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        重慶市主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用分區(qū)方法研究

        2018-04-13 08:12:11張甫仁毛維薇高諧林王樂祥
        關(guān)鍵詞:主城區(qū)組團(tuán)淺層

        張甫仁,毛維薇,袁 園,高諧林,王樂祥

        (1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院,重慶 400074;2.西昌學(xué)院 土木與水利工程學(xué)院,四川 西昌615000;3.四川華電木里河水電開發(fā)有限公司,四川 西昌 615000)

        0 引 言

        淺層地溫能是指地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的熱能[1]。隨著建筑能耗日益增大,建筑節(jié)能受到各界關(guān)注,淺層地溫能以其分布廣、儲(chǔ)量大、可持續(xù)開發(fā)利用等特點(diǎn)[2-5]得到大力推廣。但重慶乃至全國淺層地溫能開發(fā)利用的進(jìn)程遲緩[6],在開發(fā)利用過程中存在著開采成本高、盲目開采、管理不善等諸多問題。為此,全國各地開展了資源評價(jià)、適宜性分區(qū)等調(diào)查研究[7],為合理高效地利用淺層地溫能資源提供了依據(jù)。目前,大多數(shù)淺層地溫能適宜性分區(qū)僅以水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件等特征為依據(jù)進(jìn)行劃分,極少結(jié)合考慮到城市規(guī)劃建設(shè)、城市經(jīng)濟(jì)狀況、具體行政界限等條件,給淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃在實(shí)際中的實(shí)施管理帶來了問題。因此,在傳統(tǒng)適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上考慮城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)、行政界線等條件,可以給淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃提供更準(zhǔn)確更實(shí)用的信息和依據(jù)。

        筆者通過對重慶市主城區(qū)淺層地溫能資源情況的調(diào)查研究,并在淺層地溫適宜性分區(qū)的基礎(chǔ)上,根據(jù)重慶市行政界限(組團(tuán))、城市規(guī)劃、人防等地下設(shè)施、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等,對重慶市主城區(qū)進(jìn)行淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū),為后期規(guī)劃淺層地溫能開發(fā)利用相關(guān)的研究和具體項(xiàng)目實(shí)施提供依據(jù)。

        1 資源開發(fā)利用概況

        1.1 重慶市淺層地溫能概況

        重慶市主城區(qū)包括渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江北區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)、南岸區(qū)、北碚區(qū)、渝北區(qū)、巴南區(qū);主要在重慶中心城區(qū)以及兩江新區(qū)部分,面積1 670 km2。由魚嘴組團(tuán)、龍興組團(tuán)、空港組團(tuán)、悅來組團(tuán)、水土組團(tuán)、蔡家組團(tuán)、禮嘉組團(tuán)、人和組團(tuán)、唐家沱組團(tuán)、觀音橋組團(tuán)、沙坪壩組團(tuán)、渝中組團(tuán)、大楊石組團(tuán)、南坪組團(tuán)、李家沱組團(tuán)、界石組團(tuán)、北碚組團(tuán)、一品組團(tuán)、西永組團(tuán)、木古組團(tuán)、大渡口組團(tuán)、茶園組團(tuán),共計(jì)22個(gè)組團(tuán)組成。

        重慶市主城區(qū)內(nèi)具備較優(yōu)的淺層地溫能資源,資源成帶型明顯,資源的分布嚴(yán)格受地質(zhì)構(gòu)造控制,與區(qū)域水文地質(zhì)條件一致;地層以沉積巖為主,分布巖石為泥巖、砂巖、灰?guī)r,開發(fā)利用的鉆探成本較高;巖土體導(dǎo)熱系數(shù)在1.93~3.10 W/(m·K)之間,其平均值為2.62 W/(m·K),具有良好的導(dǎo)熱性能;巖土體平均溫度在18.5~20.5 ℃,非常有利于資源的開發(fā)利用;重慶主城區(qū)地下水以裂隙水為主,地下水的流動(dòng)對地下?lián)Q熱器的傳熱非常有利,也能減緩資源利用帶來的熱平衡問題。

