沈陽城區(qū)水源熱泵適宜性評價

韓春陽,潘 俊,康然然 ,田 川

(沈陽建筑大學 市政與環(huán)境工程學院,遼寧沈陽 110168)

當前水源熱泵系統(tǒng)在沈陽發(fā)展極為迅速,應用前景十分廣闊,然而增長過快,導致該技術的應用呈現(xiàn)出盲目無序的發(fā)展態(tài)勢,在很大程度上忽視了影響因素,從而引發(fā)地下水資源浪費、水源熱泵系統(tǒng)[1-2]效率低下等問題,制約了地源熱泵系統(tǒng)的推廣和應用。需要統(tǒng)一規(guī)劃和建議指導,制約了地源熱泵系統(tǒng)的推廣和應用。因此進行地下水源熱泵適宜性評價顯得非常重要。本文采用層次分析法,對影響適宜性評價[3]指標體系的地質、地下水環(huán)境等定性因素進行量化,利用 GIS對各要素指標進行屬性賦值,應用 Map Info將影響地下水源熱泵適宜性的單因素圖層進行加權疊加,生成地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖,該圖顯示出沈陽目前建立地下水源熱泵的地區(qū)也大多集中在所規(guī)劃的適宜區(qū)內,表明建立的評價指標體系是合理的,評價結果可以用來作為建立地下水源熱泵的依據。

1 沈陽城區(qū)地下水源熱泵適宜性評價指標體系的建立

1.1 評價要素的選取及評價體系的構建

影響地下水源熱泵建設的因素很多,本文采用層次分析法[4],考慮沈陽城區(qū)水文地質條件及地下水環(huán)境等綜合因素,選定影響地下水源熱泵建設的主要因素有 3大類：地質與水文地質因素,地下水水質因素和環(huán)境保護因素。本次評價體系由目標層(A)、準則層(B)和要素指標層(C)3級層次結構組成。目標層是系統(tǒng)的總目標,即地下水源熱泵適宜性。準則層由地質與水文地質條件,地下水水質,環(huán)境保護 3部分構成。要素指標層由含水層富水程度,回灌能力,地下水埋深,地下水硬度,地下水鐵錳含量,地下水溫度,水源地等 7個指標構成。見圖 1示。

圖1 評價體系結構圖

2 評價因素的權重計算

在多目標決策分析中,權重反映了各因素在決策過程中所占的地位即相對重要性,是各因素重要程度的定量描述,直接影響綜合決策的結果。對所有判斷矩陣進行一致性檢驗,在符合一致性檢驗后,計算判斷矩陣最大特征值相對應的特征向量,確定每個因素對上一層次對應因素的權重,最后求出每個因素的權重。為使判斷矩陣中每個因素定量化,采用了“1～9”比較標度法。

2.1 構造判斷矩陣并求最大特征根和特征向量

構造(A—B)判斷矩陣(第二層因素相對第一層的比較判斷)見表 1。

表1

采用幾何平均近似法(方根法)計算(A—B)判斷矩陣的最大特征根和特征向量,計算結果為：W1=0.348,W2=0.239,W3=0.413。得到 W=(W1,W2,W3)T為所求特征向量近似值,即第二層各因素權重,求得矩陣的最大特征值λmax=3.0183。

同理構造(B1—C)判斷矩陣(i=1,2)計算最大特征根及特征向量：

(B1—C)判斷矩陣最大特征根及特征向量

W=(0.57,0.333,0.097)T,λmax=3.0246;

(B2—C)判斷矩陣最大特征根及特征向量

W=(0.303,0.297,0.4)T,λmax=3.0092。

2.2 判斷矩陣的一致性檢驗

(A—B)的一致性檢驗結果為：C.R.=0.016＜0.1;(B1—C)的一致性檢驗結果為：C.R.=0.021＜0.1;(B2—C)的一致性檢驗結果為：C.R.=0.008＜0.1;可見,判斷矩陣具有滿意的一致性。

2.3 層次總排序

利用層次單排序結果,綜合得出準則層 B相對于目標層C以及要素指標層 C相對于準則層 B的權重值;最后計算出要素指標層 C相對于目標層A的權重值即為層次總排序(實際上是 C層對于 B層與 B層對于 A層權重值的累計值,即為組合權重,)。矩陣(B-C)為單一隸屬關系,不需要一致性檢驗。各要素指標對應目標層計算得到的權重值見表2 。

表2 標對應目標層所占的權重

3 基于地理信息系統(tǒng) GIS下沈陽城區(qū)水源熱泵適宜性分區(qū)

3.1 基礎數據的獲取及處理

利用 GIS[5]空間分析能力進行問題的分析、規(guī)劃,對要素指標分區(qū)數據進行屬性賦值,本文所用各類基礎數據來源于近年來各類科研報告及野外測量數據。數據的預處理主要包括數據的矢量化、數據的分類與標準化、數據的矢量化及空間分析等。本文對影響地下水源熱泵適宜性分區(qū)的主要指標：含水層富水程度可以用導水系數表征、回灌能力、地下水埋深、地下水硬度、地下水硬度、地下水鐵、錳含量、地下水溫度[6]、水源地。分別對以上指標進行數據標準化,從而得到標準化結果。

3.2 數據矢量化及空間分析

對要素指標分區(qū)數據進行屬性賦值,將標準化的數據賦予相應的要素指標,并對圖件進行矢量化,最后應用 Map Info軟件的空間疊加功能,將影響地下水源熱泵適宜性分區(qū)的單因素圖層進行加權疊加,生成地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖。

3.3 適宜性分區(qū)標準的確定

根據沈陽城區(qū)地下水源熱泵的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,確定其分區(qū)級別和綜合指數值劃分標準。見表3 ,沈陽城區(qū)地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖如圖 2。

表3 分區(qū)標準

圖2 沈陽城區(qū)地下水源熱泵適宜性分區(qū)示意圖

從圖中可以看出比較適合應用水源熱泵的地區(qū)主要分布在城區(qū)中部,并且適宜區(qū)中富水性較好的地區(qū)居多,不適宜區(qū)集中在水源地保護區(qū)以及富水性、回灌能力差的地區(qū)。

4 結論

沈陽目前建立地下水源熱泵的地區(qū)也大多集中在所規(guī)劃的適宜區(qū)內,表明建立的評價指標體系是合理的,評價結果可以用來作為建立地下水源熱泵的依據,但在評價過程中,由于所收集的資料不夠詳細,有些數據難以獲得,所以評價結果僅能宏觀地劃分適宜程度的大致區(qū)域,在進行地下水源熱泵建設時,還應考慮場地的實際情況。

[1]鄔小波.地下含水層儲能和地下水源熱泵系統(tǒng)中地下水回路與回灌技術現(xiàn)狀[J].暖通空調,2004,34(1)：19-22.

[2]孫鳳嶺,地下水源熱泵空調系統(tǒng)在北京地區(qū)的應用研究[D].北京：北京工業(yè)大學供熱、供燃氣、通風及空調工程系,2007.

[3]吳艷菊.地表水源熱泵適宜性綜合評價及規(guī)劃研究：[D].重慶：重慶大學供熱、供燃氣及空調工程系,2009.

[4]王國良.層次分析法在地質災害危險性評估中的應用[J].西部探礦工程,2006,9：37-42.

[5]倪金生,曹學軍,張敏.地理信息系統(tǒng)理論與實踐[J].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[6]潘俊,臧海洋,高維春,左悅.地下水溫數值模擬在水源熱泵工程設計中的應用[J].暖通空調,2010,40(10)：67-70.