指標(biāo)法與層次分析法在淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用討論

牛水源，劉金勇，黃偉榮

(山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)的目的是為地源熱泵工程場(chǎng)地勘查、設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1-3]，為政府制定淺層地溫能開發(fā)利用規(guī)劃、項(xiàng)目審批和管理提供依據(jù)。地源熱泵系統(tǒng)分為地埋管地源熱泵系統(tǒng)、地下水地源熱泵系統(tǒng)、地表水地源熱泵系統(tǒng)(污水源、海水源也分別是地表水地源熱泵的型式)[4-6]。本文以地埋管換熱系統(tǒng)為例，在萊陽(yáng)市城區(qū)范圍內(nèi)通過對(duì)地埋管地源熱泵換熱系統(tǒng)進(jìn)行適宜性分區(qū)，討論指標(biāo)法和層次分析法在分區(qū)方法和分區(qū)結(jié)果中的區(qū)別，進(jìn)而探索更加符合實(shí)際的分區(qū)方法(1)山東省物化探勘查院，萊陽(yáng)市淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告，2020年。。

1 萊陽(yáng)市地質(zhì)環(huán)境條件概況

萊陽(yáng)市地處山東省膠東半島中部，東臨海陽(yáng)市，西接萊西市，北接棲霞、招遠(yuǎn)兩市，南鄰即墨市，東南瀕黃海丁字灣，評(píng)價(jià)區(qū)主要為萊陽(yáng)市城區(qū)范圍。

評(píng)價(jià)區(qū)屬沉積盆地，沉積地層主要為中生代白堊紀(jì)王氏群礫巖、砂巖、含礫砂巖，厚度在220～1500m之間，地層穩(wěn)定；區(qū)內(nèi)地表大部分區(qū)域被第四系覆蓋，但厚度較薄，一般在1～8m。區(qū)內(nèi)構(gòu)造、巖漿巖均不發(fā)育。

含水巖組主要分為2類，一類是松散巖類孔隙含水巖組，另一類是碎屑巖類裂隙含水巖組，區(qū)內(nèi)地下水富水性普遍較弱、水質(zhì)較差[7]。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)巖土體導(dǎo)熱系數(shù)在1.09～2.42W/(m·℃)之間。西北部視家樓村—西馬山村一帶以及東南部柳溝村—文翹泊村一帶導(dǎo)熱系數(shù)最小，為1.09～1.18W/(m·℃)，其他區(qū)域?qū)嵯禂?shù)變化不大，為1.79～2.42W/(m·℃)。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地表以下80m深度地溫為15.58～16.81℃，100m深度地溫為15.95～17.49℃，120m深度地溫為16.49～18.11℃。

評(píng)價(jià)區(qū)主要為河谷平原、山間盆地平原，環(huán)境地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，主要的環(huán)境地質(zhì)問題是崩塌和地下水質(zhì)惡化等問題。

2 地埋管換熱系統(tǒng)的換熱形式

地埋管換熱系統(tǒng)工作原理是傳熱介質(zhì)在密閉的豎直或水平地埋管中循環(huán)，利用傳熱介質(zhì)與地下巖土層、地下水之間的溫差進(jìn)行熱能量交換，再通過熱泵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的供暖和制冷[8-9]。地埋管換熱系統(tǒng)可分為垂直地埋管與水平地埋管2種方式。本文的適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)象為垂直地埋管換熱系統(tǒng)。

3 評(píng)價(jià)方法類型

本次適宜性評(píng)價(jià)采用指標(biāo)法和層次分析法進(jìn)行地埋管換熱系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)。

3.1 指標(biāo)法

3.1.1 評(píng)價(jià)體系

指標(biāo)法根據(jù)規(guī)定的分區(qū)指標(biāo)要素進(jìn)行相互比較，在滿足綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的前提下得出相應(yīng)的適宜性分區(qū)結(jié)果。