        依據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u價(jià)規(guī)范》的要求,重慶市主城區(qū)淺層地溫能調(diào)查評價(jià)使用的指標(biāo)為地下富水性、地下水質(zhì)、平均熱導(dǎo)率、平均比熱容和鉆孔難易度。由于重慶市地下資源主要為裂隙水,并不適合地下水地源熱泵,規(guī)劃中并未考慮地下水地源熱泵適宜性分區(qū),因此主城區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)即為主城區(qū)淺層地溫能適宜性分區(qū)[8-9]。對重慶市主城區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)的結(jié)果見圖1。初步統(tǒng)計(jì)各分區(qū)面積見表1。由表1可見,淺層地溫能資源適宜區(qū)與較適宜區(qū)共占地面積比例達(dá)96.5%,整個(gè)重慶地區(qū)內(nèi)可以大量利用地埋管地源熱泵系統(tǒng)形式的淺層地溫能資源[8]。

        圖1 重慶市主城區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)Fig. 1 Adaptive partition map of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

        表1 重慶市主城區(qū)淺層地溫能適宜性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)Table 1 Adaptive partition statistical area of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

        1.2 資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

        根據(jù)重慶市建設(shè)用地規(guī)模,并考慮城市規(guī)劃、道路、橋梁、已有建筑物、城市規(guī)劃綠地等影響因素,建成區(qū)土地利用系數(shù)取0.07,規(guī)劃區(qū)土地利用系數(shù)取0.221 4??紤]土地利用系數(shù)情況下,規(guī)劃區(qū)內(nèi)在100 m以上范圍內(nèi)淺層地溫能資源冬季可供暖面積3.789×108m2,夏季可制冷面積2.098 5×108m2;在重慶市調(diào)查區(qū)淺層地溫能資源可開發(fā)利用的總能量為1.951 6×108GJ,開采利用可節(jié)約的標(biāo)煤量為2.333×106t/a,減少二氧化硫排放量3.967×104t/a,減少氮氧化物排放量1.400×104t/a,減少二氧化碳排放量5.568×106t/a,減少懸浮質(zhì)粉塵排放量1.867×104t/a,減少灰渣排放量2.334×104t/a,節(jié)省的環(huán)境治理費(fèi)為6.583×104萬元/a。

        據(jù)統(tǒng)計(jì),截止2015年12月,規(guī)劃區(qū)內(nèi)已建成或通過施工圖審核的地埋管式地源熱泵項(xiàng)目數(shù)目達(dá)到10個(gè),建筑面積已達(dá)308 581 m2。其中住宅建筑占28%,學(xué)校建筑占6%,辦公建筑占44%,會(huì)展中心占11%,醫(yī)院占10%,科研基地占1%。據(jù)重慶市現(xiàn)有淺層地溫能應(yīng)用項(xiàng)目估算,一年常規(guī)能源替代量相當(dāng)于7 742 t標(biāo)準(zhǔn)煤,約可減排CO2、SO2分別達(dá)6 466、46 t。

        1.3 重慶市主城區(qū)城市發(fā)展?fàn)顩r

        根據(jù)《重慶市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃(2007—2020年)2014深化文本》(后簡稱《文本》),整理出2020年以內(nèi)預(yù)計(jì)建成的公共建筑所占面積,計(jì)算出每個(gè)組團(tuán)的公建比例(公建比例=公共建筑面積/組團(tuán)面積),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2,其中公建比例大于10%的組團(tuán)有觀音橋組團(tuán)、渝中組團(tuán)、大楊石組團(tuán)、李家沱組團(tuán)。此外《文本》中對重慶市的用地情況進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃,分為建成區(qū)、規(guī)劃區(qū)和拓展區(qū),對重慶市主城區(qū)內(nèi)的22個(gè)組團(tuán)的每一個(gè)組團(tuán)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),把建成區(qū)占組團(tuán)總面積最多的組團(tuán)稱為建成組團(tuán),規(guī)劃區(qū)占組團(tuán)總面積最多的組團(tuán)稱為規(guī)劃組團(tuán),拓展區(qū)占組團(tuán)總面積最多的組團(tuán)稱為拓展組團(tuán),當(dāng)建成區(qū)、規(guī)劃區(qū)和拓展區(qū)所占面積相當(dāng)時(shí)就是“特例”,最后得到22個(gè)組團(tuán)的用地情況如表2。

