基于層次分析法的貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)

宋小慶，彭 欽

(1.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng)550008;2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽(yáng)550008)

淺層地溫能具備了分布范圍廣、儲(chǔ)量巨大、開(kāi)發(fā)利用成本低等優(yōu)點(diǎn)，是清潔可再生能源中最具生命力和競(jìng)爭(zhēng)力的新能源之一［1］。在能源緊張、環(huán)境污染等因素的影響下，淺層地溫能日益受到了國(guó)家和各地方政府的重視。作為淺層地溫能開(kāi)發(fā)利用的首要工作，適宜性評(píng)價(jià)和分區(qū)對(duì)指導(dǎo)淺層地溫能開(kāi)發(fā)起著至關(guān)重要的作用，其不僅能為資源利用提供保障，更可為開(kāi)發(fā)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境提供預(yù)警，因而具有十分重要的意義。

1 層次分析法概述

層次分析法(AHP)是美國(guó)匹茲堡大學(xué)于20世紀(jì)70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法。它將定性分析與定量分析相結(jié)合，把要解決的問(wèn)題分層系列化，即根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的目標(biāo)，將問(wèn)題分解為不同的組成因素，按照因素之間的相互影響和隸屬關(guān)系將其分層聚類組合，形成一個(gè)遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型，然后對(duì)模型中每一層次因素的相對(duì)重要性給予定量表示，利用數(shù)學(xué)方法確定每一層次全部因素相對(duì)重要性次序的權(quán)值，通過(guò)逐層比較各種關(guān)聯(lián)因素的重要性來(lái)為分析、決策，從而得出評(píng)價(jià)結(jié)果。層次分析法的主要步驟分為五步［2－5］:

1)建立系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)。把問(wèn)題進(jìn)行分解組合，建立遞階層析結(jié)構(gòu)，清楚表明各層次之間的關(guān)系。

2)建立兩兩比較矩陣。采用1～9標(biāo)度對(duì)同一層元素進(jìn)行兩兩比較后建立比較矩陣。

3)構(gòu)造判斷矩陣。采用極比法構(gòu)造判斷矩陣，由變換公式(1)得到一致性判斷矩陣C=(cij)n×n。

式中:r=rmax/rmin，為極比。

4)按一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。CI越小，判斷矩陣的一致性就越好。

式中:λmax為最大特征值;n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

5)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。在構(gòu)造判斷矩陣基C=(cij)n×n礎(chǔ)上，利用下列公式計(jì)算權(quán)重:

式中:Mi為成對(duì)比較矩陣;Wi為單排序權(quán)重向量為總排序權(quán)重向量。

權(quán)重越大，表明參數(shù)對(duì)適宜性分區(qū)的影響越大、對(duì)分區(qū)結(jié)果的貢獻(xiàn)越大。

2 研究區(qū)概況

貴陽(yáng)市碳酸鹽巖類地層廣泛分布，占總面積的90.03%，碎屑巖占9.97%［6］。第四系分布面積小，厚度薄，平均厚度不足10 m。區(qū)內(nèi)淺層地溫能主要賦存在基巖巖體中，而不同巖性地層的物性特征差異較大。由于區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巖土體熱物性在平面上沒(méi)有漸變變化規(guī)律。根據(jù)熱物性參數(shù)測(cè)試成果，第四系粘土孔隙率在0.52左右，砂巖、泥巖等碎屑巖類孔隙率約0.08，碳酸鹽巖類的孔隙率介于0.08～0.12之間。第四系粘土平均密度 1.74 g/cm3，砂巖、泥巖密度介于2.3～2.4 g/cm3，白云巖、灰?guī)r等碳酸鹽巖密度介于 2.5 ～2.7 g/cm3，礫巖平均密度約為 2.7 g/cm3左右。區(qū)內(nèi)第四系粘性土導(dǎo)熱系數(shù)最小，綜合導(dǎo)熱系數(shù)平均0.77 W/m·℃;砂巖、泥巖等碎屑巖導(dǎo)熱系數(shù)介于2.3～2.8W/m·℃;白云巖及灰?guī)r的導(dǎo)熱系數(shù)介于2.3～3.0W/m·℃，礫巖導(dǎo)熱系數(shù)3.1 W/m·℃。所有地層中寒武系婁山關(guān)群白云巖導(dǎo)熱系數(shù)最高，平均值達(dá)4.895W/m·℃。

3 適宜性評(píng)價(jià)體系

3.1 指標(biāo)選取

評(píng)價(jià)體系綜合考慮影響地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)利用適宜性的地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖石熱物性特征、“其他”及限制條件四大方面因素:

1)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件:考慮因素有地下水位埋深、及巖土體溫度;

2)熱物性:地埋管所處巖土的熱物性參數(shù)對(duì)埋管換熱性能有著主要影響，此處主要考慮巖土的熱導(dǎo)率及比熱容;

3)其他:鉆進(jìn)難易程度和地形條件的好壞，直接影響著地源熱泵工程的投資成本，因此，將考慮地層的鉆進(jìn)條件及地形條件;

