关键词：
地下水源热泵
生物地球化学过程
多元统计分析
硝酸盐依赖氧化过程
铁锰循环
摘要：
以传统能源为主的能源消费结构带来的环境影响和资源枯竭问题日益严重,在面对气候危机和能源危机的双重问题之下,许多国家对能源结构做出了调整。其中,浅层地下水源热泵利用地下水的年恒温特性,通过抽水井和注水井之间的热交换器直接从地下水传递能量,凭借其节能、环保等优点受到广泛关注。然而,该技术固有的开环双井结构在运行过程中可能诱发水质问题和堵塞风险。这种工程运行风险问题往往伴随着微生物直接参与及间接介导,这是由于在开放体系下,抽灌过程通过改变环境条件刺激了微生物演替,进而加速了元素的价态转化和聚积。尽管如此,对浅层地下水水源热泵驱动下物理-化学-生物时空演变规律和多元素体系的生物地球化学过程仍然缺乏系统性和全面性的探索。
因此,本研究通过在井群试验场地开展的长期模拟试验,联合了原位监测、环境同位素示踪、分子生物学及室内实验分析等多种技术,旨在洞察地下水源热泵系统运行期间物理、水化学、微生物场域的时空动态变化,深入分析物-化-生特征的演化规律。借助典型对应分析和因子分析方法,提取与微生物活动密切相关的环境与水化学参数,揭示运行模式下井内生物地球化学作用的分布特征及演变趋势。论文的研究成果丰富了对水源热泵系统内生物地球化学动态的系统认识,为优化水源热泵设计和实现地下水资源的可持续管理提供了科学依据。本文得出的主要结论如下:
1.场地水动力学特性受到抽灌过程的显著影响,分别以抽水井和回灌井为中心形成-3.5至-5.5 m的降落漏斗和-0.4至-3.3 m的水丘。在水动力条件变化强烈的区域发生了明显的物质能量交换,影响了水化学和微生物条件,并形成沉积物引起含水层渗透性下降。这种渗透性衰减随操作方式不同出现分异,其中以回灌井衰减最为迅速剧烈,在回灌17天内渗透性衰减了70%左右。此外,观察到抽灌井底部与近地表区域,铁锰氧化物沉积量显著增多,这表明抽灌作用引起井内物理性质迅速转变,同时有复杂的生物地球化学反应协同潜在驱动,并且这些复杂的反应在垂向上存在差异。
2.原水回灌特性决定了水化学类型在试验前后的统一性,皆为HCO3·Cl-Ca型水。但水化学环境在抽灌作用下显著变化。抽水井的氧化还原指标（DO和ORP）趋向于形成上层富氧而下层相对缺氧的层次分布。回灌井则受灌入水溶解氧控制,在回灌流动路径上逐渐扩散。p H和电导率在抽灌驱动下分别降低和升高,水位波动较大的区域最为显著。抽水井中,环境变化主要与水位下降产生的物质能量交换以及底部抽水泵驱动有关,以14 m为界限形成上层与底层的分异趋势。回灌井则受回灌入水特性和交换强度的直接控制,在水流垂向运移路径上出现变化梯度。抽灌同时刺激了微生物好氧或厌氧代谢过程,使系统内存在好氧和厌氧两种氧化途径,促使生物与化学组分在抽灌刺激下形成铁、锰、硫等化学成分的结垢物。
3.抽灌过程对地下水生物地球化学动态存在明显的调控作用,刺激了微生物群落丰度的提升,在水位波动最剧烈的浅层区域可提高3-4倍左右,形成了从近地表向深层递减的分层结构。抽灌也同时促进了微生物多样性的提升,尤其在回灌井中微生物丰度和多样性的增加更为显著,这指示了回灌过程可能为微生物提供了更多样和适宜的生态环境。此外,原生系统内以硝化、反硝化为主的功能菌组成情况在抽灌以后发生转变,参与铁、锰、硫元素氧化的微生物相对丰度显著提升,说明在抽灌过程中元素的转化过程受到微生物的介导作用,同时元素的转化循环也促进了微生物生长代谢。
4.在常规的物理-化学-微生物演变规律基础上,引入了多元统计分析方法。通过典型对应分析（CCA）揭示了与抽灌系统生物样品强烈相关的4个环境指标（p H、ORP、DO、EC）及6个水化学组分指标(SO42-、NO3-、HCO3-、Fe2+、Mn2+、总铁)。结合因子分析方法（FA）对主要指标进行降维分析,依托于各指标与生物地球化学作用的相关关系,提取出具有指示意义的主成分及其得分分区。构建了“典型对应分析-因子分析”的判别方法,识别出系统内发生了硫铁锰氧化作用、硝化作用、反硝化作用、甲烷氧化、有机物降解等具有时空分异特征的生物地球化学过程。
5.根据多元统计分析方法,识别出生物地球化学作用的时空分异过程。在本次试验中,热泵在富含铁、锰、硫矿物含水层运行,水动力活跃的区域引入了大量的氧气作为电子受体,刺激了微生物的生命活动,导致铁、锰、硫等元素在微生物介导下有氧氧化形成结垢物。同时提供了硝化作用的发生条件,促进了氮向硝酸态转化。井底部大量的还原态离子及矿物的积累为反应提供了丰富的电子供体,在氧气不足的时候,微生物介导作用可以加速以硝酸盐为电子受体的氧化活动,进而在井的深部也形成大量结垢物。
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