武漢市都市發(fā)展區(qū)地下水源熱泵適宜性評(píng)價(jià)

胡元平, 劉紅衛(wèi), 柯　立, 朱志明, 馬　俊, 江　凱, 李志鵬

(湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 武漢　430051)

0　引言

淺層地溫能資源開發(fā)利用受區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件控制,不同區(qū)域的資源利用方式和可利用規(guī)模存在較大差異,開發(fā)利用時(shí)首先需進(jìn)行適宜性區(qū)劃,確定各區(qū)段適宜的開發(fā)利用方式,進(jìn)行分區(qū)分級(jí)；在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行資源量計(jì)算和資源潛力評(píng)價(jià),估算節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益,提出科學(xué)合理的開發(fā)利用方案,編制開發(fā)利用規(guī)劃等[1-4]。因此,開發(fā)利用方式適宜性區(qū)劃是淺層地溫能資源利用的前提和基礎(chǔ)。

武漢市都市發(fā)展區(qū)地下水資源較豐富,地下水類型多樣,適宜利用,但從資源保護(hù)、地質(zhì)環(huán)境保護(hù)、預(yù)防次生地質(zhì)災(zāi)害、高效利用等方面綜合考慮,可利用程度存在差異。本文運(yùn)用層次分析法,選擇恰當(dāng)指標(biāo),對(duì)都市發(fā)展區(qū)進(jìn)行了適宜性分區(qū),為地下水源熱泵的利用提供了科學(xué)依據(jù)。

1　基本概況

武漢是全國較早開展地源熱泵工程應(yīng)用的地區(qū),自2000年開始至今,已在100多棟建筑中應(yīng)用,建筑應(yīng)用面積超過600萬m2。

武漢市位于江漢平原東部,屬平原邊緣隆起地帶,北靠大別山,區(qū)內(nèi)地形東高西低、北高南低,總體地貌表現(xiàn)為平原上殘丘突露景觀,其余為剝蝕堆積低崗和沖洪積平原。區(qū)內(nèi)地層淺部為剝蝕堆積、沖洪積成因的第四系粘性土、砂層,深部基巖為古生界—新生界地層,巖性包括泥巖、砂巖、灰?guī)r、頁巖、硅質(zhì)巖等。第四系覆蓋地層薄,除武昌洪山廣場、漢陽王家灣古河道段外,厚度一般20～50 m,在低丘地段(如武漢大學(xué)、龜山、蛇山),基巖直接出露地表。

評(píng)價(jià)區(qū)全新世時(shí)期堆積了厚達(dá)數(shù)十米的沖積層,并被中上更新統(tǒng)老粘性土圍限。全新統(tǒng)沖積層具有二元結(jié)構(gòu),上部為松軟的粘性土,下部為松散的砂及砂礫石層,賦存有較豐富孔隙承壓水。中上更新統(tǒng)的老粘性土為隔水邊界。

2　評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)體系建立

2.1　層次分析法

評(píng)價(jià)主要采用層次分析法進(jìn)行分區(qū),層次分析法是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。其基本步驟為：

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型：一般分為三層,最上面為目標(biāo)層,最下面為要素指標(biāo)層,中間為屬性層。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣：從第二層開始用1～9尺度構(gòu)造比較矩陣。

(3) 計(jì)算單排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)：求最大特征對(duì)應(yīng)的歸一化特征向量,做一致性比率檢驗(yàn)。

(4) 計(jì)算總排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)：利用層次單排序,計(jì)算層次總排序,并做一致性檢驗(yàn)。

2.2　評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

通過對(duì)地下水源熱泵運(yùn)行影響因素分析[5-10],結(jié)合專家意見,將地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性區(qū)劃指標(biāo)分為以下五個(gè)方面：

2.2.1地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

地質(zhì)及水文地質(zhì)條件方面主要考慮含水層結(jié)構(gòu)以及含水層的出水和回灌能力。含水層結(jié)構(gòu)決定著地下水資源賦存環(huán)境,滲透系數(shù)及含水層厚度較大的區(qū)域,地下水地源熱泵系統(tǒng)所能利用的地下水資源量越豐富；含水層的出水和回灌能力決定地下水源熱泵系統(tǒng)的可利用性,不同抽回灌井?dāng)?shù)量比例等。對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層要素為含水層出水能力、含水層回灌能力、滲透系數(shù)、有效含水層厚度。