4)限制條件:貴陽(yáng)市碳酸鹽巖廣布，不僅屬典型的碳酸鹽巖溶區(qū)，而且是地質(zhì)災(zāi)害較多發(fā)的山地區(qū)。獨(dú)特的自然地理和地質(zhì)環(huán)境，對(duì)地埋管地源熱泵的利用有一定的限制，其主要體現(xiàn)在地質(zhì)災(zāi)害及不良地形、地貌的影響。地質(zhì)災(zāi)害主要參考巖溶塌陷、滑坡、地裂縫三大因素。

3.2 評(píng)價(jià)體系建立

地埋管地源熱泵的適宜性是一個(gè)涉及多方面的復(fù)雜評(píng)價(jià)問(wèn)題，為了能夠全面、合理的進(jìn)行適宜性分區(qū)，必須結(jié)合貴陽(yáng)市的特點(diǎn)建立一套綜合的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

綜合考慮選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵層次分析模型。該模型評(píng)價(jià)共分為兩級(jí)(見(jiàn)圖1)，一級(jí)評(píng)價(jià)體系是對(duì)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、熱物性及其他項(xiàng)進(jìn)行分析，得出適宜性評(píng)價(jià)的初步結(jié)果;該體系由3層構(gòu)成，從頂層至底層分別為系統(tǒng)目標(biāo)層、屬性層、要素指標(biāo)層。目標(biāo)層是系統(tǒng)的總目標(biāo)，即貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵適宜區(qū)劃分;屬性層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、熱物性與其他3部分構(gòu)成;要素指標(biāo)層由地下水埋深、巖土體溫度、熱導(dǎo)率、比熱容、鉆進(jìn)條件及地形條件6個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。

二級(jí)評(píng)價(jià)體系是在一級(jí)評(píng)價(jià)體系分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上，疊加工作區(qū)巖溶塌陷、滑坡、地裂縫及不良地形、地貌等對(duì)地埋管地源熱泵開(kāi)發(fā)利用有限制性因素，最終得出評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果。

圖1 貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)模型

3.3 因子權(quán)重確定

在評(píng)價(jià)體系層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上(見(jiàn)圖1)，采用層次分析法中1～9標(biāo)度分別比較屬性層和要素層中各因素的相對(duì)重要性(對(duì)適宜類別劃分影響較大的因素重要性越大)，構(gòu)建比較矩陣。通過(guò)計(jì)算，檢驗(yàn)比較矩陣的一致性，必要時(shí)對(duì)比較矩陣進(jìn)行修改，以達(dá)到可以接受的一致性，最后確定出要素層中各個(gè)要素在目標(biāo)層中所占的權(quán)重(見(jiàn)表1)。

表1 影響因子權(quán)重表

3.4 因子賦值

根據(jù)貴陽(yáng)地區(qū)水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件，并結(jié)合既有地下水地源熱泵工程和國(guó)內(nèi)相關(guān)研究成果，采取專家評(píng)判方式對(duì)地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)的因子進(jìn)行分級(jí)和賦值(見(jiàn)表2)。

表2 影響因子賦值表

3.5 綜合指數(shù)計(jì)算

采用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法對(duì)評(píng)價(jià)體系中要素指標(biāo)層的因子進(jìn)行加權(quán)疊加，計(jì)算出適宜性綜合評(píng)價(jià)指數(shù):

式中:Ri為綜合評(píng)價(jià)指數(shù);αi為指標(biāo)要素權(quán)值;Xi為指標(biāo)要素屬性賦值;n為指標(biāo)要素個(gè)數(shù)。

一級(jí)評(píng)價(jià)是在綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，將綜合評(píng)價(jià)指數(shù)＞3.5的區(qū)域判定為地埋管地源熱泵適宜區(qū)，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)2.0～3.5間的區(qū)域判定為地埋管地源熱泵較適宜區(qū)，綜合評(píng)價(jià)指數(shù)＜3.5的區(qū)域劃定為地埋管地源熱泵不適宜區(qū)。

二級(jí)評(píng)價(jià)是在一級(jí)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上疊加巖溶塌陷、滑坡與崩塌、地裂縫、不良地形地貌4個(gè)限制條件，有限制條件的區(qū)域均為地下水地源熱泵的不適宜區(qū)。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用層次分析法(APH)，對(duì)貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)(見(jiàn)圖2)。結(jié)果表明，貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵適宜區(qū)面積為327.0 km2，占城市建設(shè)面積的89.24%，為巖土體熱物性參數(shù)大，單孔換熱功率高，地形、環(huán)境地質(zhì)條件好的區(qū)域;不適宜區(qū)39.4 km2，占城市建設(shè)面積的10.76%，為巖土體熱物性參數(shù)較小，單孔換熱率低，地形、環(huán)境地質(zhì)條件差的區(qū)域。

圖2 貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)圖

［1］鄭克棪.淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用的世界現(xiàn)狀及在我國(guó)的發(fā)展前景，淺層地溫能－全國(guó)地?zé)?淺層地溫能)開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)論文集［C］.北京:地質(zhì)出版社.2007.

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