3.1.2 評(píng)價(jià)步驟

根據(jù)表1中的3項(xiàng)分區(qū)指標(biāo)，結(jié)合表中綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)直接得出適宜性分區(qū)結(jié)果[10-11]。

表1 (豎直)地埋管換熱方式適宜性分區(qū)

3.2 層次分析法

3.2.1 評(píng)價(jià)體系

一種能有效地對(duì)較為復(fù)雜、模糊的問題作出決策的方法，是一種定性與定量相結(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)判斷給予量化，較適用難于完全定量分析的問題[12-15]。特別是在目標(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，因其簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用，在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。

其主要方法是:建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，然后構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣，層次單排序及一致性檢驗(yàn)，層次總排序及一致性檢驗(yàn)，確定各種方案和措施的重要性排序權(quán)值，最后作出決策。

3.2.2 評(píng)價(jià)步驟

(1)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際情況，地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要考慮地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖性組成、地質(zhì)環(huán)境、熱物性等因素(表2)。

(2)確定因子權(quán)重。地埋管換熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)模型由三層構(gòu)成，從頂層至底層分別由目標(biāo)層、屬性層和要素指標(biāo)層3級(jí)層次結(jié)構(gòu)組成。評(píng)價(jià)目標(biāo)是地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)；屬性指標(biāo)由水文地質(zhì)條件、地質(zhì)條件、地層屬性與熱物性、地質(zhì)環(huán)境等3項(xiàng)構(gòu)成；本次評(píng)價(jià)要素指標(biāo)采用單一厚度、水位埋深、滲透系數(shù)、含水層厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、構(gòu)造條件、地層巖性、地下水質(zhì)、水源地保護(hù)等10個(gè)要素指標(biāo)(表2)。

表2 地埋管(豎直)換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)主要因素

按照層次分析法(AHP)的要求，在評(píng)價(jià)體系的層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)和研究分析，采用1～9標(biāo)度法(表3)，分別比較屬性層和要素層中各因素的重要性，構(gòu)成比較矩陣(式1)。在確定各屬性以及各要素之間的重要性后，通過YAAHY(層次分析法軟件)將重要性以數(shù)值形式帶入計(jì)算，從而得出各屬性、要素權(quán)重值。通過計(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，最終達(dá)到可以接受的一致性，最后確定各因子權(quán)重[16-18]。

表3 1～9數(shù)量標(biāo)度取值及含義

(1)

屬性層各因素的重要性程度比較如表4，要素層中各個(gè)要素指標(biāo)因子在目標(biāo)層中所占的權(quán)重見表5所示。

表5 要素層中各要素指標(biāo)在目標(biāo)層中權(quán)重

(3)確定評(píng)價(jià)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

①網(wǎng)格剖分。以1∶5萬(wàn)地理底圖為基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià)網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格大小500m×500m。

②要素分值。借助MapGIS制圖軟件[19]，制作各要素指標(biāo)的圖件，包括含水層厚度分區(qū)圖、地下水位埋深分區(qū)圖、滲透系數(shù)分區(qū)圖、單一巖體厚度分區(qū)圖、地層巖性分區(qū)圖、導(dǎo)熱系數(shù)分區(qū)圖等10張分區(qū)圖。再以是否適宜建設(shè)地埋管換熱系統(tǒng)為比較標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各個(gè)要素的范圍值在1～9之間打分，越有利于地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)用則所獲分值越高，從而將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為介于1～9之間可以互相比較運(yùn)算的無(wú)量綱數(shù)值表6(依據(jù)“山東省淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)成果編制指南”)。

表6 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)各要素賦值

③網(wǎng)格賦值。網(wǎng)格剖分圖與已經(jīng)賦值完畢的圖件進(jìn)行疊加，把各要素圖件中的賦值對(duì)應(yīng)到了相應(yīng)的網(wǎng)格上。采用綜合指數(shù)法公式計(jì)算[20](式2)，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘，然后求和，得出每個(gè)點(diǎn)上的初步分值。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法計(jì)算公式如下:

(2)

