樣品采集與分析

2012年8月對研究區(qū)潛水進行了系統(tǒng)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(zhì)參數(shù)在現(xiàn)場進行測定,堿度采用滴定法在樣品采集后24h內(nèi)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(zhì)大學(武漢)環(huán)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(nèi)。

地下水水化學特征

研究區(qū)地下水水樣主要的化學成分分析結(jié)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?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54171~87418mg/L,平均值29219mg/L。總硬度變化范圍為8187~24419mg/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(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)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(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)量標準(30mg/L),存在氮污染,不適合開發(fā)水源熱泵,在做適宜性分析時應(yīng)除去這些地區(qū)。

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(shù)來表示。從Piper三線圖(圖3)可以看出,研究區(qū)地下水樣多落在菱形區(qū)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(zhì)適宜性分析

1.水質(zhì)評價指標選擇

地下水水質(zhì)的化學組成直接影響地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行的安全性和穩(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]。本文參照地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范(GB5036622005)和工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計規(guī)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(zhì)評價指標,進而運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。

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(tǒng)換熱器的傳熱效果,導致系統(tǒng)局部腐蝕、穿孔,增加水流阻力,不僅嚴重影響供水系統(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(fā)地下水源熱泵,但超標水樣分布無規(guī)律,需結(jié)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(tǒng)的使用壽命。地下水源熱泵的水源pH值一般應(yīng)為615~815。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4193~8108,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,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(qū)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(fā)地下水源熱泵。

3）綜合指標

(1)腐蝕性。地下水對管線和設(shè)施的腐蝕影響,參照工業(yè)上的腐蝕系數(shù),評價方法如下。對酸性水:腐蝕性系數(shù)Kk=1.008(rH++rAl3++rFe2++rMg2+rHCO3--rCO322);對堿性水:腐蝕性系數(shù)Kk=1.008(rMg2+-rHCO3-)。式中:r表示離子含量(mg/L)。若腐蝕系數(shù)Kk>0,稱為腐蝕性水;若腐蝕系數(shù)Kk<0,并且Kk+0.0503Ca2+>0,稱為弱腐蝕性水;若腐蝕系數(shù)Kk<0,并且Kk+0.0503Ca2+<0,稱為無腐蝕性水。(2)結(jié)垢評價。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,影響機組的正常運行[1]。因此,對地下水進行結(jié)垢評價對于開發(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,總硬度較大的易結(jié)垢。

2.層次分析模型建立

水質(zhì)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(quán)重確定這一關(guān)鍵問題[526]。利用層次分析法(AHP)確定各個評價指標的權(quán)重,通過分析評價目標與評價指標之間的復雜關(guān)系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)(見圖4),可以將問題簡單化,使得評價指標本身的相對重要性定量化,經(jīng)過數(shù)學計算得到可靠的權(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層(水源熱泵水源水質(zhì)適宜性研究)的相對重要性進行兩兩比較,構(gòu)建比較矩陣(1~9標度法)。最后,采用極比法構(gòu)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(quán)重,進而確定各個評價指標的權(quán)重[728],結(jié)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(zhì)適宜性進行評價。(1)網(wǎng)格剖分。為提高計算準確度,對研究區(qū)南寧市大約440km2的范圍進行的網(wǎng)格剖分,對網(wǎng)格中心點進行編號,并提取網(wǎng)格中心點坐標,生成網(wǎng)格中心點文件,本次參與計算評價的網(wǎng)格中心點的個數(shù)為440個。(2)各指標圖件準備。根據(jù)評價體系結(jié)構(gòu),對參與評價的指標要素進行圖件準備,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(shù)據(jù)進行處理。具體做法是對可定量的指標圖形根據(jù)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(jié)果見表3。(3)水質(zhì)綜合評價。將生成的網(wǎng)格中心點文件與各指標的圖件進行疊加,得到網(wǎng)格點的各指標得分[9]。將每個網(wǎng)格點上的6項屬性賦值與其相對應(yīng)的權(quán)重值相乘,然后求和,即可得出每個網(wǎng)格點上的綜合評分值,即為該點開發(fā)地下水水質(zhì)對于開發(fā)利用地源熱泵的適宜性指數(shù)[10211]。地下水源熱泵水源水質(zhì)適宜性分區(qū)標準見表4。