南宁市地下水源热泵的水质适宜性研究

　　浅层地温能储存于地下岩石（土层）和岩石裂隙或土层孔隙的水体中，是一种无形的自然资源，其温度恒定，略高于当地年平均气温2℃～3℃。地下水源热泵通过水热交换的方式利用地下水中的部分低品位地热资源进行供暖或空调，是一个从地下水中不断提取能量的过程，因此地下水水质的优劣不仅影响热泵系统水处理方案、换热器形式的合理选择，还直接关系到系统的运行效果和使用寿命[14]。因此，首先要对水源水质适宜性进行分析，找到最适宜开发地下水源热泵的区域，为浅层地温能利用提供科学依据。

　　1研究区概况

　　南宁市区位于南宁盆地的中西部，四周低山丘陵环绕。研究区范围为东经108°08′-108°35′，北纬22°39′-22°57′，总面积440km2。根据地貌成因及形态特征，研究区地貌划分为构造侵蚀低山丘陵区、侵蚀剥蚀丘陵区、邕江侵蚀堆积阶地区及溶蚀残丘坡地区四个区。南宁市地处亚热带季风气候区，阳光充足，年平均气温21.6℃，年平均降雨量1304.2mm，蒸发量1736.6mm[5]。研究区内地下水主要来源于大气降雨的入渗补给，充沛的降雨为地下水提供了较好的补给来源，也为开发利用浅层地温能创造了有利条件。

　　根据地下水的赋存条件、含水介质结构及水力特征，工作区内地下水可划分为四种类型，即松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水（图1）。松散岩类含水岩组地层主要是在邕江河谷阶地分布的第四系冲积层，该层孔隙水总体上向邕江径流排泄；低山丘陵区基岩裂隙水受断裂构造及岩性控制，作深循环或补给碎屑岩类孔隙裂隙水；碎屑岩类孔隙裂隙水从南宁盆地两翼向盆地中部径流，而后集中转向西南方向径流，至盆地西部后向上越流排泄补给松散岩类孔隙水，或直接向邕江排泄；碳酸岩裂隙溶洞水主要以泉的形式排泄，总体上向邕江径流排泄（图1）。研究区内具有利用水源热泵开发的地下水主要为中部市区内广泛分布的第四系砂砾石层孔隙水及东南部良庆区、邕宁区碳酸盐岩裂隙岩溶水。区内地下水目前的开发利用量十分有限，以天然排泄为主，恒温带深约20m，水温23.8℃～24.8℃，恒温带以下为增温带，开发地下水源热泵的潜力较大[5]。

　　2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0.45μm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ICPOES（ICAP6300）进行分析，水样浊度采用TDT2型浊度仪检测，以上分析均在地质大学（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。

　　3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493～808，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55～875mg/L，平均值2878mg/L。总硬度变化范围为89～245mg/L（以CaCO3计），平均值为6495mg/L，以软水为主。总碱度变化范围为1949～8041mg/L，平均值2397mg/L。水样浊度最小值为0041NTU，最大值达2711NTU，平均值为2022NTU，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三线图表1研究区地下水水样水化学组成特征

　　4水源热泵水源水质适宜性分析

　　4.1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（GB503662005）和工业循环冷却水处理设计规范（GB500502007），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。

　　4.1.1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。

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