基于GIS和AHP的南通市主城區(qū)地下水地源熱泵適宜性評價

周紅衛(wèi)， 王　琦， 張沙莎， 楊　儀， 郭　華

(江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院，江蘇南京210002)

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基于GIS和AHP的南通市主城區(qū)地下水地源熱泵適宜性評價

周紅衛(wèi)， 王琦， 張沙莎， 楊儀， 郭華

(江蘇省地質(zhì)環(huán)境勘查院，江蘇南京210002)

摘要：將南通市主城區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地下水動力場、溫度場與熱物性、地下水化學場和環(huán)境地質(zhì)等自然因素作為層次分析法(AHP)模型的評價因子，應用AHP獲得各影響因子的權(quán)重值，并結(jié)合GIS的空間分析技術(shù)，將研究區(qū)地下水地源熱泵適宜性分為適宜、較適宜和不適宜3個大區(qū)，其中適宜區(qū)和較適宜區(qū)占總調(diào)查區(qū)的97.78%。經(jīng)檢驗，評價方法適合該研究區(qū)。

關(guān)鍵詞：層次分析法(AHP)； 地下水地源熱泵； MapGIS空間分析； 適宜性分區(qū)； 江蘇南通

0引言

淺層地溫能開發(fā)利用方式主要為地埋管式和地下水式地源熱泵。對于地埋管地源熱泵方式，適宜性分區(qū)主要考慮巖土體特性、地下水分布和滲流情況等因素；對于地下水地源熱泵方式，則主要考慮含水層巖性、分布、埋深、厚度、富水性、滲透性、地下水動態(tài)變化、地質(zhì)災害等因素(王貴玲等，2012)。

結(jié)合GIS的空間分析技術(shù)，按照層次分析法計算所得的分區(qū)標準，可將多個評價因子間交互計算后的屬性結(jié)果在GIS圖件上直觀表達。層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)(Saaty，1986)是一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法，適合于針對淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評價(董殿偉等，2010;苑雷等，2013；楊澤等，2013;Chandio et al.，2013)。

南通市主城區(qū)地下水地源熱泵適宜性的分區(qū)工作，可為淺層地溫能資源量評價、開發(fā)利用規(guī)劃及政府管理提供可靠依據(jù)。

1分區(qū)模型的構(gòu)建與評價

1.1研究區(qū)概況

南通市位于江蘇省東南隅、長江三角洲前緣，東臨黃海，南靠長江，瀕江臨海。研究區(qū)為南通市主城區(qū)，包括崇川區(qū)、港閘區(qū)、經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)3個區(qū)，面積約470.0 km2，其中陸域面積約410.0 km2，水域面積約60.0 km2(圖1)。

圖1　研究區(qū)交通位置圖Fig.1　Map showing traffic location of the study area

中國廣大平原松散地層分布區(qū)，或具備地下?lián)Q熱條件的基巖出露區(qū)，都具有開發(fā)利用淺層地溫能的條件(韓再生等，2007)。南通市位于長江三角洲平原，成陸時間不長，區(qū)內(nèi)地形平坦，河渠縱橫，水網(wǎng)密布，長江沿岸屹立有5個規(guī)模較小的孤丘，高程約30～110 m。該區(qū)地下水水源充足，富水性分區(qū)明顯，為淺層地溫能的開發(fā)利用提供了天然地質(zhì)條件。本次淺層地溫能調(diào)查研究的含水層自上而下為潛水層、第I承壓含水層、第II承壓含水層、第Ⅲ承壓含水層。區(qū)內(nèi)各含水層均通過黏性土弱透水含水層發(fā)生水力聯(lián)系，其中第I承壓水含水層(組)由上更新統(tǒng)沖積、沖海積松散地層組成，分布廣泛，含水層頂板埋深40～60 m，富水性較好，單井涌水量1 000～5 000 m3/d。水質(zhì)較復雜，受海水及后期地表水的補給淡化所影響，具有明顯的分帶性，其一般規(guī)律為由西向東，礦化度增加，水質(zhì)變差。第Ⅲ承壓水含水層為南通市地下水主采層，經(jīng)過數(shù)十年的大量或過量開采，主采層水位持續(xù)下降，改變了含水層組內(nèi)部和含(隔)水層組間的原始相平衡狀況，水質(zhì)呈咸化趨勢(單衛(wèi)華等，2008)。

