南寧市地下水源熱泵的水質(zhì)適宜性研究

1、.南寧市地下水源熱泵的水質(zhì)適宜性研究 摘要：為了查明南寧市地下水水質(zhì)是否適宜于開發(fā)利用水源熱泵，在對南寧市潛水含水層地下水水化學(xué)特征調(diào)查的基礎(chǔ)上，挑選出與水源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行相關(guān)的水質(zhì)適宜性評價(jià)指標(biāo)，選用層次分析法（AHP）構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，確定了各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并基于GIS平臺的空間分析模塊進(jìn)行了地下水水源水質(zhì)評價(jià)分區(qū)。結(jié)果顯示，水源熱泵開發(fā)水源水質(zhì)適宜區(qū)面積為280.7 km2，大多分布在中部市區(qū)和東南部良慶區(qū)，這些地區(qū)地下水多為pH值為7左右的中性水，水硬度較小，對管線和設(shè)施沒有危害，適合開發(fā)地下水源熱泵。 關(guān)鍵詞：地下水源熱泵；水質(zhì)適宜性；層次分析法；空間分析；南寧 中圖分類號：

2、TU 443文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16721683（2013）03015104 淺層地溫能儲存于地下巖石（土層）和巖石裂隙或土層孔隙的水體中，是一種無形的自然資源，其溫度恒定，略高于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁? 3 。地下水源熱泵通過水熱交換的方式利用地下水中的部分低品位地?zé)豳Y源進(jìn)行供暖或空調(diào)，是一個(gè)從地下水中不斷提取能量的過程，因此地下水水質(zhì)的優(yōu)劣不僅影響熱泵系統(tǒng)水處理方案、換熱器形式的合理選擇，還直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效果和使用壽命14。因此，首先要對水源水質(zhì)適宜性進(jìn)行分析，找到最適宜開發(fā)地下水源熱泵的區(qū)域，為淺層地溫能利用提供科學(xué)依據(jù)。 1研究區(qū)概況 南寧市區(qū)位于南寧盆地的中西部，四周低山丘陵環(huán)繞。

3、研究區(qū)范圍為東經(jīng)10808-10835，北緯2239-2257，總面積440 km2。根據(jù)地貌成因及形態(tài)特征，研究區(qū)地貌劃分為構(gòu)造侵蝕低山丘陵區(qū)、侵蝕剝蝕丘陵區(qū)、邕江侵蝕堆積階地區(qū)及溶蝕殘丘坡地區(qū)四個(gè)區(qū)。南寧市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，陽光充足，年平均氣溫21.6 ，年平均降雨量1 304.2 mm，蒸發(fā)量1 736.6 mm5。研究區(qū)內(nèi)地下水主要來源于大氣降雨的入滲補(bǔ)給，充沛的降雨為地下水提供了較好的補(bǔ)給來源，也為開發(fā)利用淺層地溫能創(chuàng)造了有利條件。 根據(jù)地下水的賦存條件、含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)及水力特征，工作區(qū)內(nèi)地下水可劃分為四種類型，即松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水

4、（圖1）。松散巖類含水巖組地層主要是在邕江河谷階地分布的第四系沖積層，該層孔隙水總體上向邕江徑流排泄；低山丘陵區(qū)基巖裂隙水受斷裂構(gòu)造及巖性控制，作深循環(huán)或補(bǔ)給碎屑巖類孔隙裂隙水；碎屑巖類孔隙裂隙水從南寧盆地兩翼向盆地中部徑流，而后集中轉(zhuǎn)向西南方向徑流，至盆地西部后向上越流排泄補(bǔ)給松散巖類孔隙水，或直接向邕江排泄；碳酸巖裂隙溶洞水主要以泉的形式排泄，總體上向邕江徑流排泄（圖1）。研究區(qū)內(nèi)具有利用水源熱泵開發(fā)的地下水主要為中部市區(qū)內(nèi)廣泛分布的第四系砂礫石層孔隙水及東南部良慶區(qū)、邕寧區(qū)碳酸鹽巖裂隙巖溶水。區(qū)內(nèi)地下水目前的開發(fā)利用量十分有限，以天然排泄為主，恒溫帶深約20 m，水溫23.8 24.8

5、，恒溫帶以下為增溫帶，開發(fā)地下水源熱泵的潛力較大 5。 2樣品采集與分析 2012年8月對研究區(qū)潛水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，共采集地下水樣50件，采樣點(diǎn)位置見圖2。水溫、pH及電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)在現(xiàn)場進(jìn)行測定，堿度采用滴定法在樣品采集后24 h內(nèi)測定。樣品用0.45 m濾膜過濾后用于陽離子分析的樣品采用HNO3酸化至pH值小于2，用于陰離子分析的樣品未酸化。陰離子采用離子色譜ICS1100進(jìn)行測定，K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金屬元素采用ICPOES（ICAP6300）進(jìn)行分析，水樣濁度采用TDT2型濁度儀檢測，以上分析均在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心完成。利用已知濃度的樣品進(jìn)行驗(yàn)證測試，

