指标法与层次分析法在浅层地温能适宜性评价中的应用讨论

2021-04-13牛水源刘金勇黄伟荣

山东国土资源 2021年4期

牛水源，刘金勇，黄伟荣

(山东省物化探勘查院，山东济南 250013)

0 引言

浅层地温能开发利用适宜性分区的目的是为地源热泵工程场地勘查、设计提供依据[1-3]，为政府制定浅层地温能开发利用规划、项目审批和管理提供依据。地源热泵系统分为地埋管地源热泵系统、地下水地源热泵系统、地表水地源热泵系统(污水源、海水源也分别是地表水地源热泵的型式)[4-6]。本文以地埋管换热系统为例，在莱阳市城区范围内通过对地埋管地源热泵换热系统进行适宜性分区，讨论指标法和层次分析法在分区方法和分区结果中的区别，进而探索更加符合实际的分区方法(1)山东省物化探勘查院，莱阳市浅层地温能调查评价报告，2020年。。

1 莱阳市地质环境条件概况

莱阳市地处山东省胶东半岛中部，东临海阳市，西接莱西市，北接栖霞、招远两市，南邻即墨市，东南濒黄海丁字湾，评价区主要为莱阳市城区范围。

评价区属沉积盆地，沉积地层主要为中生代白垩纪王氏群砾岩、砂岩、含砾砂岩，厚度在220～1500m之间，地层稳定；区内地表大部分区域被第四系覆盖，但厚度较薄，一般在1～8m。区内构造、岩浆岩均不发育。

含水岩组主要分为2类，一类是松散岩类孔隙含水岩组，另一类是碎屑岩类裂隙含水岩组，区内地下水富水性普遍较弱、水质较差[7]。

评价区内岩土体导热系数在1.09～2.42W/(m·℃)之间。西北部视家楼村—西马山村一带以及东南部柳沟村—文翘泊村一带导热系数最小，为1.09～1.18W/(m·℃)，其他区域导热系数变化不大，为1.79～2.42W/(m·℃)。

评价区内地表以下80m深度地温为15.58～16.81℃，100m深度地温为15.95～17.49℃，120m深度地温为16.49～18.11℃。

评价区主要为河谷平原、山间盆地平原，环境地质条件相对简单，主要的环境地质问题是崩塌和地下水质恶化等问题。

2 地埋管换热系统的换热形式

地埋管换热系统工作原理是传热介质在密闭的竖直或水平地埋管中循环，利用传热介质与地下岩土层、地下水之间的温差进行热能量交换，再通过热泵技术实现对建筑物的供暖和制冷[8-9]。地埋管换热系统可分为垂直地埋管与水平地埋管2种方式。本文的适宜性进行评价对象为垂直地埋管换热系统。

3 评价方法类型

本次适宜性评价采用指标法和层次分析法进行地埋管换热系统适宜性评价。

3.1 指标法

3.1.1 评价体系

指标法根据规定的分区指标要素进行相互比较，在满足综合评判标准的前提下得出相应的适宜性分区结果。

3.1.2 评价步骤

根据表1中的3项分区指标，结合表中综合评判标准直接得出适宜性分区结果[10-11]。

表1 (竖直)地埋管换热方式适宜性分区

3.2 层次分析法

3.2.1 评价体系

一种能有效地对较为复杂、模糊的问题作出决策的方法，是一种定性与定量相结合，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予量化，较适用难于完全定量分析的问题[12-15]。特别是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，因其简便、灵活而又实用，在实践中得到广泛应用。

其主要方法是:建立递阶层次结构模型，然后构造出各层次中的所有判断矩阵，层次单排序及一致性检验，层次总排序及一致性检验，确定各种方案和措施的重要性排序权值，最后作出决策。

