名家专栏 | 解析温泉供给测定相关问题

   

温泉供给是指温泉在广大范围内作温泉的供应和使用,它的范围包含泉源露头、储存槽、配送管道、抽水泵、温度调节和浴池管件等。

序言 温泉要素的测定

用存在久远,近年来温泉的需求快速增加,天然露头的涌出量愈来愈少,人工挖掘的温泉井愈来愈深,如果新挖掘的动力汲取泉量都不超过该温泉的最佳汲取量,那么单位时间从该温泉区所汲取的水量,会由地下水循环保持一定的平衡,对温泉资源才有永续发展可言。在可预见的未来,如果没有适当的公权力介入和稽核配套措施时,因超抽而破坏温泉的涌出机制,引发起温泉要素的变动,造成温泉枯竭的情况,将是指日可待之事。因此,保存和分析定期温泉要素测定之记录是不可忽略的重要项目。

第一项 源泉分类和测定注意事项

源泉通常以有无挖掘和涌出状况分为下列三种类型:

一、自然涌泉

以人工施作围堵的自然涌泉,大都集中在山间溪谷的河床或龟裂的岩可缝之中,自古以来有名的温泉大都是自然涌居多。

二、挖掘自喷泉

以人工或机械凿井设备挖掘后,在没有安装动力装置的情况下温泉自然涌出。凿井技术日益精进的情况下,深度达1000公尺的上的被压层都有可以被挖掘出来。

三、动力汲取泉

温泉挖掘后若水位太低无法自涌或天然涌出量较少时,则需要以动力泵浦协助汲取和配送温泉。

在泉温和涌出量的测量上,一般要注意的事项如下:

●温泉水中混合如硫化氢或二氧化碳等有毒气体,在温泉释放口附近的调查作业最少要2人以上,以避免危险。

●地表可能因为温泉的作用而产生脆弱变质,高温温泉水可能喷出,要特别注意。

●温泉水中包含的成分,有腐蚀金属的化学特性,测量机器在用毕之后应洗涤且经常保持干净。

●对温泉要素的的检查,若能随时注意温泉汲取量的增减和抽水泵浦的运转状况,就能预测和掌握源泉状况。测量时的天气状况和河川水量的增减也应一并记录。

第二项 温泉要素测定必要器具

温泉要素(泉温、泉质、涌出量和水位)需要下列仪器:

一、泉温测定工具

测温仪器,即温度计,温度度计通常分为接触式和非接触式两大类。接触式温度计与被测物质直接接触,当二者达热平衡时,温度相等。这样通过温度计中测温物质的某种性质变化就可以表示出温度。这类温度计很多,如最常见的水银温度计,还有热电偶,电阻温度计等;非接触式温度计与被测物质不直接接触,而是利用被测物质所发射的电磁辐射,根据其波长分布或强度和温度之间的关系来测定温度。泉温的测定应在温泉露头或温泉孔孔口处之现场泉温测定,所选择温度测量仪器,测量精度需准确至0.1 ℃以上。在测量泉温时应同时测量当地的气温背景值,若源泉露头在洞穴或建筑物之内则为该地之室温,若为野外时则为当时之室外温度,测量时以离地一公尺高为准。

1.水银温度计

水银温度计是最常用的液体温度计,水银具有热导率大,比热容小,膨胀系数均匀,在相当大的温度范围内,体积随着温度的变化呈直线关系,同时不润湿玻璃、不透明而便于读数等优点,因而水银温度计是一种结构简单、使用方便、测量较准确并且测量范围大的温度计。在温泉露头或温泉孔孔口于场记,引水开始后3分钟时,将温度计插入温泉水中,使水银球至少能浸在液面下,待温度达平衡后,读取温度计之读数,并依需要记录至小数点以下1位。若无适当放置温度计位置时,取温泉水另置于采样瓶中,迅速装满水样约1,000毫升,使水银球至少能浸在液面下,水银球置入时间以1分钟为原则,待温度达平衡后,读取温度计之读数,并依需要记录至小数点以下1位。

2.电子温度计

水银温度计有许多条件不适用。如准确度及测量范围有限、玻璃材质易脆、水银对环境有危害等。基于上述理由,量测温度的替代品也在市场上陆续被开发出来,其中热电偶的电子式温度计和红外线如能提供极宽广的温度测量,也不再有机械应力的问题。而户外的测量环境,像雨天、严寒、灰尘和其他较恶劣的自然条件都需要克服。

