回廣榮

(河北秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島066000)

受當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水文地質(zhì)條件中多種因素的影響，蘊(yùn)藏于地下水中的淺層地溫資源的適宜性存在較大差異［1］。為了緩解煤、石油等燃料緊張及環(huán)境壓力巨大的問題，因此，選用科學(xué)合理的方法，以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，水文地質(zhì)條件為依托，進(jìn)行地下水式地源熱泵在秦皇島的適宜性區(qū)劃，對于指導(dǎo)淺層地溫能開發(fā)利用和實(shí)際工程是非常必要的。層次分析法和綜合指數(shù)法是進(jìn)行地下水源熱泵適宜性區(qū)劃的有效方法。

1 研究區(qū)概況

秦皇島市位于河北省東北隅，北依燕山，南臨渤海。本研究區(qū)位于本市的南部、西南部。

1.1 地形地貌

秦皇島地區(qū)地勢北高南低，呈階梯狀下降，長城以北為中低山區(qū)，海拔高度一般500～1 000 m，長城以南為丘陵臺地區(qū)，海拔一般50～300 m，京山鐵路以南為灤河、青龍河、飲馬河、洋河、湯河、石河形成的沖洪積傾斜平原及濱海堆積平原。本研究區(qū)地勢較平坦，海拔較低，一般為2～152 m，主要分布有丘陵臺地、沖洪積平原、沖積平原、沖積海積平原、海積瀉湖相平原、風(fēng)成沙地等地貌類型。沖洪積平原自東向西分別為湯石河沖洪積平原、洋戴河沖洪積平原、飲馬河沖洪積平原。

1.2 地層巖性

本研究區(qū)由變質(zhì)巖構(gòu)成古老的基底地層，以花崗巖類巖石及其衍生而來的片麻巖為主體。本區(qū)進(jìn)入喜馬拉雅運(yùn)動以后，從第三紀(jì)始新世初，由于新生和復(fù)活斷裂的劇烈活動，北部山區(qū)繼續(xù)上升，平原區(qū)大幅度下降，平原區(qū)基底起伏較大。灤南～昌黎斷裂直接控制著第三系的沉積與分布，灤南～昌黎斷裂以南，劉臺莊～渤海斷裂以北，以赤洋口為中心為一第三紀(jì)斷陷盆地。(據(jù)鉆孔資料赤洋口孔深500多 m，揭露第三系館陶組地層，第四系埋深400多 m)。灤南—昌黎斷裂以北第四系地層沉積層序不全并缺失第三系地層。本區(qū)丘陵臺地區(qū)出露地層主要為新太古代變質(zhì)花崗巖。

1.3 構(gòu)造

本研究區(qū)處于山海關(guān)臺拱的南部和南堡斷凹的東部，斷裂發(fā)育。主要斷裂有豐潤—昌黎斷裂、榆關(guān)—四零八斷裂、灤南—昌黎斷裂、冷口—鴿子窩斷裂。

2 淺層地溫能適宜性分區(qū)

2.1 分區(qū)目的

為淺層地溫能勘查評價提供前提條件;為工程勘查設(shè)計(jì)選擇的依據(jù);為政府淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃、項(xiàng)目管理和審批的依據(jù)

2.2 分區(qū)原則

以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)。地質(zhì)條件是淺層地溫能賦存的基礎(chǔ)條件，巖土體的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的組成、顆粒度和熱導(dǎo)率等物理性質(zhì)因素制約著形成淺層地溫能的物質(zhì)基礎(chǔ);以水文地質(zhì)條件為依托。巖土體的含水層分布、含水率、水動力地質(zhì)條件、地下水徑流特征對能量的賦存和運(yùn)移有較大的制約作用，水文地質(zhì)條件對于地下水地源熱泵系統(tǒng)的回灌起著舉足輕重的作用;遵循經(jīng)濟(jì)與效益相結(jié)合。開發(fā)利用與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)相結(jié)合，平面劃分與垂向控制相結(jié)合的原則，在當(dāng)前的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下，選擇最佳的開發(fā)利用方式。

2.3 分區(qū)類型

目前淺層地溫能資源開發(fā)利用的主要方式為地下水地源熱泵系統(tǒng)和地埋管地源熱泵系統(tǒng)，為指導(dǎo)秦皇島市區(qū)淺層地溫能合理開發(fā)利用，對開發(fā)利用方式進(jìn)行適宜性區(qū)劃。這里只論述地下水地源熱泵適宜性區(qū)劃。

