西安地区浅层承压水水源热泵适宜性评价

，，

(长安大学 a.环境科学与工程学院；b.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054)

西安地区浅层承压水水源热泵适宜性评价

赖光东a，b，周维博a，b，姚炳光a，b

(长安大学 a.环境科学与工程学院；b.旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054)

2017,34(12):22-27

为提高水源热泵适宜性评价结果的合理性，利用富水性、回灌率、渗透系数、含水层厚度等13个参评因子构建了西安地区浅层承压水水源热泵适宜性评价指标体系。通过层次分析法、基尼系数赋权法确定评价指标的权重，在GIS技术支持下，建立适宜性二级评价模型，将适宜性划分为4个等级，并分析了浅层承压水水源热泵适宜性分布状况。结果表明：浅层承压水水源热泵适宜区面积为1 144.32 km2，较适宜区面积为1 393.57 km2，一般适宜区面积为762.48 km2，不适宜区面积为6 807.63 km2。适宜区总面积达3 300.36 km2，占人类主要活动区面积的76.98%，浅层承压水水源热泵技术有较好的应用前景。

地下水源热泵；层次分析法；基尼系数赋权法；GIS技术；适宜性评价；西安市

1 研究背景

21世纪面临的资源短缺、能源利用率低的问题越来越严峻，开发利用高效、节能的自然资源成为社会发展的大潮流。地下水源热泵作为一种可再生能源利用技术，其应用水平不仅依赖于先进设备和成井技术，还依赖于科学的选址方案。

水源热泵选址依据来源于适宜性评价结果，很多学者在这方面做了一些研究。王贵玲等[1]分析了影响水源热泵的关键因素，从宏观上划分出我国水源热泵适宜性程度的大致区域；刘立才等[2]根据北京市规划区的水文地质条件，对不同抽回灌模式下的水源热泵适宜性进行评价；宋小庆等[3]在分析贵阳市土壤源浅层地温能赋存条件、现场热响应试验的基础上，对该地区土壤源浅层地温能的适宜性和开发利用潜力进行了探讨；刘晓宇[4]在调查、抽水试验的基础上，对西安市北郊水源热泵具体点的适宜性进行评价。适宜性评价为水源热泵选址提供了正确的思路，但一些适宜性研究中存在基础资料不详、指标赋权方式单一、关键指标选取不全、含水岩组界定不严等问题，导致适宜性评价结果与实际情况不符，实际应用中难以采纳规划方案。

为提高评价结果的合理性，以西安市浅层承压含水岩组作为研究对象，选取水文地质条件、环境地质条件的指标，采用主、客观评价的最优组合赋权方法，对浅层承压水水源热泵适宜性进行划分，为西安地区水源热泵建设选址提供科学的依据。

2 研究区概况

2.1 自然地理条件

西安市所处地理位置为107°40′E—109°49′E，33°42′N—34°44′N，东西横跨204 km，南北纵跨101 km，南部秦岭及东南山地面积为5 820.62 km2，总面积达10 108 km2。境内河网分布较密，共54条河流，多年平均气温为12.9～13.5 ℃，年平均降水量为511.0～627.6 mm，表现为雨热同期、四季分明的气候类型。

2.2 水文地质条件

西安市浅层承压含水层底板埋深为180～200 m，岩性由第四系中、下更新统沉积物组成。平原区浅层承压含水层富水性一般为100～5 000 m3/d，含水层厚度为30～100 m，渗透系数为1～40 m/d，水温为16.5～21.0 ℃，河漫滩及一级阶地上地下水的回灌条件较好。从秦岭山前到渭河平原，浅层承压水呈现大范围单一的HCO3型水，矿化度<0.5 g/L。总体上渭河漫滩、一级阶地上含水层水文地质条件较好，远离渭河的地貌单元其水文地质条件较差。

2.3 水源热泵应用现状

目前，西安市超过40家生产单位及机构采用地下水源热泵技术供暖制冷，该技术节能减排效果明显，热泵系统数量呈现增长的趋势。但仍有部分地下水源热泵空调系统由于开发前期水资源论证不足、盲目规划选址、回灌效果差、疏忽管理等原因，出现水源热泵效率低、水质恶化、设备腐蚀甚至报废等一系列棘手问题。

