樣品采集與分析

2012年8月對研究區潛水進行了系統采樣,共采集地下水樣50件,采樣點位置見圖2。水溫、pH及電導率等水質參數在現場進行測定,堿度采用滴定法在樣品采集后24h內測定。樣品用0.45Lm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進行測定,K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金屬元素采用ICP2OES(ICAP6300)進行分析,水樣濁度采用TDT22型濁度儀檢測,以上分析均在中國地質大學(武漢)環境學院實驗中心完成。利用已知濃度的樣品進行驗證測試,誤差范圍均在5%以內。

地下水水化學特征

研究區地下水水樣主要的化學成分分析結果見表1,pH值變化范圍為4193~8108,以弱酸性為主,中性水次之。水樣的總溶解固體含量(TDS)、總硬度、總堿度變化幅度均較大,TDS變化范圍為54171~87418mg/L,平均值29219mg/L?？傆捕茸兓秶鸀?187~24419mg/L(以CaCO3計),平均值為65103mg/L,以軟水為主。總堿度變化范圍為19149~80411mg/L,平均值23917mg/L。水樣濁度最小值為01041NTU,最大值達27111NTU,平均值為20122NTU,能夠滿足工業循環冷卻水處理設計規范中對于冷卻水濁度要求。各微量元素含量均較低,符合工業循環冷卻水要求。在東北、西南少數地區硝酸根含量較高,超出地下水質量標準(30mg/L),存在氮污染,不適合開發水源熱泵,在做適宜性分析時應除去這些地區。

地下水化學類型劃分采用了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)的每升毫克當量的百分數來表示。從Piper三線圖(圖3)可以看出,研究區地下水樣多落在菱形區域的上部,陽離子以Ca2+、Mg2+為主,陰離子以HCO3-為主,其次是SO42-和Cl-。水化學類型以HCO32Ca#Mg型為主,HCO3#SO42Ca#Mg和Cl#SO42Ca#Mg型次之。

水源熱泵水源水質適宜性分析

1.水質評價指標選擇

地下水水質的化學組成直接影響地下水源熱泵空調系統運行的安全性和穩定性。地下水源熱泵系統對地下水水質的基本要求是:澄清、水質穩定、不腐蝕、不滋生微生物或生物、不結垢等[1,3]。本文參照地源熱泵系統工程技術規范(GB5036622005)和工業循環冷卻水處理設計規范(GB5005022007),選擇pH、TDS、總硬度、濁度、主要離子以及部分微量成份(表1)等因子作為水質評價指標,進而運用層次分析法探討研究區地下水質對水源熱泵的影響。

1）物理指標

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組和管閥會造成磨損,嚴重時會造成管道堵塞。另外,泥砂、污垢還會降低水源熱泵系統換熱器的傳熱效果,導致系統局部腐蝕、穿孔,增加水流阻力,不僅嚴重影響供水系統的穩定性和使用壽命,而且妨礙系統的正常運行[1]。本次研究采集的50個水樣中6個超過50NTU,濁度較高,不適宜開發地下水源熱泵,但超標水樣分布無規律,需結合其他指標進一步分析。

2）化學指標

(1)pH值。地下水中pH值過高或者過低都會造成機組的腐蝕,嚴重影響到系統的使用壽命。地下水源熱泵的水源pH值一般應為615~815。研究區地下水以弱酸性為主,中性水次之,pH值變化范圍為4193~8108,偏酸性的地下水主要分布于西鄉塘區的東北面區域附近。(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,如果直接進入機組會因腐蝕作用減少機組使用壽命[6]。研究區采樣點中TDS最大值為87510mg/L<1000mg/L,屬于軟水,TDS總體上適宜于開發地下水源熱泵。

3）綜合指標

(1)腐蝕性。地下水對管線和設施的腐蝕影響,參照工業上的腐蝕系數,評價方法如下。對酸性水:腐蝕性系數Kk=1.008(rH++rAl3++rFe2++rMg2+rHCO3--rCO322);對堿性水:腐蝕性系數Kk=1.008(rMg2+-rHCO3-)。式中:r表示離子含量(mg/L)。若腐蝕系數Kk>0,稱為腐蝕性水;若腐蝕系數Kk<0,并且Kk+0.0503Ca2+>0,稱為弱腐蝕性水;若腐蝕系數Kk<0,并且Kk+0.0503Ca2+<0,稱為無腐蝕性水。(2)結垢評價。鈣鹽是造成空調系統結垢的主要成分。水中的鈣、鎂離子以正鹽和堿式鹽形式存在,易在水源熱泵空調系統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,影響機組的正常運行[1]。因此,對地下水進行結垢評價對于開發利用地下水源熱泵具有重要意義。地下水的結垢程度可以總硬度來評價,總硬度較大的易結垢。

2.層次分析模型建立

水質分析評價具有多目標性的特點,在評價過程中,始終牽涉到目標權重確定這一關鍵問題[526]。利用層次分析法(AHP)確定各個評價指標的權重,通過分析評價目標與評價指標之間的復雜關系構建層次結構(見圖4),可以將問題簡單化,使得評價指標本身的相對重要性定量化,經過數學計算得到可靠的權重值。本文采用層次分析軟件yaahpV6.0構建層次結構,應用專家打分法分別比較屬性層和要素層中各因素對目標層(水源熱泵水源水質適宜性研究)的相對重要性進行兩兩比較,構建比較矩陣(1~9標度法)。最后,采用極比法構建比較矩陣,通過計算檢驗比較矩陣的一致性(一致性指標CR<0.1),計算評價指標單層權重,進而確定各個評價指標的權重[728],結果見表2。

3.空間分析

本次研究選用MAPGIS的空間分析平臺對地下水水質適宜性進行評價。(1)網格剖分。為提高計算準確度,對研究區南寧市大約440km2的范圍進行的網格剖分,對網格中心點進行編號,并提取網格中心點坐標,生成網格中心點文件,本次參與計算評價的網格中心點的個數為440個。(2)各指標圖件準備。根據評價體系結構,對參與評價的指標要素進行圖件準備,包括濁度分區圖、懸浮物濃度分區圖、pH值分布圖、TDS含量分布圖、腐蝕性分布圖、結垢程度分布圖。由于指標體系中各指標具有不同的量綱且代表不同含義,難以進行直接比較和評價,需要對各指標的原始數據進行處理。具體做法是對可定量的指標圖形根據取值范圍進行賦值,對不能定量獲得的指標通過對水源熱泵的適宜程度賦值,從而將定性的指標量化。賦值以腐蝕性評價為例,指標定量化結果見表3。(3)水質綜合評價。將生成的網格中心點文件與各指標的圖件進行疊加,得到網格點的各指標得分[9]。將每個網格點上的6項屬性賦值與其相對應的權重值相乘,然后求和,即可得出每個網格點上的綜合評分值,即為該點開發地下水水質對于開發利用地源熱泵的適宜性指數[10211]。地下水源熱泵水源水質適宜性分區標準見表4。