地下水源熱泵係統對地下水資源的影響分析

• 地下水源熱泵係統對地下水資源的影響分析

• 隨著地下水源熱泵的大麵積推廣，一方麵其節能、減排效果在我國的能源戰略中發揮了重要的作用;另一方麵，由於(yu) 對地下水資源的利用存在著不環評、不科學、不合理的開發，導致了地下水資源正逐步受到影響。文章通過分析我國31個(ge) 省市地下水資源的變化，倡導科學的、有效的地下水資源綜合開發利用管理及應用。地下水源熱泵(GroundWaterHeatPump)是地源熱泵(GroundSourceHeatPump)的一個(ge) 分支。這項技術起始於(yu) 1912年，瑞士Zoelly提出了“地熱源熱泵”的概念。1948年，*台地下水源熱泵係統在美國俄勒岡(gang) 州波特蘭(lan) 市的聯邦大廈投入了運行。在其後的幾十年中，地下水源熱泵得到了更為(wei) 廣泛的應用。美國在過去的10年內(nei) ，地下水源熱泵的年增長率為(wei) 12%，每年大約有50，000套地下水源熱泵在安裝。我國地下水源熱泵從(cong) 1997年開始學習(xi) 和引進歐洲產(chan) 品，出現了大規模的地下水源熱泵采暖工程項目。到2005年底，全國範圍內(nei) 除香港、澳門、中國台灣地區的31個(ge) 省市均有地源熱泵項目，項目數量達到3869項;統計歸納建築部三批共計212項示範項目，其中地下水係統占總量的39.26%。近30年來，全國地下水開采量以每年25億(yi) M3的速度遞增，總開采量超過1000億(yi) M3，伴隨著國家可持續發展能源戰略的調整，水源熱泵在建築節能降耗領域發揮著重要的作用。1、地下水源熱泵係統簡介地水源熱泵是利用了地下水作為(wei) 冷熱源，進行能量轉換的供暖空調係統。供熱時省去了燃煤、燃氣、然油等鍋爐房係統，沒有燃燒過程，避免了排煙、排汙等汙染;供冷時省去冷卻塔，避免了冷卻塔的噪音、黴菌汙染及水耗。地水源熱泵機組可利用的水體(ti) 溫度冬季為(wei) 12～22℃，水體(ti) 溫度比環境空氣溫度高，所以熱泵蒸發溫度提高，能效比也提高。而夏季水體(ti) 為(wei) 18～35℃，水體(ti) 溫度比環境空氣溫度低，所以製冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好於(yu) 風冷式和冷卻塔式，機組效率提高。據美國環保署[1]EPA估計，設計安裝良好的地下水源熱泵，平均來說可以為(wei) 用戶節約20～30%的供熱製冷空調的運行費用。采用地源熱泵係統作為(wei) 樓宇空調係統，其運行費用可大大降低。根據北京11個(ge) 地源熱泵項目2003～2004年冬季的運行費用調查結果，其中7項工程低於(yu) 燃煤集中供熱的采暖價(jia) 格，所有被調查項目均低於(yu) 燃油、燃氣和電鍋爐供暖價(jia) 格;用地源熱泵係統製冷時，其運行費用可比傳(chuan) 統中央空調係統降低15%～30%。折算到一次能源，以能源利用係統總能效進行比較，現有地下水熱泵係統供熱總能效高，約為(wei) 115%，土壤源熱泵係統供熱總能效約為(wei) 100%，燃煤集中鍋爐房供熱總能效55%左右，燃氣集中鍋爐房供熱總能效的65%左右，熱電廠供熱總能效約為(wei) 70%。2、地下水源熱泵的應用對地下水位的影響我國水資源非常缺乏，主管部門對開采地下水有嚴(yan) 格管理，為(wei) 保證地下水源熱泵係統長期正常運行，補充地下水源，調節水位，維持儲(chu) 量平衡，必須進行100%同層回灌。