式中:Rk—綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；ai—指標(biāo)要素的權(quán)值；Xi—指標(biāo)要素屬性賦值；n—指標(biāo)要素個(gè)數(shù)。

④適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。按層次分析法，并考慮實(shí)際情況[10-11]，將分值7～9的區(qū)域設(shè)定為地埋管換熱系統(tǒng)適宜區(qū)，分值5～7的區(qū)域設(shè)定為適宜性中等區(qū)，分值0～5的區(qū)域設(shè)定為適宜性差區(qū)(表7)。

表7 地埋管換熱系統(tǒng)分區(qū)分值指標(biāo)

4 地埋管換熱系統(tǒng)適宜性分區(qū)

各要素在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的分布特征見圖1—圖9。

1—單一巖體厚度>120m、含水層總厚度<10m；2—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)單一巖土體厚度均大于120m，含水層厚度均小于10m。

1—地下水位埋深<5m；2—地下水位埋深5～10m；3—地下水位埋深10～15m；4—地下水位埋深>15m；5—分區(qū)界線；6—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

1—滲透系數(shù)>10/(m/d)；2—滲透系數(shù)<1/(m/d)；3—分區(qū)界線；4—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

1—林家莊組；2—辛格莊組；3—紅土崖組；4—分區(qū)界線；5—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

1—導(dǎo)熱系數(shù)1.5～2.42W/(m℃)；2—導(dǎo)熱系數(shù)1.0～1.5W/(m℃)；3—分區(qū)界線；4—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

1—100m深度地溫>17.0℃；2—100m深度地溫16.5～17.0℃；3—100m深度地溫16.0～16.5℃；4—100m深度地溫<16.0℃；5—分區(qū)界線；6—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

1—Ⅲ類水；2—Ⅳ類水；3—Ⅴ類水；4—分區(qū)界線；5—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

1—無(wú)水源地保護(hù)區(qū)范圍；2—水源地保護(hù)區(qū)范圍；3—分區(qū)界限；4—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

1—無(wú)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)；2—崩塌地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)；3—分區(qū)界線；4—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)東北方向吳格莊村周邊，水位埋深大于15m；西馬山村—粱好泊村一線的東北方向，水位埋深10～15m；紅土崖北—粱好泊村一線，水位埋深5～10m；其他區(qū)域，水位埋深均小于5m。

滲透系數(shù)較大的區(qū)域?yàn)槲妪埡恿饔?，該區(qū)域含水層巖性主要為中粗砂，含水砂層孔隙大、滲透性強(qiáng)，滲透系數(shù)大于10m/d，其他區(qū)域均小于1m/d。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)自東北向西南依次為林家莊組礫巖、辛格莊組含礫砂巖、紅土崖組泥質(zhì)粉砂巖。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)西馬山村—視家樓村一帶以及紅土崖村周邊導(dǎo)熱系數(shù)1.0～1.5W/(m·℃)之間，其他區(qū)域?qū)嵯禂?shù)在1.5～2.42W/(m·℃)之間[21]。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地表以下100m深度地溫自北向南依次降低，西馬山村—吳格莊村一帶大于17℃，視家樓村—粱好泊村一帶為16.5～17℃，左家夼村—紅土崖村一帶為16～16.5℃，其他區(qū)域小于16℃。

Ⅲ類水主要分布在評(píng)價(jià)區(qū)東北方向，城區(qū)中心—吳格莊村一帶，呈條帶狀展布；Ⅴ類水分布在評(píng)價(jià)區(qū)西北、西南、東南方向，工業(yè)園區(qū)及農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)區(qū)域；其他區(qū)域均為Ⅳ類水。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域無(wú)水源地保護(hù)區(qū)范圍，僅在吳格莊村西北方向呈條帶狀展布小面積水源地保護(hù)區(qū)。

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)吳格莊村以北一帶為崩塌地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，該區(qū)自然條件下地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，在降雨、風(fēng)化作用下，易引發(fā)崩塌；其他區(qū)域無(wú)地質(zhì)災(zāi)害。

