地下水回灌存在的问题及解决措施

  我国地下水源热泵工作者对地下水源热泵系统运行中出现的问题做了很多详细的调查和分析，主要有以下四类：回灌阻塞问题、腐蚀与水质问题、井水泵功耗过高和运行管理问题。

  1．回灌阻塞问题
  地下水属于一种地质资源，如无可靠的回灌，将会引发严重的后果。地下水大量开采引起的地面沉降、地裂缝、地面塌陷等地质问题日渐显著。例如地下水的过度抽取引起的地面沉降，在我国浙江、江苏和整个华北平原，情况都仍然非常严重。比如西安 市，地面沉降已经是较为突出的地质灾害之一。其形成发展的历史较长，波及范围广，并具有独特的活动特征。地面沉降的持续发展还加剧了西安地裂缝的活动，给西安市的市政设施及城市建设造成很大危害。西安市区地面沉降主要特征之一是地面沉降中心与承压水降落漏斗基本一致。受水文地质条件及井群分布等因素的影响，地面沉降中心与承压水降落漏斗基本对应，承压水水位下降大的地区，地面沉降量也相应的较大。西安市区地面沉降，主要是过量开采承压水引起水位大幅度下降导致开采层段地层失水压密造成的，其次是区域构造活动引起的沉降。研究表明，在过量开采承压水的情况下，不仅使含水砂层被挤压，减少孔隙度，排出含水层中的部分水量而产生压密；同时，承压水位的大幅度下降，也使砂层和黏性土层原有的水力平衡被破坏，黏性土层中的孔隙水压力逐渐降低，随着孔隙水的排出，一部分原来由孔隙水承担的上覆载荷转移到黏土颗粒的骨架上，黏土骨架承受的有效应力增加，使土层原有的结构被破坏，并重新组合排列造成土层压密。这种黏性土层的释水压密特征与含水砂层的释水压密特征不同，是不可逆变形，它是产生地面沉降的最主要原因。
  地面沉降除了对地面的建筑设施产生破坏作用外，对于沿海临河地区还会产生海水倒灌、河床升高等其他环境问题。
  对于地下水源热泵系统，若严格按照政府的要求实行地下水l00%回灌到原含水层的话，总体来说地下水的供补是平衡的，局部的地下水位的变化也远小于没有回灌的情况，所以一般不会因抽灌地下水而产生地面沉降。但现在在国内的实际使用过程中，由于地质及成井工艺的问题，回灌堵塞问题时有发生，有可能出现地下水直接地表排放的情况。而一旦出现地质环境问题，往往是灾难性和无法恢复弥补的。
  回灌井堵塞和溢出是大多数地下水地源热泵系统都会出现的问题。回灌经验表明，真空回灌时，对于第四纪松散沉积层来说，颗粒细的含水层的回灌量一般为开采量的1/3-1/2，而颗粒粗的含水层则约为1/2—2/3。回灌井堵塞的原因和处理措施大致可以归纳为下面六种情况：
  (1)悬浮物堵塞：注入水中的悬浮物含量过高会堵塞多孔介质的孔踪，从而使井的回灌能力不断减小直到无法回灌，这是回灌井堵塞中最常见的情况。因此通过预处理控制回灌井中悬浮物的含量是防止回灌井堵塞的首要方法。在回灌灰岩含水层的情况下，控制悬浮物在30mg/L以内是一个普遍认可的标准。
  (2)微生物的生长：注入水中的或当地的微生物可能在适宜的条件下在回灌井周围迅速繁殖，形成一层生物膜堵塞介质孔隙，从而降低了含水层的导水能力。通过去除水中的有机质或者进行预消毒杀死微生物可以防止生物膜的形成。在采用氯进行消毒的情况下，典型的余氯值为15mg/L。
  (3)化学沉淀：当注入水与含水层介质或地下水不相容时，可能会引起某些化学反应，这不仅可以形成化学沉淀堵塞水的回灌，甚至可能因新生成的化学物质而影响水质。在碳酸盐地区可以通过加酸来控制水的pH值，以防止化学沉淀的生成。
  (4)气泡阻塞：回灌入井时，在一定的流动情况下，水中可能挟带大量气泡，同时水中的溶解性气体可能因温度、压力的变化而释放出来。此外，也可能因生化反应而生成气体物质，最典型的如反硝化反应会生成氮气和氮氧化物。气泡的生成在潜水含水层 中并不成问题，因为气泡自行溢出；但在承压含水层中，除防止注入挟带气泡之外，对其他原因产生的气体应进行特殊处理。
  (5)黏粒膨胀和扩散：这是报道最多的因化学反应产生的堵塞。具体原因是水中的离子和含水层中黏土颗粒上的阳离子发生交换，这种交换会导致粘粒的膨胀和扩散。由这种原因引起的堵塞，可以通过注入cacl2等盐来解决。
  (6)含水层细颗粒重组：当回灌井又兼作抽水井时，反复的抽、回灌可能引起存在于井壁周围细颗粒介质的重组，这种堵塞一旦形成，则很难处理。因此在这种情况下，回灌井用作抽水井的频率不宜太高。