同時，為(wei) 避免在熱泵裝置中冷卻或加熱後回灌到地下的水，因短路而被抽回，回灌井與(yu) 取水井之間應保證一定距離。目前，雖然還沒有回灌水質國家標準，但回灌水質至少應等於(yu) 原地下水質，以保證回灌後不會(hui) 引起區域性地下水水質汙染。根據國土資源部發布的《我國主要城市和地區地下水水情通報》，2006年163個(ge) 城市地下水水位監測資料顯示，與(yu) 2005年相比，監測區地下水位總體(ti) 保持穩定，深層地下水位較淺層變化明顯，水位變化明顯區主要在地下水開采程度較高的華北、華東(dong) 、西北等地區。在開展淺層地下水水位監測的126個(ge) 城市中，與(yu) 2005年相比，水位總體(ti) 呈下降趨勢(下降幅度大於(yu) 0.5米)的城市有23個(ge) ，主要分布在華北、華東(dong) 、西北地區。在開展深層地下水水位監測的78個(ge) 城市中，與(yu) 2005年相比，水位總體(ti) 呈下降趨勢的城市有24個(ge) ，主要分布在華北、華東(dong) 地區。2006年監測結果表明，全國有地下水降落漏鬥216個(ge) ，其中淺層地下水降落漏鬥120個(ge) ，深層地下水降落漏鬥91個(ge) ，岩溶地下水降落漏鬥5個(ge) 。與(yu) 2005年相比，地下水降落漏鬥狀況總體(ti) 保持穩定，有明顯變化的降落漏鬥主要分布在受地下水開采影響較大的華北、華東(dong) 地區。其中淺層地下水降落漏鬥主要分布在華北、華東(dong) 地區;深層地下水降落漏鬥主要分布在華北、東(dong) 北、華東(dong) 地區。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(低於(yu) 地麵10m)形成真空進行回灌，含水層滲透性要良好，由於(yu) 回灌時，對井的濾水層衝(chong) 擊力不強，所以很適用於(yu) 老井。采用真空回灌，對於(yu) 細顆粒含水層，回灌量一般為(wei) 取水量的1/3-1/2;對於(yu) 粗顆粒含水層，回灌量可達取水量的1/2-2/3。重力回灌：依靠自然重力進行回灌也適用於(yu) 低水位和滲透性良好的含水層，此法的優(you) 點是係統簡單。對於(yu) 砂卵石含水層，其回灌量一般為(wei) 取水量的50%;對於(yu) 滲透性好的礫卵石層來說，回灌量可達取水量75-90%。壓力回灌：壓力回灌用於(yu) 高水位和低滲透性的含水層，其缺點是回灌時，對井的濾水層和含水砂層的衝(chong) 擊力強。因此，綜合目前的地下水源熱泵的取水層情況，國家相關(guan) 標準提出回灌井不得少於(yu) 抽水井的兩(liang) 倍，其目的也就是為(wei) 了實現抽水與(yu) 回灌量的平衡。3、地下水源熱泵的應用對地下水質的影響2006年163個(ge) 城市的地下水水質監測資料分析，監測區主要監測點的地下水水質以良好-較差為(wei) 主，深層地下水水質優(you) 於(yu) 淺層地下水，開采程度低的地區地下水水質優(you) 於(yu) 開采程度高的地區。在開展淺層地下水水質監測的125個(ge) 城市中，主要監測點地下水水質呈惡化趨勢的城市有21個(ge) ，主要分布在東(dong) 北、西北、華東(dong) 、中南等地區;開展深層地下水水質監測的75個(ge) 城市中，主要監測點地下水水質呈惡化趨勢的城市12個(ge) ，主要分布東(dong) 部沿海地區。