层次分析法在肥城市浅层地温能地埋管地源热泵适宜性分区评价中的应用①

崔庆岗

中化地质矿山总局山东地质勘查院，山东 泰安 271000

浅层地温能指蕴含于地下 200m以浅的地下水和岩土体中、一种可再生的新型清洁能源[1-2]，具有资源储量丰富、分布广泛、埋藏浅、开采成本低等优点[3]。合理开发利用浅层地温能对节约传统能源和控制环境污染具有良好的经济效益和社会效益[4]。近年，国家大力推广地源热泵项目，由于缺乏前期勘查和开发利用规划[5]，投资偏高、运行效率偏低的现象时有发生[6-9]。为更好的开发利用浅层地温能资源，山东省于2015～2017年期间完成了17个地市主城区、新区、规划区浅层地温能资源评价[10-19]，研究归纳总结了地埋管换热对岩土体影响、水源热泵流量对地埋管深度的影响以及监测系统建设等。肥城市浅层地温能勘查工作起步晚，目前区内尚未开发使用地源热泵项目。

本文以肥城市城市规划区浅层地温能调查评价项目为依托，采用层次分析法，开展了浅层地温能适宜性分区、资源潜力评价，估算了浅层地温能热容量及换热功率。本文是肥城市首次利用实测数据开展浅层地温能适宜性评价，可为后期浅层地温能的合理开发利用提供科学依据，能够更好服务于当地社会经济的发展，同时也对其他相近地区浅层地温能的开发利用和推广提供参考数据。

1 研究区概况

1.1 浅层地质结构特征

研究区位于华北板块（Ⅰ）鲁西隆起区（Ⅱ）鲁中隆起区（Ⅱa）东平-肥城隆断（Ⅱa4）之东平凸起（Ⅱa41）和肥城凹陷（Ⅱa42）上，石炭-二叠系发育于肥城凹陷，其他发育于东平凸起上。

研究区位于山东省泰安市西部，属于鲁西地层分区。区内几乎被第四系覆盖；其中，大站组主要分布于南部山区，为砂质黏土、砾石，厚8.2～47m；临沂组分布于康王河、沂河组两侧，上部为粘土质砂，中下部为中粗砂、含砾砂，底部为砂砾层，厚25.4～48.7m；沂河组主要分布于康王河流域范围内，为中粗砂、含砾砂，厚25～29.5m。古生代地层局部出露于南部山区，其他区域隐伏于第四系之下，主要发育寒武系九龙群三山子组厚层含燧石结核白云岩、微晶白云岩，奥陶系马家沟群东黄山组薄层泥质白云岩夹角砾状白云岩（厚75.42～79.21m）、北庵庄组厚层微晶灰岩夹少量泥质白云岩（厚33.65～192.10m）、五阳山组厚层含生物碎屑微晶灰岩和微晶灰岩（厚33.24～55.25m）以及石炭-二叠系砂岩、粉砂岩（图1）。

图1 研究区地质略图Fig.1 Geological sketch map of the study area

研究区发育主要断裂构造有：肥城断裂，位于研究区北侧，延伸至老城镇鲍屯一带，倾向南，倾角40°～50°，北升南降，落差大于1000m，由多组断裂交切而成，是肥城凹陷的主控断裂；桃园断裂，位于研究区南部，近东西向，倾向南东，倾角86°，正断层；马山断裂，横穿研究区中部，近南北向，倾向东，倾角82°～87°，正断层，具导水性。

1.2 水文地质特征

研究区位于肥城-沂水单斜断陷水文地质亚区，含水岩组划分为第四纪松散岩类孔隙水含水岩组和奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组两种（图2）。笔者曾对该区域的含水层厚度、单井涌水量、水化学类型、补泾排特征、水位埋深情况等水文地质要素进行了探讨，本文不再详述[20]。

图2 研究区水文地质立体图Fig.2 Hydrogeological stereogram of the study area

第四纪松散岩类孔隙水大致以康王河为界，流域范围内以沂河组为主，流域以北第四系以临沂组为主，水位埋深多小于10m，年降幅2～5.8m；南部第四系以大站组、临沂组为主，几乎不含孔隙水或含水量极少。第四纪孔隙水受人类工业、农业等生产活动影响较大，浅部极易遭受污染。2018年10月20日在蒋庄社区南、孙庄社区西、南仪仙村东、东大封村南铁路北10m以浅采集4件水质分析样，水化学类型分别为SO4·HCO3-Ca、HCO3-Ca、SO4-Ca、HCO3-Ca·Mg，SO42-、NO3-、总硬度等含量普遍较高，水质量类型为Ⅳ～Ⅴ类。第四纪松散岩类孔隙水水位动态属气象水文型，丰水期水位升高，枯水期水位下降明显。第四系底部多普遍发育一层含砂粘土及粘土层，隔绝第四纪孔隙水与奥陶纪裂隙岩溶水之间的水力联系，仅在康王河南侧通过“天窗”与岩溶水发生联系。

奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水多隐伏于第四系之下，仅在南部龙山公园、母猪山一带裸露于地表。水位埋深介于45～110m，年降幅为12.78～33.74m，水化学类型以 HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Mg·Ca、HCO3·SO4-Ca·Mg 为主，阳离子以Ca2+、Mg2+为主，阴离子有由HCO3-向SO42-变化的趋势，说明经济发展中工农业及其他行业有可能引起了SO42-污染，导致水化学类型发生了变化。裂隙岩溶水大致以康王河为界，流域范围内水质量为优良区，外围水质量为良好级，为地下水上游补给区；基本上未受到污染，水质量为Ⅱ～Ⅲ类水。水位动态变化与大气降水关系密切，属气象水文型，具有明显滞后现象，为肥城市城市规划区主要的集体供水水源地。

1.3 地温场分布特征

本次研究采用钻孔稳态测温法，在肥城市城市规划区共测量深井24眼，含水岩组类型为奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水，编号为 C01～C24，测温时间2020年3月25日～2020年4月2日；奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水动态监测井 4眼，编号为C02、C16、C19、C22，监测时间2019年12月1日～2020年10月30日；第四系松散岩类孔隙水动态监测井13眼，编号为Q01～Q13，监测时间2018年1月5日～2018年11月20日（图3）。

根据测温数据显示[20]：研究区大面积区域200m以浅的地温介于 17～18℃；最高温位于西大封-朱庄-金槐-冉庄一带，地温大于18℃，呈南北向展布，这应该与近南北向马山断裂、东西向肥城断裂及桃园断裂错断导致深部热量上涌有关；最低温位于康王河流域范围，地温普遍大于17℃，可能是康王河流域地下水径流较强、地下水垂向流动较快导致的。

从地温梯度曲线图来看（图3），研究区地温梯度曲线与地温展布特征是一致的。最高值位于研究区西部，王瓜店镇蒋庄-新镇村、西大封-朱庄-金槐-冉庄一带，呈现由东到西递进增加的趋势，地温梯度大于2.5℃/100m，最高值位于西大封社区，地温梯度达到4.73℃/100m；冉庄一带的地温梯度也超过2.5℃/100m；老城镇西百尺一带地温梯度大于2.0℃/100m；其他大范围区域内地温梯度小于1.0℃/100m。

图3 研究区地温梯度等值线图Fig.3 Geothermal gradient contour map of the study area

从裂隙岩溶水水位、水温动态曲线图来看，研究区C02井（图4a）水位埋深66.63～81.96m，年变幅15.33m，井底水温17.8～18.0℃，年变幅0.2℃；C16井（图4b）水位埋深60.44～94.18m，年变幅33.74m，井底水温16.3～16.7℃，年变幅0.4℃；C22井（图4d）水位埋深84.76～97.54m，年变幅12.78m，井底水温16.5～16.6℃，年变幅0.1℃；C19井（图4c）于2020年7月份干涸报废停止动态监测。由此可见，水温年变幅未超过0.5℃，地温比较稳定；水位动态变化与大气降水关系密切，最低水位多出现在6～8月份。此外，奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水是肥城市城市规划区主要供水水源地，水位动态受开采强度的影响十分明显，开采程度高则水位变幅大，相反开采程度低则水位变幅小。

图4 研究区裂隙岩溶水水位、水温动态监测曲线图Fig.4 Dynamic monitoring graph of water level and temperature of fractured karst water in the study area

2 适宜性评价方法概述

浅层地温能开发利用适宜性分区主要分为地埋管地源热泵和地下水源热泵两种方式[21-22]。考虑到肥城市城市规划区的集体供水水源以奥陶纪裂隙岩溶水为主，水源地井施工深度在70～300m不等，与浅层地温能开发200m以浅的深度上是重叠的，为防止水质污染等问题出现，建议优先选择地埋管热泵系统，该方法换热量大，不涉及地下水回灌问题，对环境无污染。本次适宜性评价以地埋管地源热泵为主。

2.1 适宜性分区方法

层次分析法（AHP）是由20世纪70年代美国运筹学家Saaty等[23]提出的，是一种能对复杂、模糊问题做出决策的定性与定量相结合、系统化、层次化的分析方法，根据问题性质和完成目标，将问题分解为不同的组成因素[24-26]。这种方法可量化决策者的经验判断，适用于难以完全定量分析的问题，在实践过程中得到了广泛应用。本次通过yaahp软件，采用层次分析法，综合考虑研究区地质特征[27]和其他检验指标[28-29]，建立分区评价体系，最终归结为最底层（方案、措施、指标等）相对于最高层（总目标）的相对重要权值进行排序。