結(jié)合南通市主城區(qū)特有的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和地源熱泵資源潛力評價要求，優(yōu)先選擇富水性較好的第Ⅰ承壓含水層作為評價含水層，第Ⅰ承壓含水層各要素分區(qū)圖和等值線圖作為參與適宜性分區(qū)計算的各評價因子的重要屬性。

1.2 AHP模型建立——評價因子的選擇

為了突出影響地源熱泵適宜性的主導因子，參考了國內(nèi)外較為普遍適用的評價指標，主要有地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，地下水動力場，地質(zhì)體的溫度場、熱物性，地下水化學特征以及施工條件等(董殿偉等，2010；苑雷等，2013；楊澤等，2013)。

在前人研究的基礎上，通過物探測井，抽水回灌試驗等勘察手段，確定研究區(qū)地源熱泵適宜性分區(qū)主要受5個條件控制：地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，地下水動力場，溫度場與熱物性，地下水化學場和環(huán)境地質(zhì)。評價因子分列如下。

1.2.1地質(zhì)、水文地質(zhì)條件(1) 富水性：全區(qū)根據(jù)含水層特征及富水性劃分為4個富水區(qū)：水量豐富區(qū)，單井涌水量>3 000 m3/d；水量中等區(qū)，單井涌水量為1 000～3 000 m3/d；水量較小區(qū)，單井涌水量<1 000 m3/d；缺失區(qū)，無第Ⅰ承壓含水組區(qū)及基巖區(qū)。

(2) 咸水底界埋深。全區(qū)根據(jù)咸水底界埋深等值線與第I承壓含水層隔水底板的相對位置可分為2個區(qū)：咸水底界埋深>140 m，位于隔水底板下覆；咸水底界埋深120～140 m，局部隔水底板埋深小于咸水底界埋深。

(3) 含水層回灌能力。依據(jù)回灌實驗將研究區(qū)含水層回灌能力分為2個區(qū)：回灌較好區(qū)，采灌比0.35～0.65；回灌一般區(qū)，采灌比>0.65。

1.2.2地下水動力場(1) 地下水位埋深。根據(jù)水位統(tǒng)測，研究區(qū)地下水位埋深可劃分為3個區(qū)，即地下水位埋深<2、2～4、>4 m。

(2) 含水層滲透系數(shù)。根據(jù)抽水試驗，滲透系數(shù)分為3個區(qū)：中部滲透性一般區(qū)，滲透系數(shù)10～30 m/d；其他2個滲透性較好的區(qū)，滲透系數(shù)>30 m/d。1.2.3溫度場、熱物性(1) 地層溫度梯度。根據(jù)溫度測溫，地層溫度梯度可分為3個區(qū)：中部溫度梯度較大區(qū)，溫度梯度>3 ℃每100 m；其他2個地層溫度梯度較小區(qū)，溫度梯度<3 ℃每100 m。

(2) 熱傳導率。研究區(qū)不同地點，同一地層熱傳導率可分為2個區(qū)：熱傳導率較低區(qū)1.0～1.3 W/(m·K)，熱傳導率較高區(qū)1.3～1.9 W/(m·K)。

(3) 比熱容。根據(jù)研究區(qū)不同地點，同一地層比熱容可分為2個區(qū)：比熱容較低區(qū)1.0～1.2 kJ/(kg·K)，比熱容較高區(qū)1.2～1.52 kJ/(kg·K)。

1.2.4地下水化學場水質(zhì)：第Ⅰ承壓含水組由于受到二次海侵的影響，礦化度由西向東逐漸增高，劃分為3個區(qū)：礦化度<1 g/L的淡水區(qū)，礦化度為1～3 g/L的微咸水區(qū)，礦化度>3 g/L的咸水區(qū)。

1.2.5環(huán)境地質(zhì)根據(jù)多年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，南通市主城區(qū)地面沉降率可劃分為3個區(qū)，即年沉降量>4、3～4、<3 mm。