3 适宜性评价体系的建立

3.1 评价模型的建立

[5]的研究，将水源热泵适宜性评价指标分为一般因子和特殊因子，这2种因子在适宜性评价方法上有所差异。一般因子采用层次分析法、基尼系数赋权法联合判定权重，应用于适宜性一级评价；特殊因子采用一票否决法进行评价[6]，将地质环境差的地区和地质环境保护区视为地下水源热泵系统的不适宜区[7]。鉴于特殊因子对水源热泵规划选址的直接决定作用，地质环境差的地区及保护区需在一级评价基础上进行二级评价，从根源上避免相关地质灾害的发生。

一般因子是指影响水源热泵开发建设的水文地质条件，也是适宜性一级评价的对象。结合西安市水文地质资料，确定适宜性一级评价结构的准则层由水文地质、水动力场、水化学场、水温场组成。水文地质包括含水层厚度、富水性、回灌率，用来衡量含水层的出水及回灌能力；水动力场包括顶板埋深、渗透系数、水力坡度，用来衡量取水成本及地下水恢复能力；水化学场包括矿化度、硬度、水化学类型，可以反映含水层的水质状况；水温场主要指含水层初始水温，能反映地下水热储量情况。

特殊因子是关于环境地质条件的指标，结合西安市地裂缝分布特征及地下水保护要求，在地裂缝、禁采区、水源地保护区的影响范围内禁止从事工程建设活动。水源热泵技术涉及地下水开采，过量地抽取地下水容易引起地面沉降，加剧地裂缝活动，同时水源热泵抽灌行为可能会引发水源地含水层热污染现象。环境地质灾害易发区(地裂缝、禁采区)和环境保护区(水源地)需再进行适宜性二级评价。基于一般因子和特殊因子的浅层承压水水源热泵适宜性评价体系结构如图1所示。

图1 西安市浅层承压水水源热泵适宜性评价体系结构

3.2 适宜性一级评价

3.2.1 指标权重的确立

在适宜性一级评价中，一般因子的权重可反映各项水文地质指标对水源热泵的影响程度。基于层次分析法、基尼系数赋权法联合确定一级评价指标的最优权重，能为决策者提供系统的决策方案。

3.2.1.1 主观赋权

层次分析法为一种主观赋权方法，是分析多目标、多准则、多要素复杂系统的有力工具，能为决策者提供更可靠的策划方案。利用层次分析法Excel表格确定一般因子的权重，由于该方法在构造判断矩阵、层次单排序、层次总排序及一致性检验阶段都比较简单，因此在后期一致性调整时也十分方便[8]。

层次分析法权重计算步骤为：①构造两两对比判断矩阵；②层次单排序计算；③判断矩阵一致性检验。如果一致性检验结果CR≤0.1，表明判断矩阵具有满意的一致性，否则需要进行一致性调整。一级评价准则层(包括4个准则，n=4)对于目标层的权重计算步骤如下所述。

(1) 构造两两对比判断矩阵。采用1-9比例标度法构造两两对比判断矩阵A并制成表格形式，A的主对角线元素为1，判断矩阵为

(2) 层次单排序计算。利用方根法计算判断矩阵A的最大特征根λmax及其对应的经归一化后的特征向量w=(w1,w2,w3,w4)T，其中，

(1)

式中wi为第i个准则权重。

(3) 判断矩阵一致性检验。

(2)

(3)

式中：CI，CR，RI分别为判断矩阵一致性指标、一致性比率、随机一致性指标。

判断矩阵A的一致性检验结果CR值为0.030 07，准则层对目标层具有满意的一致性。要素层对于准则层的权重计算方法、过程与上述一致，当所有判断矩阵一致性检验结果满足条件后，对各个一般指标进行层次总排序，各指标权重计算结果见表1。

表1 适宜性一级评价主观权重结果

3.2.1.2 客观赋权

基尼系数是一个定量测定收入分配差异程度的指标，而基尼系数赋权法则是通过指标的基尼系数并对其进行归一化得到指标权重的一种客观赋权方法[9]。基尼系数赋权法的赋权原理可运用到水源热泵适宜性评价指标的权重计算中，基尼系数与权重计算公式为：

；

(4)

(5)

式中：Gk为第k个评价指标的基尼系数；Yki，Ykj分别为第k个评价指标的第i，j个样本数据；N为单个评价指标样本数据个数；μk为第k个评价指标样本数据均值；gk为第k个评价指标的基尼系数权重；R为适宜性一级评价指标数量。

本次水源热泵适宜性一级评价指标数量为10个，单个评价指标样本数据个数为49个，样本数据总个数为490个。利用SPSS软件对样本数据预处理，借助MatLab软件计算各指标的基尼系数及权重，其计算结果见表2。

