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        基于層次分析法的貴陽市地埋管地源熱泵適宜性評價(jià)

        2015-12-15 06:56:16宋小慶
        地下水 2015年3期
        關(guān)鍵詞:貴陽市物性淺層

        宋小慶,彭 欽

        (1.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)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(duì),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(diǎn),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(jià)和分區(qū)對指導(dǎo)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(yù)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(xué)于20世紀(jì)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(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(gè)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(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,從而得出評價(jià)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(jìn)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(biāo)度對同一層元素進(jìn)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(yàn)指標(biāo)CI進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。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(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

        5)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。在構(gòu)造判斷矩陣基C=(cij)n×n礎(chǔ)上,利用下列公式計(jì)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(xiàn)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(fù)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(dǎo)熱系數(shù)最小,綜合導(dǎo)熱系數(shù)平均0.77 W/m·℃;砂巖、泥巖等碎屑巖導(dǎo)熱系數(shù)介于2.3~2.8W/m·℃;白云巖及灰?guī)r的導(dǎo)熱系數(shù)介于2.3~3.0W/m·℃,礫巖導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)最高,平均值達(dá)4.895W/m·℃。

        3 適宜性評價(jià)體系

        3.1 指標(biāo)選取

        評價(jià)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(dǎo)率及比熱容;

        3)其他:鉆進(jìn)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(jìn)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(zāi)害較多發(fā)的山地區(qū)。獨(dú)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(zāi)害及不良地形、地貌的影響。地質(zhì)災(zāi)害主要參考巖溶塌陷、滑坡、地裂縫三大因素。

        3.2 評價(jià)體系建立

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

        綜合考慮選取的評價(jià)指標(biāo),建立貴陽市地埋管地源熱泵層次分析模型。該模型評價(jià)共分為兩級(見圖1),一級評價(jià)體系是對地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、熱物性及其他項(xiàng)進(jìn)行分析,得出適宜性評價(jià)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(biāo)層、屬性層、要素指標(biāo)層。目標(biāo)層是系統(tǒng)的總目標(biāo),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(biāo)層由地下水埋深、巖土體溫度、熱導(dǎo)率、比熱容、鉆進(jìn)條件及地形條件6個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。

        二級評價(jià)體系是在一級評價(jià)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(jià)分區(qū)結(jié)果。

        圖1 貴陽市地埋管地源熱泵適宜性評價(jià)模型

        3.3 因子權(quán)重確定

        在評價(jià)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(biāo)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(jì)算,檢驗(yàn)比較矩陣的一致性,必要時(shí)對比較矩陣進(jìn)行修改,以達(dá)到可以接受的一致性,最后確定出要素層中各個(gè)要素在目標(biāo)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(jià)的因子進(jìn)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(jì)算

        采用綜合評價(jià)指數(shù)法對評價(jià)體系中要素指標(biāo)層的因子進(jìn)行加權(quán)疊加,計(jì)算出適宜性綜合評價(jià)指數(shù):

        式中:Ri為綜合評價(jià)指數(shù);αi為指標(biāo)要素權(quán)值;Xi為指標(biāo)要素屬性賦值;n為指標(biāo)要素個(gè)數(shù)。

        一級評價(jià)是在綜合評價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上,將綜合評價(jià)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(jià)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(jià)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(jià)是在一級評價(jià)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(gè)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(jià)結(jié)果

        運(yùn)用層次分析法(APH),對貴陽市地埋管地源熱泵的適宜性進(jìn)行了評價(jià)(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?zé)崮荛_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?zé)?淺層地溫能)開發(fā)利用現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)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?zé)崮苓m宜性分區(qū)評價(jià)[J].水資源與水工程學(xué)報(bào).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?zé)崮苓m宜性評價(jià)[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(biāo)度的比較[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐.2004,24(9):51-60.

        [5]聶志龍,劉永強(qiáng),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.

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