2.2 适宜性评价指标构建

通过实地调查、统计分析，参照《浅层地温能勘查评价规范》[30]地埋管换热适宜性分区原则，考虑影响肥城市地埋管地源热泵建设和效益的主要因素有3类：地质和水文地质条件、地下水动力条件和岩土体热物性特征。而生态保护区、水源地保护区则起到决定性作用，只要出现其中一个，不论前几个指标好坏都不适宜开发利用地埋管地源热泵（表1）。

表1 地埋管换热适宜性分区[30]Table 1 Heat exchange suitability zoning of the buried pipes

本次评价体系由 3层构成，从顶层至底层分别由系统目标层 O（Object)、属性层 A（Attribute）和要素指标层F（Factor）组成。O层是系统的总目标，即肥城市城市规划区地埋管地源热泵适宜性分区；A是属性指标层，由地质和水文地质条件，地下水动力场条件和岩土体热物性等3个指标构成；F是要素指标层，选择第四系厚度、含水层厚度、分层水质状况、地下水水位埋深、钻探施工难度、城市覆盖率、岩溶发育情况、平均热导率、平均热容、地温等10个指标组成（图5）。

图5 地埋管地源热泵适宜性层次分析法评价体系图Fig.5 AHP evaluation system chart of ground source heat pump suitability

2.3 适宜性评价步骤

根据层次分析法要求，在评价体系的层次隶属关系的基础上，分别比较同一层次各要素之间的相对重要性，经检验比较矩阵的一致性后，采用1～9标度法给出各要素的分值，给出要素层中各要素在目标层中所占的权重。评价要素的相对权重反映出各个要素对地埋管地源热泵适宜性分区“贡献”的大小，权重越大，表明参数对适宜性分区的影响越大，对分区结果的贡献就越大（表2，表3）。

表2 属性层各要素对目标层的权重Table 2 Weights of attribute layer essential factors to target layer

表3 各要素层对目标层的最终权重Table 3 Final weights of each essential factor layer to target layer

2.4 评价要素赋值

本次对各个区域范围进行属性赋值，其中，第四系厚度影响埋管深度；含水层厚度影响着地埋管系统换热效果；地下水分层水质状况则制约着地埋管施工深度或施工工艺；地下水水位埋深反映了包气带厚度，地层是否饱水影响着地埋管换热效果；地层岩性、厚度、硬度以及砂屑颗粒大小影响着地埋管成井费用和投资大小；城市建筑覆盖率决定着是否有空间施工热泵系统；岩溶发育程度决定了地埋管现场施工难度；热导率、比热容等热物性参数对埋管的单位孔深换热量的影响非常大；地温决定地埋管取热性能。本次适宜性评价对数据标准化，以是否适宜建设地埋管地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，越有利于地埋管地源热泵系统应用则所获分值越高，从而将所有数据转化为可以互相比较运算的无量纲数值（表4）。

表4 研究区地埋管地源热泵系统各要素赋值表Table 4 Assignment table of each essential factor of ground source heat pump system in the study area

3 适宜性评价

本次对研究区采用 0.5km×0.5km 网格结点，选取第四系厚度、含水层厚度、分层水质状况、地下水水位埋深、钻探施工难度、城市覆盖率、岩溶发育程度、平均热导率、平均比热容、地温等10个要素赋值，提取各参评要素属性赋值，将每个网格点上的属性赋值与其相对应的权重值相乘，累加求和，最终可得适宜性评价的最终得分。根据各工作区实际情况，将分值0～5的区域设定为地埋管地源热泵系统适宜差区，分值5～7的区域设定为适宜中等区，分值7～9的区域设定为适宜区。因此，研究区地埋管地源热泵适宜性划分为适宜性中等区和适宜性差区（图6）[20]。

图6 研究区地埋管地源热泵开发利用适宜性分区图Fig.6 Suitability zoning map for development and utilization of ground source heat pump in the study area

适宜中等区（Ⅰ区）：位于研究区大部分区域，面积为79.19km2，约占全区总面积的98.25%。大部分地区被第四系松散岩类覆盖，隐伏地层岩性主要为奥陶系碳酸盐岩类。第四系厚度平原区以临沂组、沂河组为主，厚度多介于30～50m，孔隙水含量丰富；南部山区以大站组为主，厚10～30m，几乎不含孔隙水或含水量极少。200m以浅，裂隙岩溶水含水层厚度介于32.87～52.18m。第四纪松散岩类孔隙水多遭受不同程度的污染，奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水质量为优良-良好，水质不同且相差较大。裂隙岩溶水水位埋深45～110m。钻进条件上，第四系岩性以多层中砂、粗砂及泥质等为主，下部隐伏地层为奥陶系灰岩，为裂隙岩溶水，岩溶较发育。城市覆盖率中等，地面施工条件较好。50m以浅的地温为14.86～19.91℃。灰岩导热系数为 1.571～5.439w/m·℃，平均值3.569w/m·℃；第四系导热系数为 0.281～2.076w/m·℃，平均值0.899w/m·℃。灰岩容积比热容为 0.556～2.572MJ/m3·℃，平均值2.013MJ/m3·℃；第四系容积比热容为 0.207～3.985MJ/m3·℃，平均值1.282MJ/m3·℃。