地質(zhì)、水文地質(zhì)條件決定著淺層地溫能的賦存環(huán)境，含水層出水能力、回灌能力及抽回灌井比例等決定場地是否能使用地下水地源熱泵方式。地下水動力場需結(jié)合含水層厚度，地下水流動狀況，地下水超采狀況等確定地下水地源熱泵工程適宜性。水化學場分析主要針對城市地下水源地分布區(qū)及地下水資源的保護區(qū)劃，結(jié)合不同層位地下水水質(zhì)資料，提出地下水地源熱泵工程適宜區(qū)域，確定防止地下水含水層污染的適宜開采回灌層位。

1.3影響因子的權(quán)重

1.3.1建立層次結(jié)構(gòu)模型對南通市主城區(qū)水文地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)適宜性分析目的性及評價因子的從屬關(guān)系，建立層次分析模型(圖2)。

1.3.2構(gòu)造判斷矩陣在建立層次結(jié)構(gòu)關(guān)系后，上下層次之間元素的隸屬關(guān)系被確定，根據(jù)1～9標度法，確定同一層次下元素間兩兩間相對重要程度，即權(quán)重，最終建立判斷矩陣(表1—表4)。

圖2　適宜性分區(qū)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2　Hierarchical structure model of suitability zoning

AB1B2B3B4B5B113462B21/314/322/3B31/43/4121/2B41/61/21/211/3B51/23/2231

表2　B1-C層次判斷矩陣

表3　B2-C層次判斷矩陣

表4　B3-C層次判斷矩陣

(1)

(2)

(3)

A-B層判斷矩陣λmax=5.01，特征向量為(0.828 6，0.276 2，0.220 2，0.130 8，0.414 3)，CR=0.002 2<0.1，滿足一致性檢驗，歸一化得權(quán)重Wi=(0.443 1，0.147 7，0.117 7，0.069 9，0.221 5)。B-C層所有判斷矩陣CR均為0，滿足一致性檢驗，其中B1-C特征向量歸一化權(quán)重Wi=(0.562 5，0.312 5，0.125 0)，B2-C特征向量歸一化權(quán)重Wi=(0.200 0，0.800 0)，B3-C特征向量歸一化權(quán)重Wi=(0.466 7，0.333 3，0.200 0)。

1.3.4影響因子的權(quán)重各影響因子權(quán)重如表5所示。

1.4空間分析

本次適宜性區(qū)劃是通過將南通市主城區(qū)網(wǎng)格化，計算各單元格的適宜性指數(shù)，從而得到整個研究區(qū)的適宜性分區(qū)。為提高計算準確度，對南通市主城區(qū)陸地大約410 km2的范圍進行1 km × 1 km的網(wǎng)格剖分，參與計算評價的單元格個數(shù)為466個。

對評價因子分區(qū)圖進行矢量化，并對各評價因子的分區(qū)進行屬性賦值，通過MapGIS軟件的空間分析功能使各單元格獲得各評價因子的屬性，根據(jù)式(4)計算各單元格的適宜性分值。

(4)

式(4)中,Gi為適宜性分值，Wi為第i個因子的權(quán)重(表5)，Si為單元格第i個因子的賦值，m=7。

應用MapGIS軟件空間分析功能，對影響各適宜性分區(qū)的評價因子進行對應區(qū)屬性的區(qū)對區(qū)合并分析，再根據(jù)表5所列的各評價因子權(quán)重，對各適宜性分區(qū)迭加后的值進行權(quán)重計算。

對于?Ai∈D，檔案實體A的特征信息分屬1個或多個視圖，在構(gòu)建檔案信息關(guān)聯(lián)分析模型之前，需要對來自不同數(shù)據(jù)源異構(gòu)的檔案數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，通過對檔案信息進行特征提取形成關(guān)聯(lián)節(jié)點，將多源異構(gòu)的檔案數(shù)據(jù)映射到不同視圖的特征關(guān)系圖中，形成多視圖下的檔案信息特征關(guān)聯(lián)圖。

表5　各影響因子的權(quán)重

2淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)

2.1適宜性分區(qū)標準

結(jié)合各評價因子分區(qū)套圖信息，將南通市主城區(qū)地下水地源熱泵適宜性分區(qū)標準分為不適宜、較適宜、適宜3類(表6)，并通過區(qū)屬性重新定義分區(qū)，獲得研究區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用適宜性分區(qū)圖(圖3)。