3.2.2 评价步骤

(1)确定评价指标。结合评价区实际情况，地埋管换热系统适宜性分区主要考虑地质、水文地质条件、岩性组成、地质环境、热物性等因素(表2)。

(2)确定因子权重。地埋管换热系统评价体系层次结构模型由三层构成，从顶层至底层分别由目标层、属性层和要素指标层3级层次结构组成。评价目标是地埋管换热系统适宜性分区；属性指标由水文地质条件、地质条件、地层属性与热物性、地质环境等3项构成；本次评价要素指标采用单一厚度、水位埋深、渗透系数、含水层厚度、导热系数、构造条件、地层岩性、地下水质、水源地保护等10个要素指标(表2)。

表2 地埋管(竖直)换热系统适宜性分区主要因素

按照层次分析法(AHP)的要求，在评价体系的层次隶属关系的基础上，通过统计和研究分析，采用1～9标度法(表3)，分别比较属性层和要素层中各因素的重要性，构成比较矩阵(式1)。在确定各属性以及各要素之间的重要性后，通过YAAHY(层次分析法软件)将重要性以数值形式带入计算，从而得出各属性、要素权重值。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，最终达到可以接受的一致性，最后确定各因子权重[16-18]。

表3 1～9数量标度取值及含义

(1)

属性层各因素的重要性程度比较如表4，要素层中各个要素指标因子在目标层中所占的权重见表5所示。

表5 要素层中各要素指标在目标层中权重

(3)确定评价分区标准

①网格剖分。以1∶5万地理底图为基础进行评价网格剖分,网格大小500m×500m。

②要素分值。借助MapGIS制图软件[19]，制作各要素指标的图件，包括含水层厚度分区图、地下水位埋深分区图、渗透系数分区图、单一岩体厚度分区图、地层岩性分区图、导热系数分区图等10张分区图。再以是否适宜建设地埋管换热系统为比较标准，对各个要素的范围值在1～9之间打分，越有利于地埋管换热系统应用则所获分值越高，从而将所有数据转化为介于1～9之间可以互相比较运算的无量纲数值表6(依据“山东省浅层地温能调查评价成果编制指南”)。

表6 地埋管换热系统适宜性评价各要素赋值

③网格赋值。网格剖分图与已经赋值完毕的图件进行叠加，把各要素图件中的赋值对应到了相应的网格上。采用综合指数法公式计算[20](式2)，将每个网格点上的属性赋值与其相对应的权重值相乘，然后求和，得出每个点上的初步分值。综合评价指数法计算公式如下:

(2)

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

④适宜性分区标准。按层次分析法，并考虑实际情况[10-11]，将分值7～9的区域设定为地埋管换热系统适宜区，分值5～7的区域设定为适宜性中等区，分值0～5的区域设定为适宜性差区(表7)。

表7 地埋管换热系统分区分值指标

4 地埋管换热系统适宜性分区

各要素在评价区内的分布特征见图1—图9。

1—单一岩体厚度>120m、含水层总厚度<10m；2—评价区范围

评价区内单一岩土体厚度均大于120m，含水层厚度均小于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—分区界线；6—评价区范围

1—渗透系数>10/(m/d)；2—渗透系数<1/(m/d)；3—分区界线；4—评价区范围

1—林家庄组；2—辛格庄组；3—红土崖组；4—分区界线；5—评价区范围

1—导热系数1.5～2.42W/(m℃)；2—导热系数1.0～1.5W/(m℃)；3—分区界线；4—评价区范围

1—100m深度地温>17.0℃；2—100m深度地温16.5～17.0℃；3—100m深度地温16.0～16.5℃；4—100m深度地温<16.0℃；5—分区界线；6—评价区范围

1—Ⅲ类水；2—Ⅳ类水；3—Ⅴ类水；4—分区界线；5—评价区范围

1—无水源地保护区范围；2—水源地保护区范围；3—分区界限；4—评价区范围

1—无地质灾害区；2—崩塌地质灾害中易发区；3—分区界线；4—评价区范围

评价区内东北方向吴格庄村周边，水位埋深大于15m；西马山村—粱好泊村一线的东北方向，水位埋深10～15m；红土崖北—粱好泊村一线，水位埋深5～10m；其他区域，水位埋深均小于5m。