3.2.1.3 组合赋权

适宜性一级评价赋权时，层次分析法表明了决策者的意向，决策结果偏主观性；基尼系数赋权法有较强的数学理论依据，但没有考虑决策者的意向，有时

表2 适宜性一级评价客观权重结果

会与实际情况相悖。2种赋权方法各具片面性，且权重评价结果不一致。为统筹兼顾决策者的主观意愿和客观公正度，可考虑建立最优组合赋权模型获得更合理的权重。为使权重组合不失一般性[10]，可令

Wk=k1pk+k2qk，k=1，2，3，…，10 。

(6)

式中：Wk为第k个指标的组合权重；k1，k2为组合权重的线性表示系数，简称组合系数；pk为第k个指标的主观权重；qk为第k个指标的客观权重。

不妨设k1，k2均≥0，且满足单位化约束条件k12+k22=1。显然，同一样本数据只存在一种权重组合使得综合评价值最大，且这种权重组合下决策方案最优。单个样本的综合评价值yi表示为

(7)

式中：i为样本编号；xik为样本i第k个指标经正向化和标准化处理的值。

当考虑所有样本数据时，确定组合系数问题转化为式(8)的最优化问题。

(8)

W=(0.369 1，0.129 7，0.127 9，0.192 1，0.082 7，0.046 2，0.084 3，0.091 0，0.221 0，0.069 7)。

将一般因子权重结果W进行归一化处理[11]得

W*=(0.261 0，0.091 7，0.090 5，0.135 9，0.058 5，0.032 7，0.059 7，0.064 4，0.156 3，0.049 3)。

最优组合权重结果见表3，其中，富水性、回灌率、顶板埋深、渗透系数、含水层厚度的权重分别为0.261 0，0.156 3，0.135 9，0.091 7，0.090 5，以上5个指标权重较大，因此在水源热泵适宜性一级评价时要重点考虑这些因子的影响。

表3 主客观评价最优组合权重结果

3.2.2 空间叠加分析

图层叠加分析之前，需要对单指标图层进行矢量化、赋属性值，并将矢量文件转换成Shapfile格式[12]，为单指标图层的叠加融合做准备。属性值包括指标量化分级、权重、分值。各指标的适宜程度用1～10之间的分值表示，分值大的区域适宜性程度好，分值小的区域适宜性程度差。西安地区浅层承压水水源热泵适宜性一级评价量化指标分级见表4。

属性赋值之后，利用GIS软件对单指标图层进行空间叠加分析，叠加后产生900个子区，第l(1≤l≤900)个子区的适宜性综合指数计算公式为

(9)

式中：Ml为第l个子区的适宜性综合指数；Wlk为第l个子区第k个指标权重；mlk为第l个子区第k个指标分值。

根据适宜性综合指数大小将浅层承压水水源热泵适宜性划分为4个等级(见表5)，分别为不适宜区、一般适宜区、较适宜区、适宜区。适宜区鼓励建设水源热泵空调系统，较适宜区、一般适宜区可根据社会、经济、人口情况进行建设，不适宜区则禁止建设水源热泵空调系统。适宜性一级评价分区结果见图2。

根据适宜性一级评价结果，适宜区面积为1 350.35 km2，较适宜区面积为1 581.35 km2，一般适宜区面积为780.6 km2，不适宜区面积为6 395.7 km2，其中不适宜面积中山地面积占5 820.62 km2。

3.3 适宜性二级评价

西安市最常见的地质灾害是地裂缝，地裂缝所到之处楼房被撕裂，马路被错开，管道被切断，农田被破坏，给工程建设、工农业生产和人民生活带来极大的危害[13]，水源热泵建设应尽量远离地质灾害多发区。根据《陕西省沿渭河主要城市地下水超采区划定及保护方案》，自2007年西安市城中心地下水严重超采区划为禁采区，因此该区域内不宜建设地下水源热泵空调系统。另外，水源地是城市饮用水集中供水来源，为保证充足的水量和健康的水质，其周围不允许有其他工程取水设备，因此水源热泵选址应规避水源保护区。基于以上3个特殊因子分析，采用一票否决法将地裂缝、禁采区及水源地保护区划为水源热泵不适宜区。西安市地裂缝、禁采区及水源地保护区分布情况见图3。

