層次分析法在武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

胡元平, 劉紅衛(wèi), 柯 立, 馬 俊, 江 凱, 李志鵬, 朱志明

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051; 2.湖北省淺層地溫能研究推廣中心,湖北 武漢 430051)

層次分析法在武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

胡元平1，2, 劉紅衛(wèi)1，2, 柯 立1，2, 馬 俊1，2,
江 凱1，2, 李志鵬1，2, 朱志明1，2

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051; 2.湖北省淺層地溫能研究推廣中心,湖北 武漢 430051)

采用層次分析法對(duì)武漢都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵進(jìn)行適宜性分區(qū),選取第四系厚度、淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)、有效含水層厚度、地下水發(fā)育程度、分層地下水水質(zhì)、地層平均熱傳導(dǎo)系數(shù)、平均比熱容、地層每延米換熱量、鉆井條件、成孔單價(jià)等10項(xiàng)作為評(píng)價(jià)因子。評(píng)價(jià)結(jié)果為武漢市都市發(fā)展區(qū)基本都適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè),其中武昌白沙洲、漢陽中南軋鋼廠、漢南紗帽局部地區(qū)為不適宜區(qū)。

層次分析法；地埋管地源熱泵；適宜性分區(qū)

層次分析法,是指將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題作為一個(gè)系統(tǒng),將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則,進(jìn)而分解為多指標(biāo)(或準(zhǔn)則、約束)的若干層次,通過定性指標(biāo)模糊量化方法算出層次單排序(權(quán)數(shù))和總排序,以作為目標(biāo)(多指標(biāo))、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。

層次分析法中將決策問題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則直至具體的要素指標(biāo)的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu),然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法,求得每一層次的各元素對(duì)上一層次某元素的優(yōu)先權(quán)重,最后再加權(quán)求和的方法求各指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的最終權(quán)重。這里所謂“優(yōu)先權(quán)重”是一種相對(duì)的量度,它表明各指標(biāo)在某一特點(diǎn)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則或子目標(biāo)下優(yōu)越程度的相對(duì)量度,以及各子目標(biāo)對(duì)上一層目標(biāo)而言重要程度的相對(duì)量度。層次分析法比較適合于具有分層交錯(cuò)評(píng)價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)系統(tǒng),而且目標(biāo)值又難于定量描述的決策問題[1-2]。

武漢屬典型的夏熱冬冷氣候區(qū),常年建筑制冷供暖需求量大,都市發(fā)展區(qū)范圍地埋管淺層地溫能資源量豐富,開發(fā)利用具備良好的基礎(chǔ)條件[3]。

淺層地溫能資源開發(fā)利用受區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，淺層地溫條件控制,不同區(qū)域的資源利用方式和可利用規(guī)模存在差異,開發(fā)利用時(shí)首先需進(jìn)行適宜性區(qū)劃,確定各區(qū)段適宜的開發(fā)利用方式,進(jìn)行分區(qū)分級(jí)；開發(fā)利用適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)是計(jì)算評(píng)價(jià)區(qū)淺層地溫能可利用資源量和開發(fā)利用潛力的前提,是編制開發(fā)利用規(guī)劃的基礎(chǔ),對(duì)武漢市淺層地溫能開發(fā)利用具有重要指導(dǎo)意義[4-10]。

1 評(píng)價(jià)方法及過程

適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)主要采用層次分析法進(jìn)行,其基本步驟為:

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型 一般分為3層,最上面為目標(biāo)層,最下面為要素指標(biāo)層,中間為屬性層。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣 從第二層開始用1～9尺度構(gòu)造成比較矩陣。

(3) 計(jì)算單排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn) 求最大特征對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量,做一致性檢驗(yàn)。

(4) 計(jì)算總排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn) 利用層次單排序,計(jì)算層次總排序,并做一致性檢驗(yàn)。

具體評(píng)價(jià)過程中,根據(jù)地源熱泵運(yùn)行特點(diǎn)及武漢市開發(fā)利用現(xiàn)狀,首先建立評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型,選取評(píng)價(jià)要素指標(biāo)和因子,要素指標(biāo)分為不同區(qū)段,邀請(qǐng)專家,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行重要性對(duì)比、打分,匯總后進(jìn)行一致性檢驗(yàn),最終確定地源熱泵適宜性分區(qū)的評(píng)價(jià)體系、要素和權(quán)重。

確定評(píng)價(jià)方法后,利用搜集到的1 221份工程、水文鉆孔資料及現(xiàn)場(chǎng)熱物性測(cè)試資料,對(duì)各個(gè)鉆孔點(diǎn)或試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)等按評(píng)價(jià)要素分區(qū)段分別進(jìn)行賦值,求出該點(diǎn)對(duì)于某一單要素的具體得分。