适宜差区（Ⅱ区）：包括白云山公园一带（Ⅱ1，1.01km2）、龙山公园一带（Ⅱ2，0.40km2），分布于工作区南部，面积为 1.41km2，约占全区总面积的1.75%，为生态保护区。

4 资源潜力评价

参照《浅层地温能勘查评价规范》[30]，采用体积法计算研究区200m以浅包气带和饱水带中的单位温差赋存热量。浅层地温能潜力评价指标主要包括热容量、换热功率。

4.1 浅层地温能热容量

按照第四系浅层松散岩孔隙水以及奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶水的地下水水位埋深和地层岩性，研究区分为较适宜Ⅰ-1区和Ⅰ-2区2个计算小区（图7）。

图7 研究区资源储量计算分区图Fig.7 Zoning map of reserves in the study area

（1）Ⅰ-1区大致位于康王河以北，主要出露第四系临沂组和沂河组，孔隙水埋深2～10m，第四系全部以饱水带计算；划分为第四系饱水带、灰岩包气带、灰岩饱水带等3个计算区域；计算厚度依据ZK2、ZK3、ZR1、ZR2、ZR3、ZR4钻孔数据获得。

（2）Ⅰ-2区大致位于康王河以南的低山丘陵区，主要出露第四系大站组、临沂组，孔隙水含量有限，第四系全部以包气带计算；划分为第四系包气带、灰岩包气带、灰岩饱水带等3个计算区域；计算厚度依据 ZK1、ZK4、ZR5、ZR6、ZR7钻孔数据获得。

经计算，研究区200m以浅的浅层地温能容量为 28.5266×1012kJ/℃，其中，包气带浅层地温容量为4.4895×1012kJ/℃，饱水带浅层地温容量为24.0371×1012kJ/℃。

4.2 浅层地温能换热功率

浅层地温能换热功率指在200m以浅的岩土体、地下水单位时间内的热交换量[31]。土地利用系数取值0.06[32]，在考虑土地利用系数的情况下，研究区200m以浅地埋管地源热泵可利用换热功率为 25.50×105kW，其中夏季可利用功率15.66×105kW；冬季可利用功率9.84×105kW。

4.3 浅层地温能潜力评价

山东省公用建筑和民用建筑单位面积冷热负荷指标比例3：2，老建筑和节能建筑指标各按50%计[33]，即夏季制冷负荷70W/m2、供暖负荷55W/m2计算可供暖面积和可制冷面积。在考虑土地利用系数的情况下，研究区200m以浅地埋管热泵系统适宜区面积 79.19km2，夏季可制冷面积 2237.143万m2，冬季可供暖面积1789.091万m2。2016年11月城区集中供热面积650万m2，若采用地源热泵的方式集体供暖，完全可以满足整个城市规划区的供暖要求，浅层地温能开发潜力巨大。

5 结论

本次采用层次分析法，对肥城市地埋管换热方式进行适宜性评价：

（1）研究区地埋管地源热泵建设和效益的主要因素有3类：地质和水文地质条件、地下水动力条件和岩土体热物性特征，选择第四系厚度、含水层厚度、分层水质状况、地下水水位埋深、钻探施工难度、城市覆盖率、岩溶发育情况、平均热导率、平均热容、地温等10个指标组成要素指标层。

（2）研究区地埋管式地源热泵适宜性划分为适宜性中等区和适宜性差区，适宜性中等区面积79.19km2，约占总面积的98.25%。适宜差区包括白云山公园、龙山公园，面积为 1.41km2，为生态保护区。

（3）研究区200m以浅的浅层地温能容量为28.5266×1012kJ/℃；地埋管地源热泵可利用换热功率为 25.50×105kW。其中，夏季可利用功率15.66×105kW，可制冷面积2237.143万m2；冬季可利用功率 9.84×105kW，可供暖面积 1789.091万m2。可以满足全区供暖要求，开发潜力巨大。

合理开发浅层地温能可节省常规能源，减少污染物向大气中排放，科学利用浅层地温能具有十分重要的意义，为肥城市城市规划区浅层地温能的开发利用提供重要数据支持和指导作用。