巖溶區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)取水可行性分析
摘 要 本文介紹了巖溶區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)取水勘查的基本情況，在調(diào)查及水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，通過水文地質(zhì)試驗(yàn)，論證了巖溶富水區(qū)利用地下水進(jìn)行熱泵系統(tǒng)建設(shè)的可行性，對(duì)可再生能源的利用方式作出了評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞 可再生能源；水源熱泵系統(tǒng)；水資源量；抽水―回灌試驗(yàn)
中圖分類號(hào)P5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2014）116-0139-02
0 引言
水源熱泵系統(tǒng)是一種可再生能源的利用技術(shù)，其工作原理是一種利用地球表面或淺層水源或者是人工再生水源的既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。水源熱泵技術(shù)利用熱泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移，將水體和地層蓄能分別在冬、夏季作為供暖的熱源和空調(diào)的冷源，即在冬季，把水體和地層中的熱量提取出來，提高溫度后，供給室內(nèi)采暖；夏季，把室內(nèi)的熱量提取出來，釋放到水體和地層中去。
南方巖溶區(qū)的城鎮(zhèn)大多分布在地下水位埋深較淺的侵蝕溶蝕谷地區(qū)，這些地段往往地下水資源豐富；而取用地下水作為熱源，將對(duì)利用溫度后的地下水實(shí)施完全回灌，對(duì)含水層的地下水資源量基本沒有影響。
某民用建筑項(xiàng)目位于柳州市柳南區(qū)，擬采用地下水源熱泵系統(tǒng)為住宅小區(qū)居民供應(yīng)衛(wèi)生熱水。按現(xiàn)有取水井地下水水溫為21℃，根據(jù)熱泵機(jī)組參數(shù)每小時(shí)需要抽取地下水315m3所提取熱值，可產(chǎn)45℃衛(wèi)生熱水90m3，按熱水使用率80%計(jì)算，要制取居民所需650m3熱水需機(jī)組工作9小時(shí)，則需取用地下水2835m3/d。21℃的地下水作為熱源經(jīng)過熱泵機(jī)組后水溫下降到7℃～10℃后，通過回灌井全部回灌地下。
通過水文地質(zhì)調(diào)查、地下水量的計(jì)算以及“抽水―回灌試驗(yàn)”，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)的影響范圍和影響程度進(jìn)行分析，為開采地下水熱源作為居民供應(yīng)熱水的可行性進(jìn)行論證，為地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。
1 區(qū)域水資源狀況及其開發(fā)利用分析
1.1 區(qū)域基本概況
柳州市位于廣西壯族自治區(qū)中部偏北，柳江自西北方向穿繞城市向東南方向流去，市區(qū)山環(huán)水繞呈壺狀。柳州歷年平均氣溫為20.5℃；多年平均降雨量為1538.44mm，柳江是流經(jīng)本市的唯一大江，水量豐富，多年平均流量1301m3/s，是廣西水資源較豐富的河流。
柳州市下伏基巖以碳酸鹽巖為主，厚度約3095m，面積699.3km2，占柳州市面積的75%，且67%左右為松散堆積物覆蓋；下伏碳酸鹽巖在地質(zhì)構(gòu)造及巖溶的長期作用下，其巖體內(nèi)裂隙、孔洞、溶洞發(fā)育，為地下水的運(yùn)移和存儲(chǔ)提供了廣闊的空間。
1.2 地下水資源狀況及開發(fā)利用現(xiàn)狀
根據(jù)有關(guān)資料，柳州市城區(qū)地下水資源總量（多年平均補(bǔ)給量）為每年2.39億m3，可開采利用量（允許開采量）為每年1.72億m3（每天47.12萬m3）。大范圍面積地下水水質(zhì)穩(wěn)定在Ⅱ類以上，水溫21℃～23℃；因此，具有得天獨(dú)厚的地下水資源，具有較好的開發(fā)利用價(jià)值。
場地附近有三口開采井，為原柳州造紙廠供水井，天然水位埋深2.68～5.13m，總開采量達(dá)11219m3/d，水位降深2m～4.3m，2005年停采。北東面250m為柳鐵第二水源地，1980年投入使用，開采量為7200m3/d，枯水期水位降深3.6m左右，目前已停用，井旁可見有泉水溢出排往溪溝，流量約18L/s。
2 項(xiàng)目所處地段地下水資源量及開采潛力分析
2.1 地下水資源量計(jì)算
以柳江及其支流分割形成的自然地理單元為基礎(chǔ)，把具有獨(dú)立的補(bǔ)、徑、排條件的地下水系統(tǒng)劃分為一個(gè)水文地質(zhì)單元，本區(qū)為柳西大單元竹鵝溪次級(jí)單元，地下水資源量包括地下水天然補(bǔ)給量、開采條件下的補(bǔ)給增量、儲(chǔ)存量及允許開采量。
地下水天然補(bǔ)給量及開采條件下的補(bǔ)給增量采用水量均衡法為基礎(chǔ)的計(jì)算方法；降雨及灌溉水的入滲量采用入滲系數(shù)法；地表河水側(cè)滲，相鄰含水層側(cè)向補(bǔ)給和開采條件下地表河水的補(bǔ)給增量等用達(dá)西斷面法計(jì)算。計(jì)算塊段為17.8385×106m3/a。
