昌邑市某地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)水資源利用探析

，，

(1.山東省濰坊市水文局，山東 濰坊 261061；2.臨朐港華燃?xì)庥邢薰?，山東 濰坊 262600)

隨著昌邑市經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人民生活水平的改善和城市化進(jìn)程的加快，人們對保障供暖提出了更高的要求，對高品質(zhì)、低能耗、環(huán)保型的供暖需求越來越高[1]。地下水源熱泵是一種采用水中的熱源，制取熱水的高效節(jié)能空調(diào)設(shè)備。具有中央空調(diào)合理利用能源、運(yùn)行成本低、安全、靈活、方便、便于管理等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是地下水源熱泵技術(shù)有環(huán)保、節(jié)能、節(jié)資的特點(diǎn)，在我國許多地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。本文以昌邑市東隅小區(qū)水源熱泵空調(diào)工程水資源論證為例，在地下水源熱泵取用水、退水合理性和供水水源的可行性、可靠性及取水、回灌對周圍水資源生態(tài)環(huán)境影響等方面進(jìn)行了分析，提出了切合實(shí)際的結(jié)論和建議，為水行政主管部門審批取水許可提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

昌邑市東隅小區(qū)位于奎聚路以東，新昌路以西，新興街以北，利民街以南，總建筑面積為145 527 m2。本項(xiàng)目擬采用地下水源熱泵技術(shù)，通過抽取地下水利用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冬季供熱。選用水源熱泵SM-200LI型1臺、SM-400LI型2臺作為項(xiàng)目主機(jī)，機(jī)組設(shè)計(jì)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其最大循環(huán)水量為350 m3/h，設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為4 500 kw，年取用水量為50.4萬 m3，用水采用“抽灌分離”的方式，用潛水泵抽取第四系孔隙地下水作為系統(tǒng)供水水源見圖1。取水井工程打6眼取水井、18眼回灌井并配備潛水泵及輸水管道等，設(shè)計(jì)井深60 m左右；單井涌水量在1 500 m3/d左右，部分地段大于1 500 m3/d。年地下水溫在15℃～18℃之間，供水水源為第四系孔隙水。

圖1 “抽灌分離”方式系統(tǒng)取水和退水示意圖

2 水文地質(zhì)特征

昌邑市在大地構(gòu)造上屬華北臺地，處在魯西隆起、沂沭斷裂帶、魯東隆起三個(gè)次級構(gòu)造的交匯處。本項(xiàng)目位于濰河沖積平原區(qū)的富水地段，根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)勘探資料，地層結(jié)構(gòu)自上而下主要為粘土、亞粘土、細(xì)砂、中細(xì)砂、中粗砂、粗砂礫石層等。地形較平坦，地下水補(bǔ)給條件較好，含水層厚度較大，調(diào)蓄能力較強(qiáng)，單井涌水量在1 500 m3/d左右，部分地段大于1 500 m3/d。年地下水溫在15℃～18℃之間，水溫變化較小。地下水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好，且該地段地下水位埋藏較深，地下水回灌條件較好，是水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)供水理想的水源地區(qū)域。

3 取用水合理性分析

3.1 取水合理性

此項(xiàng)目地下水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)用水采用“抽灌分離”的方式，系統(tǒng)通過抽水井抽取地下水，提取完水中的熱能后，再利用附近的回灌井等量回灌到地下含水層中，系統(tǒng)在用水過程中全封閉、全回灌，基本不消耗水量，也不會增加用水量指標(biāo)。建成運(yùn)行后不會增加昌邑市的實(shí)際用水量指標(biāo)，全市用水總量和地下水開采量仍在區(qū)域用水總量控制指標(biāo)和地下水分類控制指標(biāo)范圍內(nèi)；不產(chǎn)生污水，對區(qū)域水環(huán)境和水功能區(qū)影響較小。取水符合《山東省用水總量控制管理辦法》和昌邑市城市發(fā)展總體規(guī)劃要求。該項(xiàng)目建設(shè)彌補(bǔ)了昌邑城區(qū)熱力管網(wǎng)供熱能力的不足，解決了小區(qū)集中供熱的問題。根據(jù)供熱負(fù)荷和系統(tǒng)主機(jī)的性能確定需水量，并結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件確定抽水井?dāng)?shù)量，取水方案是合理的。

3.2 用水合理性

濰坊地區(qū)冬季供暖期為11月15日至翌年3月15日，期間最冷時(shí)段(1～2月)為冬季空調(diào)使用的高峰負(fù)荷日，大約30 d，其余90 d較為暖和，項(xiàng)目每天用水量為機(jī)組運(yùn)行循環(huán)水量。根據(jù)《昌邑市東隅小區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案》，東隅小區(qū)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季供熱，設(shè)計(jì)總熱負(fù)荷為4 500 kw，設(shè)計(jì)最大循環(huán)水量為350 m3/h，設(shè)計(jì)機(jī)組平均每天運(yùn)行時(shí)間為12 h。

按照濰坊地區(qū)氣候變化狀況，供暖時(shí)間為每年的11月15日至翌年的3月15日，共計(jì)120天，其中30 d為冬季空調(diào)使用的高峰負(fù)荷日，90 d較為暖和，每天平均運(yùn)行12 h，全年需水量4 200 m3×120 d=50.4萬 m3，設(shè)計(jì)年總需水量基本合理。

4 取水水源分析

4.1 地下水儲存量計(jì)算

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料分析，并參照《濰坊市水資源綜合調(diào)查與評價(jià)》成果，本區(qū)地下水總補(bǔ)給量小于總排泄量，地下水處于超采狀態(tài)，此情況下含水層的調(diào)蓄能力就成為水源地能否正常連續(xù)開采的關(guān)鍵，而含水層的調(diào)蓄能力則取決于地下水儲存量的大小[2]。

