,進(jìn)行技術(shù)改造,直到合格為止。

加強(qiáng)對地下水源熱泵回灌技術(shù)的研究力度。開展地下水源熱泵源、匯井運(yùn)行特性、由于抽水和回灌引起地下水運(yùn)移特性(水力、熱力特性)等方面的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

積極尋求易于回灌的地下水源熱泵形式與回灌技術(shù),學(xué)習(xí)其它專業(yè)的回灌經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)。