2.2.2地下水動(dòng)力條件

地下水動(dòng)力場特征,對(duì)地下水源熱泵的適宜性有較大影響。對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層要素為地下水位埋深、地下水動(dòng)態(tài)變化。

2.2.3地下水化學(xué)特征

地下水經(jīng)過機(jī)組換熱過程中,可能引起水質(zhì)變化,污染地下水,同時(shí)地下水水質(zhì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行、水質(zhì)處理、熱源井堵塞、地下水資源保護(hù)等有很大影響。對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層要素為地下水質(zhì)量、結(jié)垢程度。

2.2.4開采能力及環(huán)境影響

不同地段地下水資源可開采量、開采區(qū)劃是開發(fā)利用的基礎(chǔ)條件,開采地下水可能引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題更不容忽視；在武漢市易誘發(fā)巖溶地面塌陷的地區(qū),已明文禁止開采地下水；環(huán)境影響主要評(píng)價(jià)因抽水可能引起的地面沉降問題。對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層要素為開采模數(shù)、水位下降引起的地面塌陷和地面沉降量。

2.2.5成本

地下水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)成本,是由其施工條件及地下水利用難易程度等決定,能反映地下水源熱泵系統(tǒng)建設(shè)的難易。對(duì)應(yīng)的指標(biāo)層要素為成井造價(jià)。

2.3　因子權(quán)重的確定

根據(jù)各屬性層及要素層對(duì)地下水地源熱泵系統(tǒng)適宜性的影響大小,結(jié)合專家意見,分別確定屬性層、要素層指標(biāo)權(quán)重。

(1) 對(duì)中間屬性層進(jìn)行權(quán)重計(jì)算,通過專家打分確定權(quán)重,通過判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性比率0.070 1,滿足一致性。

(2) 采用同樣的方法確定要素層指標(biāo)權(quán)重,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。以開采能力及環(huán)境影響為例,判斷矩陣如表1。

經(jīng)過一致性檢驗(yàn),一致性比率0.000 0,滿足一致性,對(duì)總目標(biāo)權(quán)重0.262 1。最終權(quán)重見表2。

表1　開采能力及環(huán)境影響判斷矩陣Table 1　Exploitation potential and environmental impact judgment matrix

表2　開采能力及環(huán)境影響權(quán)重表Table 2　Exploitation potential and environmental impact weight

采用上述方法對(duì)其它各屬性層及要素層進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn),最終權(quán)重見表3。

表3　地下水源熱泵適宜性評(píng)價(jià)二級(jí)要素權(quán)重表Table 3　Secondary factor weight of suitability evaluation of groundwater heat pump

2.4　評(píng)價(jià)方法和體系的建立

根據(jù)層次分析法目標(biāo)層、屬性層、要素層各指標(biāo)要素建立評(píng)價(jià)體系(圖1)。

圖1　地下水地源熱泵層次分析法模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Model structure of analytic hierarchy process about groundwater heat pump

具體評(píng)價(jià)過程中,根據(jù)水源熱泵運(yùn)行特點(diǎn)及武漢市開發(fā)利用現(xiàn)狀,首先建立評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型,選取評(píng)價(jià)要素指標(biāo)和因子,要素指標(biāo)分為不同區(qū)段,邀請(qǐng)專家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行重要性對(duì)比、打分,匯總后進(jìn)行一致性檢驗(yàn),最終確定地下水源熱泵適宜性分區(qū)的評(píng)價(jià)體系、要素和權(quán)重。

確定評(píng)價(jià)方法后利用搜集到的1 221份工程、水文鉆孔資料、200余份抽水回灌試驗(yàn)資料及現(xiàn)場熱物性測試資料、60多個(gè)地下水監(jiān)測點(diǎn)資料等為基礎(chǔ),對(duì)各個(gè)鉆孔點(diǎn)或試驗(yàn)測試點(diǎn)等按評(píng)價(jià)要素分區(qū)段分別進(jìn)行賦值,求出該點(diǎn)對(duì)于某一單要素的具體得分。

利用MapGIS軟件在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)建立評(píng)價(jià)網(wǎng)格點(diǎn),將各要素得分賦到評(píng)價(jià)網(wǎng)格點(diǎn)上。采用綜合指數(shù)法,將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的各屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘,然后求和,即可得出各點(diǎn)的最終得分。根據(jù)得分分布,確定水源熱泵系統(tǒng)各個(gè)適宜區(qū)的分值范圍,繪制分區(qū)圖,對(duì)分區(qū)圖進(jìn)行修正,完成地下水源熱泵適宜性分區(qū)。

