利用層次分析法評(píng)價(jià)東營(yíng)市淺層地?zé)崮苓m宜性

胡松濤，孫云川，胡思敬

(1.山東省地礦工程集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250014;2.山東省地礦工程勘察院，山東濟(jì)南250014)

0 引言

東營(yíng)市淺層地?zé)崮芸辈殚_發(fā)始于1999年，現(xiàn)已施工地源熱泵項(xiàng)目146處，建成投入使用面積達(dá)308.34萬m2，開發(fā)利用規(guī)模走在了全省前列。但以往未進(jìn)行專門的淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)工作，該文采集了大量實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，研究成果對(duì)于合理引導(dǎo)今后淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用具有重要意義。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家A.L.Saaty等人于20世紀(jì)70年代提出的一種能有效地對(duì)較為復(fù)雜、模糊的問題作出決策的方法，是一種定性與定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法［1］。這種方法將決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷給予量化，較適用難于完全定量分析的問題。特別是在目標(biāo)因素結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下使用更為方便，因其簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用，在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用層次分析法評(píng)價(jià)東營(yíng)市淺層地?zé)崮苓m宜性，具有較高的可行性和有效性。

鑒于東營(yíng)市地下水資源不豐富，以往開發(fā)利用工程以地埋管換熱系統(tǒng)為主，占總工程數(shù)量的97.1%，在此只針對(duì)地埋管換熱方式進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)。

1 東營(yíng)市淺層地?zé)崮鼙尘皸l件

東營(yíng)市位于黃河沖擊平原，總面積7 923 km2，地形平坦無起伏，氣候冬冷夏熱。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、社會(huì)發(fā)展程度較高，具備大力開發(fā)淺層地?zé)崮艿慕?jīng)濟(jì)社會(huì)條件。市域范圍內(nèi)被厚達(dá)168～420 m的第四系覆蓋，巖性以粉土、粉質(zhì)粘土和砂層互層為主。屬魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，北部海積沖積平原地下水以咸水為主，在南部沖積洪積平原淡水水文區(qū)地下水超采嚴(yán)重，存在降落漏斗，除降落漏斗外水位埋深普遍小于4 m。主要地質(zhì)環(huán)境問題為地下水降落漏斗和地面沉降［2］。在黃河河道兩側(cè)及三角洲沖擊平原同一深度的地下溫度普遍低于其他地區(qū)。綜合熱導(dǎo)率在1.61～1.97 W/m·℃之間，平均為1.78 W/m·℃;平均孔深換熱量在 50.50 ～57.10 W/m之間。

2 適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)及體系

2.1 適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

根據(jù)《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范DZ/T0225－2009》分區(qū)要求，結(jié)合工作區(qū)實(shí)際情況，東營(yíng)市地埋管換熱方式適宜性分區(qū)考慮地埋管換熱條件、工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件等因素［3］。

(1)地埋管換熱條件。不同巖土體的物理、熱物理性質(zhì)影響工程總體換熱功率的大小，決定單孔換熱量。巖土體熱導(dǎo)率則反映了能量傳遞與交換的快慢，直接決定了地埋管換熱器換熱能力的高低。因此，將地埋管綜合熱導(dǎo)率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(2)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件。包括成孔難易程度、地面沉降，不僅影響著換熱孔施工難度和工程初投資，還影響著換熱孔有效深度。在此將地面沉降作為主要因子。

(3)水文地質(zhì)條件。主要包括地下水位埋藏深度和砂層厚度。水位埋深影響著地埋管換熱器換熱功率，水位埋藏淺，流動(dòng)速度大，換熱器釋放的冷熱負(fù)荷被地下水迅速帶走，與地下水及巖土體間的能量交換快。根據(jù)淺層地?zé)崮苷{(diào)查規(guī)范，含水層厚度越厚地埋管換熱條件越好，在此，以砂層厚度代表含水層厚度，砂層厚度為淺層地?zé)崮艿馁x存提供了條件，厚度越大換熱條件越好。

2.2 評(píng)價(jià)體系及因子權(quán)重

地埋管換熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)模型由3層構(gòu)成，從頂層至底層分別為目標(biāo)層、屬性層和要素指標(biāo)層3級(jí)。評(píng)價(jià)目標(biāo)是地埋管換熱方式適宜性分區(qū);屬性指標(biāo)由水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件和地埋管換熱條件3項(xiàng)構(gòu)成;要素指標(biāo)由地下水位埋藏深度、砂層厚度、成孔難易程度、地面沉降、熱擴(kuò)散率、比熱容、綜合熱導(dǎo)率7個(gè)指標(biāo)構(gòu)成(圖1)。

采用賦權(quán)法確定因子權(quán)重［4］。按照層次分析法(AHP)的要求，在評(píng)價(jià)體系層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)和研究分析，首先比較屬性層和要素層中各因素的重要性，計(jì)算指標(biāo)權(quán)重(表1，表2)，然后確定各要素因子最終權(quán)重。

表1 屬性層各個(gè)指標(biāo)重要性對(duì)比及權(quán)重

表2 要素層各個(gè)指標(biāo)重要性對(duì)比及在屬性層中權(quán)重

最終確定各個(gè)要素指標(biāo)因子在目標(biāo)層中所占的權(quán)重(表3)。

表3 要素層中各要素在目標(biāo)層的權(quán)重

3 適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 網(wǎng)格剖分方式

以1∶10萬地理底圖為基礎(chǔ)進(jìn)行評(píng)價(jià)網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格大小4 000 m×4 000 m。