        圖2 重慶市主城區(qū)公建比例統(tǒng)計(jì)Fig. 2 Public construction ratio in urban area of Chongqing

        表2 重慶市主城區(qū)用地情況表Table 2 Land use in urban area of Chongqing

        2 開發(fā)利用綜合分區(qū)方法研究

        2.1 分區(qū)評價(jià)體系建立

        在對重慶市資源情況、城市發(fā)展?fàn)顩r的調(diào)查基礎(chǔ)上,結(jié)合專家意見,建立重慶市主城區(qū)淺層地溫能資源開發(fā)利用綜合分區(qū)評價(jià)體系,如圖3。

        圖3 淺層地溫能資源開發(fā)利用綜合分區(qū)評價(jià)體系Fig. 3 Evaluation system of shallow geothermal energy exploitation and utilization comprehensive partition

        2.2 層次分析法確定資源開發(fā)利用分區(qū)指標(biāo)權(quán)重

        根據(jù)圖3建立判斷矩陣,并根據(jù)判斷矩陣標(biāo)度,建立各指標(biāo)之間相對重要性比較的兩兩對比矩陣[10-11]:

        計(jì)算特征向量得到W=[0.375,0.625]T,W1=[0.530 4,0.469 6]T,W2=1。因此,指標(biāo)權(quán)重結(jié)果如表3。

        表3 層次分析法確定的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值Table 3 The weight value of evaluation index determined by AHP

        2.3 非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

        根據(jù)重要性定性排序的方法對指標(biāo)進(jìn)行排序,重要性定性排序?yàn)椋哼m應(yīng)性分區(qū),用地情況,公建比例。結(jié)合專家意見認(rèn)真考慮以后認(rèn)為屬性層的發(fā)展?fàn)顩rA1重要性排序?yàn)?的要素指標(biāo)C1與指標(biāo)C2相比處于“同等重要”與“稍稍重要”之間,與排序?yàn)?的指標(biāo)C3相比“稍稍重要”,與排序?yàn)?的指標(biāo)C4相比處于“稍稍重要”和“略為重要”之間,與排序?yàn)?的指標(biāo)C5相比處于“較為重要”和“明顯重要”之間。應(yīng)用語氣算子確定相對隸屬度向量為h={1,0.905,0.739},把相對隸屬度向量進(jìn)行歸一化即為權(quán)重向量w={0.378,0.342 3,0.279 5},得到指標(biāo)用地情況C11、公建比例C12、適應(yīng)性分區(qū)C21的權(quán)重分別為0.342 3、0.279 5、0.378 2。

        2.4 綜合權(quán)重計(jì)算

        由層次分析法和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)值均存在相對誤差,根據(jù)其總體誤差分析判斷,兩種方法所求結(jié)果比較近似,具有一定的可靠性。為克服單一評價(jià)方法帶來的誤差,采用綜合求權(quán)方法——乘法合成歸一化法對兩種評價(jià)方法所得的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行歸一化處理,計(jì)算公式如式(1):

        (1)

        式(1)中,m=2,n=3,所得用地情況C11、公建比例C12、適應(yīng)性分區(qū)C21的綜合權(quán)重分別為0.336 9、 0.286 5、0.376 5。

        2.5 基于綜合指數(shù)法的綜合評價(jià)

        綜合指數(shù)法是將一組相同或不同指數(shù)值通過計(jì)算處理,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(gè)綜合指數(shù),準(zhǔn)確地評價(jià)工作的綜合水平。綜合評價(jià)指數(shù)法計(jì)算公式如式(2):

        (2)

        式中:Rk為綜合評價(jià)指數(shù);?i為指標(biāo)要素權(quán)重;xi為指標(biāo)要素屬性賦值;n為指標(biāo)要素個(gè)數(shù)。