3　適宜性綜合評(píng)價(jià)

利用MapGIS軟件在評(píng)價(jià)范圍內(nèi)建立橫縱間距為0.5 km的評(píng)價(jià)網(wǎng)格點(diǎn),將各點(diǎn)各要素根據(jù)要素指標(biāo)分段評(píng)分表進(jìn)行賦分,再采用綜合指數(shù)法,將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的11項(xiàng)屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘,然后求和,得出各點(diǎn)的適宜性評(píng)價(jià)最終得分。根據(jù)得分分布,確定地下水源熱泵系統(tǒng)各個(gè)適宜區(qū)的分?jǐn)?shù)范圍,繪制分區(qū)圖,對(duì)分區(qū)圖進(jìn)行修正,完成地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)。各要素評(píng)價(jià)及分布情況如下：

含水層出水能力主要由單井出水量反映,單井涌水量越大,地下水地源熱泵系統(tǒng)的可利用能力越強(qiáng)。將含水層出水能力分為<20 m3/h、20～40 m3/h、40～80 m3/h及>80 m3/h共四個(gè)分?jǐn)?shù)段。含水層出水能力較高的區(qū)域主要集中在長江、漢江兩岸一級(jí)階地,地下水類型為第四系全新統(tǒng)孔隙承壓水。

滲透系數(shù)分為<5 m/d、5～10 m/d、10～20 m/d及>20 m/d共四個(gè)分?jǐn)?shù)段。滲透系數(shù)較高的區(qū)域主要集中在長江、漢江兩岸一級(jí)階地,含水層類型多為第四系全新統(tǒng)沖積砂、卵礫石層。

有效含水層厚度共四個(gè)分?jǐn)?shù)段,分別為<5 m、5～15 m、15～30 m及>30 m。一級(jí)階地前緣,長江漢江沿岸有效含水層厚度較大,并隨著一級(jí)階地前緣向二級(jí)階地延伸逐漸減小。漢口江岸區(qū)、硚口區(qū)、江漢區(qū)和武昌區(qū)沿江一級(jí)階地、白沙洲兩側(cè)一級(jí)階地含水層厚度普遍>15 m。

含水層回灌能力分為<10 m3/h、10～30 m3/h、30～50 m3/h及>50 m3/h共四個(gè)分?jǐn)?shù)段?；毓嗔枯^大的地方主要位于長江一級(jí)階地前緣,從一級(jí)階地前緣到二級(jí)階地,含水層回灌能力依次減??；巖溶發(fā)育較多地區(qū)如東湖高新經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、漢南區(qū),含水層回灌能力也較強(qiáng)。

地下水位埋深分為<5 m、5～10 m、10～15 m、>15 m四個(gè)分?jǐn)?shù)段。評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水位埋深普遍<5 m,東西湖區(qū)金銀湖地區(qū)及江夏區(qū)紙坊、鄭店等部分地區(qū)水位埋藏相對(duì)較深,可達(dá)10～15 m。

地下水位動(dòng)態(tài)變幅分為<3 m、3～5 m、5～10 m、>10 m四個(gè)分?jǐn)?shù)段。一級(jí)階地地下水水位受長江、漢江水位影響,變幅較大,從一級(jí)階地前緣到二級(jí)階地,地下水位動(dòng)態(tài)變化逐漸減小。

水質(zhì)分為優(yōu)良、良好、較好、較差和極差共五個(gè)分?jǐn)?shù)段。第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)孔隙承壓水水質(zhì)多為極差、較差；碎屑巖裂隙水水質(zhì)多為較差；碳酸鹽巖溶水水質(zhì)以較差為主,局部較好。

鍋垢量分為鍋垢很多、鍋垢多、鍋垢少和鍋垢很少共四個(gè)分?jǐn)?shù)段。結(jié)垢程度普遍為鍋垢很多,局部地區(qū)鍋垢多。

開采模數(shù)分為<10×104m3/a·km2、10×104～20×104m3/a·km2、20×104～30×104m3/a·km2、30×104～40×104m3/a·km2、>40×104m3/a·km2的五個(gè)分?jǐn)?shù)段。地下水開采模數(shù)較高的區(qū)域主要集中在長江、漢江兩岸一級(jí)階地,地下水類型為第四系全新統(tǒng)孔隙承壓水,巖溶水分布區(qū)開采模數(shù)大部分<104m3/a·km2。因抽水可能產(chǎn)生沉降較大地面塌陷的區(qū)域主要集中在長江、漢江一級(jí)階地有軟土分布的地段。