3.2 要素賦值

借助GIS制圖軟件中，制作各要素指標(biāo)的圖件，包括:地下水位埋藏深度分區(qū)圖、綜合熱導(dǎo)率分區(qū)圖、砂層厚度分區(qū)圖、地面沉降分區(qū)圖等［5］。再以是否適宜建設(shè)地埋管換熱系統(tǒng)為比較標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合巖土樣品分析、熱響應(yīng)試驗(yàn)等得到的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)要素的范圍值在1～9之間打分，越有利于地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)用則所獲分值越高，從而將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為介于1～9之間可以互相比較運(yùn)算的無量綱數(shù)值(表4)。

表4 適宜性評(píng)價(jià)各要素指標(biāo)賦值

然后將網(wǎng)格剖分圖與已經(jīng)賦值完畢的圖件進(jìn)行疊加，把各要素圖件中的賦值對(duì)應(yīng)到了相應(yīng)的網(wǎng)格上。采用綜合指數(shù)法公式計(jì)算，將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的屬性賦值與其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值相乘，通過求和得出每個(gè)點(diǎn)上的初步分值。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法計(jì)算公式如下:

式中:Rk—綜合評(píng)價(jià)指數(shù);ai—要素的目標(biāo)層權(quán)重;Xi—要素賦值;n—要素指標(biāo)個(gè)數(shù)。

3.3 適宜性評(píng)價(jià)

結(jié)合東營(yíng)市淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)條件，將分值大于6.0的區(qū)域設(shè)定為地埋管換熱方式適宜區(qū)(Ⅰ區(qū))，分值小于等于6.0的區(qū)域設(shè)定為較適宜區(qū)(Ⅱ區(qū))(圖2)。

適宜區(qū)(Ⅰ區(qū)):包括河口區(qū)、利津縣大部，東營(yíng)區(qū)的東部，面積4 704.595 km2，約占全市總面積的57.10%。區(qū)內(nèi)巖性主要為第四紀(jì)粉質(zhì)粘土、粉土和粉砂層，砂層厚度變化自20～40 m不等，地下水位埋深一般小于1 m，地面沉降量在－150～－50 mm之間，綜合熱導(dǎo)率一般大于1.8 W/m·℃。

較適宜區(qū)(Ⅱ區(qū)):面積3 538.405 km2，占全市總面積的42.90%，包括Ⅱ1～Ⅱ6六個(gè)亞區(qū)。

Ⅱ1亞區(qū)位于黃河三角洲，包括東營(yíng)港、仙河鎮(zhèn)、孤東油田、黃河入海口等地區(qū)。砂層厚度普遍小于30 m，地下水位埋小于5 m，綜合熱導(dǎo)率在1.76～1.78 W/m·℃左右。

圖2 東營(yíng)市地埋管換熱方式適宜性分區(qū)圖

Ⅱ2亞區(qū)位于墾利—東營(yíng)區(qū)—廣饒地區(qū)，包括墾利縣城、東營(yíng)區(qū)東西城區(qū)、六戶鎮(zhèn)、勝坨鎮(zhèn)、丁莊鎮(zhèn)及廣饒縣全境。砂層厚度普遍小于30 m，在六戶—丁莊—廣饒一帶小于20 m。在廣饒縣有地面沉降，沉降量小于350mm。綜合熱導(dǎo)率普遍小于1.7 W/m·℃。

Ⅱ3亞區(qū)位于東營(yíng)市西城區(qū)—六戶一帶，砂層厚度小于30 m，在西城區(qū)附近有小規(guī)模地面沉降發(fā)生，綜合熱導(dǎo)率1.61 W/m·℃左右。

Ⅱ4，Ⅱ5，Ⅱ6亞區(qū)分別位于廣饒縣城、李鵲鎮(zhèn)、大王鎮(zhèn)，砂層厚度普遍小于20 m，綜合熱導(dǎo)率1.82左右。均有地下水降落漏斗存在，地下水位埋深最大可達(dá)35.93 m。

4 結(jié)語

在大量利用實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，通過層次分析法對(duì)東營(yíng)市淺層地?zé)崮艿芈窆軗Q熱方式進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，地下水埋藏深度、砂層厚度、成孔難易程度、地面沉降、熱擴(kuò)散率、比熱容、綜合熱導(dǎo)率等7個(gè)指標(biāo)的選取，是符合當(dāng)?shù)貙?shí)際和評(píng)價(jià)要求的。

通過評(píng)價(jià)分區(qū)，東營(yíng)市地埋管換熱方式適宜性劃分為適宜、較適宜2個(gè)區(qū)。結(jié)果顯示，在河口區(qū)、利津縣大部、東營(yíng)區(qū)東部淺層地?zé)崮軛l件優(yōu)越，適宜大力開發(fā)淺層地?zé)崮?，其余地區(qū)在合理勘查設(shè)計(jì)的條件下較適宜建設(shè)地埋管換熱系統(tǒng)?？傮w來看東營(yíng)市淺層地?zé)崮苓m宜性好、開發(fā)潛力巨大。

［1］趙艷娜，馬小全.層次分析法在淺層地?zé)崮苓m宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.地下水，2012，(6):61 －63.

［2］王小剛，鄒祖光，王秀芹，等.東營(yíng)市城區(qū)地面沉降影響因素［J］.山東國(guó)土資源，2006，22(5):50 －53.

［3］衛(wèi)萬順，鄭桂森，冉偉彥，等.北京淺層地溫能資源［M］.北京:中國(guó)大地出版社，2008.

［4］朱茵，孟志達(dá)，闞權(quán)愚.用層次分析法計(jì)算權(quán)重［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23(5):119 －122.

［5］韓再生，冉偉彥，佟紅兵，劉志明.淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)［J］.中國(guó)地質(zhì)，2007，(6):1115 －1121.