0 引言

地下水源热泵空调系统是一种利用浅层地温能进行制冷和供暖的采能技术，已在国内外得到了推广应用.作为国家建设部确定的地源热泵试点城市，沈阳市在推广地源热泵的应用中走在全国的前列.沈阳市浅层地温能开发利用以地下水源热泵系统为主，占热泵总量的90%以上［1］.在水源热泵回灌过程中，不仅会对局部地下水的流场产生影响，改变了地下水流速及流向，而且是经热交换后的高温或低温地下水会对回灌井周围的地下水温度场产生影响［2-5］.由于流场和温度场的改变，打破了地下水系统原有的温度场平衡、水化学平衡及微生物平衡等，将直接对地下水的水质及微生物产生影响.因此地下水源热泵回灌对地下水水质是否会产生影响一直是人们比较关注的热点问题.国内外有关学者相继开展一些研究，Louise Sowers等［6］对美国新泽西州一处水源热泵系统“热累积”对地下水化学及微生物种群变化进行研究；Possemiers等［7］对比利时7个热泵系统的运行对地下水水质的影响进行研究；Youngyun Park等［8］对韩国不同地区的9个水源热泵系统运行对地下水水质及水化学影响进行研究；于水［9］、廖荣［10］、李娟［11］、徐红霞［12］、李晶［13］、郑凯等［14］分别开展国内地下水源热泵对水质、细菌生长影响分析.但目前国内外的研究存在一定的不足，如监测数据时间较短（一个采暖期等）、样品数据量及监测指标较少，对于规律性的认识没有长时间序列的监测数据作为支撑.本文针对以上存在的问题，利用沈阳市已建地下水源热泵监测场地，对回灌井开展长时间序列（2013年7月至2015年10月）的水质（25项）及微生物（细菌总数和大肠杆菌）监测，研究水源热泵系统长期运行对地下水水质及微生物的影响，以期获得更加全面的规律性认识，为地下水源热泵开发利用提供支撑.

1 监测场地概况

1.1 场地水文地质条件概况

监测场地位于沈阳市大东区，地貌属浑河冲洪积扇顶和扇中的结合处.场地内地形平坦.根据勘察资料，场地地下水类型为第四系孔隙潜水，含水层主要由砾砂和圆砾组成，厚度约30 m，含水层沿各方向变化不大，连续稳定，渗透性好，水量丰富.其下伏的黏土含砾层在沈阳地区内普遍存在，呈半胶结状，透水性差，可视为隔水层.

场区地下水补给主要来源于地下水径流补给.地下水径流方向为自东向西，水力梯度约2‰，地下水径流条件良好.地下水水位埋深8.6 m，年变幅约1～2 m.水温约13.2℃（10 m以下平均温度）.勘查阶段地下水化学类型为 HCO3·SO4－Ca·Mg，pH 值为 6.46，总硬度为 357.22 mg/L.

1.2 地源热泵工程概况

该热泵系统为医院的门诊楼提供供暖、制冷服务，供暖制冷面积均为46 000 m2，供暖和制冷功率分别为2 200 kW和2 760 kW，冷负荷略大于热负荷.场地内共有取水井4眼，回灌井8眼（详见图1），井深均为45 m.抽、灌井最远间距90 m，抽水井间距30 m，回灌井间距30 m.取水井中CS02、CS03为主要取水井，其余两眼为备用.回灌井采用重力回灌，HG02～HG06为主要回灌井.抽灌井固定，不进行调换使用.

访谈中，庄浩一再强调时代背景对于创业的重要性。在她看来，其赶上了中国发展速度最快的十年，而这个时期正是个人能力体现的最佳时机。确实，在改革开放的大背景下，涌现了一批“下海”试水的勇者，其在享受着急速扩容的经济规模和不断升级的消费能力所带来的发展红利的同时，也会面对因未跟上快速发展步伐而被淘汰的窘迫，所以创新成为企业发展甚而生存的必然。

图1 监测场地钻孔位置示意图 Fig.1 Sketch map of borehole locations at the monitoring site

该水源热泵系统共有机组4台，平时运行仅启动1组，供暖或制冷峰值期启动2组.首次运行时间为2011年冬季，供暖期从11月1日至来年4月20日，供暖天数为172 d；夏季制冷期为6月20至9月20日，为期92 d.每天运行时间为24 h，冬季供暖利用温差为5～7℃，夏季为10℃.