成井造價(jià)因東湖高新技術(shù)開發(fā)區(qū)大部、漢南區(qū)中部和南部、蔡甸區(qū)東北部、黃陂區(qū)東北部以及其他局部地區(qū)由于巖溶和裂隙發(fā)育,因而成井造價(jià)最高。

4　適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)各單要素加權(quán)求和可得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是通過預(yù)評(píng)價(jià)之后,通過工程實(shí)際效果和經(jīng)驗(yàn)反算評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性,如此反復(fù)測算,得出最終評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)三類,各分區(qū)界線確定為30分、70分(表4),分區(qū)結(jié)果見圖2。

表4　地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)值Table 4　Score of suitability evaluation about groundwater heat pump

根據(jù)地下水源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)層次分析法，評(píng)價(jià)結(jié)果如下：適宜區(qū)主要為長江、漢江一級(jí)階地前緣至中緣,其特點(diǎn)為可利用的地下水資源量豐富且含水層出水、回灌能力強(qiáng),適宜區(qū)面積144.74 km2。

不適宜區(qū)主要分為兩類：一類是武漢市白沙洲地區(qū)、中南軋鋼廠等地下水禁采區(qū)和漢南等地,該區(qū)共同的特點(diǎn)是分布于長江岸邊,地層結(jié)構(gòu)上覆為第四系砂層,賦存有松散巖類孔隙承壓水,下伏地層為石炭—二疊系灰?guī)r,巖溶發(fā)育,賦存裂隙巖溶水,兩種地下水互相連通,在地下水動(dòng)力和巖溶作用下,抽水極易誘發(fā)巖溶地面塌陷；另一類是評(píng)價(jià)區(qū)一級(jí)階地后緣及隱伏巖溶上部為隔水層地區(qū),其單井出水量小,開發(fā)利用成本較高,分析評(píng)價(jià)綜合得分低,上述地區(qū)被劃分為地下水地源熱泵系統(tǒng)不適宜區(qū),不適宜區(qū)面積為535.04 km2。

其它地區(qū)為地下水源熱泵系統(tǒng)較適宜區(qū),面積287.50 km2。

圖2　地下水源熱泵適宜性分區(qū)圖Fig.2　Division of suitability about groundwater heat pump1.適宜區(qū)；2.較適宜區(qū)；3.不適宜區(qū)；4.地下水不發(fā)育區(qū)；5.調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)界線。

評(píng)估結(jié)果,武漢市都市發(fā)展區(qū)具有開發(fā)利用條件的地下水分布區(qū)占整個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)面積的29.34%(967.28 km2),其中適宜區(qū)及較適宜區(qū)共占13.11%(432.24 km2),適宜區(qū)占4.39%(144.74 km2),較適宜區(qū)占8.72%(287.50 km2)；不適宜區(qū)占16.23%(535.04 km2)。

5　結(jié)語

采用層次分析法,能夠輔助用于淺層地溫能開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià),并與實(shí)際情況基本相符,是評(píng)價(jià)工作重要手段之一。選擇適宜的評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型和要素、因

子及權(quán)重極為重要,否則評(píng)價(jià)結(jié)果很難正確合理。另外層次分析法只能評(píng)價(jià)出相對(duì)的結(jié)果,準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)需要實(shí)際工程與評(píng)價(jià)體系的反復(fù)測算。

武漢市都市發(fā)展區(qū)地下水地源熱泵資源較豐富,在應(yīng)用規(guī)模和整體水平上有較大的發(fā)展空間。但在巖溶地區(qū)進(jìn)行地源熱泵開發(fā),應(yīng)嚴(yán)格遵守行政部門相關(guān)規(guī)定,禁采區(qū)內(nèi)禁止利用。根據(jù)河道堤防管理有關(guān)規(guī)定,在長江、漢江等干堤堤防背水面150～500 m范圍內(nèi)打井取水,應(yīng)報(bào)防汛主管部門審批。對(duì)可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的項(xiàng)目更應(yīng)該進(jìn)行監(jiān)測,按照適宜性區(qū)劃合理開發(fā)利用,推進(jìn)淺層地溫能綜合開發(fā)利用。

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