利用Mapgis軟件在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)建立評(píng)價(jià)網(wǎng)格點(diǎn),將各要素得分賦到評(píng)價(jià)網(wǎng)格點(diǎn)上。采用綜合指數(shù)法,將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的各屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘,然后求和,即可得出各點(diǎn)的最終得分。根據(jù)得分分布,確定地源熱泵系統(tǒng)各個(gè)適宜區(qū)的分值數(shù)范圍,繪制分區(qū)圖,對(duì)分區(qū)圖進(jìn)行修正,完成評(píng)價(jià)區(qū)地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

地埋管淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)主要從地質(zhì)條件、地形地貌、巖土體換熱能力、資源分布、開發(fā)利用環(huán)境影響、開發(fā)成本等方面綜合考慮進(jìn)行分區(qū),要素層確定為4個(gè)指標(biāo)，共10個(gè)因子。

(1) 地質(zhì)條件 包括第四系厚度和淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)2個(gè)因子。第四系覆蓋層與下伏基巖在儲(chǔ)熱及導(dǎo)熱性能上存在區(qū)別,基巖換熱效率高于第四系覆蓋層,更有利于地埋管系統(tǒng)換熱,第四系厚度是影響地埋管適宜性分區(qū)的重要因素之一。淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)主要指評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)不同巖土體不同的組合方式,其換熱效率及地埋管系統(tǒng)利用能力也不同,相對(duì)來說,上覆中更新統(tǒng)老粘土下伏非碳酸鹽巖類巖體,地埋管系統(tǒng)的利用效率更高。

(2) 水文地質(zhì)條件 包括有效含水層厚度、地下水發(fā)育程度、分層地下水水質(zhì)3個(gè)因子。據(jù)巖土體換熱能力試驗(yàn)結(jié)果,含水巖土體的導(dǎo)熱能力及儲(chǔ)熱能力均比不含水巖土體高,地下水系統(tǒng)越發(fā)育、含水層厚度越大,單孔換熱效率越高；地埋管施工、運(yùn)行工程中可能對(duì)地下水水質(zhì)造成污染,或在不同水質(zhì)含水層間形成滲透通道,開發(fā)利用時(shí)對(duì)地下水水質(zhì)及多層水的影響在分區(qū)評(píng)價(jià)時(shí)需要考慮。

(3) 地層熱物理性質(zhì) 包括平均熱傳導(dǎo)系數(shù)、平均比熱容、延米換熱量3個(gè)因子。地埋管換熱深度范圍內(nèi)巖土體的熱物理性質(zhì)反映巖土體傳熱能力,地層平均導(dǎo)熱系數(shù)越高,越有利于熱量擴(kuò)散,產(chǎn)生熱堆積的可能性更小；平均比熱容反映了巖土體儲(chǔ)熱能力,比熱容越高,則儲(chǔ)熱能力越強(qiáng)；每延米換熱量體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)條件下單位長(zhǎng)度巖土體實(shí)際換熱能力,包含了其它未測(cè)定復(fù)雜因素影響結(jié)果。

(4) 經(jīng)濟(jì)性 鉆進(jìn)條件反映了地埋管施工難易程度,地層硬度越高,結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,施工難度越大，成孔成本越高,該處地埋管系統(tǒng)可行性就越差。

按照上述原則,建立評(píng)價(jià)體系,如圖1。

圖1 地埋管地源熱泵層次分析法模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Model structure of analytic hierarchy process about ground-coupled heat pump

3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

根據(jù)專家打分結(jié)果,得到評(píng)價(jià)各因子權(quán)重(見表1)。

表1 地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)因子權(quán)重表Table 1 Secondary factor weight of ground-coupled heat pump suitability evaluation

4 綜合評(píng)價(jià)

利用Mapgis軟件在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)建立橫縱間距為0.5 km的評(píng)價(jià)網(wǎng)格點(diǎn),將各點(diǎn)各要素因子根據(jù)要素指標(biāo)分段評(píng)分表進(jìn)行賦分,再采用綜合指數(shù)法,將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的10項(xiàng)屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘,然后求和,即可得出各點(diǎn)的適宜性評(píng)價(jià)最終得分。根據(jù)得分分布,確定地埋管地源熱泵系統(tǒng)各個(gè)適宜區(qū)的分?jǐn)?shù)范圍,繪制分區(qū)圖；對(duì)分區(qū)圖進(jìn)行修正,完成地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)。各要素因子主要特征如下:

