城市淺層地熱能開發地質環境問題研究

朱 巍，張 靜，唐 雯，張旭升，畢立坤

（1.中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧沈陽 110000；2.遼寧省地質環境監測總站，遼寧沈陽 110033；3.遼寧省第二水文地質工程地質大隊有限責任公司，遼寧大連 116037）

0 引言

在淺層地熱能開發利用的過程中，地下能源的采集是關鍵環節，開發利用的合理性尤為重要，直接影響著周圍的生態環境。北方地區供暖和制冷兩種工況的運行時間相差較大時，地層的冷熱平衡會隨時間而發生較大的變化，最終導致被破壞（王秉忱，2012；王靜等，2012；薛禹群，2012；吳燁等，2013；郎旭娟等，2016）。冷熱平衡被打破時，會影響土壤中微生物種群的數量、植被的生長速度，導致地層中N2O和CH4集中釋放、地層孔隙度變化、地下水質發生變化等；當回灌率較低時，會造成地下水資源的浪費、地下水位的下降以及地面塌陷等地質環境問題（李保珠等，2011；藺文靜等，2012，2013；班文韜等，2018；葛偉亞等，2021）。

采用地源熱泵技術開發淺層地熱能，系統運行過程中，管路進出口溫度存在一定溫差，系統持續運行將導致出口溫度呈現升降的變化，即為熱貫通（楊紅亮等，2010；吳燁等，2013，李修成等，2016）。溫度變化持續出現會引起土壤及地下水的熱污染和相關生態環境問題（倪龍等，2006；陳陽等，2012；鐘美玲等，2018）。當采集、排放熱能超過其熱補償、擴散能力時，地下空間的天然冷熱平衡會被破壞，土壤或地下水體的冷熱量長期處在失衡狀態，其溫度會相應變化，進而直接影響熱泵系統運行效率，嚴重時導致系統運行異常，土壤溫度持續變化的狀態也會影響微生物環境和周圍植物生存環境等（戚美等，2008；馬宏權等，2009；張博等，2011；豆惠萍等，2019）。

地層巖性主要為砂、粘土、礫石時，無法完全避免地下水的熱貫通問題（曲云霞等，2007；趙靜等，2009；朱家玲等，2012；李修成等，2016）。熱貫通現象的持續，會導致地下水溫度在冬季越來越低，夏季越來越高，當地源熱泵開發類型、孔位、成井材料和探井工程設計不合理時，在運行過程中會造成熱污染、地面沉降、地下水位下降、水質惡化等地質環境問題（盧予北等，2004，2011，2012）。

1 研究區背景

研究區位于大連市主城區（圖1），遼東半島南部，西北面為渤海，東南面向黃海，西南隔海為膠東半島。地貌受到長期內外力地質作用的影響，同時在新構造運動與海水作用的影響下，形成了山地半島類型的地貌特征，即丘陵多平原少，丘陵面積約占全區總面積80%，溝谷平原面積不足20%。年平均氣溫10℃。年降水量600～700 mm。區內前第四紀地層相對單一，僅出露新元古界青白口系、南華系、震旦系及新生界第四系，其中青白口系－震旦系發育完整，出露面積619.37 km2，占總面積84.89%，頂、底界線清楚。第四紀沉積物巖性包括礫（卵石、角礫）、砂礫、含礫砂、砂、粉砂、粘土質粉砂、粉砂質粘土、粘土、泥礫、淤泥、泥炭和黃土。

圖1 大連市主城區分布位置（a）和區位圖（b）Fig.1 Distribution （a） and location map （b） of the main urban area of Dalian City

2 地層熱物理性質特征

2.1 地層熱響應特征

在研究區內不同地貌單元完成現場熱響應試驗6組，測試孔位深度120～200 m，通過試驗結果（表1），反映地層熱響應特征，試驗數據分析結果見圖2、3。

表1 現場熱響應試驗成果表Table 1 Results of field thermal response tests

圖2 大連市南關嶺地溫變化曲線圖Fig.2 Ground temperature variations of Nanguanling in Dalian City

圖3 大連市金普地溫變化曲線圖Fig.3 Ground temperature variations of Jinpu in Dalian City

研究區試驗結果顯示，供暖期間，通過熱泵把地層中低品位熱能進行提升，然后在能量釋放末端實施供暖，同時在地層中蓄存冷量。制冷期間，通過熱泵把空氣中的熱量輸送到地層中進行能量交換，從而實現制冷降溫，同時在地層中蓄存熱量，在一年供暖制冷期內，向地下取出的熱量等于夏季向大地蓄存的能量，則地層中低品位能量收支平衡。如果地層的吸熱和放熱的平衡破壞，多余的能量（熱量和冷量）就會在地層中疊加，會引起地層中溫度的變化。地層中的冷熱平衡的破壞和溫度的變化不僅會影響熱泵的換熱性能，増加運行費用，而且還會造成區域性生態環境的破壞（王艷霞等，2008）。

