昌邑市某地下水源热泵空调系统水资源利用探析

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(1.山东省潍坊市水文局，山东 潍坊 261061；2.临朐港华燃气有限公司，山东 潍坊 262600)

随着昌邑市经济社会的快速发展，人民生活水平的改善和城市化进程的加快，人们对保障供暖提出了更高的要求，对高品质、低能耗、环保型的供暖需求越来越高[1]。地下水源热泵是一种采用水中的热源，制取热水的高效节能空调设备。具有中央空调合理利用能源、运行成本低、安全、灵活、方便、便于管理等优点，更重要的是地下水源热泵技术有环保、节能、节资的特点，在我国许多地区得到了广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。本文以昌邑市东隅小区水源热泵空调工程水资源论证为例，在地下水源热泵取用水、退水合理性和供水水源的可行性、可靠性及取水、回灌对周围水资源生态环境影响等方面进行了分析，提出了切合实际的结论和建议，为水行政主管部门审批取水许可提供技术支撑。

1 工程概况

昌邑市东隅小区位于奎聚路以东，新昌路以西，新兴街以北，利民街以南，总建筑面积为145 527 m2。本项目拟采用地下水源热泵技术，通过抽取地下水利用水源热泵空调系统实现冬季供热。选用水源热泵SM-200LI型1台、SM-400LI型2台作为项目主机，机组设计满负荷运转时其最大循环水量为350 m3/h，设计总热负荷为4 500 kw，年取用水量为50.4万 m3，用水采用“抽灌分离”的方式，用潜水泵抽取第四系孔隙地下水作为系统供水水源见图1。取水井工程打6眼取水井、18眼回灌井并配备潜水泵及输水管道等，设计井深60 m左右；单井涌水量在1 500 m3/d左右，部分地段大于1 500 m3/d。年地下水温在15℃～18℃之间，供水水源为第四系孔隙水。

图1 “抽灌分离”方式系统取水和退水示意图

2 水文地质特征

昌邑市在大地构造上属华北台地，处在鲁西隆起、沂沭断裂带、鲁东隆起三个次级构造的交汇处。本项目位于潍河冲积平原区的富水地段，根据区内地质勘探资料，地层结构自上而下主要为粘土、亚粘土、细砂、中细砂、中粗砂、粗砂砾石层等。地形较平坦，地下水补给条件较好，含水层厚度较大，调蓄能力较强，单井涌水量在1 500 m3/d左右，部分地段大于1 500 m3/d。年地下水温在15℃～18℃之间，水温变化较小。地下水各项指标达到国家地下水质量标准Ⅲ类水标准，水质良好，且该地段地下水位埋藏较深，地下水回灌条件较好，是水源热泵空调系统供水理想的水源地区域。

3 取用水合理性分析

3.1 取水合理性

此项目地下水源热泵空调系统用水采用“抽灌分离”的方式，系统通过抽水井抽取地下水，提取完水中的热能后，再利用附近的回灌井等量回灌到地下含水层中，系统在用水过程中全封闭、全回灌，基本不消耗水量，也不会增加用水量指标。建成运行后不会增加昌邑市的实际用水量指标，全市用水总量和地下水开采量仍在区域用水总量控制指标和地下水分类控制指标范围内；不产生污水，对区域水环境和水功能区影响较小。取水符合《山东省用水总量控制管理办法》和昌邑市城市发展总体规划要求。该项目建设弥补了昌邑城区热力管网供热能力的不足，解决了小区集中供热的问题。根据供热负荷和系统主机的性能确定需水量，并结合区域水文地质条件确定抽水井数量，取水方案是合理的。

3.2 用水合理性

潍坊地区冬季供暖期为11月15日至翌年3月15日，期间最冷时段(1～2月)为冬季空调使用的高峰负荷日，大约30 d，其余90 d较为暖和，项目每天用水量为机组运行循环水量。根据《昌邑市东隅小区水源热泵空调系统工程项目设计方案》，东隅小区水源热泵空调系统冬季供热，设计总热负荷为4 500 kw，设计最大循环水量为350 m3/h，设计机组平均每天运行时间为12 h。

按照潍坊地区气候变化状况，供暖时间为每年的11月15日至翌年的3月15日，共计120天，其中30 d为冬季空调使用的高峰负荷日，90 d较为暖和，每天平均运行12 h，全年需水量4 200 m3×120 d=50.4万 m3，设计年总需水量基本合理。