        2.5.1評估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

        評價(jià)使用的指標(biāo)數(shù)據(jù)具有不同的類型和量綱,為了達(dá)到在同一評價(jià)體系內(nèi)對不同類型和量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和比較的目的,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本次評價(jià)的具體處理方法是:以影響因子對淺層地溫能開發(fā)利用的有利程度為比較標(biāo)準(zhǔn),對各個(gè)要素的范圍值在1~9之間打分。越有利于淺層地溫能資源開發(fā)利用的指標(biāo)數(shù)據(jù)范圍分值越高,越不利的指標(biāo)數(shù)據(jù)范圍分值越低。淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū)所有的指標(biāo)等級(jí)劃分及評分結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果)見表4。

        表4 淺層地溫能開發(fā)利用指標(biāo)分級(jí)賦值Table 4 Graded assignment values of shallow geothermal energy exploitation indicators

        2.5.2評估等級(jí)設(shè)置

        根據(jù)重慶市主城區(qū)資源適應(yīng)性分區(qū)、用地情況、組團(tuán)公共建筑比例3個(gè)評分因子對重慶市淺層地溫能綜合分區(qū)區(qū)域按照3類進(jìn)行劃分,采取綜合指數(shù)法,計(jì)算得到各組團(tuán)的綜合評價(jià)分?jǐn)?shù),將評價(jià)分?jǐn)?shù)≥5.5分的區(qū)域劃分為大力發(fā)展區(qū),為淺層地溫能資源豐富、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r好,資源利用潛力大的地區(qū);得分在4.5~5.5分的區(qū)域劃分為鼓勵(lì)發(fā)展區(qū),為淺層地溫能資源較豐富、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r較好、資源利用潛力較大的地區(qū);<4.5分的區(qū)域劃分為一般發(fā)展區(qū),為淺層地溫能資源較豐富、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對一般的地區(qū)。

        3 重慶市主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū)及建議

        3.1 淺層地溫能開發(fā)利用綜合分區(qū)

        通過對重慶市地質(zhì)條件、淺層地溫能資源情況調(diào)查、城市建設(shè)情況發(fā)展研究、城市未來規(guī)劃資料搜集分析,依據(jù)上述方法將重慶市主城區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域,采用MAPGIS軟件繪圖,將大力發(fā)展區(qū)(≥5.5分)、鼓勵(lì)發(fā)展區(qū)(4.5~5.5分)、一般發(fā)展區(qū)(<4.5分)、綠化帶以及防空等地下設(shè)施按不同顏色區(qū)域劃分出圖,見圖4。

        圖4 重慶市主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃綜合分區(qū)Fig. 4 Comprehensively zoning map of development and utilization planning of shallow geothermal energy in urban area of Chongqing

        1) 大力發(fā)展區(qū)

        “大力發(fā)展區(qū)”為淺層地溫能資源豐富、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r好、資源利用潛力大的地區(qū)。包括悅來組團(tuán)、唐家沱組團(tuán)、南坪組團(tuán)、李家沱組團(tuán)、西永組團(tuán)、茶園組團(tuán)6個(gè)組團(tuán),面積共計(jì)530 km2,占總規(guī)劃面積的31.74%。該發(fā)展區(qū)應(yīng)加強(qiáng)淺層地溫能技術(shù)開發(fā),完善鼓勵(lì)機(jī)制,大力開采淺層地溫能。

        2) 鼓勵(lì)發(fā)展區(qū)

        “鼓勵(lì)發(fā)展區(qū)” 為淺層地溫能資源較豐富,經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r較好、資源利用潛力較大的地區(qū)。包括龍興組團(tuán)、蔡家組團(tuán)、人和組團(tuán)、觀音橋組團(tuán)、沙坪壩組團(tuán)、渝中組團(tuán)、大楊石組團(tuán)、大渡口組團(tuán)、北碚組團(tuán)9個(gè)組團(tuán),面積共計(jì)611 km2,占總規(guī)劃面積的36.59%。該發(fā)展區(qū)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展情況鼓勵(lì)淺層地溫能的開發(fā)利用。

        3) 一般發(fā)展區(qū)

