基于ArcGIS的淺層地熱能適宜性分區(qū)評價

錢 會，金 婧，王 濤

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054;2.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆烏魯木齊 830091)

基于ArcGIS的淺層地熱能適宜性分區(qū)評價

錢 會1，金 婧1，王 濤2

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054;2.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆烏魯木齊 830091)

討論了淺層地熱能這種新能源的開發(fā)前景，并將ArcGIS軟件應(yīng)用于淺層地熱能適宜性分區(qū)評價中.根據(jù)淺層地熱能開發(fā)特點和研究區(qū)資料選定評價因子，在評分系統(tǒng)和權(quán)重系統(tǒng)的基礎(chǔ)上確定了各個評價因子的綜合得分，利用ArcGIS9.3軟件快速讀取屬性數(shù)據(jù)，并完成矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理、圖形處理、空間疊加等操作.評價結(jié)果顯示，銀川市大部分地區(qū)適合采用地下水源熱泵開發(fā)利用淺層地熱能，ArcGIS適用于淺層地熱能適宜性分區(qū)評價，為合理開發(fā)淺層地熱能提供了科學(xué)依據(jù).

ArcGIS;屬性數(shù)據(jù);矢量疊加;淺層地熱能;適宜性分區(qū)

淺層地熱能通常是指位于地球變溫層以下、地殼淺部巖土體中的低溫地熱資源，其熱能主要來自地球深部的熱傳導(dǎo).淺層地熱能的溫度略高于當?shù)仄骄鶜鉁?～5℃，溫度穩(wěn)定且分布廣泛，是一種清潔的可再生資源［1］.因其高效節(jié)能、二氧化碳排放量低、開發(fā)利用受限少、經(jīng)濟可行等優(yōu)點，已受到人們的廣泛關(guān)注.在開發(fā)利用淺層地熱能之前，進行淺層地熱能適宜性分區(qū)評價是合理開發(fā)淺層地熱能的關(guān)鍵所在.通過淺層地熱能適宜性分區(qū)來確定開發(fā)利用淺層地熱能的適宜區(qū)(較適宜區(qū))和不適宜區(qū)，然后再針對適宜區(qū)(較適宜區(qū))進行淺層地熱能資源評價.

ArcGIS技術(shù)具有強大的空間信息獲取與處理能力，能快速獲得所需信息，對各要素屬性賦值和編輯，將各要素的圖層進行矢量疊加，以圖形或者數(shù)據(jù)的形式表示結(jié)果，使結(jié)果可視化［2－3］.因此，將 Arc-GIS技術(shù)應(yīng)用于淺層地熱能適宜性評價這個新領(lǐng)域，有利于合理地開發(fā)淺層地熱能.

1 研究區(qū)概況

銀川市位于寧夏回族自治區(qū)北部，處于銀川平原中部，地處黃河中上游，南北長 165 km，東西寬42～60 km，總面積7 790 km2，海拔高度1 100～1 200 m，西部、南部較高，北部、東部較低，略呈西南—東北方向傾斜，海拔1 010～1 150 m，地面坡度為2‰左右，土層較厚.研究區(qū)多年平均氣溫8.9℃，年平均降水量190 mm，年平均蒸發(fā)量1 560 mm.銀川平原地表第四系分布廣泛，第四系沉積物以洪積、沖積和湖積為主，另外還有風積物、湖沼沉積物.銀川平原是在銀川斷陷盆地的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，盆地中斷裂發(fā)育，基底構(gòu)造復(fù)雜，新生界沉積厚度大.銀川平原中發(fā)育了一系列斷裂，按走向可分為縱向北北東至北東向斷裂和橫向東西、北西向斷裂［4－5］.

2 淺層地熱能適宜性分區(qū)評價

2.1 基礎(chǔ)工作

淺層地熱能的開發(fā)利用一般采用地源熱泵技術(shù)系統(tǒng)，根據(jù)換熱方式的不同分為兩種系統(tǒng):地下水源熱泵系統(tǒng)和地埋管熱泵系統(tǒng).筆者以地下水源熱泵為例，討論ArcGIS在其適宜性分區(qū)評價中的應(yīng)用.

地下水源熱泵系統(tǒng)是以水作為冷熱介質(zhì)，在冬季利用熱泵吸收介質(zhì)熱量向建筑物供暖，在夏季熱泵將吸收到的熱量向介質(zhì)排放，實現(xiàn)對建筑物制冷.因此，根據(jù)地下水源熱泵系統(tǒng)的特點以及研究區(qū)資料分析，地下水源熱泵適宜性分區(qū)的評價因子選定為:潛水水位埋深、含水巖組厚度、潛水含水巖組富水性、承壓水含水巖組富水性、含水巖組介質(zhì)類型、潛水含水巖組滲透性、承壓水含水巖組滲透性、潛水水質(zhì)、承壓水水質(zhì)、地下水溫度、地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害類型分布以及水源保護區(qū)范圍分布，共13個評價因子.采用層次分析法進行層次劃分，并確定各因素的組合權(quán)重［6－7］，結(jié)果見表1，盡可能減少評價中人為因素的干擾.

