利用层次分析法评价德州市浅层地热能适宜性

兰善治

[摘要]利用层次分析法（AHP），建立地埋管换热系统适宜性层次结构模型，在大量基础数据的基础上，选择第四系（第三系松散层）厚度、水位埋深、含水层厚度、钻进条件、综合热传导系数、平均比热容等6个指标，将德州市浅层地热能开发利用划分为适宜区、较适宜区、不适宜区。本项目是德州市第一次开展浅层地热能适宜性评价，为今后浅层地热能开发利用提供了科学依据。

[关键词]层次分析法；浅层地热能；适宜性评价；德州市

0引言

德州市位于山东省西北部黄河冲积平原区，能源资源相对贫乏，长期严重缺煤缺电。在能源短缺和环境污染的双层压力下，浅层地热能这一清洁可再生的新能源，日益受到地方政府的重视。据不完全调查，德州市浅层地热能开发利用项目数量已达到14个（包括在建项目），服务面积已达32.5万m²。本文通过采集大量实测资料进行分析，对今后德州市开发浅层地热能的开发利用具有重要意义。

层次分析法（AHP）是20世纪70年代中期由美国运筹学家T.L.Saaty提出的一种能有效地处理决策问题的使用方法，是一种定性和定量相结合、系统化、层次化的分析方法。这种方法将决策者的经验判断给于数量化，在目标因素结构复杂且缺乏必要数据的情况下使用更为方便，因而在实践中得到广泛应用，特别是在工程地质、水文地质分区评价中应用广泛。应用层次分析法评价德州市浅层地热能适宜性，具有较高的可行性和有效性。

1德州市浅层地热能背景条件

德州市地处黄河冲积平原，属鲁西北平原松散岩类水文地质区，总面积10356km²，地势平缓，气候冬冷夏热。德州市受大地构造断块的控制，坳陷区第四系发育齐全，厚度较大，一般220～320m，在平原、武城、德州及临邑一带，厚度超过280m；隆起区地层厚度较小，一般为180～220m，在齐河--F饶大断裂以南的齐河西南部边缘一带，厚度仅50-170m。岩性以粉土、粉质粘土、粉土互层夹粉砂层为主。主要地质问题为地面沉降。

目前德州市南部和东部以地面沉降250mm等值线为界所形成的地面沉降面积达3315.34km²，整个德城区形成了-400mm地面沉降漏斗，当地政府对地下水的开发利用进行严格控制，以往开发利用工程以地埋管换热系统为主，故只对地埋管换热方式进行适宜性评价。

2适宜性评价指标及体系

2.1评价指标指标的选取

根据《浅层地热能勘查评价规范》（DZ/T0225-2009）分区要求。结合工作区实际情况，德州市地埋管换热方式适宜性分区分别选择水文地质条件、施工条件以及地层热物理性质参数来构建评价指标體系。

2.1.1水文地质条件

掌握区域内含水层的分布、含水层厚度、水温、水质状况等，才能进行地埋管布井设计，尽量避免地下含水层水质污染的事件发生。

2.1.2施工条件

施工条件主要是钻探时钻进的条件，钻进条件受地层岩性及颗粒大小影响。

2.1.3地层热物理性质

地下埋管处岩土的热物理性质参数对地埋管换热性能有着重要影响，钻孔地点的岩土热物性参数对埋管单位井深换热量的影响非常大，地层热物理参数决定地埋管的适宜性和取热层位。

2.2评价体系及因子权重

其评价体系分为3层。从顶层至底层分别为系统目标层（O，0biect）、属性层（A，Attribute）和要素指标层（F，Factor）。0层是对地埋管式地源热泵系统应用适宜性评价的一个总的判断：A层是对地埋管式地源热泵系统应用适宜性不同侧面的反映，由水文地质条件、施工条件、地层热物理性质3部分构成：F层是描述各属性指标的最基础要素，由第四系（第三系松散层）厚度、水位埋深、含水层厚度、钻进条件、综合热传导系数、平均比热容共6个指标构成，适宜性分区评价体系结构图见图1。

按照层次分析法的要求，在评价体系层次隶属关系的基础上，通过综合研究，分别比较同一层次各要素之间的相对重要性，并采用i-9标度法给出各要素的分值，其中，对适宜性评价影响越大的因素重要性就越大，分值也越大，由此构造比较矩阵。通过计算，检验比较矩阵的一致性，必要时对比较矩阵进行修改，以达到可以接受的一致性。最后求出要素层中各个要素在目标层中所占的权重。

3适宜性评价结果

3.1网络剖分方式

以1：10万底图为基础，按2km×2km的间隔进行网格剖分。

3.2要素赋值

此次评价采用的所有基础数据均来自近年来的各类地质勘察报告及野外测量数据，数据的预处理主要包括数据的矢量化、数据的分类与标准化，采用GIS软件来实现。

数据的矢量化过程即编制要素指标层各要素分区图，但是各要素分区中所用数据的类型和量纲各不相同，为了在同一评价体系内对不同数据进行比较和运算，需要在评价之前对数据进行标准化处理，此次评价对数据标准化的具体处理方法为：以是否适宜建设地埋管式水源热泵系统为比较标准，对各个要素的范围值在1-9之间打分，越有利于地埋管式地源热泵系统应用的则所获分值越高，从而将所有数据转化为介于1-9之间可以相互比较运算的无量纲数值。各个要素的标准化处理具体过程如下。各要素具体赋值见表6。

通过其空间分析功能对各图层中不同因素所覆盖的结点进行赋值，这样所有的指标层中的因素都通过结点叠加到一起。再乘上各因素的权重系数。进行累加求和。其评价公式：

式中：

P-适宜性区划评价分值

p_i-参与评价的第i项要素的赋值

W_i-第i项要素的权重系数

n一评价因子的个数

根据评价公式求出各评价单元的总积分值P。根据P值的大小，进行适宜性分区。

3.3适宜性评价

根据此次评价工作实际计算结果的分值分布情况，0-5为地埋管式地源热泵不适宜区：5-7为地埋管式地源热泵较适宜区：7-9为地埋管式地源热泵适宜区。其中适宜区面积为8945.5km²，较适宜区面积为975.1km²，不适宜区面积为435.7km²。最后的评价结果见图2。

4结语

在大量的实测资料基础上，通过层次分析法对德州市浅层地热能地埋管换热方式进行适宜性评价，第四系（第三系松散层）厚度、水位埋深、含水层厚度、钻进条件、综合热传导系数、平均比热容等6个指标的选取，是符合当地实际和评价要求的。

通过评价分区，德州市地埋管换热方式适宜性划分为适宜、较适宜、不适宜3个区。结果显示，德州市大部分地区浅层地热能条件优越，适宜大力开发浅层地热能。总体看德州市浅层地热能适宜性好，开发潜力巨大。

[责任编辑：王伟平]