4.1 分區(qū)結(jié)果

4.1.1 指標(biāo)法

按照指標(biāo)法(表8)得出的地埋管換熱系統(tǒng)適應(yīng)性分區(qū)圖(圖10)，評(píng)價(jià)區(qū)全區(qū)均為地埋管換熱適宜性中等區(qū)。適宜性中等區(qū)面積55.0km2，約占全區(qū)面積的100%。

表8 地埋管換熱方式適宜性分區(qū)結(jié)果表(指標(biāo)法)

1—地埋管換熱方式適宜性中等區(qū)；2—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

4.1.2 層次分析法

按照層次分析法(表9)得出的地埋管換熱系統(tǒng)適應(yīng)性分區(qū)圖(圖11)，評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)吳格莊村東北方向劃分為地埋管換熱適宜性差區(qū)，其他區(qū)域均為地埋管換熱方式為適宜性中等區(qū)。適宜性中等區(qū)面積53.9km2，約占全區(qū)面積的98%；適宜性差區(qū)面積1.1km2，約占全區(qū)面積的2%。

4.2 結(jié)果對(duì)比

指標(biāo)法和層次分析法所得出的適宜性分區(qū)結(jié)果中[22-24]，98%相同，2%不同，2種方法得出的結(jié)果可靠[25-26]。分區(qū)結(jié)果不同的區(qū)域?yàn)閰歉袂f村東北方向面積約1.1km2，2種方法的適宜性分區(qū)結(jié)果不同的主要原因是所采用的指標(biāo)不完全相同，其次是方法步驟不同。首先，指標(biāo)法所選用的指標(biāo)要素共3項(xiàng)，分別為:單一巖體厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、含水層總厚度；而層次分析法所選用的指標(biāo)要素除了指標(biāo)法分區(qū)時(shí)參與的3項(xiàng)指標(biāo)以外，還包括地下水位埋深、滲透系數(shù)、地層巖性、100m深度地溫、地下水質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害以及水源地保護(hù)區(qū)。其次，指標(biāo)法的分區(qū)方式為:所選用的3項(xiàng)指標(biāo)相疊加，再按照相應(yīng)的綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)加以判斷分區(qū)；而層次分析法采用10項(xiàng)指標(biāo)要素進(jìn)行賦值權(quán)重綜合計(jì)算，再利用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法計(jì)算得出分值作為分區(qū)依據(jù)，最后按照所得分值將各剖分網(wǎng)格進(jìn)行疊加后得出地埋管換熱方式適應(yīng)性分區(qū)圖。

表9 地埋管換熱方式適宜性分區(qū)結(jié)果(層次分析法)

1—地埋管換熱方式適宜性中等區(qū)；2—地埋管換熱方式適宜性差區(qū)；3—適宜性分區(qū)界線；4—評(píng)價(jià)區(qū)范圍

指標(biāo)法使用3項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)適宜性分區(qū)表中的條件要求直接劃區(qū)，該方法簡(jiǎn)單有效，但精度稍低；層次分析法使用10項(xiàng)指標(biāo)，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、因子權(quán)重的確定、網(wǎng)格剖分、網(wǎng)格賦值等步驟進(jìn)行綜合評(píng)分后，按所得分值劃區(qū)，該方法考慮到的因素全面，賦值合理，使用靈活。通過對(duì)比認(rèn)為，層次分析法更加貼近實(shí)際情況，分區(qū)結(jié)果更加合理。

5 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)認(rèn)為無(wú)論在何種地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下都可以采用指標(biāo)法來初步了解評(píng)價(jià)區(qū)的總體結(jié)果。在獲得初步評(píng)價(jià)結(jié)果后，如果有進(jìn)一步評(píng)價(jià)的必要，這時(shí)可以采用層次分析法把評(píng)價(jià)結(jié)果的精度進(jìn)一步提高，以達(dá)到可利用的程度。