區內地溫場的垂向分布特征總體表現為隨深度的增加，地溫緩慢升高，變化類型屬于直線漸變升溫型，但是不同深度的地溫變化具有一定的差異性。恒溫帶以上區域，地溫變化主要受到太陽能的影響，隨著近地表氣溫的季節性變化而變化，地溫的波動較大；恒溫帶以下區域，地溫變化主要受到地球內部熱源的影響，隨著深度的增加溫度逐漸升高，地溫梯度為1.7～2.1℃/100 m。能量交換后的循環水通過回灌井進入地下，不可避免地會影響地溫場的變化，主要含水層中地下水溫度影響最大，并且隨著熱泵運行時間的推移，地溫場溫度的變化幅度會逐漸加大，影響范圍也不斷向外擴展。若采灌井間距過小，即使回灌井位于開采井的下游，由于開采井取水形成局部降落漏斗，漏斗伸向回灌井方向，回灌井溫度的變化也可能會影響到開采井周圍，使得熱泵機組利用地溫場的溫差減小，影響系統換熱效率，節能效率和應用效果會明顯降低。

2.2 地層冷熱平衡特征

淺層地熱能主要通過熱泵技術開發利用。根據研究區地埋管孔壁、鉆孔中心和邊界土壤在運行一年的過程中，各月土壤的平均溫度變化監測結果顯示（表2），地埋管壁面溫度隨季節變化，冬季1月管壁溫度比周邊地層低0.8℃，夏季8月管壁溫度比周邊地層高24.9℃，由于地層冷熱平衡不均，導致在運行時間內，地埋管周邊土壤溫度由初始的16.8℃上升至17.3℃，提升了0.5℃。利用地下水源熱泵系統供暖制冷時，同樣會使地層溫度發生變化，當地下水回灌困難或排放市政管網中時，必將加重市政管網的負擔，嚴重時會造成市政管網癱瘓，其危害更大。

表2 地埋管鉆孔及周邊土壤年度運行溫度變化（℃）Table 2 Annual operating temperature change （℃） of buried pipe drilling and surrounding soil

3 地質環境問題

3.1 熱污染造成的環境問題

研究區長期利用地埋管或水源熱泵開發利用淺層地熱能時，如果設計不合理或者地下水回灌率低，供暖期、制冷期運行時間差別較大時，地層將導致冷熱失衡。這些現象將造成區域性熱污染，土壤和地下水的熱污染最終導致土壤微生物、植被和地層孔隙度變化。區域水溫和土壤溫度升高使水中溶解氧逐年減少，水體和土壤本身處于缺氧狀態，水生生物或土壤微生物代謝率增高從而需要更多氧氣，造成部分水生生物和微生物在熱效力作用下發育受阻或死亡，破壞區域生態平衡（廖榮等，2010；吳燁，2013，2014；王衛星等，2015）。地表土壤中氧氣濃度較低，植物夜間無法進行光合作用時會死去。溫度通過影響植被體內生物酶的活性對植被生長發育及完成整個生命周期產生重要的影響。

北方地區熱污染對地層土壤結構影響較大，溫度對凍結土壤入滲能力有重要作用。東北凍土地區，在凍結條件下，土壤溫度變化會引起固、液相水分比例失調，地層孔隙度變化，隨溫度逐步升高，土壤飽和導水率呈上升態勢，凍結土壤逐步融化，呈現蠕動或流動狀態，此時凍土處于退化過程，其地層結構發生變化，巖土強度隨之降低（倪龍等，2006；閆巖等，2018）。凍土融化將產生溫室氣體集中排放。地層中溫室氣體N2O年總排放量約70%發生在土壤融化、凍結過程，凍層下產生大量N2O、CH4氣體，土壤凍層融化后，氣體上移釋放（安樹青等， 2007）。因此，凍土區溫度升高會造成山體邊坡失穩、路面塌陷、地基不均勻沉降、溫室氣體集中釋放等系列地質環境問題。

3.2 地面沉降與塌陷問題

研究區抽取地下液體是誘發地面沉降的重要原因。土體覆蓋層荷載引起的總應力由土壤孔隙中的水和顆粒共同承擔，孔隙含水層抽取地下水，水位變化會降低地下水壓力，并等量增加土體有效應力，粘土層會產生次生固結壓密，降低水浮力的同時，產生附加應力，含水砂層排水固結，壓密下沉，并隨水位抬升而回彈。粘土層固結變形和砂層壓密變形的相互疊加，就造成了地面沉降或塌陷。

