劉 歡，王學(xué)鵬，李文強(qiáng)，秦學(xué)全

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)/山東省魯北地質(zhì)工程勘察院，山東 德州 253000)

0 引言

淺層地溫能是蘊(yùn)藏在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，是一種可再生的新型環(huán)保能源，利用前景廣闊[1-3]。淺層地溫能資源開發(fā)利用主要通過地埋管地源熱泵系統(tǒng)和地下水地源熱泵系統(tǒng)兩種方式[4-5]。

在專家學(xué)者的不懈努力下，淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價(jià)工作取得了大量的成果。本次對平原縣城區(qū)范圍內(nèi)的地埋管換熱系統(tǒng)進(jìn)行適宜性評價(jià)。根據(jù)淺層地溫能開發(fā)利用影響因子，采用指標(biāo)法、層次分析法，利用GIS強(qiáng)大的空間處理分析能力，劃分研究區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性等級[6-7]。

1 研究區(qū)淺層地溫能賦存條件

平原縣位于山東省西北部德州市境內(nèi)，研究區(qū)為平原縣建成區(qū)、規(guī)劃區(qū)和新區(qū)，面積48.41 km2。

研究區(qū)多屬黃河沖積平原，區(qū)內(nèi)200 m以淺地層均為第四紀(jì)(Q)，屬河湖相松散沉積層。土層巖性多為粉土、粉質(zhì)粘土及粉砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂。區(qū)內(nèi)主要以砂性土單層結(jié)構(gòu)和砂-粘-砂土三層結(jié)構(gòu)土為主。

本區(qū)屬于黃河沖積平原水文地質(zhì)區(qū)，地下水賦存在新生界松散巖類孔隙中，地下水類型屬松散巖類孔隙水。根據(jù)地下水的埋藏條件、水力性質(zhì)和水化學(xué)類型，區(qū)內(nèi)200 m以淺地下含水層組可劃分為淺層和中深層兩個(gè)含水層(組)。淺層地下水水位埋深 2.0～5.0 m，地下水滲透系數(shù)1～10 m/d，淺層地下水咸淡水界面約為24.0 m。

根據(jù)鉆孔內(nèi)測溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)恒溫帶溫度在14.2℃～15.3℃之間，研究區(qū)西南部、西北部溫度較高，在14.7℃～15.2℃之間，其余地段在14.2℃～14.7℃之間。頂板埋深約在20～26 m之間，在研究區(qū)西南部埋深較大，在22～26 m之間；在其他部分埋深相對較淺，在20～22 m之間。研究區(qū)淺層地溫梯度的變化范圍為2.0～2.72℃/100m，平均地溫梯度2.44℃/100m。

2 評價(jià)方法

2.1 指標(biāo)法

根據(jù)影響地埋管換熱系統(tǒng)適宜性的各項(xiàng)因素，選取相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)，采用指標(biāo)法對區(qū)內(nèi)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性做出分區(qū)[8-9]。

2.2 層次分析法

層次分析法(AHP)是20世紀(jì)70年代中期由美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty提出的一種能有效地處理決策問題的使用方法，是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。這種方法將決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷給于數(shù)量化，在目標(biāo)因素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下使用更為方便，因而在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，特別是在工程地質(zhì)、水文地質(zhì)分區(qū)評價(jià)中應(yīng)用廣泛。層次分析法分為淺層地溫能評價(jià)體系的構(gòu)建、矩陣的構(gòu)建和權(quán)值的確定、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、綜合評價(jià)四個(gè)基本步驟[10-13]。

3 淺層地溫能適宜性評價(jià)

3.1 指標(biāo)法

影響地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)用的因素很多，此次評價(jià)分別選擇松散土體厚度、含水層總厚度和導(dǎo)熱系數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)(表1)。

根據(jù)施工的地質(zhì)勘查孔及區(qū)內(nèi)大量鉆孔資料可以看出，區(qū)內(nèi)200 m以上為松散土體，含水砂層厚度基本大于30 m，僅在研究區(qū)西部，厚度小于30 m。研究區(qū)導(dǎo)熱系數(shù)在1.741～2.177w/m·℃。

根據(jù)以上分析及表1分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，綜合確定研究區(qū)地埋管換熱方式地源熱泵適宜性可以分為適宜性好和中等兩個(gè)區(qū)。適宜性好區(qū)在研究區(qū)大部分地段分布，面積42.46 km2；適宜性中等區(qū)在研究區(qū)西部地區(qū)，，面積5.95 km2。