表1 評價因子組合權(quán)重計算結(jié)果

采用專家小組打分法確定各因素分區(qū)評分(每個評價因子分區(qū)圖均通過 MapGIS 6.7軟件完成［8］).分數(shù)越高，表明選定因子所在區(qū)域越有利于建造地下水水源熱泵;分數(shù)越低，則表明該分區(qū)越不利于建造地下水水源熱泵.再利用Surfer 9和Map-GIS 6.7軟件繪制出各評價因素的評分分區(qū)線.

2.2 ArcGIS 的應(yīng)用

應(yīng)用ArcGIS對銀川市地下水水源熱泵適宜性分區(qū)進行評價，具體流程［9－10］如圖1所示.

圖1 ArcGIS數(shù)據(jù)處理流程圖

圖2 銀川市地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖

首先將各因素評分分區(qū)的線文件(MapGIS格式)通過 MapGIS軟件的文件轉(zhuǎn)換功能輸出為shapefile格式，從而使該文件能夠在ArcMap下進行編輯和處理［11］.之后將轉(zhuǎn)換好的shapefile文件添加到ArcMap;利用Feature to polygon工具生成區(qū)，將各因素所對應(yīng)的圖層都添加到同一數(shù)據(jù)框之下，在各因素的屬性表中查看其屬性特征，并對所需要的屬性進行賦值和編輯;使用Analysis tools中的Overlay的Intersect工具對各個圖層進行矢量疊加.最后在屬性表中將各要素權(quán)重與其相應(yīng)的評分相乘并相加得出最終的綜合評分，根據(jù)綜合評分值域范圍劃分適宜區(qū)、較適宜區(qū)和不適宜區(qū)，見表2.按照如上標準將綜合評分相同等級區(qū)域合并，最終得到銀川市地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖，如圖2所示.

表2 銀川市地下水源熱泵適宜性分區(qū)標準

由圖2可知，在研究區(qū)范圍內(nèi)，大部分地區(qū)為地下水源熱泵適宜區(qū)和較適宜區(qū)，不適宜區(qū)則分布在月牙湖等沿黃河一帶和南梁農(nóng)場附近，此外還有一些不適宜區(qū)零星分布于研究區(qū)西北和西南部.月牙湖一帶主要是由于潛水含水巖組滲透性差，富水程度較弱，水質(zhì)較差，且屬于地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，因此導(dǎo)致綜合評分較低;而南梁農(nóng)場一帶則是因為潛水水位埋深較大，故該地區(qū)被評價為地下水源熱泵不適宜區(qū).總體來看，銀川市較適合采用地下水源熱泵開發(fā)利用淺層地熱能，評價結(jié)果與客觀條件相一致，結(jié)果合理可靠.

3 結(jié)語

在對銀川市進行淺層地熱能適宜性分區(qū)評價過程中，借助ArcGIS軟件來完成矢量數(shù)據(jù)處理、圖像處理、屬性數(shù)據(jù)查詢和編輯、矢量疊加、結(jié)果可視化等任務(wù)，使得研究工作由復(fù)雜變得簡單，提高了工作效率，節(jié)省了時間.而且ArcGIS軟件具有強大的空間分析模塊，可快速提取各要素的評分信息、靈活分析處理屬性數(shù)據(jù)，提高了淺層地熱能適宜性分區(qū)評價的精度和效率，評價結(jié)果合理、科學(xué)，為合理有效地開發(fā)利用銀川市淺層地熱能提供了理論支持，同時表明ArcGIS可作為淺層地熱能適宜性分區(qū)評價優(yōu)選的一種輔助軟件.

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［3］包妮沙，葉寶瑩，白中科，等.ArcGIS在礦區(qū)土地復(fù)墾中的應(yīng)用［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，29(6):501－504.

［4］寧夏第一水文地質(zhì)隊.銀川區(qū)域水文地質(zhì)普查報告［R］.銀川:寧夏地質(zhì)工程勘察院，1991.

［5］寧夏第一水文地質(zhì)隊.銀川市水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合勘察報告［R］.銀川:寧夏地質(zhì)工程勘察院，1990.

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Assessment on the Suitability Division of Shallow Geothermal Energy Based on ArcGIS

QIAN Hui1，JIN Jing1，WANG Tao2
(1.College of Environmental Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 10054，China;2.Xinjiang Bureau of Mines and Geology，Xinjiang Hydrogeology and Engineering Geology Battalion，Urumqi 830091，China)

The shallow geothermal energy has a good development prospect，and ArcGIS features strong function in spatial processing，therefore the paper holds that ArcGIS can be adopted to assess the suitability division of shallow geothermal energy.The research relies on the characteristics of the shallow geothermal energy exploitation and study region data to determine the assessment factors.The total score of each assessment factor is determined on the basis of assessment system and weight system.The ArcGIS9.3 can be used to quickly read attribute data，and to complete the vector data transformation，images processing and spatial superposition.The result of assessment reveals that the most part of Yinchuan city is suitable to exploit the shallow geothermal energy by using groundwater heat pump.The paper concludes that ArcGIS is appropriate for assessment on the suitability division of shallow geothermal energy，which can provide scientific grounds for the rational exploitation of the shallow geothermal energy.

ArcGIS;attribute data;vector superposition;shallow geothermal energy;suitability

1002－5634(2012)02－0116－03

2011－11－25

國家自然科學(xué)基金重點項目(411172212);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費用專項基金(CHD2011ZY020).

錢 會(1963—)，男，陜西涇陽人，教授，博士，博導(dǎo)，主要從事水文地質(zhì)方面的研究.

(責任編輯:喬翠平)