第四系較厚的區(qū)域主要集中在長(zhǎng)江、漢江兩岸一級(jí)階地。

淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)中,剝蝕丘陵巖體主要分布于長(zhǎng)江、漢江以南武昌區(qū)、漢陽區(qū)、江夏區(qū)及蔡甸區(qū)廣大地區(qū)；堆積平原一級(jí)階地主要分布于長(zhǎng)江、漢江及府河兩岸；堆積平原二級(jí)階地分布于青山區(qū)及東西湖區(qū)一帶；剝蝕堆積平原下伏碳酸鹽巖類主要分布于江夏區(qū)、蔡甸區(qū)境內(nèi)低壟崗平原帶,其余地區(qū)為剝蝕堆積平原下伏非碳酸鹽巖類。

地埋管有效含水層厚度分布中,一級(jí)階地前緣、長(zhǎng)江漢江沿岸有效含水層厚度較大,并隨著一級(jí)階地前緣向二級(jí)階地延伸逐漸減小。漢口江岸區(qū)、硚口區(qū)、江漢區(qū)和武昌區(qū)沿江一級(jí)階地、白沙洲兩側(cè)一級(jí)階地含水層厚度普遍>15 m。

地下水發(fā)育程度分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水及碳酸鹽裂隙巖溶水等三種類型,其中松散巖類孔隙水及碳酸鹽裂隙巖溶水單井涌水量較大,可達(dá)500 m3/d,屬地下水發(fā)育區(qū)。

水質(zhì)分區(qū)中,武漢都市發(fā)展區(qū)地下水多為較差、極差,僅局部碳酸鹽巖溶水為優(yōu)質(zhì)水。

平均導(dǎo)熱系數(shù)最大的地區(qū)多集中在基巖裸露或埋深較淺的地區(qū),平均導(dǎo)熱系數(shù)中等的地區(qū)多為覆蓋層中有第四系砂層、砂卵層地區(qū),平均導(dǎo)熱系數(shù)較小的地區(qū)則是覆蓋層厚度較大且無第四系砂層地區(qū)。

平均比熱容較大的地區(qū)多為覆蓋層較厚的地區(qū),平均比熱容較小的地區(qū)多為基巖裸露或基巖較淺的地區(qū)。

武漢地區(qū)地層每延米換熱量多為55～60 W/m,取決于地層結(jié)構(gòu)和巖土體熱物性參數(shù)。

地埋管換熱孔鉆孔成孔鉆進(jìn)施工時(shí),一級(jí)階地上軟土及砂層覆蓋層厚度普遍超過20 m,一般需要長(zhǎng)套管支護(hù)成孔；碳酸鹽巖地區(qū)屬巖溶發(fā)育區(qū),成孔施工難度大；其余地區(qū)為一般區(qū)域。

武漢地區(qū)基本無換熱孔成孔單價(jià)<50元/m的地區(qū),第四系全新統(tǒng)一級(jí)階地且下伏碳酸鹽巖地區(qū)成孔單價(jià)一般>180元/m,第四系全新統(tǒng)一級(jí)階地地區(qū)多為120～180元/m,其它地區(qū)一般在90～120元/m。

表2 地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)界限值表Table 2 Boundary value table of suitability evaluation about ground-coupled heat pump

圖2 武漢市都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖Fig.2 Division of suitability about ground-coupled heat pump

5 評(píng)價(jià)結(jié)果

武漢市都市發(fā)展區(qū)地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜性分區(qū)分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三類,各分區(qū)評(píng)價(jià)界限分值確定為30分、70分(表2),分區(qū)結(jié)果見圖2。

根據(jù)分析評(píng)價(jià)結(jié)果,適宜區(qū)為巖土層比熱容大、導(dǎo)熱系數(shù)高、換熱量較大、施工條件較好的地區(qū),總體分布在除長(zhǎng)江、漢江一級(jí)階地以外的其它區(qū)域,該類地區(qū)一般覆蓋層較薄,基巖埋深較淺,巖土體換熱性能好,鉆井相對(duì)容易,成本較低。

巖土層比熱容較大、導(dǎo)熱系數(shù)較高、換熱量較大、施工條件較好的地區(qū),為開發(fā)利用較適宜區(qū)。從分布上看,較適宜區(qū)主要分布在長(zhǎng)江、漢江一級(jí)階地處覆蓋層較厚的地方,由于覆蓋層巖土體導(dǎo)熱系數(shù)小相對(duì)基巖較小,巖土體換熱性能較差；另外,長(zhǎng)江、漢江一級(jí)階地覆蓋層較厚區(qū)域成孔較困難,成本相對(duì)較高。

武昌白沙洲、漢陽中南軋鋼廠、漢南紗帽局部地區(qū)上覆砂層、下伏巖溶發(fā)育地層,近年來多次發(fā)生巖溶塌陷,地埋管鉆孔施工及外界因素影響易誘發(fā),長(zhǎng)期使用可靠性差,為地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用不適宜區(qū)。