随着上海化工产业结构调整，越来越多的化工企业走向具有资源优势、产业链衔接的国内外市场。2018年3月，“上海化工产业出口基地”和“上海技术性贸易措施公共服务平台”（化工示范点）升级为国家级出口平台。出口基地成员单位从19家增加到32家，年进出口贸易额超过10亿美元。2018年以来，针对中美贸易摩擦加剧的严峻挑战，协会与出口企业风雨同舟、共度时艰，紧紧抓住国家“一带一路”契机，主动出击、积极应对，拓展国内外营销渠道；坚持创新发展，提升技术能级，研发高附加值产品，以技术、质量占据对外贸易新高地。

2 监测指标选取及样品采集

2.1 监测指标选取

（2）微生物：细菌总数和大肠杆菌2项.

（1） 水质测试指标：溶解性总固体、Mn、溴化物、碘化物、磷酸盐、耗氧量（COD）、总硬度、总碱度、总酸度、暂硬度、永硬度、负硬度等25项.

3.1.1 各离子浓度变化分析

根据地下水质量标准（GB/T 14848－93）、相关文献及经验，选取监测指标如下.

目前我国学者着力探究大学生不合理信念与学生的生理和心理健康之间存在的联系，并获得了丰富的成果。但是针对不合理信念在学科教育层面中的研究明显不足，尤其是像酒店管理这样的潜力学科，在提升人才培养质量方面表现出持续性的疲软现象。

2.2 样品采集与测试

热泵运行期间每15天采集样品一次，停运期间每月采集一次.监测测时间为2013年7月至2015年10月，热泵系统经历了3个制冷期（6月中旬至9月中旬）和2个供暖周期（11月至4月中旬）.水质样品送至国土资源部东北矿产资源监督检测中心进行检测，微生物样品送至沈阳市皇姑区疾病预防控制中心进行检测.

3 监测结果分析

3.1 地下水监测指标分析

2002—2015年，京津冀、长三角和珠三角城市群的城镇居民人均可支配收入基本呈现平稳增长态势，年平均变化率分别为 10.57%、11.35%和9.19%。长三角城市群城镇居民人均可支配收入一直位于三大城市群之首，尤其是2013年起，长三角城市群城镇居民人均可支配收入年平均增速8.63%，明显高于京津冀城市群(4.96%)和珠三角城市群(4.79%)。

1）总硬度、溶解性总固体Cl－等较稳定的化学组分浓度

3）Fe、Mn 浓度

应对场景（推测）：I）通过汇总全球相关研究成果，展示研究人员/机构的产出、影响力，帮助研究人员/机构找到合作者以完成项目攻关；II）为研究人员/机构展示其产出与影响力，帮助其获得基金资助；III）机构引进科研人才时，为其提供人才评估、对比分析；IV）为政府机构等基础研究资助单位寻找最新的跨学科研究

从图3可知，地下水中的“三氮”呈现以下特点：①明显高于和②浓度在制冷期和供暖期均呈现出初期上升后期下降的特征，而的浓度变化相对稳定.其可能为，热泵系统运行初期，由于靠重力回灌，回灌水与空气接触，增加地下水中的氧气，地下水中的

图2 回灌井稳定化学组分浓度变化曲线 Fig.2 Variation curves for the stable chemical composition concentration of injection well

在硝化菌的参与下被氧气硝化为致使其浓度增加；而在运行后期，由于回灌量的减少，致使地下水中的含氧量减少，使得硝化反应减慢，致使浓度下降.

据图 2 可知，回灌井中总硬度等较稳定的化学组分浓度在热泵整个运行期及停运期间除个别点外，整体波动性不大.以总硬度为例，热泵运行监测期间，总硬度最大值347.83 mg/L，最小 280.79 mg/L，平均值 318.54 mg/L，较初始值小 9.39～76.43 mg/L，平均值 38.68 mg/L.说明热泵运行对这些组分略有影响，但影响不大.

