天津市区及新四区地下水地源热泵适宜性分区研究

2012-09-18刘景兰杜红梅范丽平

地下水 2012年2期

刘景兰，杜红梅，范丽平

(1.天津华北地质勘查局地质研究所，天津300170;2.冀东油田勘查设计研究院，河北唐山063004)

浅层地热能广泛存在于地下浅层(数百米以内)恒温带中的土壤和地下水里，是低品位(＜25℃ )的可再生能源，基本不受地域和气候的影响;其温度相对恒定，储量巨大，是不应被忽视的新能源[1]。地下水地源热泵是目前天津市浅层地热能开发利用的主要方式之一，据不完全统计，截止到2010年5月天津市地下水地源热泵系统项目有42个，主要集中在市内六区(26个)和新四区(6个)。随着城市建设和科学技术的发展，天津市地下水地源热泵系统的应用越来越多，因此开展地下水地源热泵适宜性分区研究，对浅层地热能可持续利用，合理开发利用地下水资源，提高热泵系统效率等有重要的意义。

研究区位于天津市范围内，包括市内六区(河东区、河西区、河北区、和平区、南开区、红桥区)和新四区(东丽区、津南区、西青区、北辰区)，共10个区。地理坐标为东经116°51'～ 117°33'，北纬 38°10'～ 39°51'，总面积约 2120.34 km2。境内地势低平，河道纵横。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，春旱多风沙，夏热多雨水，秋爽温差大，冬冷少雨雪。

1 水文地质、环境地质条件

1.1 水文地质条件

研究区400m以浅第四系孔隙水分为四个含水组，第Ⅰ含水组属于浅层地下水系统，第Ⅱ～Ⅳ含水组属深层地下水系统。

浅层地下水类型有三种:冲湖积平原有咸水区咸水上覆的浅层淡水、冲海积平原浅层微咸水和咸水、滨海平原冲海积层咸水。浅层地下水富水性不好，单井涌水量多小于500m3/d，水化学类型主要为 Cl·SO4－ Na、Cl·HCO3－ Na。

深层地下水具有承压性质，富水性较好，多为较富水(单井涌水量1000～3 000m3/d)和中等富水(单井涌水量500～1000m3/d)。深层水由北部向南部，含水层颗粒变细，径流条件变差，地下水由强径流带过渡到径流滞缓带和排泄带，呈现出由北向南的水平水化学分带规律，反映出水化学类型由 HCO3－ Na→HCO3·Cl－ Na→Cl·HCO3－ Na→Cl·SO4－Na型，矿化度由北部＜0.5g/L，向南增高至近2g/L。

1.2 环境地质

本文主要分析与地下水地源热泵开发利用密切相关的地质环境问题——地面沉降。天津市地面沉降伴随着地下水开采而产生，据1967～2009年地面沉降累计量数据，除津南区和天津市区沉降量大于2000 mm以外，研究区大部分累计沉降量1000～2000 mm。2009年度地面沉降的监测结果显示，津南区、西青区、北辰区、东丽区、中心城区年平均沉降量在20～50 mm，其中前两个区沉降量比近三年平均水平减少2～6 mm，后三个区沉降量与近三年平均水平持平。因此，本文将地面沉降作为影响地下水地源热泵开发利用的主要环境地质问题，并参照专家的意见，将累计沉降量大于2000 mm的区域划分为地下水地源热泵不适宜区，不再进行以下评价。

2 评价方法概述

2.1 层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称 AHP)是对一些较为复杂较为模糊的问题做出决策一种有效的分析方法，它特别适用于难于完全定量分析的问题[2－3]。层次分析法把评价系统中相互关联的各个要素按隶属关系分解成为若干层次，并按照上一层的准则对其下属层次的各个要素进行分别比较，确定各要素的相对重要性，给出定量指标，然后求解各层次各要素相对重要性权值，最后作出综合分析和评判。

2.2 非结构性模糊赋权法

非结构性模糊赋权法是典型的模糊数学方法，属于客观赋权法，是根据所选择指标的实际信息形成决策矩阵，在此矩阵基础上通过客观运算形成权重，该方法尽量避免了主观赋权法的人为因素。

3 评价体系的构建及其评价步骤

3.1 评价体系的构建

评价体系由三层构成，系统目标层(O，Object)为地下水地源热泵系统适宜分区。属性层(A，Attribute)是属性指标层，由赋存条件、动态特征、水化学特征三部分构成。要素指标层(F，Factor)由地下水富水性、回灌能力、导水系数、地下水位、地下水位年降幅、地面沉降年沉降量、地面沉降累计沉降量、地下水水质类型、地下水氯离子含量等9个指标构成。评价结构图如图1所示。