6、誤差范圍均在5%以內(nèi)。 3地下水水化學(xué)特征 研究區(qū)地下水水樣主要的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，pH值變化范圍為493808，以弱酸性為主，中性水次之。水樣的總?cè)芙夤腆w含量（TDS）、總硬度、總堿度變化幅度均較大，TDS變化范圍為55875 mg/L，平均值2878 mg/L。總硬度變化范圍為89245 mg/L（以CaCO3計(jì)），平均值為6495 mg/L，以軟水為主。總堿度變化范圍為19498041 mg/L，平均值2397 mg/L。水樣濁度最小值為0041 NTU，最大值達(dá)2711 NTU，平均值為2022 NTU，能夠滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范中對于冷卻水濁度要求。各微量元素含量均較低

7、，符合工業(yè)循環(huán)冷卻水要求。在東北、西南少數(shù)地區(qū)硝酸根含量較高，超出地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（30 mg/L），存在氮污染，不適合開發(fā)水源熱泵，在做適宜性分析時(shí)應(yīng)除去這些地區(qū)。 地下水化學(xué)類型劃分采用了Piper三線圖法。該圖各以三組主要的陽離子（Ca，Mg，Na+K）和陰離子（Cl，SO4，HCO3）的每升毫克當(dāng)量的百分?jǐn)?shù)來表示。從Piper三線圖表1研究區(qū)地下水水樣水化學(xué)組成特征 4水源熱泵水源水質(zhì)適宜性分析 4.1水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)選擇 地下水水質(zhì)的化學(xué)組成直接影響地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。地下水源熱泵系統(tǒng)對地下水水質(zhì)的基本要求是：澄清、水質(zhì)穩(wěn)定、不腐蝕、不滋生微生物或生物、不結(jié)垢等1，3

8、。本文參照地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范（GB 503662005）和工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 500502007），選擇pH、TDS、總硬度、濁度、主要離子以及部分微量成份（表1）等因子作為水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而運(yùn)用層次分析法探討研究區(qū)地下水質(zhì)對水源熱泵的影響。 4.1.1物理指標(biāo) 有些水源含有泥沙、膠體懸浮物，使水變得渾濁。水源含沙量和濁度過高對機(jī)組和管閥會造成磨損，嚴(yán)重時(shí)會造成管道堵塞。另外，泥砂、污垢還會降低水源熱泵系統(tǒng)換熱器的傳熱效果，導(dǎo)致系統(tǒng)局部腐蝕、穿孔，增加水流阻力，不僅嚴(yán)重影響供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和使用壽命，而且妨礙系統(tǒng)的正常運(yùn)行 1。本次研究采集的50個(gè)水樣中6個(gè)超過50 NTU

9、，濁度較高，不適宜開發(fā)地下水源熱泵，但超標(biāo)水樣分布無規(guī)律，需結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)一步分析。 4.1.2化學(xué)指標(biāo) （1）pH值。地下水中pH值過高或者過低都會造成機(jī)組的腐蝕，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的使用壽命。地下水源熱泵的水源pH值一般應(yīng)為6585。研究區(qū)地下水以弱酸性為主，中性水次之，pH值變化范圍為493808，偏酸性的地下水主要分布于西鄉(xiāng)塘區(qū)的東北面區(qū)域附近。 （2）TDS。適用于地下水源熱泵的地下水一般為淡水和弱咸水。有些水源水TDS較高，對金屬的腐蝕性較強(qiáng)，如果直接進(jìn)入機(jī)組會因腐蝕作用減少機(jī)組使用壽命6。研究區(qū)采樣點(diǎn)中TDS最大值為8750 mg/L0，稱為腐蝕性水；若腐蝕系數(shù)Kk 0， 稱為弱腐蝕

10、性水；若腐蝕系數(shù)Kk0，并且Kk+0.0503Ca2+ 0，稱為無腐蝕性水。 （2）結(jié)垢評價(jià)。鈣鹽是造成空調(diào)系統(tǒng)結(jié)垢的主要成分。水中的鈣、鎂離子以正鹽和堿式鹽形式存在，易在水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的受熱面上析出沉積，形成水垢。水垢沉積在換熱器表面，降低了傳熱效率，增加了電耗，影響機(jī)組的正常運(yùn)行1。因此，對地下水進(jìn)行結(jié)垢評價(jià)對于開發(fā)利用地下水源熱泵具有重要意義。地下水的結(jié)垢程度可以總硬度來評價(jià)，總硬度較大的易結(jié)垢。 4.2層次分析模型建立 水質(zhì)分析評價(jià)具有多目標(biāo)性的特點(diǎn)，在評價(jià)過程中，始終牽涉到目標(biāo)權(quán)重確定這一關(guān)鍵問題56。利用層次分析法（AHP）確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過分析評價(jià)目標(biāo)與評價(jià)指標(biāo)之間的

