通过开环地热系统地下水的时空地球化学演化——一项野外试点研究

《Groundwater for Sustainable Development》：Spatiotemporal geochemical evolution of groundwater through an open-loop geothermal system – a field pilot study

地下水热泵系统（GWHP）操作引发地下水化学显著变化，包括溶解氧（DO）增加导致的铁氧化物沉淀，造成注入井堵塞并被迫终止测试。研究表明，化学扩散速度比热扩散快，需同时监测两者。操作风险与水文地质条件、微生物活动密切相关，需前置全面评估。

　　这项研究围绕地下水热泵系统（GWHP）的运行挑战展开，通过一项为期18个月的现场试点试验，重点分析了地下水化学特性在不同时间阶段和空间位置的变化。研究团队在加拿大魁北克市的一个高度城市化区域实施了实验，该地区拥有一个沉积层构成的含水层，具有较高的渗透性，适合安装GWHP系统用于建筑的供暖和制冷。研究的主要目标是识别和理解GWHP系统在运行过程中对地下水化学特性的影响，以及评估可能的短期和长期风险，为类似条件下的系统设计提供参考。

研究结果表明，地下水化学变化主要由系统运行引起的混合过程和溶解氧（DO）的引入导致。在试验过程中，由于抽水和注入操作，浅层和深层地下水混合，同时DO被抽入，导致氧化条件的形成和铁氧化物的沉淀，最终引发注入井的堵塞和试验的提前终止。此外，化学信号在注入井中比热信号更快到达监测井，这表明热和溶质的传输机制存在差异。通过主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA），研究团队发现地下水化学变化主要分为自然条件和扰动条件，其中自然条件以钠（Na）和钙（Ca）为主要阳离子，氯（Cl）为主导阴离子；而扰动条件则以钙为主，伴随混合的阴离子如碳酸氢根（HCO??）、硫酸根（SO?2?）等。

在试验期间，溶解氧和氧化敏感物质的变化尤为显著。在加热器入口和出口，DO浓度逐渐上升，伴随氧化还原电位（Eh）的增加，而铁（Fe2?）和锰（Mn2?）的浓度也呈现出上升趋势。然而，在试验结束后，注入井中的DO浓度下降，Eh值出现波动，铁和硫酸根的浓度也发生变化，这可能与铁氧化物沉淀后的还原溶解有关。监测井AQ4中的DO浓度虽然有所增加，但整体仍保持较低水平，表明该井并未受到显著影响。

研究还揭示了盐度的变化与不同来源的水体有关。通过氯/溴（Cl/Br）比值分析，发现试验期间AQ4中的盐度增加主要与道路盐的输入相关，而长期恢复阶段的盐度变化可能反映了含水层对这些盐分的累积。这一发现强调了在GWHP系统运行期间，必须考虑到城市环境对地下水化学特性的影响。

另一个关键发现是热前缘和化学前缘的传播速度不同。在试验期间，化学前缘比热前缘更快到达监测井，这表明溶质的传输主要依赖于对流和扩散机制，而热量则通过对流、扩散和传导进行传播。这种现象在高温地热操作中已有报道，而在低温系统中也得到了验证。研究团队指出，这种差异可能影响系统运行的风险评估，因为仅监测热前缘可能低估了化学变化带来的潜在风险。

此外，研究结果表明，铁氧化物的沉淀是由于DO的引入，而不是水的混合或温度的升高。尽管水的混合在一定程度上改变了地下水的化学组成，但DO的进入才是导致铁氧化物形成的主要驱动因素。这为GWHP系统的设计和运行提供了新的视角，即在考虑地下水化学变化时，不能忽视DO的影响。

在系统运行期间，含水层的氧化条件对水质和系统性能产生了重要影响。例如，氧化条件促进了铁和锰的氧化，导致沉淀物的形成，进而影响井的渗透性和系统效率。而在系统停止运行后，含水层逐渐恢复为还原条件，铁氧化物可能再次溶解，释放出更多的Fe2?。这种“自我修复”过程可能有助于减少系统的长期影响，但同时也表明，在系统运行期间需要采取适当的措施，以防止铁氧化物的积累和堵塞。

研究还探讨了GWHP系统对含水层结构的潜在影响。例如，铁氧化物的沉淀可能导致含水层的塌陷和基础设施的损坏。此外，系统运行可能影响地下水的化学平衡，从而改变矿物的溶解或沉淀行为。这些变化可能对系统的长期运行产生影响，特别是在地下水流量和渗透性方面。

为了减少这些风险，研究团队建议在系统设计中考虑压力管理措施。例如，将泵和再注入管道安装在抽水井的筛管下方，可以维持系统的略微过压状态，从而减少因抽水导致的压力下降和DO的引入。这种设计方法在传统系统中较少采用，但在某些情况下可能更有效。

综上所述，这项研究为GWHP系统的可持续运行提供了重要的科学依据。它强调了在系统设计和运行过程中，必须全面评估含水层的化学和物理特性，以预测和管理可能的运行风险。此外，研究还指出，DO的引入在铁氧化物沉淀中扮演了关键角色，这一发现对于未来GWHP系统的优化设计具有重要意义。通过结合水文地质、化学和微生物分析，研究团队希望为类似系统的开发和应用提供更全面的指导，以确保其在城市环境中的有效性和安全性。