表4 适宜性一级评价量化指标分级

表5 西安地区浅层承压水水源热泵适宜性综合评分等级划分

图2 西安市适宜性一级评价分区

图3 西安市特殊因子分布

地下水源热泵开发利用以不破坏地质环境、防止环境地质灾害为先决条件。因此需要将适宜性一级评价结果(图2)与特殊因子分布(图3)的矢量图叠加，将一级评价适宜区(适宜区、较适宜区、一般适宜区)内的水源地、禁采区、地裂缝区域剔除[14]，完成适宜性二级评价，其分区结果见图4。

图4 西安地区浅层承压水水源热泵适宜性分区

4 适宜性评价结果分析

西安地区浅层承压水水源热泵适宜性等级分区包括适宜区、较适宜区、一般适宜区、不适宜区。根据水源热泵适宜性二级评价结果可知，适宜区(包括适宜区、较适宜区、一般适宜区)面积为3 300.36 km2，占人类主要活动区面积的76.98%,占总面积的32.65%;不适宜区面积为6 807.64 km2，占总面积的67.35%。不适宜区包括山地、水源地、禁采区、地裂缝区域和部分评价区，研究区内的秦岭、骊山山地面积为5 820.62 km2，沣皂、渭滨、浐河、灞河、西北郊、段村、泾河工业园大型水源地面积为225.99 km2，城中心的禁采区、地裂缝分布区面积为227.43 km2，评价区不宜范围分布在主城区东南部、蓝田县及长安区，面积为533.60 km2。适宜区沿着渭河两岸呈带状分布，面积为1 144.32 km2，一般适宜区分布在周至县、长安区、主城区东南部，面积为762.48 km2，较适宜区在各区县(蓝田除外)均有分布，面积为1 393.57 km2。

根据水源热泵空调系统应用调查评价结果，西安地区水源热泵主要分布在主城区，之前开发利用程度较大。但在城中心大范围被划为禁采区后，主城区可继续开发的区域面积缩小，适宜建设区分布在城中心四周。此外，除蓝田县不宜建设地下水源热泵系统，其他区(县)均分布着大面积的适宜建设区。

5 结 论

(1) 通过主观评价的层次分析法、客观评价的基尼系数赋权法得到2种权重结果，利用最优组合赋权算法得到的权重，能保证决策结果合理性。

(2) 浅层承压水水文地质条件是影响水源热泵建设的关键要素，也是适宜性一级评价的对象；环境地质条件对适宜性评价具有决定作用，即在环境地质灾害易发区和保护区内禁止建设水源热泵系统，这是构建二级评价的主要原因。

(3) 西安地区浅层承压水水源热泵适宜程度由渭河向两岸延伸的区域逐渐变差，其趋势与地貌的过渡趋势一致，反映了水源热泵选址与地貌有很大的关系。

(4) 西安地区浅层承压水水源热泵适宜区面积占人类主要活动区面积的76.98%，地下水源热泵空调系统具有较好的发展前景，且在河漫滩、一级阶地、二级阶地建设条件最佳。

参考文献：

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Suitability Evaluation for Shallow ConfinedWater Source Heat Pump in Xi’an

LAI Guang-dong1,2，ZHOU Wei-bo1,2，YAO Bing-guang1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China;2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

A suitability evaluation system for shallow confined water source heat pump in Xi’an is constructed in consideration of thirteen factors including water abundance, reinjection efficiency, hydraulic conductivity, and aquifer thickness. The weight of each factor is determined by using analytic hierarchy process method and Gini coefficient method. In addition, GIS technology is employed to build up a two-level evaluation model for spatial analysis, and the suitability of the study area is divided into four levels. Results reveal that the area of favorable region for constructing water source heat pump system in the study area is 1144.32 km2，the area of suitable region is 1393.57 km2, the area of moderately suitable region is 762.48 km2, and the area of unsuitable region is 6807.63 km2. The total area of suitable region is 3300.36 km2, accounting for 76.98% of the human activity area, indicating that shallow confined water source heat pump has a good prospect in Xi’an city.

groundwater source heat pump; analytic hierarchy process; weight determination according to Gini coefficient; GIS technology; suitability evaluation; Xi’an city

2016-12-05；

2017-02-15

陕西水利科技计划项目(2014slkj-19)

赖光东(1990-)，男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事水文地质方面的研究，(电话)18392980902(电子信箱)1603772423@qq.com。

周维博(1956-)，男，陕西乾县人，教授，博士，主要从事水资源与水环境及节水灌溉和地下水方面的研究，(电话)13991308286(电子信箱)zwbzyz823@163.com。

10.11988/ckyyb.20161274

TK529

A

1001-5485(2017)12-0022-06

(编辑：黄 玲)