劉文濤，陳國(guó)輝，錢(qián) 康，劉泊雷

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

淺層地溫能一般指蘊(yùn)藏在恒溫帶至200m埋深范圍內(nèi)的巖土體和地下水中、一般低于25℃、在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下可開(kāi)發(fā)利用的地溫能[1-3]，淺層地溫能的開(kāi)發(fā)利用有助于廣安市的未來(lái)發(fā)展，而淺層地溫能開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)，是其開(kāi)發(fā)利用的前提，評(píng)價(jià)結(jié)果可為研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供地質(zhì)基礎(chǔ)支撐[4-7]。

通過(guò)地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用是淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用的主要形式之一，地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)的主要方法有層次分析法、綜合評(píng)分法、數(shù)值模擬等[8-12]。本文在研究廣安主城區(qū)淺層地溫能背景條件的基礎(chǔ)上，選取了地形坡度、地層巖性、卵石層厚度、地下水位埋深、地下水水質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、初始地溫等8個(gè)指標(biāo)，采用層次分析法，結(jié)合綜合指數(shù)法和GIS空間分析，對(duì)研究區(qū)利用地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 層次分析法

層次分析法(The analytic hierarehy proeess)，簡(jiǎn)稱(chēng)AHP，是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法[13-17]。主要有4個(gè)步驟：(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型：將綜合評(píng)價(jià)的影響因素按互相支配、隸屬的關(guān)系分成不同層次，用線段將下層因素和上層有隸屬關(guān)系的屬性聯(lián)接，將指標(biāo)聚合成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)常可分成三個(gè)層次：目標(biāo)層(O，Object)、屬性層(A，Attribute)和要素指標(biāo)層 (F，F(xiàn)actor) 3 級(jí)層次結(jié)構(gòu)組成。(2)構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣：任何系統(tǒng)的分析都要有一定的信息，而層次分析法的信息主要是人們對(duì)于每一層次中各因素相對(duì)重要性作出判斷，這些判斷通過(guò)引入合適的標(biāo)度進(jìn)行量化，就形成了判斷矩陣。(3)層次單排序及一致性檢驗(yàn)：對(duì)應(yīng)于判斷矩陣的最大特征值的特征向量表示因素之間的相對(duì)重要程度，即權(quán)重，故必須求出判斷矩陣的最大特征值和征向量，應(yīng)用AHP法求出的權(quán)重實(shí)際上是表達(dá)某種定性的概念，故一般采取簡(jiǎn)便的近似方根法求解。(4)層次總排序及一致性檢驗(yàn)：AHP中引入判斷矩陣最大特征值以外的其余特征根的負(fù)平均值作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)，當(dāng)CR<0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣具有滿(mǎn)意一致性，權(quán)重合理，否則需調(diào)整判斷矩陣，直到滿(mǎn)足一致性。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)地勢(shì)沿渠江河谷向東西兩則逐漸升高，最高點(diǎn)位于龍安鄉(xiāng)大云盤(pán)，海拔462 m，最低點(diǎn)位于龍安鄉(xiāng)沙溪口，海拔208 m，相對(duì)高差254 m。地貌類(lèi)型以緩丘、深丘地貌為主，局部為淺丘、中丘、河谷地貌。

出露的地層主要為三疊系(T)、侏羅系(J)及第四系(Q)等，巖性主要有黏性土、卵石、砂巖、泥巖、灰?guī)r。

地下水類(lèi)型有松散巖類(lèi)孔隙水及碎屑巖孔隙裂隙水兩類(lèi)。散巖類(lèi)孔隙水沿渠江呈不連續(xù)狀零星分布，含水層巖性上部為砂質(zhì)粘土，下部砂礫卵石層，富水性貧乏，不具備大規(guī)模供水意義，不能滿(mǎn)足地下水地源熱泵的水量需求；碎屑巖孔隙裂隙水富水性貧乏，泉流量小于0.3 m3/h，在砂泥巖互層地區(qū)，砂巖、泥巖的含量往往與導(dǎo)熱系數(shù)存在一定相關(guān)性，從施工經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，成本相對(duì)較低。

地下水質(zhì)量分級(jí)主要為Ⅲ、Ⅳ類(lèi)水，少數(shù)為Ⅴ類(lèi)水，個(gè)別為Ⅱ類(lèi)水；Ⅳ類(lèi)水分布在研究區(qū)大部分區(qū)域；III類(lèi)水分布范圍包括研究區(qū)南西部的棗山鎮(zhèn)、廣門(mén)鄉(xiāng)、穿石鄉(xiāng)、方坪鄉(xiāng)、廣羅鄉(xiāng)和化龍鄉(xiāng)，中部的護(hù)安鎮(zhèn)，北東部的虎城鎮(zhèn)和代市鎮(zhèn)以及東部的前鋒區(qū)近山部分條帶區(qū)域，Ⅴ類(lèi)水和Ⅱ類(lèi)水呈點(diǎn)狀分布。

巖土體比熱容0.38×103～1.73×103J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)0.91～3.59 W/m·℃。年均氣溫16℃～18℃，恒溫層溫度一般在17℃～21℃，恒溫層分布深度基本在20～60 m之間，地域差異不明顯。