秦皇島市區(qū)地下水地源熱泵適宜性開發(fā)利用分區(qū)劃分為三級，即適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)。

2.4 評價方法的確定

對秦皇島市區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)采用層次分析法(AHP軟件)計(jì)算權(quán)重，采用綜合指數(shù)法進(jìn)行綜合評價。

2.4.1 權(quán)重計(jì)算方法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是美國匹茲堡大學(xué)教授A.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法，是一種定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法，是對一些較為復(fù)雜的問題做出決策的簡易方法。

層次分析法基本原理:它把要解決的問題分出系列層次，即根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，按照因素之間的相互影響和隸屬關(guān)系將其分層聚類組合，形成一個遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型。然后對模型中每一層次每一因素的相對重要性，依據(jù)人們對客觀現(xiàn)實(shí)的判斷給予定量表示，利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次全部因素相對重要性次序的權(quán)值，通過逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性來為分析、決策提供定量的依據(jù)［2］。

運(yùn)用層次分析法建模，大體上可按下面四個步驟進(jìn)行:

(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型;構(gòu)造成對比較陣;計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn);計(jì)算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗(yàn)。

在層次分析法中，為使判斷定量化，關(guān)鍵在于設(shè)法使任意兩個方案對于某一準(zhǔn)則的相對優(yōu)越程度得到定量描述.層次分析法采用1－9標(biāo)度法，對不同情況的評比給出數(shù)量標(biāo)度.見表1。

表1 標(biāo)度確定表

判斷矩陣C具有如下特征:

判斷矩陣中的 Cij是根據(jù)資料數(shù)據(jù)，專家的意見和系統(tǒng)分析人員的經(jīng)驗(yàn)反復(fù)研究后確定。應(yīng)用層次分析法保持判斷思維的一致性是非常重要的。

對判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)的步驟如下:

(a)計(jì)算一致性指標(biāo):CI

一致性指標(biāo)CI的值越大，表明判斷矩陣偏離完全一致性的程度越大，CI的值越小，表明判斷矩陣越接近于完全一致性。

(b)查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo) RI。對 n=1，2，3……9，Saaty給出了RI的值，如表2所示。(c)計(jì)算一致性比率CR

當(dāng)n＜3時，判斷矩陣永遠(yuǎn)具有完全一致性。判斷矩陣一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比稱為隨機(jī)一致性比率C.R(Consistency Ratio)。

當(dāng)CR＜0.10時，便認(rèn)為判斷矩陣具有可以接受的一致性。當(dāng)CR＞0.10時，就需要調(diào)整和修正判斷矩陣，使其滿足CR＜0.10，從而具有滿意的一致性。

2.4.2 綜合評價方法

本次綜合評價采用綜合指數(shù)法，綜合指數(shù)法是將一組相同或不同指數(shù)值通過統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，使不同計(jì)量單位、性質(zhì)的指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化，最后轉(zhuǎn)化成一個綜合指數(shù)，以準(zhǔn)確地評價工作的綜合水平。

3 地下水源熱泵適宜性區(qū)劃

根據(jù)規(guī)范和水文地質(zhì)條件，對本區(qū)200 m以淺的潛水和微承壓水進(jìn)行地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性區(qū)劃。

目前為止，僅見“昆北”有此類過腔。如去聲字“受”的唱調(diào)（《荊釵記·男祭》【折桂令】“致受磨折”，755）。對于去聲字，我們可以將它作為兩節(jié)型過腔理解，但“受”字在昆曲中通常又多作上聲字。若按上聲字解，該字的字腔是，其中音是昆曲運(yùn)用借音造勢依字行腔法，向前字“致”借來作為“受”的腔頭樂音，由此構(gòu)成的就是完全符合上聲字高—低—高調(diào)值的字腔音勢。其后的樂匯，即為“受”的過腔。其中是第一個主調(diào)性過腔，是第二個主調(diào)性過腔，是第三個主調(diào)性過腔。這個過腔是由同一種音樂材料組成的“主調(diào)+主調(diào)+主調(diào)”多節(jié)型過腔。