3.远距测温计

在过去,温度测量是一个缓慢而复杂的过程。为了进行温度测量,需要使探测器与物体表面接触。但是如果物体太热而无法接近、物体表面太远、太小使探测器无法插入或物体在不停移动要连续监视表面温度时会有一些困难,红外线远距测温计的最大优点,是以非接触方式测量炽热、危险、或难以到达的物体的温度。它通常备有激光,帮助用户确定测量区域。考虑到大气层的影响,大多数红外线温度计的测量距离被限制在约100英尺以内。虽然红外线温度测量有很多优点,但是它却很难测量反射物体的表面温度。因为它们既会接收辐射能量,也会接收反射能量,例如测量玻璃材质的温度时,得到的温度数据通常是玻璃的表面温度,而非玻璃本身的温度。

接触式温度计是将温度计或传感器直接与被测对象接触,然后得出实测温度。好处是可以正确的测到温度变化、精度高、易用、成本低。坏处是是难以控制完全的表面接触、量程小、使用时较麻烦。非接触式温度计是靠红外辐射、亮度、色温差等方法感应、比较,得出被测对象温度。好处是有很好的总体环境测量、可遥测、量程大、可测极高温物件。缺点是精度不高、对温度变化不敏感。在环境测量中,接触温度计可以测地表温度,非接触测环境温度。在运用上,非接触测量空气热传播的温度,接触温度计测产生温度。

二、涌出量(汲取量)测定工具

温泉涌出量测定工具之选择须根据温泉之泉质特性,选用适当之计量设备型式。泉质特性以高温、气水混合、悬浮固体、结垢与腐蚀为主要考虑对象。由于泉温泉水会为温度改变、曝气与地表水混入而致使碳酸盐类矿物沉淀生成结垢,因此计量装置的装设地点宜尽量靠近温泉露头,并减少可能之空气与地表水混入。

1.计量槽

批次计计量槽属容器测定法,使用类似蓄水塔方式,设定低水位及高水位,并量测高低水位差之水量,即可依抽水次數计量抽取水量。蓄水槽的兩侧分别为进流口及出流口,槽中设有兩支监测液面高度的液位计(液位计A、B),最初开启进流口、关闭出流口,使泉水贮存于蓄水槽中,此时蓄水槽中水位上升,当入流水位高达液面计B 的监测高度时,此时会关闭入流口并同时开启出流口,将蓄水槽中之水源予以放流;当水位低于液面计A 的监测范围时,此时即同时关闭出流口、开启入流口,使水源再次入流。如此重复的步骤來蓄积水量,因此可由液面计B 监测至高水位的次數或出流口开启的次數來计量总水量。

2.直角三角堰

三角堰是在自然流速下测得堰口上的水面高度(cm,公分),再根据公式推算出当时的温泉流量:

●Q流量(升/秒)=0.014H5/2

温泉水在流经堰口之前须要有适当之长度与导流装置,以免在堰口出现紊乱的水平高度。针对容易悬浮固体、腐蚀性强或高热温源泉等复杂性较高的泉质,三角堰法兼具了经济和简单的效用,但是对容易结垢或还原性较强的泉质,则会造成下游结垢和氧化还原电位的升高。

3.流量计

在温泉的管路内流量计比较常见的有下列两种型:

a.差压式流量计

差压式流量计又称为孔板流量计,其测理原理是流体流经管道的节流阀时,流体在节流处因局部收缩从而使流速增加,其静压力会降低,于是会在节流阀前后处产生静压力差,流体流速越大,在节流阀前后的静压力差越大,所以可以通过测量压差来转换成流体的流量大小。

b.电磁式流量计

根据法拉第电磁感应定律工作,由传感器、转换器和显示仪表组成。传感器主要由励磁线圈和一对电极组成。用非磁性材料制成直径为D的管道内,导电液体的流动,会切割由励磁线圈感应出磁通密度为B的磁场,此时会在流体方向和磁场方向都垂直的一对电极上感应出电动势,若已知流量计的直径和磁通密度,即可测得体积流量值。电磁式传感器不仅测量性能好,而且不受诸如流体粘度、密度、污垢和杂质等不可测量因素影响。此外,它采用简单的空心设计,里边没有任何阻挡液体流动的活动部件或障碍物,因此,不会影响管道压力,无需维护且使用寿命长。

4.水位计

水位计的总类有很多种,一般选择的方向还是以泉质的特性为主要依据,而维护简单是最重要的原则。水位计的测量原理有跟踪式、压力式和反射式等。水位记录方式主要有:记录纸描述,数据显示或打字记录,穿孔纸带,磁带和固体电路储存等。水位计的精确度一般在1~3厘米以内,记录周期有1天、30天和90天等。

a.跟踪式水位计

又称接触式水位计,利用悬锤和悬索在管道中升降,重锤上的电测针接触水面发出电信号,驱动记录或讯号装置,随时跟踪水面点的位置,从而测定水位。      

b.压力式水位计

工作原理是测量水压力,推算水位。其特点是不需建观测井,可以将传感器固定在井底,用引压管消除大气压力,从而直接测得水位,可直接将水压力转变成电压模量或频率量输出,用导线传输至岸上进行处理和记录。   

c.超音波水位计

是反射式水位计的一种,应用声波遇不同接口反射的原理来测定水位。分为气介式和水介式两类。气介式以空气为声波的传播介质,换能器置于水面上方,由水面反射声波,根据回波时间可计算并显示出水位。仪器不接触水体,完全摆脱水中泥砂、流速冲击等不利因素的影响。水介式是将换能器安装在井底,向水面发射声波。声波在水介质中传播速度高,距离大,也不需要建观测井。