3 地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及城市覆蓋率等，選擇地質(zhì)地貌條件、水文地質(zhì)條件、地層熱物性參數(shù)等3個(gè)一級(jí)指標(biāo)(卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、初始地溫等8個(gè)二級(jí)指標(biāo))進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)層次分析結(jié)構(gòu)模型從頂至底由目標(biāo)層、屬性層、要素指標(biāo)層三層構(gòu)成。目標(biāo)層(O)為地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)，屬性層(A)由地質(zhì)地貌條件(A1)、水文地質(zhì)條件(A2)、地層熱物性參數(shù)(A3)三部分構(gòu)成，要素指標(biāo)層(F)由卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、初始地溫等8個(gè)指標(biāo)構(gòu)成(圖1)。

圖1 評(píng)價(jià)體系圖

3.3 權(quán)重的確定及因子賦值

3.3.1 權(quán)重的確定

根據(jù)層次分析法，構(gòu)造屬性層相對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣(表1～表4)，確定要素指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層的有效權(quán)重(表5)。

表1 屬性層判斷矩陣

表2 地質(zhì)地貌條件指標(biāo)要素層判斷矩陣

表3 水文地質(zhì)條件指標(biāo)要素層判斷矩陣

表4 熱物性特征指標(biāo)要素層判斷矩陣

表5 要素層中各要素指標(biāo)權(quán)重

表1經(jīng)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣一致性比例為0.022 7，符合一致性。表2經(jīng)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣一致性比例為0.017 2，符合一致性。表3經(jīng)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣一致性比例為0.017 1，符合一致性。表4經(jīng)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣一致性比例為0.000 0，符合一致性。

3.3.2 評(píng)價(jià)因子賦值

根據(jù)研究區(qū)的資料分析，結(jié)合各評(píng)價(jià)因子對(duì)地埋管地源熱泵的影響程度大小，卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、初始地溫等8個(gè)評(píng)價(jià)因子的分級(jí)及賦值見(jiàn)表6～表13。

表6 卵石層厚度分級(jí)及賦值

表7 地層巖性分級(jí)及賦值

表8 地形坡度分級(jí)及賦值

表9 地下水位埋深分級(jí)及賦值

表10 地下水水質(zhì)分級(jí)及賦值

表11 初始地溫分級(jí)及賦值

表12 比熱容分級(jí)及賦值

表13 導(dǎo)熱系數(shù)分級(jí)及賦值

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果及分區(qū)

根據(jù)綜合指數(shù)法，對(duì)評(píng)價(jià)體系中要素指標(biāo)層的因子根據(jù)式1進(jìn)行權(quán)疊加，最終計(jì)算出地埋管地源熱泵適宜性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

(1)

式中：Fi為各區(qū)塊內(nèi)的總分值；Pi為單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)分值；Ci為單項(xiàng)指標(biāo)所點(diǎn)權(quán)重。

根據(jù)式1計(jì)算結(jié)果，并將分值〈6劃分為適宜性差區(qū)，分值6～7劃分為較適宜區(qū)，分值〉7劃分為適宜區(qū)；評(píng)價(jià)結(jié)果顯示(表14)，適宜區(qū)面積為416.55 km2，約占研究區(qū)面積的68.47%；較適宜區(qū)面積為188.51 km2，約占研究區(qū)面積的30.98%；適宜性差區(qū)面積為3.29 km2，約占研究區(qū)面積的0.55%。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表14。

表14 研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

3.5 分析與討論

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，在適宜區(qū)內(nèi)，地層導(dǎo)熱系數(shù)一般2.03～2.47W/m·℃，地層溫度為20.1℃左右，地溫條件較好；卵石層厚度小于10 m，地層巖性主要為侏羅系紅層砂巖、泥巖及砂泥巖互層，經(jīng)巖礦測(cè)試和地溫能熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)得地層導(dǎo)熱性較好，地層利于鉆探；地下水位埋深大部分地區(qū)小于10 m；地形坡度絕大部分小于5°，僅在少數(shù)高階地地區(qū)為5°～10°；地下水徑流條件在河谷地區(qū)強(qiáng)或中，高階地處弱，對(duì)地埋管適宜性影響不大；地下水水質(zhì)一般為優(yōu)良和良好；

較適宜區(qū)與適宜區(qū)最主要的區(qū)別在于地形坡度稍大，個(gè)別達(dá)到10°～20°，對(duì)地埋管施工影響較大，所以評(píng)價(jià)結(jié)果為地埋管地源熱泵較適宜區(qū)。

適宜性差區(qū)主要分布于渠江官盛鎮(zhèn)段沿岸河床一帶，該區(qū)域常年或洪水期會(huì)被河水淹沒(méi)，不適宜任何建筑，故劃為地埋管起源熱泵適宜性差區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文選取了卵石層厚度、地層巖性、地形坡度、地下水位埋深、地下水水質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、初始地溫等8個(gè)評(píng)價(jià)因子，采用層次分析法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為相符。

(2)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，適宜區(qū)面積為416.55 km2，約占研究區(qū)面積的68.47%；較適宜區(qū)面積為188.51 km2，約占研究區(qū)面積的30.98%；適宜性差區(qū)面積為3.29 km2，約占研究區(qū)面積的0.55%。

(3)本研究結(jié)論可為研究區(qū)的淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用提供地質(zhì)基礎(chǔ)支撐。