地下水儲存量的計(jì)算公式為：

V=100μFM

(1)

式中：V為地下水儲存量(萬m3)；μ為潛水含水層給水度；F為含水層分布面積(km2)；M為含水層砂層平均厚度(m)

含水層給水度μ：采用《濰坊市水資源綜合調(diào)查與評價(jià)》成果，確定為0.17[3]。計(jì)算區(qū)面積F為22.1 km2。根據(jù)地質(zhì)勘探資料和已有的研究成果綜合分析，確定論證區(qū)內(nèi)含水層平均厚度為17.4 m。經(jīng)計(jì)算，地下水儲存量為6 537.2萬 m3，可滿足空調(diào)系統(tǒng)用水。

4.2 水源水溫分析

根據(jù)歷年地下水溫監(jiān)測資料，地下水年內(nèi)最高水溫為18℃，最低水溫為15℃，平均水溫為16.5℃，水溫相對穩(wěn)定，符合該項(xiàng)目空調(diào)系統(tǒng)要求。

4.3 水源水質(zhì)分析

根據(jù)項(xiàng)目熱源井地下水質(zhì)監(jiān)測資料和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—93)[4]，本區(qū)地下水的水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca—Mg—Na型水?？傆捕?98 mg/L(以CaCO3計(jì))， pH值7.54。地下水無色無味，物理性狀良好，總硬度、氯化物、錳及硝酸鹽氮超標(biāo)，經(jīng)單項(xiàng)組分評價(jià)為Ⅴ類水，F(xiàn)值為7.13，綜合評價(jià)為水質(zhì)較差，不適合做飲用水源，但水質(zhì)符合水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的要求見表1。

5 退水對水資源的影響及保護(hù)措施

5.1 退水對水資源的影響

本項(xiàng)目水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)用水采用“抽灌”封閉循環(huán)用水系統(tǒng)，系統(tǒng)封閉式循環(huán)，自成體系，通過抽水井抽取地下水，系統(tǒng)提取完水中的熱能后，退水通過回灌井再回灌到地下含水層中，用水工藝為抽灌平衡，基本不消耗水資源量，不會對區(qū)域地下水資源產(chǎn)生影響[5]。水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中水是在封閉的循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行能量交換，不與外界接觸，水不易受到污染，只是水溫有一定變化，退水對區(qū)域生態(tài)環(huán)境基本沒有影響。

5.2 水資源保護(hù)措施

水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)用水采用“抽灌分離”循環(huán)用水，整個(gè)系統(tǒng)不消耗地下水資源，因此，水資源保護(hù)重點(diǎn)應(yīng)該為保證項(xiàng)目退水100%完全回灌和水質(zhì)保護(hù)。針對項(xiàng)目用水過程，為保護(hù)地下水資源，提出如下工程保護(hù)措施和非工程保護(hù)措施。

表1 昌邑市東隅小區(qū)地下水質(zhì)評價(jià)成果表

5.2.1 工程措施

1)在抽水井中安裝變頻裝置，嚴(yán)格控制抽水井的出水量。

2)制定詳細(xì)的水井運(yùn)行管理程序，包括運(yùn)行時(shí)數(shù)，單井開采量和回灌量統(tǒng)計(jì)、水井運(yùn)行維護(hù)方法和計(jì)劃等。

3)安裝水表，嚴(yán)格記錄抽、灌水量，確保回灌水量達(dá)到100%回灌。

4)根據(jù)以往的水質(zhì)監(jiān)測資料，回灌井周圍的溫度場變化對水質(zhì)沒有明顯的變化。但由于水質(zhì)變化是慢長過程，因此，建議系統(tǒng)建成后仍需要建立長期的水質(zhì)、水溫監(jiān)測。

5.2.2 非工程措施

1)成井深度要嚴(yán)格控制在60 m以內(nèi)，遇60 m左右粘土隔水層即可停止，防止穿透咸水層污染淺層淡水，以保護(hù)昌邑市自來水公司水源地安全。

2)洗井應(yīng)采用拉活塞、空壓機(jī)等物理方法，嚴(yán)禁用含有污染元素的化學(xué)洗井。

3)嚴(yán)格控制抽水井和回灌井的成井工藝，尤其控制止水層的位置和厚度，嚴(yán)格控制濾水管和濾料的使用，確保成井質(zhì)量。

4)水源井井口要封閉，井周圍禁止有污水管道和明渠通過以防地下水體污染。

5)嚴(yán)格控制回灌水的溫度，冬季大于7℃，避免大溫差回灌對地下水水質(zhì)造成影響。

6)以水源井為中心設(shè)置保護(hù)區(qū)，井口周圍設(shè)置圍檔，嚴(yán)禁閑雜人員隨意進(jìn)入。

6 結(jié)語

(1)根據(jù)供熱負(fù)荷和空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)性能確定用水量，并結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件確定打水井24眼，有6眼抽水井和18眼回灌井，采用豎井式自然回灌，采用1抽3回灌的布井方案，大于試驗(yàn)1抽2回灌的試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，退水方案可行。設(shè)計(jì)最大循環(huán)水量為350 m3/h，年取用水量為50.4萬 m3。

(2)加強(qiáng)回灌水水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測項(xiàng)目運(yùn)行期間，區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)變化情況。每個(gè)供暖期結(jié)束后，對抽水井進(jìn)行撈砂洗井，對回灌井進(jìn)行回?fù)P、拉活塞和撈砂等洗井。為了防止單向堵塞，建議抽水井和回灌井定期交換使用，并對抽水井中的含砂量進(jìn)行沉砂過濾處理后再回灌。