在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi),地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)及較適宜區(qū)共占83.99%(2 769.15 km2),其中適宜區(qū)占57.46%(1 894.46 km2),較適宜區(qū)占26.53%(874.69 km2)；不適宜區(qū)占1.11%(36.60 km2),其它區(qū)域?yàn)榈乇硭植紖^(qū),占14.90%。

6 結(jié)論

根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo),選擇適宜的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型和要素、因子及權(quán)重等,采用層次分析法,能夠輔助用于淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià),并與實(shí)際情況基本相符,是評(píng)價(jià)工作重要手段之一。

在其它地區(qū)應(yīng)用時(shí),需特別注意評(píng)價(jià)因子的選擇和權(quán)重的確定,以保證評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)、合理；在具體評(píng)價(jià)過程中,還必須經(jīng)過修正程序,將Mapgis軟件評(píng)價(jià)結(jié)果底圖與地質(zhì)條件、背景、應(yīng)用實(shí)際等對(duì)照,確認(rèn)分區(qū)界限分值、修正明顯不合理的分區(qū)界線；對(duì)某些特定地區(qū)進(jìn)行特殊處理,如武漢都市發(fā)展區(qū)適宜性分區(qū)時(shí),將巖溶塌陷區(qū)直接劃定為不適宜區(qū)。

[1] 萬順,鄭桂森,冉偉彥,等.淺層地溫能資源評(píng)價(jià)[M].北京:中國(guó)大地出版社,2010.

[2] 北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院.北京淺層地溫能資源[M].北京:中國(guó)大地出版社,2008.

[3] 武漢市淺層地溫能評(píng)價(jià)課題組.武漢市淺層地溫能評(píng)價(jià)報(bào)告[R].武漢：武漢市地質(zhì)工程勘察院,2013.

[4] 付祥釗,余麗霞,肖益民.地埋管地源熱泵氣候相對(duì)適宜性研究[J].暖通空調(diào),2011,41(5):75-78.

[5] 楊明,梁波,林光鑫.成都平原區(qū)地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào),2012(2):212-213.

[6] 徐偉,王貴玲,鄒瑜,孫宗宇,李驥.中國(guó)地下水源熱泵技術(shù)適宜性研究[J].建筑科學(xué),2012,28(10):4-8.

[7] 王貴玲,劉云,藺文靜,李元杰,師永霞.地下水源熱泵應(yīng)用適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].城市地質(zhì),2011,6(3):6-11.

[8] 田良河,劉新號(hào),閆震鵬,焦紅軍,楊坡,譚菊萍.鄭州市地下水源熱泵應(yīng)用適宜性與環(huán)境影響分析[J].城市地質(zhì),2011,6(4):51-56.

[9] 王楠,曹劍峰,趙繼昌,李書光.長(zhǎng)春市區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版,2012(4):1139-1144.

[10] 劉九龍,林黎,程萬慶.天津市地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版,2012(Z1):380-385.

(責(zé)任編輯：李雯)

Application of Evaluation of Division of Suitability of Ground-CoupledHeat Pump in Wuhan Urban Development Area

HU Yuanping1,2, LIU Hongwei1,2, KE Li1,2, MA Jun1,2, JIANG Kai1,2, LI Zhipeng1,2, ZHU Zhiming1,2
(1.WuhanBrigadeofHydrogeologyandEngineeringGeology,Wuhan,Hubei430051; 2.HubeiShallowGeothermalEnergyResearchCenter,Wuhan,Hubei430051)

Using analytic hierarchy process to divide the suitability of ground-coupled heat pump in Wuhan urban development area,select thickness of quaternary,division of shallow stratum structure,thickness of effective aquifer,development of groundwater,groundwater quality,average thermal conductivity,average specific heat capacity,heat exchange every meter,drilling condition,cost of drilling as evaluation index. The evaluation result is that almost all of Wuhan city are suitable to construct ground-coupled heat pump system. Baishazhou of Wuchang,South-central steel rolling factory in Hanyang and Shamao of Hannan are unsuitable areas.

analytic hierarchy process;ground-coupled heat pump;division of suitability

2014-04-30；改回日期：2014-07-30

武漢市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目(1212011120169)；全國(guó)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)(水[2011]01-17-28)。

胡元平(1971-),男,高級(jí)工程師,水工環(huán)專業(yè),從事淺層地溫能資源利用技術(shù)研究和地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。E-mail:195616306@qq.com

TK521+.33

A

1671-1211(2015)01-0059-04

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20141224.0953.013.html 數(shù)字出版日期:2014-12-24 09:53