第三项 泉温、涌出量实际测量

一、自然涌出泉

1.泉温测定

泉温测量应该在温泉水涌出地表的地方或是尽可能靠近的地方测量。如果自然涌出露头是在岩石的裂缝之中,涌出点的正确的温度无法量测时,则必须在拦水/集水堰测量才能取更正确的温度,此时,测量场合就必须明确的记载。

2.涌出量测定

涌出量的测定则根据源泉的不同而有下到几种方式:

a.集水槽接引水管型

集水槽如果是用引水管路输送温泉时,水槽S出口应作T型管和阀门。平时V1阀门常开作为输送温泉之用,而V2阀门常闭。测量涌出量时则V2阀门打开,V1阀门关闭。此时的测量管P2和主引水管P1应该要没有高度位差。

b.涌出口接落差管道型

涌出口接落差管道,温泉顺管道自然流下的情况,则以水管连接管道内部份温泉水,测出其流量后,再换算为该水管与温泉管道截面积倍数,则可得知管道内整体流量。     

c.涌出量稀少型

涌出量稀少计量装置有测量上的困难时,则采用集水槽水位上升速度的计量方式。亦即排除部分集水槽内的水量,利用集水槽面积、高度和时间计算出温泉流量。     

d.浴池底涌出型

没有入浴客人使用时,在溢水口作温泉涌出的计量槽是最正确的方法,但是因为有满水位落差高度的问题,溢水口的测量有困难时,可同前涌出量稀少型所述,以浴池面积、高度和时间计算出温泉流量。

e.涌出量多型

涌出量大又有落差时,温泉流向有U管道时,可从截面面积测量流速,了解概略涌出量。管道不固定时可放入直角三角堰,依堰口水位高度公式算出流量。    

二、掘削自喷泉

1.自喷量少需要集水槽或需要加压泵型

自喷量少需要集水槽用引水管路输送温泉,其涌出露点计量困难时,以P2为测量点,控制V2阀门打开,V1阀门关闭。测量时管P2和主引水管P1应该要没有高度位差。

2.浅井型

在地表插入涌管道即有喷泉涌出,泉温和泉量应在P2测量,测量时V2阀门打开,V1阀门关闭。平时V2阀门常关,V1阀门常开作为输送温泉之用。压力则在平时必须作成记录。      

动力汲取泉

1.潜水泵型

潜水泵的设置可以让土地得到有效的利用。平时阀门V1常开,阀门V2常关,测量泉温、涌出量时,令泉水流向地表管P2。此时水压会较和平时低,需调整V2使其减少流量至水压计和平时一样。因此,平时输送温泉时就必须要有水压计的记录表,才能比对温泉的汲取量。如果要以水位计代替水压计时,则需要完全打开阀门V2关闭阀门V1,再调整阀门V2使水位和平常一样后再测量地表管P2的涌出量。水位测量要正确则需要有水位测定管。一般使用潜水泵时电缆线容易搅乱水位计尖端的侦测组件,为防止此一现象发生,应以内径25mm以上之水位测定管直达水位面,维持水位计有效运作。

2.陆上泵型

用离心泵从源泉汲取温泉,将泵设在地面上,靠抽吸作用进行。对溶解气体含量高而且微小气泡的温泉,即使将泵设置在计算上能汲取的位置,由于气体集中在叶轮中心,使汲取作用渐降低,有时侯会汲取失败,所以,应注意汲取界限陆上泵浦相对于潜水泵浦而言,比较有活动性,维修也较容易。陆上型泵浦不管是横型或竖型,其扬水方式都相同。平时阀门V1常开,V2阀门常关,在测量时V2阀门打开,从在P2管出口测量温度和涌出量。水压计和水位计的应用同潜水泵型。 

作者

李文昌

中国商业联合会沐浴专业委员会 专家委员

中国商业联合会沐浴专业委员会 水务管理师 高级讲师

中国建筑设计研究院《游泳池水质标准》主要起草人

中国建筑设计研究院《温泉浴池水质标准》主要起草人

中国建筑设计研究院《温泉浴池给排水技术规程》审查组专家

美国国家游泳池基金会 授证讲师

美国专业游泳池管理人员协会 东亚地区谘询顾问