宋小慶，彭 欽

(1.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院，貴州 貴陽550008;2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊，貴州 貴陽550008)

淺層地溫能具備了分布范圍廣、儲量巨大、開發(fā)利用成本低等優(yōu)點，是清潔可再生能源中最具生命力和競爭力的新能源之一［1］。在能源緊張、環(huán)境污染等因素的影響下，淺層地溫能日益受到了國家和各地方政府的重視。作為淺層地溫能開發(fā)利用的首要工作，適宜性評價和分區(qū)對指導淺層地溫能開發(fā)起著至關(guān)重要的作用，其不僅能為資源利用提供保障，更可為開發(fā)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境提供預警，因而具有十分重要的意義。

1 層次分析法概述

層次分析法(AHP)是美國匹茲堡大學于20世紀70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法。它將定性分析與定量分析相結(jié)合，把要解決的問題分層系列化，即根據(jù)問題的性質(zhì)和要達到的目標，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因素的相對重要性給予定量表示，利用數(shù)學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，從而得出評價結(jié)果。層次分析法的主要步驟分為五步［2－5］:

1)建立系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)。把問題進行分解組合，建立遞階層析結(jié)構(gòu)，清楚表明各層次之間的關(guān)系。

2)建立兩兩比較矩陣。采用1～9標度對同一層元素進行兩兩比較后建立比較矩陣。

3)構(gòu)造判斷矩陣。采用極比法構(gòu)造判斷矩陣，由變換公式(1)得到一致性判斷矩陣C=(cij)n×n。

式中:r=rmax/rmin，為極比。

4)按一致性檢驗指標CI進行一致性檢驗。CI越小，判斷矩陣的一致性就越好。

式中:λmax為最大特征值;n為評價指標個數(shù)。

5)進行權(quán)重計算。在構(gòu)造判斷矩陣基C=(cij)n×n礎(chǔ)上，利用下列公式計算權(quán)重:

式中:Mi為成對比較矩陣;Wi為單排序權(quán)重向量為總排序權(quán)重向量。

權(quán)重越大，表明參數(shù)對適宜性分區(qū)的影響越大、對分區(qū)結(jié)果的貢獻越大。

2 研究區(qū)概況

貴陽市碳酸鹽巖類地層廣泛分布，占總面積的90.03%，碎屑巖占9.97%［6］。第四系分布面積小，厚度薄，平均厚度不足10 m。區(qū)內(nèi)淺層地溫能主要賦存在基巖巖體中，而不同巖性地層的物性特征差異較大。由于區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)復雜，巖土體熱物性在平面上沒有漸變變化規(guī)律。根據(jù)熱物性參數(shù)測試成果，第四系粘土孔隙率在0.52左右，砂巖、泥巖等碎屑巖類孔隙率約0.08，碳酸鹽巖類的孔隙率介于0.08～0.12之間。第四系粘土平均密度 1.74 g/cm3，砂巖、泥巖密度介于2.3～2.4 g/cm3，白云巖、灰?guī)r等碳酸鹽巖密度介于 2.5 ～2.7 g/cm3，礫巖平均密度約為 2.7 g/cm3左右。區(qū)內(nèi)第四系粘性土導熱系數(shù)最小，綜合導熱系數(shù)平均0.77 W/m·℃;砂巖、泥巖等碎屑巖導熱系數(shù)介于2.3～2.8W/m·℃;白云巖及灰?guī)r的導熱系數(shù)介于2.3～3.0W/m·℃，礫巖導熱系數(shù)3.1 W/m·℃。所有地層中寒武系婁山關(guān)群白云巖導熱系數(shù)最高，平均值達4.895W/m·℃。

3 適宜性評價體系

3.1 指標選取

評價體系綜合考慮影響地埋管地源熱泵開發(fā)利用適宜性的地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖石熱物性特征、“其他”及限制條件四大方面因素:

1)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件:考慮因素有地下水位埋深、及巖土體溫度;

2)熱物性:地埋管所處巖土的熱物性參數(shù)對埋管換熱性能有著主要影響，此處主要考慮巖土的熱導率及比熱容;

3)其他:鉆進難易程度和地形條件的好壞，直接影響著地源熱泵工程的投資成本，因此，將考慮地層的鉆進條件及地形條件;

4)限制條件:貴陽市碳酸鹽巖廣布，不僅屬典型的碳酸鹽巖溶區(qū)，而且是地質(zhì)災害較多發(fā)的山地區(qū)。獨特的自然地理和地質(zhì)環(huán)境，對地埋管地源熱泵的利用有一定的限制，其主要體現(xiàn)在地質(zhì)災害及不良地形、地貌的影響。地質(zhì)災害主要參考巖溶塌陷、滑坡、地裂縫三大因素。