4 取水水源分析

4.1 地下水储存量计算

根据抽水试验资料分析，并参照《潍坊市水资源综合调查与评价》成果，本区地下水总补给量小于总排泄量，地下水处于超采状态，此情况下含水层的调蓄能力就成为水源地能否正常连续开采的关键，而含水层的调蓄能力则取决于地下水储存量的大小[2]。

地下水储存量的计算公式为：

V=100μFM

(1)

式中：V为地下水储存量(万m3)；μ为潜水含水层给水度；F为含水层分布面积(km2)；M为含水层砂层平均厚度(m)

含水层给水度μ：采用《潍坊市水资源综合调查与评价》成果，确定为0.17[3]。计算区面积F为22.1 km2。根据地质勘探资料和已有的研究成果综合分析，确定论证区内含水层平均厚度为17.4 m。经计算，地下水储存量为6 537.2万 m3，可满足空调系统用水。

4.2 水源水温分析

根据历年地下水温监测资料，地下水年内最高水温为18℃，最低水温为15℃，平均水温为16.5℃，水温相对稳定，符合该项目空调系统要求。

4.3 水源水质分析

根据项目热源井地下水质监测资料和《地下水质量标准》(GB/T14848—93)[4]，本区地下水的水化学类型主要为HCO3-Ca—Mg—Na型水。总硬度598 mg/L(以CaCO3计)， pH值7.54。地下水无色无味，物理性状良好，总硬度、氯化物、锰及硝酸盐氮超标，经单项组分评价为Ⅴ类水，F值为7.13，综合评价为水质较差，不适合做饮用水源，但水质符合水源热泵空调系统的要求见表1。

5 退水对水资源的影响及保护措施

5.1 退水对水资源的影响

本项目水源热泵空调系统用水采用“抽灌”封闭循环用水系统，系统封闭式循环，自成体系，通过抽水井抽取地下水，系统提取完水中的热能后，退水通过回灌井再回灌到地下含水层中，用水工艺为抽灌平衡，基本不消耗水资源量，不会对区域地下水资源产生影响[5]。水源热泵空调系统在运行过程中水是在封闭的循环系统中进行能量交换，不与外界接触，水不易受到污染，只是水温有一定变化，退水对区域生态环境基本没有影响。

5.2 水资源保护措施

水源热泵空调系统用水采用“抽灌分离”循环用水，整个系统不消耗地下水资源，因此，水资源保护重点应该为保证项目退水100%完全回灌和水质保护。针对项目用水过程，为保护地下水资源，提出如下工程保护措施和非工程保护措施。

表1 昌邑市东隅小区地下水质评价成果表

5.2.1 工程措施

1)在抽水井中安装变频装置，严格控制抽水井的出水量。

2)制定详细的水井运行管理程序，包括运行时数，单井开采量和回灌量统计、水井运行维护方法和计划等。

3)安装水表，严格记录抽、灌水量，确保回灌水量达到100%回灌。

4)根据以往的水质监测资料，回灌井周围的温度场变化对水质没有明显的变化。但由于水质变化是慢长过程，因此，建议系统建成后仍需要建立长期的水质、水温监测。

5.2.2 非工程措施

1)成井深度要严格控制在60 m以内，遇60 m左右粘土隔水层即可停止，防止穿透咸水层污染浅层淡水，以保护昌邑市自来水公司水源地安全。

2)洗井应采用拉活塞、空压机等物理方法，严禁用含有污染元素的化学洗井。

3)严格控制抽水井和回灌井的成井工艺，尤其控制止水层的位置和厚度，严格控制滤水管和滤料的使用，确保成井质量。

4)水源井井口要封闭，井周围禁止有污水管道和明渠通过以防地下水体污染。

5)严格控制回灌水的温度，冬季大于7℃，避免大温差回灌对地下水水质造成影响。

6)以水源井为中心设置保护区，井口周围设置围档，严禁闲杂人员随意进入。

6 结语

(1)根据供热负荷和空调系统主机性能确定用水量，并结合区域水文地质条件确定打水井24眼，有6眼抽水井和18眼回灌井，采用竖井式自然回灌，采用1抽3回灌的布井方案，大于试验1抽2回灌的试验结果，依据试验结果和实际运行结果，退水方案可行。设计最大循环水量为350 m3/h，年取用水量为50.4万 m3。

(2)加强回灌水水质监测，监测项目运行期间，区内地下水水质变化情况。每个供暖期结束后，对抽水井进行捞砂洗井，对回灌井进行回扬、拉活塞和捞砂等洗井。为了防止单向堵塞，建议抽水井和回灌井定期交换使用，并对抽水井中的含砂量进行沉砂过滤处理后再回灌。