样品采集与分析
2012年8月对研究区潜水进行了系统采样,共采集地下水样50件,采样点位置见图2。水温、pH及电导率等水质参数在现场进行测定,碱度采用滴定法在样品采集后24h内测定。样品用0.45Lm滤膜过滤后用于阳离子分析的样品采用HNO3酸化至pH值小于2,用于阴离子分析的样品未酸化。阴离子采用离子色谱ICS1100进行测定,K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金属元素采用ICP2OES(ICAP6300)进行分析,水样浊度采用TDT22型浊度仪检测,以上分析均在中国地质大学(武汉)环境学院实验中心完成。利用已知浓度的样品进行验证测试,误差范围均在5%以内。
地下水水化学特征
研究区地下水水样主要的化学成分分析结果见表1,pH值变化范围为4193~8108,以弱酸性为主,中性水次之。水样的总溶解固体含量(TDS)、总硬度、总碱度变化幅度均较大,TDS变化范围为54171~87418mg/L,平均值29219mg/L。总硬度变化范围为8187~24419mg/L(以CaCO3计),平均值为65103mg/L,以软水为主。总碱度变化范围为19149~80411mg/L,平均值23917mg/L。水样浊度最小值为01041NTU,最大值达27111NTU,平均值为20122NTU,能够满足工业循环冷却水处理设计规范中对于冷却水浊度要求。各微量元素含量均较低,符合工业循环冷却水要求。在东北、西南少数地区硝酸根含量较高,超出地下水质量标准(30mg/L),存在氮污染,不适合开发水源热泵,在做适宜性分析时应除去这些地区。
地下水化学类型划分采用了Piper三线图法。该图各以三组主要的阳离子(Ca,Mg,Na+K)和阴离子(Cl,SO4,HCO3)的每升毫克当量的百分数来表示。从Piper三线图(图3)可以看出,研究区地下水样多落在菱形区域的上部,阳离子以Ca2+、Mg2+为主,阴离子以HCO3-为主,其次是SO42-和Cl-。水化学类型以HCO32Ca#Mg型为主,HCO3#SO42Ca#Mg和Cl#SO42Ca#Mg型次之。
水源热泵水源水质适宜性分析
1.水质评价指标选择
地下水水质的化学组成直接影响地下水源热泵空调系统运行的安全性和稳定性。地下水源热泵系统对地下水水质的基本要求是:澄清、水质稳定、不腐蚀、不滋生微生物或生物、不结垢等[1,3]。本文参照地源热泵系统工程技术规范(GB5036622005)和工业循环冷却水处理设计规范(GB5005022007),选择pH、TDS、总硬度、浊度、主要离子以及部分微量成份(表1)等因子作为水质评价指标,进而运用层次分析法探讨研究区地下水质对水源热泵的影响。
1）物理指标
有些水源含有泥沙、胶体悬浮物,使水变得浑浊。水源含沙量和浊度过高对机组和管阀会造成磨损,严重时会造成管道堵塞。另外,泥砂、污垢还会降低水源热泵系统换热器的传热效果,导致系统局部腐蚀、穿孔,增加水流阻力,不仅严重影响供水系统的稳定性和使用寿命,而且妨碍系统的正常运行[1]。本次研究采集的50个水样中6个超过50NTU,浊度较高,不适宜开发地下水源热泵,但超标水样分布无规律,需结合其他指标进一步分析。
2）化学指标
(1)pH值。地下水中pH值过高或者过低都会造成机组的腐蚀,严重影响到系统的使用寿命。地下水源热泵的水源pH值一般应为615~815。研究区地下水以弱酸性为主,中性水次之,pH值变化范围为4193~8108,偏酸性的地下水主要分布于西乡塘区的东北面区域附近。(2)TDS。适用于地下水源热泵的地下水一般为淡水和弱咸水。有些水源水TDS较高,对金属的腐蚀性较强,如果直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命[6]。研究区采样点中TDS最大值为87510mg/L<1000mg/L,属于软水,TDS总体上适宜于开发地下水源热泵。
3）综合指标