地下水儲(chǔ)存量只在巖溶平原區(qū)及城市主要規(guī)劃區(qū)進(jìn)行計(jì)算，含水層底界取至第二含水段底板（標(biāo)高1m～30m）。計(jì)算塊段地下水儲(chǔ)存量為68.7934×106m3/a。
在回灌條件下，穩(wěn)定回灌量為52.8m3/h的時(shí)候，主井降深2.34m，觀測(cè)井（相距250m）水位降深0.17m，影響半徑約300m；完全回灌條件下，主井水位降深0.5m，觀測(cè)井水位無變化，計(jì)算“抽水―回灌”開采模式影響半徑約90m。
綜上，考慮到熱泵項(xiàng)目運(yùn)行中開采量為315m3/h，主井水位降深不會(huì)超過3m；并且項(xiàng)目每日運(yùn)行時(shí)間僅為9小時(shí)，間歇時(shí)間長，水位易于恢復(fù)；另外，系統(tǒng)運(yùn)行將采取全回灌措施，將所開采的地下水全部回灌至含水層。因此，項(xiàng)目建設(shè)開采地下水以后，對(duì)地下水水位的影響不大。
4 取水影響分析
4.1 對(duì)區(qū)域水資源的影響
由于水源熱泵系統(tǒng)工程為“抽灌分離”封閉循環(huán)用水系統(tǒng)，項(xiàng)目抽灌地下水，主要在抽水井與回灌井影響范圍內(nèi)產(chǎn)生地下水動(dòng)力場的變化，抽水井與回灌井影響半徑內(nèi)地下水的流向?qū)⒂商烊粻顟B(tài)下的緩慢水平層流轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃疄橹行牡妮^復(fù)雜三維流場。因?yàn)轫?xiàng)目用水為封閉循環(huán)用水，因抽水形成的水位降深通過回灌得到回補(bǔ)，取水僅形成影響范圍內(nèi)地下水位的小幅變動(dòng)，不會(huì)造成區(qū)域地下水位下降，也不會(huì)對(duì)區(qū)域地下水流場產(chǎn)生影響。
項(xiàng)目年內(nèi)制冷與制熱無法達(dá)到冷熱平衡，地下水溫度總的以下降為主，長期抽灌地下水后將產(chǎn)生一個(gè)低溫場，其范圍與抽灌地下水影響半徑范圍基本一致。根據(jù)同類工程，在地下水影響半徑范圍內(nèi)，年內(nèi)地下水溫度將會(huì)出現(xiàn)稍低于天然狀況時(shí)的溫度。但是，項(xiàng)目區(qū)位于巖溶地下水富水帶，場區(qū)地下水的流向?yàn)槟衔?北東，根據(jù)鉆孔水位觀測(cè)資料計(jì)算，地下水的水力坡度年內(nèi)一般在0.01～0.1之間，受該地段豐富地下水的混合作用，項(xiàng)目取用地下水不會(huì)對(duì)區(qū)域地下水溫度場產(chǎn)生較大影響。
4.2 對(duì)其他用戶的影響
項(xiàng)目采用“抽水―回灌”循環(huán)系統(tǒng)提取和利用地下水，單個(gè)井抽水和回灌均在其30m范圍內(nèi)完成，同時(shí)單井抽取的地下水最終通過回灌井回灌到相同地下含水層中；項(xiàng)目區(qū)周邊居民生活用水全部由柳州市自來水公司供給，因此，開采地下水不會(huì)對(duì)周邊居民的取用水產(chǎn)生不良影響。
4.3 對(duì)周圍地質(zhì)環(huán)境的影響
項(xiàng)目周邊地質(zhì)環(huán)境的影響主要是通過抽取、回灌地下水，可能會(huì)逐漸潛蝕帶走土體中的顆粒，形成土洞，進(jìn)而發(fā)展為巖溶地面塌陷。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，影響范圍不超過90m，影響水位小于0.5m；對(duì)地下水環(huán)境影響很小，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)測(cè)地下水水位變化，遇有異常情況應(yīng)及時(shí)采取有關(guān)措施，盡力消除系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)水文地質(zhì)條件的改變進(jìn)而影響到地質(zhì)環(huán)境。
5 結(jié)論
本文在總結(jié)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，介紹了巖溶區(qū)地下水熱源項(xiàng)目的基本工作及影響分析。通過水文地質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)合水文地質(zhì)條件，對(duì)地下水的取用可行性進(jìn)行了論證，分析并闡明了系統(tǒng)運(yùn)行的基本影響。為巖溶區(qū)地下水源熱泵系統(tǒng)的建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)，為地下水源熱泵這一新型能源利用方式在巖溶區(qū)的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1]水文地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：地質(zhì)出版社，1983.