3.1 評價指標(biāo)選取

(1)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件因子主要包括含水層單井涌水量、回灌能力、滲透性。地質(zhì)條件主要包括有效含水層厚度。含水層單井涌水量的大小表現(xiàn)含水層的地下水富集程度，決定了含水層的出水能力，也確定了地下水地源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水量大?。?］。回灌能力關(guān)系到地下水地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行的可持續(xù)性和地下水資源的保護(hù)。如果回灌不能將100%的井水回灌到同一含水層內(nèi)，將帶來地下水位下降、含水層疏干、地面沉降等［6］。因此，含水層出水能力和回灌能力決定了地下水地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行情況。它是決定地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性的關(guān)鍵指標(biāo)。含水層的滲透性決定了地下水的流動性能強(qiáng)弱，地下水的流動性越強(qiáng)說明地下水地源熱泵系統(tǒng)熱交換越好，供暖或制冷效果越好。所以含水層的滲透系數(shù)也是地下水地源熱泵系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

(2)水動力場即地下水流場

水動力特征包括地下水水位埋深和地下水水位年降幅。分析現(xiàn)狀情況下地下水水位動態(tài)狀況等確定地下水地源熱泵系統(tǒng)工程的適宜性。

表2 相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

(3)水化學(xué)場

水化學(xué)特征主要表現(xiàn)為地下水水質(zhì)類型。本研究區(qū)地下水礦化度 ＜2g/l，水質(zhì)透明，無色，無味，滿足熱泵要求。因此，將地下水水質(zhì)類型和地下水硬度作為適宜性區(qū)劃的指標(biāo)。將地下水水質(zhì)類型分為三類:1類為HCO3－Ca(Ca·Mg)型，2類為 HCO3·SO4(SO4·HCO3)－Ca·Na(Na·Ca)型，3 類為 Cl·HCO3(HCO3·Cl)－ Ca·Na(Na·Ca)、Cl－Na(Na·Ca)、SO4·Cl(Cl·SO4)－Ca(Ca·Na)型。

3.2 評價體系建立

評價體系層次結(jié)構(gòu)模型由三層構(gòu)成，從頂層至底層分別由系統(tǒng)目標(biāo)層(O，Object)、屬性層(A，Attribute)和要素指標(biāo)層(F，F(xiàn)actor)三級層次結(jié)構(gòu)組成。O層是系統(tǒng)的總目標(biāo)，即地下水地源熱泵適宜性分區(qū)，A層是屬性指標(biāo)層，由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，水動力特征，水化學(xué)特征三部分構(gòu)成，F(xiàn)層是要素指標(biāo)層，由含水層出水能力、回灌能力、滲透系數(shù)、有效含水層厚度、地下水水位埋深、地下水水位年降幅、地下水水質(zhì)類型、地下水硬度等8個要素指標(biāo)構(gòu)成(見圖1)。

圖1 地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價結(jié)構(gòu)

本文采用層次分析法給上述因素賦權(quán)重值。依據(jù)層次分析法的要求，在評價體系的層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過專家打分，采用1－9標(biāo)度法，分別比較屬性層(A)和要素層(F)中各因素的重要性，構(gòu)成兩兩比較矩陣。

從層次結(jié)構(gòu)模型可知，地下水地源熱泵適宜性劃分(A)有3個屬性指標(biāo)層來平衡:地質(zhì)、水文地質(zhì)條件(B1)，水動力場(B2)，水化學(xué)場(B3)。構(gòu)造判斷矩陣A－B，并用AHP軟件計(jì)算權(quán)重W(表3)。

表3 A－B屬性指標(biāo)矩陣

經(jīng)計(jì)算最大特征根λmax=3.065，判斷矩陣一致性比率CR=0.055，由于 CR ＜0.1，判斷矩陣具有可以接受的一致性。

分別構(gòu)建B－C矩陣，并判斷矩陣一致性。見表4。

表4 要素指標(biāo)重要程度的比較

最后進(jìn)行總排序，得出各因子的組合權(quán)重。

表5 各因子組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3.3 因子賦值

評價所用數(shù)據(jù)的類型和量綱各不相同，為了在同一評價體系內(nèi)對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算，需要在評價之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.4 綜合評價

淺層地溫能的適宜性評價是對所有指標(biāo)因素影響的綜合分析，在計(jì)算組合權(quán)重之后，對指標(biāo)的權(quán)重與各指標(biāo)的評價值進(jìn)行加法合成運(yùn)算，得到淺層地溫能適宜性評價的綜合得分。