(1)腐蚀性。地下水对管线和设施的腐蚀影响,参照工业上的腐蚀系数,评价方法如下。对酸性水:腐蚀性系数Kk=1.008(rH++rAl3++rFe2++rMg2+rHCO3--rCO322);对碱性水:腐蚀性系数Kk=1.008(rMg2+-rHCO3-)。式中:r表示离子含量(mg/L)。若腐蚀系数Kk>0,称为腐蚀性水;若腐蚀系数Kk<0,并且Kk+0.0503Ca2+>0,称为弱腐蚀性水;若腐蚀系数Kk<0,并且Kk+0.0503Ca2+<0,称为无腐蚀性水。(2)结垢评价。钙盐是造成空调系统结垢的主要成分。水中的钙、镁离子以正盐和碱式盐形式存在,易在水源热泵空调系统的受热面上析出沉积,形成水垢。水垢沉积在换热器表面,降低了传热效率,增加了电耗,影响机组的正常运行[1]。因此,对地下水进行结垢评价对于开发利用地下水源热泵具有重要意义。地下水的结垢程度可以总硬度来评价,总硬度较大的易结垢。
2.层次分析模型建立
水质分析评价具有多目标性的特点,在评价过程中,始终牵涉到目标权重确定这一关键问题[526]。利用层次分析法(AHP)确定各个评价指标的权重,通过分析评价目标与评价指标之间的复杂关系构建层次结构(见图4),可以将问题简单化,使得评价指标本身的相对重要性定量化,经过数学计算得到可靠的权重值。本文采用层次分析软件yaahpV6.0构建层次结构,应用专家打分法分别比较属性层和要素层中各因素对目标层(水源热泵水源水质适宜性研究)的相对重要性进行两两比较,构建比较矩阵(1~9标度法)。最后,采用极比法构建比较矩阵,通过计算检验比较矩阵的一致性(一致性指标CR<0.1),计算评价指标单层权重,进而确定各个评价指标的权重[728],结果见表2。
3.空间分析
本次研究选用MAPGIS的空间分析平台对地下水水质适宜性进行评价。(1)网格剖分。为提高计算准确度,对研究区南宁市大约440km2的范围进行1km× 1km的网格剖分,对网格中心点进行编号,并提取网格中心点坐标,生成网格中心点文件,本次参与计算评价的网格中心点的个数为440个。(2)各指标图件准备。根据评价体系结构,对参与评价的指标要素进行图件准备,包括浊度分区图、悬浮物浓度分区图、pH值分布图、TDS含量分布图、腐蚀性分布图、结垢程度分布图。由于指标体系中各指标具有不同的量纲且代表不同含义,难以进行直接比较和评价,需要对各指标的原始数据进行处理。具体做法是对可定量的指标图形根据取值范围进行赋值,对不能定量获得的指标通过对水源热泵的适宜程度赋值,从而将定性的指标量化。赋值以腐蚀性评价为例,指标定量化结果见表3。(3)水质综合评价。将生成的网格中心点文件与各指标的图件进行叠加,得到网格点的各指标得分[9]。将每个网格点上的6项属性赋值与其相对应的权重值相乘,然后求和,即可得出每个网格点上的综合评分值,即为该点开发地下水水质对于开发利用地源热泵的适宜性指数[10211]。地下水源热泵水源水质适宜性分区标准见表4。#p#分页标题#e#
水源热泵开发适宜区面积为280.74km2、较适宜区63143km2、不适宜区95.83km2。根据评价结果,水源热泵适宜区大多分布在中部市区、东南部良庆区,中部市区地下水为第四系砂砾石层孔隙水,东南部良庆区的地下水为碳酸盐岩裂隙溶洞水。这些地区孔隙水及裂隙水渗透性强,径流较快,涌水量较大,回灌能力能够满足地下水源热泵运行需要。地下水多为非腐蚀性水,水硬度较小,对管线和设施没有危害,适合开发地下水源热泵。东北、西南少数地区水质恶劣,对金属的腐蚀性较强,如直接进入机组会因腐蚀作用减少机组使用寿命,需经过处理后才能应用,处理成本较高,不适宜开发地下水源热泵。地下源热泵的水源水质评价分区见图5。
结论
(1)研究区地下水水化学类型以HCO32Ca#Mg型为主,HCO3#SO42Ca#Mg型次之。地下水以弱酸性为主,在东北、西南少数地区存在氮污染。(2)从地下水水质对水源热泵系统机组、管道及附属设备的影响和适宜性出发,通过地下水水质分析和水源热泵换热器污垢成份分析,确定影响地下水源热泵换热器结垢以及腐蚀管道的关键水质因素,包括悬浮物、浊度、pH、腐蚀性、结垢程度六个指标。运用层次分析法(AHP)和MAPGIS的空间分析技术对南宁市浅层潜水进行地下水水源水质分区评价,认为水源热泵适宜区大多分布在中部市区、东南部良庆区,这些地区地下水多为pH值为7左右的中性水,水硬度较小,属于软水,对管线和设施没有危害,适合开发地下水源热泵。东北、西南少数地区,地下水质腐蚀性系数较高,不适宜开发地下水源热泵。（本文图、表略）
本文作者：梁川 苏春利 谢先军 朱明占 单位：武汉中国地质大学( 武汉) 环境学院 广西地质勘查总院