岩溶区地下水源热泵系统取水可行性分析
摘 要 本文介绍了岩溶区地下水源热泵系统取水勘查的基本情况，在调查及水文地质条件分析的基础上，通过水文地质试验，论证了岩溶富水区利用地下水进行热泵系统建设的可行性，对可再生能源的利用方式作出了评价。
关键词 可再生能源；水源热泵系统；水资源量；抽水―回灌试验
中图分类号P5 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）116-0139-02
0 引言
水源热泵系统是一种可再生能源的利用技术，其工作原理是一种利用地球表面或浅层水源或者是人工再生水源的既可供热又可制冷的高效节能空调系统。水源热泵技术利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将水体和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，即在冬季，把水体和地层中的热量提取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量提取出来，释放到水体和地层中去。
南方岩溶区的城镇大多分布在地下水位埋深较浅的侵蚀溶蚀谷地区，这些地段往往地下水资源丰富；而取用地下水作为热源，将对利用温度后的地下水实施完全回灌，对含水层的地下水资源量基本没有影响。
某民用建筑项目位于柳州市柳南区，拟采用地下水源热泵系统为住宅小区居民供应卫生热水。按现有取水井地下水水温为21℃，根据热泵机组参数每小时需要抽取地下水315m3所提取热值，可产45℃卫生热水90m3，按热水使用率80%计算，要制取居民所需650m3热水需机组工作9小时，则需取用地下水2835m3/d。21℃的地下水作为热源经过热泵机组后水温下降到7℃～10℃后，通过回灌井全部回灌地下。
通过水文地质调查、地下水量的计算以及“抽水―回灌试验”，对系统建设的影响范围和影响程度进行分析，为开采地下水热源作为居民供应热水的可行性进行论证，为地下水源热泵系统的建设提供了科学依据。
1 区域水资源状况及其开发利用分析
1.1 区域基本概况
柳州市位于广西壮族自治区中部偏北，柳江自西北方向穿绕城市向东南方向流去，市区山环水绕呈壶状。柳州历年平均气温为20.5℃；多年平均降雨量为1538.44mm，柳江是流经本市的唯一大江，水量丰富，多年平均流量1301m3/s，是广西水资源较丰富的河流。
柳州市下伏基岩以碳酸盐岩为主，厚度约3095m，面积699.3km2，占柳州市面积的75%，且67%左右为松散堆积物覆盖；下伏碳酸盐岩在地质构造及岩溶的长期作用下，其岩体内裂隙、孔洞、溶洞发育，为地下水的运移和存储提供了广阔的空间。
1.2 地下水资源状况及开发利用现状
根据有关资料，柳州市城区地下水资源总量（多年平均补给量）为每年2.39亿m3，可开采利用量（允许开采量）为每年1.72亿m3（每天47.12万m3）。大范围面积地下水水质稳定在Ⅱ类以上，水温21℃～23℃；因此，具有得天独厚的地下水资源，具有较好的开发利用价值。
场地附近有三口开采井，为原柳州造纸厂供水井，天然水位埋深2.68～5.13m，总开采量达11219m3/d，水位降深2m～4.3m，2005年停采。北东面250m为柳铁第二水源地，1980年投入使用，开采量为7200m3/d，枯水期水位降深3.6m左右，目前已停用，井旁可见有泉水溢出排往溪沟，流量约18L/s。
2 项目所处地段地下水资源量及开采潜力分析
2.1 地下水资源量计算
以柳江及其支流分割形成的自然地理单元为基础，把具有独立的补、径、排条件的地下水系统划分为一个水文地质单元，本区为柳西大单元竹鹅溪次级单元，地下水资源量包括地下水天然补给量、开采条件下的补给增量、储存量及允许开采量。
地下水天然补给量及开采条件下的补给增量采用水量均衡法为基础的计算方法；降雨及灌溉水的入渗量采用入渗系数法；地表河水侧渗，相邻含水层侧向补给和开采条件下地表河水的补给增量等用达西断面法计算。计算块段为17.8385×106m3/a。
地下水储存量只在岩溶平原区及城市主要规划区进行计算，含水层底界取至第二含水段底板（标高1m～30m）。计算块段地下水储存量为68.7934×106m3/a。
在回灌条件下，稳定回灌量为52.8m3/h的时候，主井降深2.34m，观测井（相距250m）水位降深0.17m，影响半径约300m；完全回灌条件下，主井水位降深0.5m，观测井水位无变化，计算“抽水―回灌”开采模式影响半径约90m。
综上，考虑到热泵项目运行中开采量为315m3/h，主井水位降深不会超过3m；并且项目每日运行时间仅为9小时，间歇时间长，水位易于恢复；另外，系统运行将采取全回灌措施，将所开采的地下水全部回灌至含水层。因此，项目建设开采地下水以后，对地下水水位的影响不大。
4 取水影响分析
4.1 对区域水资源的影响
由于水源热泵系统工程为“抽灌分离”封闭循环用水系统，项目抽灌地下水，主要在抽水井与回灌井影响范围内产生地下水动力场的变化，抽水井与回灌井影响半径内地下水的流向将由天然状态下的缓慢水平层流转变为以井为中心的较复杂三维流场。因为项目用水为封闭循环用水，因抽水形成的水位降深通过回灌得到回补，取水仅形成影响范围内地下水位的小幅变动，不会造成区域地下水位下降，也不会对区域地下水流场产生影响。
项目年内制冷与制热无法达到冷热平衡，地下水温度总的以下降为主，长期抽灌地下水后将产生一个低温场，其范围与抽灌地下水影响半径范围基本一致。根据同类工程，在地下水影响半径范围内，年内地下水温度将会出现稍低于天然状况时的温度。但是，项目区位于岩溶地下水富水带，场区地下水的流向为南西-北东，根据钻孔水位观测资料计算，地下水的水力坡度年内一般在0.01～0.1之间，受该地段丰富地下水的混合作用，项目取用地下水不会对区域地下水温度场产生较大影响。
4.2 对其他用户的影响
项目采用“抽水―回灌”循环系统提取和利用地下水，单个井抽水和回灌均在其30m范围内完成，同时单井抽取的地下水最终通过回灌井回灌到相同地下含水层中；项目区周边居民生活用水全部由柳州市自来水公司供给，因此，开采地下水不会对周边居民的取用水产生不良影响。
4.3 对周围地质环境的影响
项目周边地质环境的影响主要是通过抽取、回灌地下水，可能会逐渐潜蚀带走土体中的颗粒，形成土洞，进而发展为岩溶地面塌陷。根据试验结果，影响范围不超过90m，影响水位小于0.5m；对地下水环境影响很小，在系统运行过程中应严格监测地下水水位变化，遇有异常情况应及时采取有关措施，尽力消除系统运行对水文地质条件的改变进而影响到地质环境。
5 结论
本文在总结实际工作经验的基础上，介绍了岩溶区地下水热源项目的基本工作及影响分析。通过水文地质试验，结合水文地质条件，对地下水的取用可行性进行了论证，分析并阐明了系统运行的基本影响。为岩溶区地下水源热泵系统的建设提供了科学依据，为地下水源热泵这一新型能源利用方式在岩溶区的推广奠定了良好的基础。
参考文献
[1]水文地质手册[M].北京：地质出版社，1983.