一般而言，第三係含水層較少，第四係含水層較多，水量豐(feng) 富，除汙染嚴(yan) 重或鹹堿水區域外，地下水物化特性比較適中。在第四係與(yu) 第三係地層覆蓋較薄區域，水源大都采自基岩井，華北地區由於(yu) 寒武紀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(有一定的補給關(guan) 係，與(yu) 外界連通交換並有區域流動和流向)。原生水水質與(yu) 其形成地質時代有巨大關(guan) 係，大都埋藏較深，目前水文地質界因視其為(wei) “戰備水”而不建議開采;次生水是區域降雨可以補充的地下水，華北地區常采的是奧陶係灰岩地層水，水文地質界稱為(wei) “奧灰水”，由其形成特性決(jue) 定其水質。因此目前國家針對地下水的回灌，不僅(jin) 僅(jin) 要求是滿足等量回灌，更加關(guan) 鍵的是為(wei) 了防止不同含水層中水質的相互影響，同時提出了同層回灌的要求，即所謂異井回灌。關(guan) 於(yu) 單井回灌技術，確實具有降低初投資、部分增加回灌效果等優(you) 點，但是，不可否認的是，除了容易導致熱幹擾(熱短路)之外，由於(yu) 不同含水層之間的回灌互用，違背了同層回灌的要求，導致了深層地下水(戰略儲(chu) 備水)與(yu) 淺層地下水之間的相互混溶，破壞了地下水係的結構，帶來了不可逆的後果與(yu) 影響。4、地下水源熱泵良性發展關(guan) 鍵1)建立證政府行政監管體(ti) 係，對地下水資源的開發與(yu) 利用進行統一監管;防止區域性的水資源過度開發與(yu) 利用。2)國家相關(guan) 水力資源部門進行全國範圍的水利調查，繪製全國地下水資源綜合分布圖;對於(yu) 地下水資源貧瘠地區，或者地質結構不適宜地區，堅決(jue) 不允許開采地下水資源。3)對於(yu) 新建或者已建成的水源熱泵項目，務必要求100%的同層回灌;防止地下水資源的流失;同時做好回灌水資源的水質監管工作，防止對深層戰略儲(chu) 備地下水的汙染。4)為(wei) 提高回灌效果，在進行回灌過程中，需要定期進行回揚。回灌井的回揚次數和回揚持續時間，取決(jue) 於(yu) 含水層顆粒大小和滲透性。岩溶裂隙含水層的回灌井，長期不回揚，回灌能力仍維持不變;鬆散粗大顆粒含水層，每周回揚1-2次;中、細顆粒含水層，回揚間隔應進一步縮短，而對於(yu) 細顆粒含水層的回灌井來說，回揚作為(wei) 保持回灌量的措施尤為(wei) 重要。5)據專(zhuan) 家測算，目前我國發電裝機容量為(wei) 5.08億(yi) 千瓦，百米內(nei) 地下水每年可采集低溫能量約為(wei) 2.2×108千瓦，相當於(yu) 其43%，淺層地能的應用具有相當大的市場空間，如果全國每年在1億(yi) M2建築中推廣應用地源熱泵供暖空調，則每個(ge) 采暖季可替代374萬(wan) 噸標煤，或25億(yi) M3左右天然氣，削減約6.4萬(wan) 噸N0X、933萬(wan) 噸CO2、約16萬(wan) 噸顆粒物的排放。鑒於(yu) 此，建設部提出，在“十一五”期間，推廣淺層低能使其使用麵積達到2.4億(yi) 平方米。因此，在地下水源熱泵不適宜地區，鼓勵發展土壤源熱泵係統;在具有較豐(feng) 富地表水，諸如江水、湖水、河水等水與(yu) 區域，建議推廣地表水源熱泵係統;沿海城市建議重點推廣海水源熱泵。總之，地源熱泵係統的推廣與(yu) 應用，一定要本著因地製宜的原則。

