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在調查及水文地質條件分析的基礎上,通過水文地質試驗,論證了巖溶富水區利用地下水進行熱泵系統建設的可行性,對可再生能源的利用方式作出了評價
關鍵詞 可再生能源;水源熱泵系統;水資源量;抽水―回灌試驗 0 引言 水源熱泵系統是一種可再生能源的利用技術,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能空調系統
水源熱泵技術利用熱泵機組實現低溫位熱能向高溫位轉移,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,供給室內采暖;夏季,把室內的熱量提取出來,釋放到水體和地層中去
南方巖溶區的城鎮大多分布在地下水位埋深較淺的侵蝕溶蝕谷地區,這些地段往往地下水資源豐富;而取用地下水作為熱源,將對利用溫度后的地下水實施完全回灌,對含水層的地下水資源量基本沒有影響
某民用建筑項目位于柳州市柳南區,擬采用地下水源熱泵系統為住宅小區居民供應衛生熱水
按現有取水井地下水水溫為21℃,根據熱泵機組參數每小時需要抽取地下水315m3所提取熱值,可產45℃衛生熱水90m3,按熱水使用率80%計算,要制取居民所需650m3熱水需機組工作9小時,則需取用地下水2835m3/d
21℃的地下水作為熱源經過熱泵機組后水溫下降到7℃~10℃后,通過回灌井全部回灌地下
通過水文地質調查、地下水量的計算以及“抽水―回灌試驗”,對系統建設的影響范圍和影響程度進行分析,為開采地下水熱源作為居民供應熱水的可行性進行論證,為地下水源熱泵系統的建設提供了科學依據
1 區域水資源狀況及其開發利用分析 1.1 區域基本概況 柳州市位于廣西壯族自治區中部偏北,柳江自西北方向穿繞城市向東南方向流去,市區山環水繞呈壺狀
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構造及巖溶的長期作用下,其巖體內裂隙、孔洞、溶洞發育,為地下水的運移和存儲提供了廣闊的空間
1.2 地下水資源狀況及開發利用現狀 根據有關資料,柳州市城區地下水資源總量(多年平均補給量)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穩定在Ⅱ類以上,水溫21℃~23℃;因此,具有得天獨厚的地下水資源,具有較好的開發利用價值
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 地下水資源量計算 以柳江及其支流分割形成的自然地理單元為基礎,把具有獨立的補、徑、排條件的地下水系統劃分為一個水文地質單元,本區為柳西大單元竹鵝溪次級單元,地下水資源量包括地下水天然補給量、開采條件下的補給增量、儲存量及允許開采量
地下水天然補給量及開采條件下的補給增量采用水量均衡法為基礎的計算方法;降雨及灌溉水的入滲量采用入滲系數法;地表河水側滲,相鄰含水層側向補給和開采條件下地表河水的補給增量等用達西斷面法計算
計算塊段為17.8385×106m3/a
地下水儲存量只在巖溶平原區及城市主要規劃區進行計算,含水層底界取至第二含水段底板(標高1m~30m)
計算塊段地下水儲存量為68.7934×106m3/a
在回灌條件下,穩定回灌量為52.8m3/h的時候,主井降深2.34m,觀測井(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,觀測井水位無變化,計算“抽水―回灌”開采模式影響半徑約90m
綜上,考慮到熱泵項目運行中開采量為315m3/h,主井水位降深不會超過3m;并且項目每日運行時間僅為9小時,間歇時間長,水位易于恢復;另外,系統運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,項目建設開采地下水以后,對地下水水位的影響不大
3 取水影響分析 3.1 對區域水資源的影響 由于水源熱泵系統工程為“抽灌分離”封閉循環用水系統,項目抽灌地下水,主要在抽水井與回灌井影響范圍內產生地下水動力場的變化,抽水井與回灌井影響半徑內地下水的流向將由天然狀態下的緩慢水平層流轉變為以井為中心的較復雜三維流場
因為項目用水為封閉循環用水,因抽水形成的水位降深通過回灌得到回補,取水僅形成影響范圍內地下水位的小幅變動,不會造成區域地下水位下降,也不會對區域地下水流場產生影響
項目年內制冷與制熱無法達到冷熱平衡,地下水溫度總的以下降為主,長期抽灌地下水后將產生一個低溫場,其范圍與抽灌地下水影響半徑范圍基本一致
根據同類工程,在地下水影響半徑范圍內,年內地下水溫度將會出現稍低于天然狀況時的溫度
但是,項目區位于巖溶地下水富水帶,場區地下水的流向為南西-北東,根據鉆孔水位觀測資料計算,地下水的水力坡度年內一般在0.01~0.1之間,受該地段豐富地下水的混合作用,項目取用地下水不會對區域地下水溫度場產生較大影響
3.2 對其他用戶的影響 項目采用“抽水―回灌”循環系統提取和利用地下水,單個井抽水和回灌均在其30m范圍內完成,同時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;項目區周邊居民生活用水全部由柳州市自來水公司供給,因此,開采地下水不會對周邊居民的取用水產生不良影響
3.3 對周圍地質環境的影響 項目周邊地質環境的影響主要是通過抽取、回灌地下水,可能會逐漸潛蝕帶走土體中的顆粒,形成土洞,進而發展為巖溶地面塌陷
根據試驗結果,影響范圍不超過90m,影響水位小于0.5m;對地下水環境影響很小,在系統運行過程中應嚴格監測地下水水位變化,遇有異常情況應及時采取有關措施,盡力消除系統運行對水文地質條件的改變進而影響到地質環境
4 結論 本文在總結實際工作經驗的基礎上,介紹了巖溶區地下水熱源項目的基本工作及影響分析
通過水文地質試驗,結合水文地質條件,對地下水的取用可行性進行了論證,分析并闡明了系統運行的基本影響
為巖溶區地下水源熱泵系統的建設提供了科學依據,為地下水源熱泵這一新型能源利用方式在巖溶區的推廣奠定了良好的基礎
參考文獻 【1】水文地質手冊【M】.北京:地質出版社,1983.
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