渗透系数较大的区域为五龙河流域，该区域含水层岩性主要为中粗砂，含水砂层孔隙大、渗透性强，渗透系数大于10m/d，其他区域均小于1m/d。

评价区内自东北向西南依次为林家庄组砾岩、辛格庄组含砾砂岩、红土崖组泥质粉砂岩。

评价区内西马山村—视家楼村一带以及红土崖村周边导热系数1.0～1.5W/(m·℃)之间，其他区域导热系数在1.5～2.42W/(m·℃)之间[21]。

评价区内地表以下100m深度地温自北向南依次降低，西马山村—吴格庄村一带大于17℃，视家楼村—粱好泊村一带为16.5～17℃，左家夼村—红土崖村一带为16～16.5℃，其他区域小于16℃。

Ⅲ类水主要分布在评价区东北方向，城区中心—吴格庄村一带，呈条带状展布；Ⅴ类水分布在评价区西北、西南、东南方向，工业园区及农业较发达区域；其他区域均为Ⅳ类水。

评价区内大部分区域无水源地保护区范围，仅在吴格庄村西北方向呈条带状展布小面积水源地保护区。

评价区内吴格庄村以北一带为崩塌地质灾害中易发区，该区自然条件下地质灾害不发育，在降雨、风化作用下，易引发崩塌；其他区域无地质灾害。

4.1 分区结果

4.1.1 指标法

按照指标法(表8)得出的地埋管换热系统适应性分区图(图10)，评价区全区均为地埋管换热适宜性中等区。适宜性中等区面积55.0km2，约占全区面积的100%。

表8 地埋管换热方式适宜性分区结果表(指标法)

1—地埋管换热方式适宜性中等区；2—评价区范围

4.1.2 层次分析法

按照层次分析法(表9)得出的地埋管换热系统适应性分区图(图11)，评价区内吴格庄村东北方向划分为地埋管换热适宜性差区，其他区域均为地埋管换热方式为适宜性中等区。适宜性中等区面积53.9km2，约占全区面积的98%；适宜性差区面积1.1km2，约占全区面积的2%。

4.2 结果对比

指标法和层次分析法所得出的适宜性分区结果中[22-24]，98%相同，2%不同，2种方法得出的结果可靠[25-26]。分区结果不同的区域为吴格庄村东北方向面积约1.1km2，2种方法的适宜性分区结果不同的主要原因是所采用的指标不完全相同，其次是方法步骤不同。首先，指标法所选用的指标要素共3项，分别为:单一岩体厚度、导热系数、含水层总厚度；而层次分析法所选用的指标要素除了指标法分区时参与的3项指标以外，还包括地下水位埋深、渗透系数、地层岩性、100m深度地温、地下水质、地质灾害以及水源地保护区。其次，指标法的分区方式为:所选用的3项指标相叠加，再按照相应的综合评判标准加以判断分区；而层次分析法采用10项指标要素进行赋值权重综合计算，再利用综合评价指数法计算得出分值作为分区依据，最后按照所得分值将各剖分网格进行叠加后得出地埋管换热方式适应性分区图。

表9 地埋管换热方式适宜性分区结果(层次分析法)

1—地埋管换热方式适宜性中等区；2—地埋管换热方式适宜性差区；3—适宜性分区界线；4—评价区范围

指标法使用3项指标，根据适宜性分区表中的条件要求直接划区，该方法简单有效，但精度稍低；层次分析法使用10项指标，按照评价指标的选取、因子权重的确定、网格剖分、网格赋值等步骤进行综合评分后，按所得分值划区，该方法考虑到的因素全面，赋值合理，使用灵活。通过对比认为，层次分析法更加贴近实际情况，分区结果更加合理。