        “一般發(fā)展區(qū)” 為淺層地溫能資源較豐富、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對一般的地區(qū)。包括魚嘴組團(tuán)、空港組團(tuán)、水土組團(tuán)、禮嘉組團(tuán)、木古組團(tuán)、界石組團(tuán)、一品組團(tuán)7個(gè)組團(tuán),面積共計(jì)443 km2,占總規(guī)劃面積的26.52%。該發(fā)展區(qū)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)匕l(fā)展情況適當(dāng)發(fā)展淺層地溫能。

        此外,鐵路、公路、地鐵等交通,水利,軍事重要設(shè)施及重要珍貴文物等,按照國家相關(guān)規(guī)定限制開發(fā)地下資源的保護(hù)區(qū)域以及生態(tài)綠地,應(yīng)該限制開采,這部分區(qū)域包括渝中、沙坪壩、南坪、大楊石、大渡口、茶園組團(tuán)的沿江區(qū)域及生態(tài)綠地,面積共計(jì)86 km2,占總規(guī)劃面積的5.15%。該區(qū)域地下空間地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地面及地下的建設(shè)現(xiàn)狀對地下空間的可利用影響程度高,應(yīng)慎重采用淺層地溫能資源。

        3.2 開發(fā)利用規(guī)劃建議

        基于以上對淺層地溫能開發(fā)利用分析以及重慶市主城區(qū)資源狀況和城市發(fā)展?fàn)顩r的調(diào)查分析,給出以下建議:

        1) 淺層地溫能的開發(fā)利用條件沒有嚴(yán)格的限定,能達(dá)到布設(shè)要求和經(jīng)濟(jì)許可的條件下,均可使用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用資源,特別是“大力發(fā)展區(qū)”,具有更有利的開發(fā)條件,應(yīng)該大力發(fā)展。

        2) 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用在使用建筑方面的優(yōu)先選擇順序?yàn)檗k公建筑—商業(yè)建筑—居住建筑;在地區(qū)建設(shè)時(shí)序方面的優(yōu)先選擇順序?yàn)樾陆ńㄖ貐^(qū)—在建建筑地區(qū)—現(xiàn)狀建筑地區(qū)。

        3) 重慶市地下空間復(fù)雜,地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用需要對地下空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行事先調(diào)查,特別是渝中、沙坪壩、南坪、大楊石、大渡口、茶園組團(tuán)的沿江區(qū)域。

        4 結(jié) 論

        根據(jù)重慶市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略方向、多組團(tuán)發(fā)展的定位,結(jié)合淺層地溫能資源分布特點(diǎn),并綜合考慮人防等地下設(shè)施分布情況,以資源為基礎(chǔ),將主城區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃為四大區(qū)域。得到以下結(jié)論:

        1) 重慶市主城區(qū)的淺層地溫能資源具備優(yōu)良的開發(fā)利用條件,導(dǎo)熱性能好[巖土體導(dǎo)熱系數(shù)平均值為2.62 W/(m·K)];巖土體平均溫度較高(18.5~20.5 ℃),淺層地溫能資源適宜區(qū)與較適宜區(qū)總共占地面積比例達(dá)96.5%,整個(gè)重慶地區(qū)范圍內(nèi)基本都可以利用地埋管一地源熱泵系統(tǒng)形式的淺層地溫能資源。

        2) “大力發(fā)展區(qū)”和“鼓勵(lì)發(fā)展區(qū)”兩個(gè)部分占總規(guī)劃區(qū)的68.33%,重慶市主城區(qū)大部分地區(qū)具備開發(fā)利用淺層地溫能的自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件。

        3) 地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用在使用建筑方面的優(yōu)先選擇順序?yàn)檗k公建筑—商業(yè)建筑—居住建筑;在地區(qū)建設(shè)時(shí)序方面的優(yōu)先選擇順序?yàn)樾陆ńㄖ貐^(qū)—在建建筑地區(qū)—現(xiàn)狀建筑地區(qū)。

        4) 重慶市地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用過程中,需要對地下空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行事先調(diào)查,盡量減少淺層地溫能開采產(chǎn)生的影響,設(shè)計(jì)前做好建設(shè)條件、地質(zhì)狀況、經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能效果等方面的可行性研究。

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