地下水中的Fe、Mn含量过高，容易在输水管道内壁和回灌井滤网处沉淀结垢，降低管道输水能力及回灌能力.沉淀物脱落后还可能会引起水质短期内变黄，如果引起了水中Fe细菌大量繁殖，情况将更加严重.从图4可知，回灌井中的Fe波动较大，且无规律性.Fe 的最大值为 0.85 mg/L，最小值 0.02 mg/L，平均值0.18 mg/L.多数测量值小于地下水质量标准的III类水指标0.3 mg/L.Mn含量整体较Fe低，整体比较稳定.多数测试值小于地下水质量标准的I、II类水指标0.05 mg/L，仅有少数样品测试值略高.说明地下水中的Fe受周围影响因素较多，波动较大，可能与铁质输水管线或者热泵系统中铁质材料有关，也可能受样品采集影响，因此需要在后续工作中加以注意.

2）浓度

图3 回灌井浓度历时变化曲线 Fig.3 Duration curves for the concentration of and in injection well

图4 回灌井Fe、Mn离子浓度历时变化曲线 Fig.4 Duration curves for the concentration of Fe and Mn ions in injection well

4）化学需氧量COD（高锰酸钾指数）

图5表明，回灌井中地下水的COD值呈现无规律波动性，后期逐渐趋于稳定在1.0 mg/L左右.最大值为 2.82 mg/L，最小为 0.3 mg/L，平均值为 1.22 mg/L.仅有一个点的值大于地下水质量标准的II类水指标2.0 mg/L.说明地下水体质量优秀，热泵运行对地下水影响不大.

2.搞好消毒工作。临产前2～3 d要将产圈打扫干净，临产当天把母猪乳房和胸、腹部清洗干净，用0.01%高锰酸钾溶液或0.1%新洁尔灭涂抹消毒，以后每10～15 d用消毒药进行1次消毒。仔猪出生后，可以用50%北里霉素涂抹母猪乳头，每日2次，此法能有效预防仔猪黄痢。对于断奶仔猪，可以在饲料中加入利高霉素或新霉素，每千克饲料添加100 g，连续7 d，可预防下痢。

COD是表征地下水质的一个综合指标，是指采用化学氧化剂氧化水中有机物和还原性无机物所需消耗的氧量.COD的数值越大表明水体的污染情况越严重.

再如，临床科室在给患者诊治过程中供电出现故障导致诊疗中断，会直接威胁到患者生命安全；患者就诊完毕后，在院内行走时，遇到地面有积水打滑或墙粉滑落，也会导致患者受到二次伤害，等等。

图5 回灌井COD历时变化曲线 Fig.5 The COD duration curves of groundwater in injection well

3.1.2 大肠杆菌数和细菌总数变化分析

在地下水环境中，温度是影响细菌生长的重要指标.根据以往研究结果，地下水的温度变化对大肠杆菌数和细菌总数的影响较为明显.本次工作也有针对性的采集了细菌样品进行分析测试.

从测试结果看，大肠杆菌仅有10个样品检出，检出率为23%，检出值2～17个/mL，仅有2个样品大于10个/mL.根据细菌总数与热泵系统运行时间关系（见图6）可知：回灌井地下水中的微生物细菌总数随着热泵供暖期和制冷期的开始呈现下降趋势，随着结束期到来呈现上升趋势.该现象说明，随着地下水地源热泵系统制冷期－恢复期－供暖期－恢复期的交替运行，热泵工程场地范围内的地下水温度也不断发生变化，特别在回灌井附近，地下水温度的动态变化非常显著，周期性的改变地下水的温度场，细菌等微生物也在周期性的适应温度场的改变.温度变高或变低，都会抑制细菌群体的生长速率.该监测结果与廖荣［10］的监测结果一致.

图6 回灌井中细菌总数与时间的关系 Fig.6 The amount of bacteria in injection well by time

细菌总数的变化与浓度变化呈现很好的一致性关系，即热泵运行初期二者均呈现数量和浓度的降低，随着运行时间的增加二者均有所上升，在运行期末期二者均呈现下降.说明硝化细菌的数量和浓度变化存在很大的关系.