表1 (豎直)地埋管換熱方式適宜性分區(qū)指標(biāo)表

3.2 層次分析法

3.2.1 評價(jià)體系的構(gòu)建

評價(jià)體系分為3層，從頂層至底層分別為系統(tǒng)目標(biāo)層(O，Object)、屬性層(A，Attribute)和要素指標(biāo)層(F，F(xiàn)actor)。影響地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)用的因素很多，此次評價(jià)分別選擇地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地層屬性、地質(zhì)環(huán)境、地層熱物理性質(zhì)參數(shù)以及施工工藝來構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系。所選取的5個(gè)評價(jià)指標(biāo)又分別包括不同的要素(圖1)。

圖1 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性劃分評價(jià)體系

3.2.2 權(quán)重的確定

按照層次分析法的要求，在評價(jià)體系層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過綜合研究，分別比較同一層次各要素之間的相對重要性，并采用1～9標(biāo)度法給出各要素的分值，其中，對適宜性評價(jià)影響越大的因素重要性就越大，分值也越大，由此構(gòu)造比較矩陣。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。最后求出要素層中各個(gè)要素在目標(biāo)層中所占的權(quán)重[14-15](表2)。

表2 要素層中各要素占總目標(biāo)的最終權(quán)重

3.2.3 指標(biāo)圖層的矢量化和各因素的賦值

本次綜合評價(jià)的指標(biāo)較多，適合采用平均剖分的方法劃分評價(jià)分區(qū)，以500 m×500 m的網(wǎng)格將研究區(qū)劃為210個(gè)結(jié)點(diǎn)，在計(jì)算區(qū)剖分過程中充分利用EXCEL軟件的編輯與計(jì)算功能、Mapgis軟件的空間屬性功能及工程裁剪功能[16]。

3.2.4 綜合評價(jià)

通過其空間分析功能對各圖層中不同因素所覆蓋的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行賦值，這樣所有的指標(biāo)層中的因素都通過結(jié)點(diǎn)疊加到一起。再乘上各因素的權(quán)重系數(shù)，進(jìn)行累加求和[17-18]。其評價(jià)公式：

(1)

式中：P為適宜性區(qū)劃評價(jià)分值；Pi為參與評價(jià)的第i項(xiàng)要素的賦值；Wi為第i項(xiàng)要素的權(quán)重系數(shù)；n為評價(jià)因子的個(gè)數(shù)

求出各評價(jià)單元的總積分值P，根據(jù)P值的大小，進(jìn)行適宜性分區(qū)。根據(jù)此次評價(jià)工作要求0～5為適宜性差區(qū)；5～7為適宜性中等區(qū)；7～9為適宜性好區(qū)。本次各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算值為7.476 8～8.139 2，全區(qū)為適宜性好區(qū)。

圖2 要素屬性賦值圖及屬性點(diǎn)屬性示例

圖3 研究區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)圖

3.3 綜合判定結(jié)果

根據(jù)指標(biāo)法和層次分析法分析結(jié)果，采用就低不就高的原則綜合判定，研究區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)適宜性劃分為適宜性中等區(qū)和適宜性好區(qū)。適宜性好區(qū)在研究區(qū)大部分地段分布，面積42.46 km2，約占全區(qū)面總面積的占87.71%；適宜性中等區(qū)在研究區(qū)西部區(qū)域分布，面積5.95 km2，約占全區(qū)面總面積的占12.29%(圖3)。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)指標(biāo)法分析研究區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)適宜性好區(qū)分布于大部分地段，面積42.46 km2；適宜性中等區(qū)在研究區(qū)西部地區(qū)，面積5.95 km2。

(2)根據(jù)層次分析法，各節(jié)點(diǎn)計(jì)算值在7.476 8～8.139 2，全區(qū)為地埋管換熱系統(tǒng)適宜性好區(qū)。

(3)根據(jù)指標(biāo)法和層次分析法分析結(jié)果，采用就低不就高的原則綜合判定，研究區(qū)地埋管換熱系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性好區(qū)分布在研究區(qū)大部分地段，面積42.46 km2，約占全區(qū)面總面積的占87.71%，適宜性中等區(qū)在研究區(qū)西部區(qū)域分布，面積5.95 km2，約占全區(qū)面總面積的占12.29%。