式中:X為綜合評價值，Wi為指標(biāo)i的權(quán)重，Xi為指標(biāo) i的評價值，n為指標(biāo)個數(shù)，該方法適合于各評價指標(biāo)值對綜合評價值的貢獻(xiàn)彼此獨(dú)立的情形［3］。

利用MapGIS6.7制圖軟件，制作各要素指標(biāo)的圖件。基礎(chǔ)圖件的編制包括:含水層出水能力分區(qū)圖、回灌能力分區(qū)圖、滲透系數(shù)分區(qū)圖、有效含水層厚度分區(qū)圖、地下水水位埋深分區(qū)圖、地下水水位年降幅分區(qū)圖、地下水水質(zhì)類型分區(qū)圖、地下水硬度分區(qū)圖。

表6 水文地質(zhì)條件指標(biāo)量化

表7 水動力場指標(biāo)量化

表8 水化學(xué)場指標(biāo)量化

根據(jù)表6、表7、表8各因子賦值，結(jié)合表6的組合權(quán)重，利用(1)式分別計(jì)算各評價指標(biāo)值，將計(jì)算結(jié)果賦到區(qū)屬性中。利用MapGIS6.7空間分析功能將這8個圖層進(jìn)行疊加，將得出結(jié)果在輸入編輯狀態(tài)生成Label點(diǎn)文件，將點(diǎn)文件屬性輸出，利用Excel把各個要素指標(biāo)值相加。將最后結(jié)果按表10的分級進(jìn)行地下水地源熱泵適宜性區(qū)劃。

表9 指標(biāo)分級表

3.5 評價結(jié)果分析

適宜區(qū):通過計(jì)算，評價分值沒有7－9這一區(qū)間值，故秦皇島沒有地下水地源熱泵開發(fā)利用適宜區(qū)。分析原因本地區(qū)回灌能力沒有大于80%的區(qū)域。

較適宜區(qū):分布在洋河以西，渤海農(nóng)場—大蒲河—赤洋口以北的地區(qū)，分布面積114.67 km2，占研究區(qū)19%。這一地區(qū)含水層巖性以礫砂、粗砂、中砂為主，第四系厚度50～200 m，含水層厚度大于30 m，地層滲透性較好，一般大于40 m/d，富水性較好，單井出水量一般300～500 m3/d，回灌能力50% ～80%。

不適宜區(qū):分布在湯石河沖洪積平原、新河河谷、戴河河谷、洋河以東的地區(qū)及臨近渤海岸邊的窄長條地帶。分布面積304.09 km2，占研究區(qū)50.4%。石河沖洪積平原含水層巖性以卵石為主，含水層厚度小于10 m，地層滲透性較好，但回灌能力差。湯河沖洪積平原含水層巖性以粗砂、礫砂為主，含水層厚度小于10m，地層滲透性較好，但這是水源地保護(hù)區(qū)。新河河谷、戴河河谷及洋河以東的地區(qū)含水層巖性以粗砂、礫砂、中砂、細(xì)砂為主，含水層厚度小于30m單井出水量小于300 m3/d，地下水水位埋深小于3m，回灌能力較差，小于30%。

4 結(jié)語

本文利用層次分析法建立秦皇島地下水地源熱泵開發(fā)利用適宜性的評價指標(biāo)體系，評價指標(biāo)分為地質(zhì)、水文地質(zhì)條件;水動力特征;水化學(xué)特征三個指標(biāo)，由含水層出水能力、回灌能力、滲透系數(shù)、含水層厚度、地下水水位埋深、地下水水位年降幅、地下水水質(zhì)類型及地下水硬度8個要素影響。通過綜合評價將本區(qū)劃分為較適宜區(qū)和不適宜區(qū)。較適宜區(qū)分布面積114.67 km2，占研究區(qū)19%。不適宜區(qū)分布面積304.09 km2，占研究區(qū) 50.4% 。

［1］董殿偉，等.北京市平原區(qū)地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評價.北京水務(wù).2010(2).

［2］潘公，等.秦皇島市地?zé)豳Y源調(diào)查評價報告.2002.

［3］閆福貴.呼和浩特市淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價研究.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)博士學(xué)位論文.2013.

［4］江劍，等.層次分析法在北京平原區(qū)淺層地溫能開發(fā)適宜性評價中的應(yīng)用.

［5］中華人民共和國建設(shè)部.GB50366－2005.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社.

［6］陳瑩，地埋管地源熱泵回填材料實(shí)驗(yàn)研究.中國地質(zhì)大學(xué)碩士論文.2008.