1°clYf(A)⊆clY{g(A)}。若x∈A,由A为X的可数既约闭集及clcsX{A}={B∈csX:B⊆A},则{x}-∈clcsX{A}。又f=gη及g连续,f(x)=gη(x)=g({x}-)∈g(clcxX{A})⊆clY{g(A)},由x的任意性,f(A)⊆clY{g(A)},于是clYf(A)⊆clY{g(A)}。

3.2 地下水化学类型

根据以上常规离子监测结果分析，水源热泵系统运行对常规离子浓度变化的影响必然会反映在地下水化学类型的改变上.从图7可知，采样点在Piper图上分布比较集中，仅有2个点例外，阴阳离子均为无优势类型水［15］.根据舒卡列夫分类可知，地下水化学类型主要为 18A（HCO3·SO4·Cl－Ca·Na 型）和 12A（HCO3·SO4－Ca·Mg·Na型）.从图 8可知，地下水化学类型，监测早期（2013年7月15日至2014年10月31日）以 HCO3·SO4·Cl－Na·Ca型为主，而在监测后期（2014年 11 月至 2015 年）以 HCO3·SO4－Na·Ca·Mg型为主.与初始地下水化学类型相比，地下水化学类型发生了变化，由热泵系统未运行时的 HCO3·SO4－Ca·Mg 型变化为 HCO3·SO4·Cl－Na·Ca 及 HCO3·SO4 －Na·Ca·Mg型.说明受热泵系统运行的影响，回灌井附近的地下水中阳离子Na＋含量增加.其原因可能为地下水中Ca、Mg离子受到温度或者压力变化的影响发生沉淀，导致地下水中Ca、Mg离子减少，相对而言Na＋含量增加.说明热泵系统的运行对地下水化学类型产生一定的影响.

图7 监测点水化学类型 Fig.7 Chemical types of groundwater at the monitoring site

3.3 地下水质量评价

图8 地下水化学类型与取样时间关系 Fig.8 Relationship between chemical types of groundwater and sampling time

18＝HCO3·SO4·Cl-Ca·Na；12＝HCO3·SO4-Ca·Mg·Na；11＝HCO3·SO4-Ca·Na；4＝HCO3-Ca·Na

本次工作在监测场地回灌井中共采集地下水全分析样品43组，含质控样10组.根据地下水质量标准（GB/T 14848－93）选择水质评价指标.参评的指标有氯化物、硫酸盐、总硬度、溶解性总固体、耗氧量、挥发性酚类（以苯酚计）、氰化物、氟化物、硝酸盐、氨氮、钠、亚硝酸盐、碘化物、铁、锰15项指标.评价方法采用内梅罗指数法.结果表明：回灌井中采集的43组水质样品II类30个，IV类11个，V类2个，超标因子为铁、锰.故地源热泵系统的运行对地下水水质等级略有影响，但影响不大.

4 结论

本次通过对监测场地长时间序列地下水水质监测数据，进一步提升了地下水源热泵系统对地下水化学、地下水水质及微生物的影响认识.整体来说，水源热泵系统运行对地下水水质影响不大，但对地下水化学类型及微生物有一定的影响.具体表现为（1）地下水化学类型由初始的HCO3·SO4－Ca·Mg型变化为监测早期的 HCO3·SO4·Cl－Na·Ca 及监测后期的 HCO3·SO4－Na·Ca·Mg 型；（2） 地下水中微生物的数量随热泵系统冷、暖运行均呈现出“先降后升”的规律，说明温度或高或低均影响细菌总数的数量；（3）水源热泵系统运行对地下水中较稳定的化学组分浓度及COD波动不大；地下水水中“三氮”及Fe、Mn含量波动较大，对地下水质量等级产生轻微影响.因此，今后还需进一步加强热泵系统运行对地下水环境影响监测，开展热泵系统对地下水环境影响机理方面的研究.

致谢：本文得到沈阳建筑大学潘俊教授的审阅并提出宝贵意见，在此致以衷心感谢.

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