  2．腐蚀与水质问题
  现在国内地下水源热泵的地下水回路都不是严格意义上的密封系统，回灌过程中的回扬、水回路中产生的负压和沉砂池，都会使外界的空气与地下水接触，导致地下水氧化。地下水氧化会产生一系列的水文地质问题，如地质化学变化、地质生物变化。另外，目前国内的地下水回路材料基本不作严格的防瘸处理，地下水经过系统后，水质也会受到一定影响。这些问题直接表现为管路系统中的管路、换热器和滤水管的生物结垢和无机物沉淀，造成系统效率的降低和井的堵塞。更可怕的是，这些现象也会在含水层中发生，对地下水质和含水层产生不利影响。
  腐蚀和生锈是早期地下水源热泵遇到的普遍问题之一（地下水的水质是引起腐蚀的根源因素。因此，国内外学者对地下水的水质问题作了分析，对地下水水质的基本要求是：澄清、水质稳定、不腐蚀、不滋生微生物或生物、不结垢等）。地下水对水源热泵机组的有害成分有：铁、锰、钙、镁、二氧化碳、溶解氧、氯离子、酸碱度等。
  (1)腐蚀性：溶解氧对金属的腐蚀性随金属而异。对钢铁，溶解氧含量大则腐蚀速率增加；铜在淡水中的腐蚀速率较低，但当水中氧和二氧化碳含量高时，铜的腐蚀速率增加。水中游离二氧化碳的变化，主要影响碳酸盐结垢。但在缺氧的条件下，游离的二氧化碳会引起铜和钢的腐蚀。氯离子会加剧系统管道的局部腐蚀。
  (2)结垢：水中以正盐和碱式盐形式存在的钙、镁离子易在换热面上析出沉积，形成水垢，严重影响换热效果，即影响地下水源热泵机组的效率。地下水中的Fe2+以胶体形式存在，Fe2+易在换热面上凝聚沉积，促使碳酸钙析出结晶，加剧水垢形成。而且Fe2+遇到氧气发生氧化反应，生成Fe3+，在碱性条件下转化为呈絮状物的氢氧化铁沉积而阻塞管道，影响机组的正常运行。
  (3)混浊度与含砂量：地下水的混浊度高会在系统中形成沉积，阻塞管道，影响正常运行。地下水的含砂量高对机组、管道和阀门造成磨损，加快钢材等的腐蚀速度，严重影响机组的使用寿命，而且混浊度和含砂量高还会造成地下水回灌时含水层的阻塞，影响地下水的回灌，使回水量逐渐降低，影响供水系统的稳定性和使用寿命。为防止管井的堵塞主要采用回扬方法。所谓回扬即在回灌井中、开泵抽出水中的堵塞物，或采用倒井的方法。
  当潜水泵采用双位控制时，应加设止回阀，以免停泵时水倒空，氧气进入系统腐蚀设备。一般不推荐采用化学处理，一是费用昂贵，二是会改变地下水水质。
  地下水水源热泵本身并不污染地下水，但凿井深度必须控制。北市海淀区对水源热泵回灌下游水质跟踪检测三年多，未发现有污染和异常。欧洲、北美等地，已使用20-30年。只要严格控制凿井深度在浅表地层，严格禁止深入饮用水层以避免对饮用水的层间交叉污染，同时注意上层井管的止水，水源热泵凿井对地下水的污染是能够避免的。

  3．井水泵功耗过高
  井水泵的功耗在地下水地源热泵系统能耗中占有很大的比重，在不良的设计中，井水泵的功耗可以占总能耗的25%或更多，使系统整体性能系数降低。在一次由ASHRAE和美国能源部组织的调查表明，31个系统只有3个系统的水泵运行良好。因此，有必要对系统井水泵的选择和控制多加注意。
  常用的潜水泵控制方法有：设置双限温度的双位控制、变频控制和多井台数控制。
  推荐采用变频控制。在设计时应根据抽水井数、系统形式和初投资综合选用适合的控制方式。

  4．运行管理
  运行管理是任何一个HVAC系统的重要组成部分，对于地下水地源热泵这种特殊设计更是关键因素。在系统验收调试完成，交付使用前，应对运行管理人员进行培训。培训内容应该包括系统的运行原理，各种实际运行中可能出现的工况和操作方法等。