3.2 評價體系建立

地埋管地源熱泵的適宜性是一個涉及多方面的復雜評價問題，為了能夠全面、合理的進行適宜性分區(qū)，必須結(jié)合貴陽市的特點建立一套綜合的評價系統(tǒng)。

綜合考慮選取的評價指標，建立貴陽市地埋管地源熱泵層次分析模型。該模型評價共分為兩級(見圖1)，一級評價體系是對地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、熱物性及其他項進行分析，得出適宜性評價的初步結(jié)果;該體系由3層構(gòu)成，從頂層至底層分別為系統(tǒng)目標層、屬性層、要素指標層。目標層是系統(tǒng)的總目標，即貴陽市地埋管地源熱泵適宜區(qū)劃分;屬性層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、熱物性與其他3部分構(gòu)成;要素指標層由地下水埋深、巖土體溫度、熱導率、比熱容、鉆進條件及地形條件6個指標構(gòu)成。

二級評價體系是在一級評價體系分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上，疊加工作區(qū)巖溶塌陷、滑坡、地裂縫及不良地形、地貌等對地埋管地源熱泵開發(fā)利用有限制性因素，最終得出評價分區(qū)結(jié)果。

圖1 貴陽市地埋管地源熱泵適宜性評價模型

3.3 因子權(quán)重確定

在評價體系層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上(見圖1)，采用層次分析法中1～9標度分別比較屬性層和要素層中各因素的相對重要性(對適宜類別劃分影響較大的因素重要性越大)，構(gòu)建比較矩陣。通過計算，檢驗比較矩陣的一致性，必要時對比較矩陣進行修改，以達到可以接受的一致性，最后確定出要素層中各個要素在目標層中所占的權(quán)重(見表1)。

表1 影響因子權(quán)重表

3.4 因子賦值

根據(jù)貴陽地區(qū)水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件，并結(jié)合既有地下水地源熱泵工程和國內(nèi)相關(guān)研究成果，采取專家評判方式對地埋管地源熱泵適宜性評價的因子進行分級和賦值(見表2)。

表2 影響因子賦值表

3.5 綜合指數(shù)計算

采用綜合評價指數(shù)法對評價體系中要素指標層的因子進行加權(quán)疊加，計算出適宜性綜合評價指數(shù):

式中:Ri為綜合評價指數(shù);αi為指標要素權(quán)值;Xi為指標要素屬性賦值;n為指標要素個數(shù)。

一級評價是在綜合評價指數(shù)計算結(jié)果基礎(chǔ)上，將綜合評價指數(shù)＞3.5的區(qū)域判定為地埋管地源熱泵適宜區(qū)，綜合評價指數(shù)2.0～3.5間的區(qū)域判定為地埋管地源熱泵較適宜區(qū)，綜合評價指數(shù)＜3.5的區(qū)域劃定為地埋管地源熱泵不適宜區(qū)。

二級評價是在一級評價基礎(chǔ)上疊加巖溶塌陷、滑坡與崩塌、地裂縫、不良地形地貌4個限制條件，有限制條件的區(qū)域均為地下水地源熱泵的不適宜區(qū)。

4 評價結(jié)果

運用層次分析法(APH)，對貴陽市地埋管地源熱泵的適宜性進行了評價(見圖2)。結(jié)果表明，貴陽市地埋管地源熱泵適宜區(qū)面積為327.0 km2，占城市建設(shè)面積的89.24%，為巖土體熱物性參數(shù)大，單孔換熱功率高，地形、環(huán)境地質(zhì)條件好的區(qū)域;不適宜區(qū)39.4 km2，占城市建設(shè)面積的10.76%，為巖土體熱物性參數(shù)較小，單孔換熱率低，地形、環(huán)境地質(zhì)條件差的區(qū)域。

圖2 貴陽市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)圖

［1］鄭克棪.淺層地熱能開發(fā)利用的世界現(xiàn)狀及在我國的發(fā)展前景，淺層地溫能－全國地熱(淺層地溫能)開發(fā)利用現(xiàn)場經(jīng)驗交流會論文集［C］.北京:地質(zhì)出版社.2007.

［2］金婧，席文娟，陳宇飛，等.基于 AHP的淺層地熱能適宜性分區(qū)評價［J］.水資源與水工程學報.2012，23(3):91－93.

［3］劉建霞，原曉軍，索立濤.基于層次分析法的魯東地區(qū)淺層地熱能適宜性評價［J］.海洋地質(zhì)前沿.2012，28(10):65－70.

［4］駱正清，楊善林.層次分析法中幾種標度的比較［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐.2004，24(9):51－60.

［5］聶志龍，劉永強，方國華.用層次分析法確定影響爆破安全的重要參數(shù)［J］.中國農(nóng)村水利水電.2008，33(6):94－98.

［6］段啟杉，孟凡濤，宋小慶，等.貴陽市淺層地溫能開發(fā)利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.地下水.2013，35(1):44－58.