超采地下水資源導致大面積地下水位降落漏斗，水位降低會改變地層中含水層以及頂、底板弱透水層應力狀態變化，含水層和弱透水層同時釋水，從而使弱透水的粘土層壓縮變形，嚴重時導致地面沉降及地裂縫。在構造沉降基礎上，長期開采地熱形成的地面沉降，可引發建筑物基礎不均勻下沉、傾斜和房屋裂縫和地下管線破壞，從而嚴重影響建筑物的正常使用和壽命；由于地面沉降造成地面高程的降化，導致城市和鄉鎮雨季大量積水、防洪工程能力下降，嚴重影響著城市交通、生產和生命財產安全；由于地面不均勻沉降或塌陷，在包括大連在內的許多地區已形成地裂縫地質災害。

研究區淺層地熱能賦存于第四系和新近系松散地層，主要為松散地層孔隙水，具有含水層分布廣、資源豐富、易開采、恢復性強等優點，在粗顆粒松散層和基巖裂隙地層，以水源熱泵開發淺層地熱能時，一般采用抽回1∶1模式；細顆粒地層多采用抽回1∶2～1∶4模式。在此抽回比例下，突出問題是回灌困難，為解決回灌困難問題和減少成本，采取回灌井與市政排水管網連接，使回灌水分流，這種情況在北方地區普遍存在，危害較大。

3.3 地下水污染問題

地下水大量開發利用和超采加速了水中污染物的遷移，地下水位降落、漏斗面積的擴大和水位下降破壞了原有地下水的水力平衡，污染水通過滲流方式遷移至深部含水層，導致深部清潔地下水逐步污染，出現水質惡化和污染水界面下移問題（曲云霞等，2007；朱娜等，2007；張博等，2011）。目前研究區多數水源熱泵工程的水源井管材和地面設備均為金屬，在地下水循環、冷卻系統中存在大量硫酸鹽還原菌、硝化細菌、硫桿菌、鐵細菌等腐蝕性細菌。另外熱泵系統屬于開放式循環模式，管網設備存在大量腐蝕細菌、泥砂、粉塵和無機物等，這些混合物在一定環境和溫度條件下形成微生物粘泥沉積其中，不僅造成設備堵塞，降低運行效率，還會造成地下水水質惡化和污染。

供暖制冷期運行導致的地下水溫度變化直接影響地下水中污染物的降解，從而間接影響著地下水水質。抽取回灌過程中，空氣中的氧會隨之溶解在地下水中，會造成地下水水質的變化。北方地區制冷季節正?；毓嗨臏囟燃s為22℃，若井間距偏小時地下水的回灌溫度將超29℃，這種情況下菌落種群將增多，細菌大量繁殖，并增加了細菌的新陳代謝，導致地下水中硫酸鹽、硝酸鹽等濃度增加，使得地下水中的總硬度、溶解性總固體、及SO42-、Cl-等含量處于上升狀態，回灌井周邊的溫度適宜反硝化菌和有機污染物降解菌的生長繁殖，從而抑制了地下水中的氮污染物和有機污染物的濃度。

4 結論

淺層地熱能開發利用的合理性直接影響區域生態和地質環境，特別是地層冷熱平衡被破壞以及回灌困難時，將導致植被、生物種群變化和熱污染、地下水位下降、地面沉降和地下水質污染惡化等問題?？傊?，把淺層地熱清潔能源開發利用和環境影響同步研究，是使其真正達到可持續發展的切實可行的途徑。

（1）研究區地埋管在運行一年的過程中，周邊土壤溫度由初始的16.8℃上升至17.3℃，提升了0.5℃。因此長期利用熱泵系統開發利用淺層地熱能時，如果設計不合理或者地下水回灌率低，會導致地層冷熱平衡的破壞。

（2）冷熱平衡的破壞會導致地層中熱能逐年疊加，土壤溫度大幅提升，進而發生區域性熱污染，土壤和地下水的熱污染最終影響土壤中微生物種群數量、植被的生長速度。土壤或地下水溫度越高，氧氣的溶解度越低，地表土壤中氧氣濃度較低時，植物會因夜間無法進行光合作用而死去，溫度通過影響植被體內生物酶活性對植被生長發育及完成整個生命周期產生影響。

（3）東北凍土區出現地層溫度升高現象時，會造成山體邊坡失穩、路面塌陷、建筑物地基不均勻沉降、溫室氣體N2O和CH4集中釋放等系列地質環境問題。當供暖期大于制冷期時，地層溫度逐年下降，會造成生物生長速度過緩。

（4）熱泵系統運行導致的溫度變化，直接影響著地下水中污染物的降解，間接影響著地下水質。抽取、回灌地下水時，空氣的氧氣隨之溶解于地下水中，會造成地下水質的變化。

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