樣品采集與分析

2012年8月對(duì)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(jiàn)圖2。水溫、pH及電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定,堿度采用滴定法在樣品采集后24h內(nèi)測(cè)定。樣品用0.45Lm濾膜過(guò)濾后用于陽(yáng)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(cè)定,K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金屬元素采用ICP2OES(ICAP6300)進(jìn)行分析,水樣濁度采用TDT22型濁度儀檢測(cè),以上分析均在中國(guó)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(cè)試,誤差范圍均在5%以內(nèi)。

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(jiàn)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?？傆捕茸兓秶鸀?187~24419mg/L(以CaCO3計(jì)),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(dá)27111NTU,平均值為20122NTU,能夠滿足工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)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(biāo)準(zhǔn)(30mg/L),存在氮污染,不適合開(kāi)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(yáng)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(lái)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(yáng)離子以Ca2+、Mg2+為主,陰離子以HCO3-為主,其次是SO42-和Cl-。水化學(xué)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(píng)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(duì)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(jì)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(píng)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(duì)水源熱泵的影響。

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(guò)高對(duì)機(jī)組和管閥會(huì)造成磨損,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道堵塞。另外,泥砂、污垢還會(huì)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(guò)50NTU,濁度較高,不適宜開(kāi)發(fā)地下水源熱泵,但超標(biāo)水樣分布無(wú)規(guī)律,需結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)一步分析。

2）化學(xué)指標(biāo)

(1)pH值。地下水中pH值過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)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(duì)金屬的腐蝕性較強(qiáng),如果直接進(jìn)入機(jī)組會(huì)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87510mg/L<1000mg/L,屬于軟水,TDS總體上適宜于開(kāi)發(fā)地下水源熱泵。

3）綜合指標(biāo)

(1)腐蝕性。地下水對(duì)管線和設(shè)施的腐蝕影響,參照工業(yè)上的腐蝕系數(shù),評(píng)價(jià)方法如下。對(duì)酸性水:腐蝕性系數(shù)Kk=1.008(rH++rAl3++rFe2++rMg2+rHCO3--rCO322);對(duì)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(wú)腐蝕性水。(2)結(jié)垢評(píng)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(duì)地下水進(jìn)行結(jié)垢評(píng)價(jià)對(duì)于開(kāi)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(lái)評(píng)價(jià),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(píng)價(jià)具有多目標(biāo)性的特點(diǎn),在評(píng)價(jià)過(guò)程中,始終牽涉到目標(biāo)權(quán)重確定這一關(guān)鍵問(wèn)題[526]。利用層次分析法(AHP)確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,通過(guò)分析評(píng)價(jià)目標(biāo)與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的復(fù)雜關(guān)系構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4),可以將問(wèn)題簡(jiǎn)單化,使得評(píng)價(jià)指標(biāo)本身的相對(duì)重要性定量化,經(jīng)過(guò)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(duì)目標(biāo)層(水源熱泵水源水質(zhì)適宜性研究)的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)建比較矩陣(1~9標(biāo)度法)。最后,采用極比法構(gòu)建比較矩陣,通過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)比較矩陣的一致性(一致性指標(biāo)CR<0.1),計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)單層權(quán)重,進(jìn)而確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[728],結(jié)果見(jiàn)表2。

3.空間分析

本次研究選用MAPGIS的空間分析平臺(tái)對(duì)地下水水質(zhì)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。(1)網(wǎng)格剖分。為提高計(jì)算準(zhǔn)確度,對(duì)研究區(qū)南寧市大約440km2的范圍進(jìn)行的網(wǎng)格剖分,對(duì)網(wǎng)格中心點(diǎn)進(jìn)行編號(hào),并提取網(wǎng)格中心點(diǎn)坐標(biāo),生成網(wǎng)格中心點(diǎn)文件,本次參與計(jì)算評(píng)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(píng)價(jià)體系結(jié)構(gòu),對(duì)參與評(píng)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(píng)價(jià),需要對(duì)各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。具體做法是對(duì)可定量的指標(biāo)圖形根據(jù)取值范圍進(jìn)行賦值,對(duì)不能定量獲得的指標(biāo)通過(guò)對(duì)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(píng)價(jià)為例,指標(biāo)定量化結(jié)果見(jiàn)表3。(3)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。將生成的網(wǎng)格中心點(diǎn)文件與各指標(biāo)的圖件進(jìn)行疊加,得到網(wǎng)格點(diǎn)的各指標(biāo)得分[9]。將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的6項(xiàng)屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘,然后求和,即可得出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的綜合評(píng)分值,即為該點(diǎn)開(kāi)發(fā)地下水水質(zhì)對(duì)于開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。