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)
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]。
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。
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]。
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]。
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
3.2.1 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
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)。
(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%。