表6　南通市主城區(qū)地下水地源熱泵適宜性分區(qū)標準

圖3　南通市主城區(qū)地下水地源熱泵適宜性分區(qū)圖Fig.3　Map showing suitability zoning of groundwater source heat pump system in the main urban area of Nantong

2.2適宜性分區(qū)

運用MapGIS對適宜性分區(qū)圖進行統(tǒng)計，得出南通市主城區(qū)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)面積246.9 km2，較適宜區(qū)面積154.0 km2，占總調(diào)查面積的97.78%。適宜區(qū)水量豐富，滲透條件較好，便于熱量交換，有利于提高地埋管式地源熱泵的換熱效率。研究區(qū)地下水地源熱泵適宜區(qū)主要集中在第四紀長江古河道活動區(qū)，沉積物以河床相砂層為主，厚度較大，富水性好，回灌能力強，水文地質(zhì)條件優(yōu)越，非常適宜做地下水地源熱泵工程；較適宜區(qū)沉積物較復雜，主要由黏性土和砂層組成的雙層結(jié)構(gòu)，富水性和回灌能力均不及適宜區(qū)；不適宜區(qū)狼山、劍山、軍山為孤山殘丘，長期遭受風化剝蝕，其余地區(qū)為長江河道現(xiàn)代沉積區(qū)，沉積物以黏性為主，砂層不發(fā)育，富水性差，不適合建立水源熱泵工程。結(jié)合目前南通市主城區(qū)已建成的地下水地源熱泵的實例，對本次適宜性分區(qū)進行檢驗，驗證了分區(qū)結(jié)果的準確性，證明本次工作評價體系、評價方法基本正確，評價結(jié)果可信，可以作為南通市主城區(qū)建立地下水地源熱泵的依據(jù)。

3結(jié)論

(1) 對江蘇省沿海地區(qū)淺層地溫能適宜性進行了分區(qū)，并獲得了南通市主城區(qū)的地下水地源熱泵適宜性分區(qū)結(jié)果，為南通地區(qū)淺層地溫能合理開發(fā)利用提供了科學依據(jù)，對其他地區(qū)的分區(qū)具有指導意義。

(3) 地下水地源熱泵的適宜性主要考慮的是良好的水文地質(zhì)條件，應綜合考慮多種因素(包括非地質(zhì)因素)來決定該地區(qū)的適宜性評價方式，如單井的出水量和回灌量。本次評價取用采灌比分區(qū)作為評價因子，研究區(qū)采灌比差別較小，對研究區(qū)分區(qū)評價影響不大。

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GIS/AHP-based suitability assessment of groundwater source heat pump system in the main Nantong urban area

ZHOU Hongwei, WANG Qi, ZHANG Shasha, YANG Yi, GUO Hua

(Environmental Geology Exploration Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210002, Jiangsu, China)

Abstract：This study chosed the geological and hydrological conditions, groundwater dynamic field, temperature field, thermal properties, water chemistry field and geological environment of the main urban area of Nantong as evaluation factors of the Analytic Hierarchy Process (AHP) model, and obtained the weight values of each factor according to the AHP method. Combining with the spatial analysis technology of GIS, we classified the suitability of groundwater source heat pump system in the study area into three types, i.e., suitable, fairly suitable and unsuitable types, with the suitable and fairly suitable areas accounting for 97.78% of the total study area. The further engineering inspection suggests that this evaluation method is suitable for the study area.

Keywords：Analytic Hierarchy Process(AHP); groundwater source heat pump; MapGIS spatial analysis; division of suitability; Nantong in Jiangsu

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.01.178

收稿日期：2015-03-09；修回日期：2015-05-18；編輯：陸李萍

基金項目：江蘇省地質(zhì)勘查基金項目(蘇國土資[2012]999號)

作者簡介：周紅衛(wèi)(1970—)，男，高級工程師，地下水科學與工程專業(yè)，長期從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及地熱地質(zhì)研究工作，E-mail： zsscug@163.com

中圖分類號：P314.9

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)01-0178-05