• 水利部：超八成地下水遭受汙染威脅

• 地下水正遭受汙染與(yu) 超采的雙重威脅。

• 水利部近公開的2016年1月《地下水動態月報》（以下簡稱《月報》）顯示，全國地下水普遍“水質較差”。具體(ti) 來看，水利部於(yu) 2015年對分布於(yu) 鬆遼平原、黃淮海平原、山西及西北地區盆地和平原、江漢平原的2103眼地下水水井進行了監測，監測結果顯示：IV類水691個(ge) ，占32.9%；V類水 994個(ge) ，占47.3%，兩(liang) 者合計占比為(wei) 80.2%。

• 值得注意的是，IV類水主要適用於(yu) 一般工業(ye) 用水區及人體(ti) 非直接接觸的用水區，已經不適合人類飲用，V類水汙染就更加嚴(yan) 重。這也意味著，超八成地下水遭受汙染威脅。《月報》還顯示，主要汙染指標中“三氮”汙染情況較重，部分地區存在一定程度的重金屬和有毒有機物汙染。

• 與(yu) 此同時，地下水還遭受嚴(yan) 重的超采威脅。數據顯示，2016年1月，全國主要平原區地下水儲(chu) 存量比去年同期減少82.4億(yi) 立方米（約82.4億(yi) 噸）。

• 多為(wei) 淺層地下水

• 在長江、黃河、淮河、海河和鬆遼等流域，汙染和超采正在成為(wei) 流域內(nei) 地下水的主要威脅。

• 在水利部本輪地下水監測中，監測範圍基本涵蓋了地下水開發利用程度較大、汙染較嚴(yan) 重的地區，監測對象以淺層地下水為(wei) 主，易受地表或土壤水汙染下滲影響，水質評價(jia) 結果總體(ti) 較差。

• 本輪2103眼水井的水質評價(jia) 結果顯示：無I類水，II至III類水418個(ge) ，占總數的19.9%；IV類水691個(ge) ，占32.9%；V類水994個(ge) ，占47.3%。

• 其中，主要汙染指標除總硬度、錳、鐵和氟化物可能由於(yu) 水文地質化學背景而監測值偏高外，“三氮”汙染情況較重，部分地區存在一定程度的重金屬和有毒有機物汙染。

• 本輪全國範圍內(nei) 的監測，正是按照2011年公布的《全國地下水汙染防治規劃（2011~2020年）》的部署，為(wei) 摸清地下水汙染的“家底”，規劃提出到2015年要基本掌握地下水汙染狀況。

• “IV類水已經不適合人類飲用，V類水汙染就更加嚴(yan) 重。實際上，這兩(liang) 類水都已經不太適合人類接觸。”公眾(zhong) 與(yu) 環境研究中心主任馬軍(jun) 告訴《每日經濟新 聞》記者，“從(cong) 監測流域和監測對象看，這個(ge) 高達80%的數值並不特別令人驚訝。其中出現的重金屬和有毒有機物汙染，是因為(wei) 流經城市的淺層地下水，更容易遭 受農(nong) 業(ye) 麵源、工業(ye) 廢棄物以及垃圾掩埋汙染。”

• 值得注意的是，淺層地下水的汙染，與(yu) 地表水的汙染存在“相互影響”的關(guan) 係。馬軍(jun) 指出，“以淺層地下水為(wei) 主要監測對象的結果，也說明流域內(nei) 地表水亦存在相應汙染。旱季時，淺層地下水會(hui) 補給地表水；同理，地下水的補給來自地表水。”

• 汙染、超采威脅“水安全”

• 地下水遭受汙染，或產(chan) 生嚴(yan) 重的“水安全”問題。

• 根據此前國土資源部的統計數據，目前全國657個(ge) 城市中，有400多個(ge) 以地下水為(wei) 飲用水源。全國範圍內(nei) ，有近70%的人口飲用地下水。那麽(me) 高達八成的地下水汙染監測結果，會(hui) 影響居民飲用水的安全嗎？

• “一般來說，城市內(nei) 多采用深層地下水作為(wei) 飲用水源，深層地下水不易遭受汙染。”馬軍(jun) 說，“但還有很多農(nong) 村地區居民飲用淺層地下水，汙染將主要對他們(men) 帶來影響。”

• 值得一提的，除汙染問題外，超采也是我國保障“水安全”的一大威脅。

• 《月報》數據顯示，2016年1月，全國主要平原區地下水儲(chu) 存量比去年同期減少82.4億(yi) 立方米，單黃淮海平原就減少了49.2億(yi) 立方米，其中又以河北地區地下水儲(chu) 存量減少為(wei) 首：一年間，河北地區減少了22.1億(yi) 立方米的地下水。

• 馬軍(jun) 表示，“針對地下水的治理，其花費更甚於(yu) 治理地表水，地下水汙染問題相對複雜，而地下水的超采，還會(hui) 帶來地縫、塌陷等次生災害。”

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