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水源热泵回水不到100%将酿灾难

发布时间:2021-11-19 14:47:10

引言

热泵技术在暖通空调领域中构成的热泵供暖方式不仅避免了“高位能源—供暖—废弃物”的单向性传统供暖方式,而且跳过“过程末端治理”的第二种模式,直接走“再生能源+高位能—供暖—废弃物与再生能源的”部分能量循环使用的闭环式循环过程的第三种模式。因此,近年来热泵供暖(冷)在我国应用十分广泛[1]。但是,纵观世界各国热泵的发展态势,我们明显地看到,在世界各国热泵发展过程中曾多次出现热泵发展停滞、热泵市场下跌等问题。我们应很好地吸取各国发展热泵的经验和教训,以便避免在今后我国热泵快速发展中出现类似的发展停滞现象。为此,撰写本文,以发出科学的善良警告———地下水源热泵若不100%回灌地下水将是子孙后代的灾难。其理由十分简单,即:

我国地下水资源十分短缺;

我国地下水超采现象严重,已引起一些地质灾害问题,亟待解决;

目前,国内运行的地下水源热泵系统的回灌尚存在许多问题,又未引起有关部门的高度关注;

国内有关部门与业主对地下水源热泵系统的回灌缺乏有效的管理与监测。

1我国地下水资源十分短缺

全球地下水水量为0.237×108km3,仅占全球水总量的1.71%,而其中咸水为0.1287×108km3,淡水为0.1083×108km3[2]。而我国地下淡水资源量为694km3[3],仅占世界地下淡水资源的0.6/10000,可见我国地下水总量贫乏。同时,由于我国地形、降水分布的地域性差异,使我国地下水资源具有南方丰富、北方贫乏的特征。占全国总面积的60%的北方地区地下水天然资源量约260km3/a,约占全国地下水天然资源量的30%,不足南方的1/2。占全国总面积约1 /3的西北地区地下水天然资源量约110km3/a,约占全国地下水天然资源量的13%;而东南及中南地区,面积仅占全国的13%,但地下水天然资源量约为260km3/a,约占全国地下水天然资源量的30%[2]。我国地下水分布的不均匀性,为普遍地推广与应用地下水源热泵带来地域的局限性。

我国人口众多,淡水资源人均占有量为900m3, 低于世界平均水平的1/4,居世界第110位,被联合国列为13个典型贫水国之一[4]。再加上水质污染状况严重,导致我国600多个城市有300多个城市缺水[5],根据1988年统计,在300多个缺水城市中,其中100多个是严重缺水城市,主要集中在北方,高峰季节只能满足65%的用水量,全国城市日缺水量达到1600万m3。特别是北方地区,由于地表水资源缺乏,主要依靠开采地下水来弥补用水量的不足。

根据《2000年中国水资源公报》记载,2000 年全国总供水量5531亿m3,其中地下水开采量达1060亿m3。北方松辽河、海河、黄河、淮河四大流域片,地下水开采量达845亿m3,占全国地下水开采量的79%。北方地区地下水供水量在总供水量中占有较大比例。其中海河流域占66%,黄河中下游占60%,辽河流域占59%。南方各流域片地下水占总供水量的比例都在5%以下,但集中在都市化区域。

基于这种现状,决定了地下水源热泵只能通过地下水来采集浅层地能(热),而不得再对地下水资源造成浪费和污染。

2地下水超采面临的问题与教训

地下水超采是指两部分:一是浅层地下水超采,即地下水多年平均开采量超过相应的总补给量,并造成地下水位持续下降的现象;二是深层承压水超采,由于补给十分困难,其大规模开采即可视为超采量。

由于地下水开采过于集中,在城市地区引起地下水位持续下降、地面下沉、海水入侵等环境地质问题。

2·1区域地下水位持续下降,降落漏斗面积不断扩大

例如:

目前北京超采区形成1000km2的下降漏斗,漏斗区平均水位下降4m多,中心水位下降20-30m,严重的地区达40m[5]。

天津、沧州、衡水、德州一带下降漏斗已连成一片,面积达3.18万km2。

华北深层水位以3-5m/a的速度下降。

苏锡常地区区域降落漏斗已达3000km2,漏斗中心水位埋深60-70m。

辽宁全省地下水超采面积达1500km2。沈阳地区形成了地下水位降深为28m、面积为280km2的超采漏斗,辽阳地区形成了深为23.5m,面积为320km2的超采漏斗[6],[5]。

2·2地面沉降

上海早在20世纪30年代开始,由于大量超采地下水导致地面下沉,从1921年到1967年,最严重的地区地面下降2.37m[7]。至今,全国已有50多个大中城市出现了区域性地面沉降,80%分布在沿海地区,较严重的是上海、天津、沧州、苏州、宁波等地,如表1所示。    