图1 地下水地源热泵系统适宜性分区评价结构图

3.2 评价步骤

3.2.1 评价因子权重确定

本文分别采用层次分析赋权法和非结构性模糊赋权法两种方法进行因子权重计算，然后采用线性加权法求得综合权重作为最后结果。

1)层次分析法

按照层次分析法的要求，通过统计和研究分析，采用1－9标度法，分别比较属性层和要素层中各因素的重要性，构造成对比较矩阵，对成对比较矩阵进行层次单排序及一致性检验(计算一致性比例CR)，不一致时将成对比较矩阵进行必要的修改，直至达到可以接受的一致性;如表1中，目标－属性层判断矩阵单层次排序一致性比例计算结果为CR=0.0089＜0.10，一致性可以接受。层次单排序符合一致性检验后，进行层次总排序及一致性检验，确定每个因素的权重。从表2中可以看出，层次总排序一致性比例 CR=0.0089＜0.10，说明层次总排序结果具有较满意的一致性，该分析结果准确可靠。从权重计算结果可以看出，回灌能力和地下水富水性是地下水地源热泵适宜性分区影响最大的指标因子。

表1 属性层判断矩阵及其权重计算表

表2 总排序一致性检验及其要素层权重计算成果表

2)非结构性模糊赋权法

非结构性模糊赋权法计算权重分三个步骤:

(1)根据因素集进行重要性定性排序，本文重要性排序依次为回灌能力、地下水富水性、导水系数、地下水位、地下水水质类型、地下水位年降幅、地下水氯离子含量、地面沉降累计沉降量、地面沉降年沉降量，构成其重要性的二元对比一致性标度矩阵。

(2)根据重要性排序一致性标度矩阵，按最重要、次重要、…、最不重要的顺序，结合语气算子与定量标度的关系(表3)，构建因素集对重要性的有序二元比较矩阵:

表3 语气算子与定量标度的关系

(3)将二元比较矩阵(式1)按公式2运算，可得9个因子权重。

各因子权重计算结果:W=(w1，w2，…，wm)T=(0.3471，0.2759，0.0956，0.0956，0.0686，0.0447，0.0321，0.0202，0.0202)。

将两种求权法计算结果对比(表4)可知，层次分析法和非结构性模糊赋权法这两种数学模型所求结果近似，具有一定的可靠性。

表4 两种求权法计算结果

3)综合评价权重

综合赋权法是通过把主观与客观赋权法有机集成起来，从而在一定程度上克服了主、客观赋权法的不足之处[4]。而综合赋权法又可归纳为两大类，本文采用线性加权组合法来确定评价因子的综合权重。线性加权法的计算公式为:

本文认为主观赋权法和客观赋权法的重要性一致，即a=0.5，将两种方法所得的各项因子权重(表4)代入式3，得到基于综合赋权法的综合权重(表5)。由评价结果可以看出，影响地下水地源热泵系统适宜性分区的因素主要有三个:回灌能力、地下水富水性、导水系数。

表5 综合权重计算结果

3.2.2 空间分析和网格点适宜性指数计算

首先在GIS软件中，分别制作9个因子图件，将每幅图件按表6对其进行属性赋值[5];之后对研究区进行网格剖分，并将网格剖分图和已经赋值完毕的图件进行叠加，通过空间分析功能将图件中的赋值对应到相应的网格点上;最后采用综合指数法(式4)，将每个网格点上的属性赋值与其相对应的权重值相乘求和，得出每个点上的综合评价指数，并以属性的形式赋予网格点，通过GIS提取该属性制作等值线图，做出适宜性分区评价图。

综合评价指数法计算公式:

式中:Rk为综合评价指数;i为指标要素的权值;Xi为指标要素属性赋值;n为指标要素个数。

4 适宜性分区

4.1 适宜性分区标准的制定

根据专家意见并考虑实际情况，将分值＜5的区域设定为地下水地源热泵系统不适宜区，分值5～7的区域设定为地下水地源热泵系统较适宜区，分值＞7的区域设定为地下水地源热泵系统适宜区。

4.2 适宜性分区评价结果

评价结果表明(图2和表7):研究区内各含水层组均不存在地下水地源热泵系统适宜区，较适宜区和不适宜区的分布在不同含水层组存在着较大的差异。

从图2可以看出:较适宜区在第Ⅲ含水层组分布范围较广，占全区总面积的61.2%;而在第Ⅱ含水层组和第Ⅳ含水层组分布范围小，第Ⅱ含水层组较适宜区仅占全区面积的9.6%，第Ⅳ含水层组适宜区也只有26.2%。这一评价结果与浅层地热能地质条件相对应，研究区第Ⅱ、Ⅳ含水层组大多区域不利于地下水回灌，单井出水量均小于1 000m3/d，地下水中氯离子的含量基本上都大于100 mg/L，从水量和水质上均不能满足热泵系统的要求;而第Ⅲ含水层组大部分地区以粉细砂为主，水文地质条件较好，回灌能力较强，导水系数在100m2/d以上，单井出水量在地水回灌～2 000m3/d左右，基本上可以满足地下水地源热泵系统对水量的要求，较适宜利用地下水地源热泵系统。