層次分析法在淺層地?zé)崮苓m宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

趙艷娜，馬小全

(甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000)

淺層地?zé)崮芾镁褪菓?yīng)用地源熱泵技術(shù)，提取淺層(一般為200 m以淺)土壤或地下水中的能量，作為建設(shè)工程取暖或制冷的供給源。位于河西走廊中部的張掖市普遍采用的是依賴于地下水資源的水源熱泵技術(shù)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全市水源熱泵總應(yīng)用面積已超過(guò)120萬(wàn) m2。盲目的開(kāi)發(fā)利用也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如地下水淺埋區(qū)回灌困難，深埋區(qū)和富水性較差區(qū)取水成本過(guò)高等等，均影響了淺層地溫能的有效開(kāi)發(fā)利用，因此，合理評(píng)價(jià)和劃分淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)，對(duì)于淺層地?zé)崮芾镁哂兄匾闹笇?dǎo)意義。

層次分析法(Analytial Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱 AHP)是美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授A.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法。AHP是一種能將定性分析與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，把要解決的問(wèn)題分層系列化，將問(wèn)題分解為不同的組成要素按照其相互影響和隸屬關(guān)系將其分層聚類組合，形成一個(gè)有序的層次結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的判斷給予定量表示，并根據(jù)各因素的相對(duì)重要性給予一定的權(quán)重，通過(guò)逐層比較各因素的重要性來(lái)為分析、決策提供定量的依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)方法及數(shù)學(xué)模型

1.1 評(píng)價(jià)體系

影響地下水地源熱泵適宜性的因素主要有地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)等。地質(zhì)、水文地質(zhì)條件決定著淺層地?zé)崮艿馁x存環(huán)境，含水層的出水能力和回灌能力決定著場(chǎng)地是否能使用地源熱泵技術(shù)及抽回灌井的比例;地下水動(dòng)力場(chǎng)主要有含水層厚度、地下水水力坡度、地下水開(kāi)采狀況等;水化學(xué)場(chǎng)主要針對(duì)地下水水質(zhì)對(duì)地源熱泵系統(tǒng)的影響及地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)地下水的污染狀況等。

綜合各影響因素，選擇地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力場(chǎng)、地下水化學(xué)場(chǎng)等三個(gè)指標(biāo)來(lái)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。選擇單井出水量、含水層巖性、有效含水層厚度、地下水水位埋深、含水層滲透系數(shù)、地下水水位降幅、地下水硬度等共計(jì)7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本次適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)對(duì)本次野外調(diào)查的37個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)張掖市甘州區(qū)水文地質(zhì)條件，各評(píng)價(jià)指標(biāo)在分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 建立層次分析模型

根據(jù)所確定的影響因子建立分析模型(圖1)，共分為三層，分別為目的層、屬性層和要素層。

1.2.2 構(gòu)造成對(duì)比較矩陣

按照層次分析法，在評(píng)價(jià)模型的層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用1－9標(biāo)度法，分別比較要素層中各因素的相對(duì)重要性(其中，對(duì)適宜性劃分影響較大的因素重要性就越大)，構(gòu)造成對(duì)比較矩陣。矩陣A如下:

該矩陣滿足:(1)aij＞0;

(2)aij=1/aij;

(3)aij=1，當(dāng) i=j時(shí)。

表1 影響適宜性分區(qū)的各評(píng)價(jià)因子賦值結(jié)果表

圖1 層次分析法模型結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 矩陣 A的一致性檢驗(yàn)

1)分別計(jì)算上述矩陣的最大特征值λmax及對(duì)應(yīng)的特征向量ω

計(jì)算結(jié)果為:λmax=7.497

計(jì)算結(jié)果:最大特征值 λ=7.497，最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為 ω =(0.113，0.225，0.113，0.060，0.204，0.031，0.031)T，

2)計(jì)算一致性指標(biāo)CI

3)查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

根據(jù)龔木森、許樹(shù)柏1986年得出的判斷矩陣重復(fù)計(jì)算1000次的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如表2。

表2 層次分析法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

4)計(jì)算一致性比例CR

查得當(dāng)矩陣階數(shù) n=7時(shí)，RI=1.24，所以 CR=0.067＜0.1

當(dāng) CR＜0.1時(shí)，表示比較矩陣 A的判斷是可以接受的。即ω代表的權(quán)重系數(shù)可以被采納利用。

1.3 評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

利用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下:

式中:Ri為綜合評(píng)價(jià)指數(shù);αi為指標(biāo)要素的權(quán)重值;Xi為指標(biāo)要素屬性賦值;n為指標(biāo)要素個(gè)數(shù)。

2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 計(jì)算結(jié)果

由于工作區(qū)以往的淺層地?zé)崮苷{(diào)查資料較為貧乏，因此，本次適宜性評(píng)價(jià)僅以本次野外調(diào)查工作所取得的37個(gè)點(diǎn)為依據(jù)來(lái)計(jì)算各點(diǎn)的適宜性指數(shù)，并對(duì)工作區(qū)進(jìn)行適宜性分區(qū)劃分。

根據(jù)各個(gè)點(diǎn)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，地下水動(dòng)力場(chǎng)和水質(zhì)條件，以及表1中對(duì)各影響因子的賦值，計(jì)算得出各個(gè)點(diǎn)的適宜性指數(shù)。

2.2 適宜性分區(qū)原則

采用綜合指數(shù)法，將每個(gè)點(diǎn)上的7項(xiàng)屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)相乘，然后求和，即得到每個(gè)點(diǎn)上的綜合指數(shù)。將數(shù)值0～5劃為地下水式地源熱泵不適宜區(qū)，5～7為地下水式地源熱泵較適宜區(qū)，7～9為地下水式地源熱泵適宜區(qū)。見(jiàn)表 3。

表3 綜合指數(shù)分區(qū)表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及分區(qū)原則進(jìn)行適宜性分區(qū)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 甘州區(qū)淺層地?zé)崮苷{(diào)查評(píng)價(jià)適宜性分區(qū)圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)利用層次分析法對(duì)張掖市甘州區(qū)淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇單井出水量、含水層巖性、有效含水層厚度、地下水水位埋深、含水層滲透系數(shù)、地下水水位降幅、地下水硬度等共計(jì)7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)因子影響大小依次排序?yàn)?含水層巖性、含水層滲透系數(shù)、單井出水量、有效含水層厚度、地下水水位埋深、地下水水位降幅、地下水硬度。

(2)通過(guò)適宜性指數(shù)，將張掖市甘州區(qū)地下水劃分為適宜性區(qū)域、較適宜性區(qū)域和不適宜性區(qū)域三個(gè)分區(qū)。結(jié)果顯示:張掖市甘州區(qū)地下水大部分為淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)適宜性區(qū)域或較適宜性區(qū)域，僅在南、北山前局部地段及張掖市二水廠水源地保護(hù)區(qū)為不適宜區(qū)域，開(kāi)發(fā)前景較好。

(3)張掖市甘州區(qū)城區(qū)及外圍淺層地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用適宜及較適宜區(qū)面積1 677.27 km2。適宜及較適宜區(qū)內(nèi)含水層主要為卵石、砂礫卵石及粗中砂，回灌性能較好，單位回灌量:單位涌水量 ＞80%。