表1

2·3海水入侵

沿海地区,特别是山东半岛、辽东半岛和渤海湾由于地下水超采造成不同程度的海水入侵。例如:

山东半岛海水入侵总面积已达643km2,每年粮食减产2-3亿kg,45万人缺乏饮用水。海水现在正继续以每年几十至几百米的速度向陆地含水层推进[5]。

大连、营口、锦州、葫芦岛市的沿海地区,海水入侵面积由20世纪80年代初的50km2发展到90年代的766km2[6]。

另外,在我国北方、云贵高原和两广等开采岩溶地下水的地区,由于超采,岩溶塌陷现象也比较普遍。

地下水超采引发地面沉降、地裂、塌陷、海水入侵等地质灾害,给人类的生命安全与生产环境等造成极大的危害。例如:

海水入侵使地下水质量变差,丧失了原有地下水的使用价值;

海水入侵会造成粮食减产甚至绝收;

地面下沉造成大坝、河堤和楼房等市政设施和城市建筑物的严重损坏。如西安唐代大雁塔因地面沉降发生严重倾斜。西安、天津等城市因地面沉降造成上下水管道和煤气管道的断裂。

地面下沉使桥梁净空减少,影响正常的航运。河堤断裂,如从任丘到文安白洋淀千里堤上纵横裂缝长达2000m,滹沱河北大堤的裂缝等。

地面下沉使城市重力排污能力失效,地区的防洪、防汛效能降低;

20世纪70年代,黄河下流多年持续断流,1972-1997年间,有20年发生断流,90年以来,断流历时不断增长,1997年累计达226天,引发许多社会问题和生态环境问题。

上述数例说明,我国由于地下水超采引发的地质灾害的问题已越来越严重,因此,在推广和应用地下水源热泵时,首要的任务是保护地下水资源。采取调节措施,涵养水源,逐步实现地下水资源的合理配置、科学保护和可持续发展利用的目标。

3100%回灌地下水是正确使用地下水源热泵的基本标志

评价一个运行的地下水源热泵系统的优劣,应该首先看它是否能100%的回灌地下水。必须符合《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2005)中5.1.1的规定。要有完善的回灌系统,在整个运行寿命期内,保证100%回灌地下水。然后才能看它的运行经济性,可靠性和安全性等。

3·1地下水源热泵回灌的目的

3·1·1保护地下水资源,避免出现地质灾害。

基于地下水资源严重短缺和长期超采的现状,如果地下水源热泵的回灌技术有问题,不能将100%的井水回灌到含水层内,那将会使现在已不乐观的地下水资源状况雪上加霜。在全国大力推广地源热泵的同时,会带来和加速由于地下水超采引发的更大的地质灾害,地下水位下降、含水层疏干、地面下沉、河道断流、海水入侵等。

3·1·2改善和提高浅层地能(热)的利用效率。

浅层地能(热)一部分储存在含水层的地下水中,而大部分储存在含水层岩石骨架、顶层与底层岩土中,通过地下水源热泵系统的回灌井把温度较低的水注入含水层中,重新与含水层、顶层和底层岩土进行换热,以此来提高浅层地能(热)的利用率。

3·1·3回灌保持含水层内的压力,维护浅层地能(热)的开采条件。

地下水源热泵若不能100%回灌地下水,其用水的实质变为地下水的一种人工排泄。当大量的地下水源热泵被采用和长期运行,势必会使含水层的地下水补给、径流、排泄的小循环遭到破坏。众所周知,地下水的补给、径流和排泄是紧密联系在一起的,是形成地下水运行的一个完整的、不可分割的过程。为此,地下水源热泵必须采取可靠的回灌措施,确保置换冷量或热量后的地下水全部回灌到同一含水层,以保持含水层的压力与稳定的出水量。

3·2地下水源热泵回灌的问题与对策

地下不源热泵回灌技术是其关键技术,已引起空调制冷业内人员的关注[8-10]。同时,人工地下水回灌技术也是水资源管理的新战略[5]。人工地下水回灌技术是指将多余的地表水、暴雨径流或再生污水通过地面渗流或回灌井注水等方法将水从地面上输送到地下含水层中,随后同地下水一起作为新的水源开发利用。在地热资源开发与利用领域也采用地热水回灌技术来保护地热资源[1],[2]。可见,地下水回灌技术现已成为诸领域中的热门研究课题。

地下水源热泵应用于工程实际已有60多年的历史,在这60多年中时常暴露出了回灌井失效问题。回灌井堵塞造成单井水量越灌越少,甚至灌而不下。这已是制约地下水源热泵应用的一个瓶颈。回灌能力下降的原因是井孔、岩石表面和地层结构内发生堵塞。引起堵塞的因素有:

3·2·1悬浮物堵塞。

由于水中含有的悬浮物颗粒在回灌压力作用下,附着于回灌井的井壁或进入含水层的孔隙而影响回灌能力。当细小颗粒被吸附于井壁上时,会形成块状物,此时,可通过回扬和酸洗手段来消解;而当运动的细小颗粒在地层中的某一位置由于压力和流速不能维持颗粒的正常运动,而使颗粒被驻留,形成阻挡的环状区域,当发生这种堵塞时,尽管采用回扬措施,通常也是不可消除的。

防止悬浮物的具体措施是加装过滤器,除去水中的悬浮物之后再回灌。因此,控制回灌水中悬浮固体物的含量是防止回灌井堵塞的首要因素。

3·2·2气泡堵塞。

由于回灌水中可能携带大量气泡、水中溶解性气体可能因温度与压力的变化而释放出来、也可能因生化反应而生成气体物质,气体在含水层孔隙和通道中驻留、堆积,可能发生气体堵塞。防止回灌水夹带气泡的具体措施是在回灌井口水系统的最高点设置集气罐,集气罐上设置自动排气阀。

3·2·3化学沉淀堵塞。

由于物理化学状态的改变或回灌水与地下水之间的化学反应而产生沉淀,从而降低井的回灌能力。其中,水中的离子和含水层中粘土颗粒上的阳离子发生交换,导致粘粒的膨胀和扩散,这是报道最多的因化学反应产生的堵塞。
防止粘粒膨胀和扩散的具体措施是可通过注入CaCl2等盐来解决。

3·2·4微生物的生长。

回灌水中的微生物在适宜的条件下,在回灌井周围迅速繁殖,形成生物膜,堵塞过滤器孔隙或含水层孔隙,降低含水层的导水能力。

防止生物膜形成的具体措施是:

去除水中的有机物;

进行预消毒,杀死微生物,如常用氯消毒。

3·2·5含水层细颗粒介质重组。

当回灌井为双用途井,又兼作抽水井用,反复的抽水与回灌可能引起井壁周围细颗粒介质的重组,这种堵塞一旦形成,很难处理。

据Dillon等人对40个回灌事例的调查,发现80%的回灌井出现堵塞现象,其中65%的井的堵塞原因已经查明,其余15%的原因尚不清楚。已查明堵塞井中,各种情况所占的比例列入表2中[2]。     

表2

这充分说明,在目前的技术条件下,回灌井堵塞仍是一种普遍存在的问题。这些基本问题不解决,而盲目推广与应用,其后果难以预料。

3·3有效的管理与监控

运行中,为了掌握回灌效果,及时发现回灌中出现的问题,应做好以下几点工作:

3·3·1回灌效果的监测。要对回灌井的回灌水量、水温、水质及井口压力等进行监测,并记录以备查阅。

3·3·2回扬。回扬清洗方法是预防和处理回灌井堵塞的有效方法之一。目前在国内,常采用回扬清洗方法来维持地下水源热泵系统的地下水回灌。

3·3·3回灌井的维护与管理。每年至少要检修一次井,将井管抽出,清洗过滤网及井管。

3·3·4采用化学的方法(加酸、消毒及氯化剂等)对回灌井进行周期性的再生与处理,以保护井的回灌能力。

4·结束语

进入21世纪后,地下水源热泵系统在我国的发展十分迅速,其应用日益广泛。目前,有的部门和地区制定实施了一系列优惠政策和措施,使地下水源热泵系统的应用更为广泛。在这种形势下,我们更应该注意到地下水的双重性,它不仅是地下水源热泵优良的源与汇,而且是一种宝贵的资源,是人类赖以生存的最重要的基本物质之一。没有水,人类无法生存和发展。因此,保护地下水资源、合理地开发和利用地下水资源走可持续发展之路,使人类社会与自然环境协调发展,事在当代,功在千秋。

为此,建议:

对各地区正在运行的地下水源热泵的回灌措施与回灌效果作全面调查研究,杜绝抽水多、回灌少的现象存在,坚决贯彻GB50366-2005中关于抽取地下水全部回灌到同一含水层的强制性条文规定。对违反者,坚决停止运行,进行技术改造,直到合格为止。

加强对地下水源热泵回灌技术的研究力度。开展地下水源热泵源、汇井运行特性、由于抽水和回灌引起地下水运移特性(水力、热力特性)等方面的理论与实验研究。

积极寻求易于回灌的地下水源热泵形式与回灌技术,学习其它专业的回灌经验与技术。


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