11、復(fù)雜關(guān)系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)（見圖4），可以將問題簡單化，使得評價(jià)指標(biāo)本身的相對重要性定量化，經(jīng)過數(shù)學(xué)計(jì)算得到可靠的權(quán)重值。本文采用層次分析軟件yaahpV6.0構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，應(yīng)用專家打分法分別比較屬性層和要素層中各因素對目標(biāo)層（水源熱泵水源水質(zhì)適宜性研究）的相對重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建比較矩陣（19標(biāo)度法）。最后，采用極比法構(gòu)建比較矩陣，通過計(jì)算檢驗(yàn)比較矩陣的一致性（一致性指標(biāo)CR0.1），計(jì)算評價(jià)指標(biāo)單層權(quán)重，進(jìn)而確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重78，結(jié)果見表2。 （1）網(wǎng)格剖分。為提高計(jì)算準(zhǔn)確度，對研究區(qū)南寧市大約440 km2的范圍進(jìn)行1 km1 km的網(wǎng)格剖分，對網(wǎng)格中心點(diǎn)進(jìn)行編號，并提取網(wǎng)格中心點(diǎn)坐

12、標(biāo)，生成網(wǎng)格中心點(diǎn)文件，本次參與計(jì)算評價(jià)的網(wǎng)格中心點(diǎn)的個(gè)數(shù)為440個(gè)。 （2）各指標(biāo)圖件準(zhǔn)備。根據(jù)評價(jià)體系結(jié)構(gòu)，對參與評價(jià)的指標(biāo)要素進(jìn)行圖件準(zhǔn)備，包括濁度分區(qū)圖、懸浮物濃度分區(qū)圖、pH值分布圖、TDS含量分布圖、腐蝕性分布圖、結(jié)垢程度分布圖。由于指標(biāo)體系中各指標(biāo)具有不同的量綱且代表不同含義，難以進(jìn)行直接比較和評價(jià)，需要對各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體做法是對可定量的指標(biāo)圖形根據(jù)取值范圍進(jìn)行賦值，對不能定量獲得的指標(biāo)通過對水源熱泵的適宜程度賦值，從而將定性的指標(biāo)量化。賦值以腐蝕性評價(jià)為例，指標(biāo)定量化結(jié)果見表3。 綜合評分1041 4.1616.19分區(qū)1一般適宜區(qū)1較適宜區(qū)1適宜區(qū)水源熱泵開發(fā)適

13、宜區(qū)面積為280.74 km2、較適宜區(qū)6343 km2、不適宜區(qū)95.83 km2。根據(jù)評價(jià)結(jié)果，水源熱泵適宜區(qū)大多分布在中部市區(qū)、東南部良慶區(qū)，中部市區(qū)地下水為第四系砂礫石層孔隙水，東南部良慶區(qū)的地下水為碳酸鹽巖裂隙巖溶水。這些地區(qū)孔隙水及裂隙水滲透性強(qiáng)，徑流較快，涌水量較大，回灌能力能夠滿足地下水源熱泵運(yùn)行需要。地下水多為非腐蝕性水，水硬度較小，對管線和設(shè)施沒有危害，適合開發(fā)地下水源熱泵。東北、西南少數(shù)地區(qū)水質(zhì)惡劣，對金屬的腐蝕性較強(qiáng)，如直接進(jìn)入機(jī)組會因腐蝕作用減少機(jī)組使用壽命，需經(jīng)過處理后才能應(yīng)用，處理成本較高，不適宜開發(fā)地下水源熱泵。地下源熱泵的水源水質(zhì)評價(jià)分區(qū)見圖5。 5結(jié)論 （1

14、）研究區(qū)地下水水化學(xué)類型以HCO3Ca?Mg型為主，HCO3?SO4Ca?Mg型次之。地下水以弱酸性為主，在東北、西南少數(shù)地區(qū)存在氮污染。 （2）從地下水水質(zhì)對水源熱泵系統(tǒng)機(jī)組、管道及附屬設(shè) 圖5南寧市地下水源熱泵的水源水質(zhì)評價(jià)分區(qū) Fig.5water quality evaluation zoning map of groundwater source heat pump in Nanning 備的影響和適宜性出發(fā)，通過地下水水質(zhì)分析和水源熱泵換熱器污垢成份分析，確定影響地下水源熱泵換熱器結(jié)垢以及腐蝕管道的關(guān)鍵水質(zhì)因素，包括懸浮物、濁度、pH、腐蝕性、結(jié)垢程度六個(gè)指標(biāo)。運(yùn)用層次分析法（AH

15、P）和MAPGIS的空間分析技術(shù)對南寧市淺層潛水進(jìn)行地下水水源水質(zhì)分區(qū)評價(jià)，認(rèn)為水源熱泵適宜區(qū)大多分布在中部市區(qū)、東南部良慶區(qū)，這些地區(qū)地下水多為pH值為7左右的中性水，水硬度較小，屬于軟水，對管線和設(shè)施沒有危害，適合開發(fā)地下水源熱泵。東北、西南少數(shù)地區(qū)，地下水質(zhì)腐蝕性系數(shù)較高，不適宜開發(fā)地下水源熱泵。 參考文獻(xiàn)（References）： 1趙峰，邵林廣，文遠(yuǎn)高.水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水質(zhì)處理技術(shù)J.工業(yè)安全與環(huán)保，2005，31（12）：1517.（ZHAO Feng，SHAO Linguang，WEN Yuangao.Water Treatment Technology for Air con

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