利用層次分析法評價德州市淺層地熱能適宜性

蘭善治

[摘要]利用層次分析法（AHP），建立地埋管換熱系統(tǒng)適宜性層次結構模型，在大量基礎數(shù)據(jù)的基礎上，選擇第四系（第三系松散層）厚度、水位埋深、含水層厚度、鉆進條件、綜合熱傳導系數(shù)、平均比熱容等6個指標，將德州市淺層地熱能開發(fā)利用劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)、不適宜區(qū)。本項目是德州市第一次開展淺層地熱能適宜性評價，為今后淺層地熱能開發(fā)利用提供了科學依據(jù)。

[關鍵詞]層次分析法；淺層地熱能；適宜性評價；德州市

0引言

德州市位于山東省西北部黃河沖積平原區(qū)，能源資源相對貧乏，長期嚴重缺煤缺電。在能源短缺和環(huán)境污染的雙層壓力下，淺層地熱能這一清潔可再生的新能源，日益受到地方政府的重視。據(jù)不完全調(diào)查，德州市淺層地熱能開發(fā)利用項目數(shù)量已達到14個（包括在建項目），服務面積已達32.5萬m²。本文通過采集大量實測資料進行分析，對今后德州市開發(fā)淺層地熱能的開發(fā)利用具有重要意義。

層次分析法（AHP）是20世紀70年代中期由美國運籌學家T.L.Saaty提出的一種能有效地處理決策問題的使用方法，是一種定性和定量相結合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。這種方法將決策者的經(jīng)驗判斷給于數(shù)量化，在目標因素結構復雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下使用更為方便，因而在實踐中得到廣泛應用，特別是在工程地質、水文地質分區(qū)評價中應用廣泛。應用層次分析法評價德州市淺層地熱能適宜性，具有較高的可行性和有效性。

1德州市淺層地熱能背景條件

德州市地處黃河沖積平原，屬魯西北平原松散巖類水文地質區(qū)，總面積10356km²，地勢平緩，氣候冬冷夏熱。德州市受大地構造斷塊的控制，坳陷區(qū)第四系發(fā)育齊全，厚度較大，一般220～320m，在平原、武城、德州及臨邑一帶，厚度超過280m；隆起區(qū)地層厚度較小，一般為180～220m，在齊河--F饒大斷裂以南的齊河西南部邊緣一帶，厚度僅50-170m。巖性以粉土、粉質粘土、粉土互層夾粉砂層為主。主要地質問題為地面沉降。

目前德州市南部和東部以地面沉降250mm等值線為界所形成的地面沉降面積達3315.34km²，整個德城區(qū)形成了-400mm地面沉降漏斗，當?shù)卣畬Φ叵滤拈_發(fā)利用進行嚴格控制，以往開發(fā)利用工程以地埋管換熱系統(tǒng)為主，故只對地埋管換熱方式進行適宜性評價。

2適宜性評價指標及體系

2.1評價指標指標的選取

根據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范》（DZ/T0225-2009）分區(qū)要求。結合工作區(qū)實際情況，德州市地埋管換熱方式適宜性分區(qū)分別選擇水文地質條件、施工條件以及地層熱物理性質參數(shù)來構建評價指標體系。

2.1.1水文地質條件

掌握區(qū)域內(nèi)含水層的分布、含水層厚度、水溫、水質狀況等，才能進行地埋管布井設計，盡量避免地下含水層水質污染的事件發(fā)生。

2.1.2施工條件

施工條件主要是鉆探時鉆進的條件，鉆進條件受地層巖性及顆粒大小影響。

2.1.3地層熱物理性質

地下埋管處巖土的熱物理性質參數(shù)對地埋管換熱性能有著重要影響，鉆孔地點的巖土熱物性參數(shù)對埋管單位井深換熱量的影響非常大，地層熱物理參數(shù)決定地埋管的適宜性和取熱層位。

2.2評價體系及因子權重

其評價體系分為3層。從頂層至底層分別為系統(tǒng)目標層（O，0biect）、屬性層（A，Attribute）和要素指標層（F，F(xiàn)actor）。0層是對地埋管式地源熱泵系統(tǒng)應用適宜性評價的一個總的判斷：A層是對地埋管式地源熱泵系統(tǒng)應用適宜性不同側面的反映，由水文地質條件、施工條件、地層熱物理性質3部分構成：F層是描述各屬性指標的最基礎要素，由第四系（第三系松散層）厚度、水位埋深、含水層厚度、鉆進條件、綜合熱傳導系數(shù)、平均比熱容共6個指標構成，適宜性分區(qū)評價體系結構圖見圖1。

按照層次分析法的要求，在評價體系層次隸屬關系的基礎上，通過綜合研究，分別比較同一層次各要素之間的相對重要性，并采用i-9標度法給出各要素的分值，其中，對適宜性評價影響越大的因素重要性就越大，分值也越大，由此構造比較矩陣。通過計算，檢驗比較矩陣的一致性，必要時對比較矩陣進行修改，以達到可以接受的一致性。最后求出要素層中各個要素在目標層中所占的權重。

3適宜性評價結果

3.1網(wǎng)絡剖分方式

以1：10萬底圖為基礎，按2km×2km的間隔進行網(wǎng)格剖分。

3.2要素賦值

此次評價采用的所有基礎數(shù)據(jù)均來自近年來的各類地質勘察報告及野外測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的預處理主要包括數(shù)據(jù)的矢量化、數(shù)據(jù)的分類與標準化，采用GIS軟件來實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)的矢量化過程即編制要素指標層各要素分區(qū)圖，但是各要素分區(qū)中所用數(shù)據(jù)的類型和量綱各不相同，為了在同一評價體系內(nèi)對不同數(shù)據(jù)進行比較和運算，需要在評價之前對數(shù)據(jù)進行標準化處理，此次評價對數(shù)據(jù)標準化的具體處理方法為：以是否適宜建設地埋管式水源熱泵系統(tǒng)為比較標準，對各個要素的范圍值在1-9之間打分，越有利于地埋管式地源熱泵系統(tǒng)應用的則所獲分值越高，從而將所有數(shù)據(jù)轉化為介于1-9之間可以相互比較運算的無量綱數(shù)值。各個要素的標準化處理具體過程如下。各要素具體賦值見表6。

通過其空間分析功能對各圖層中不同因素所覆蓋的結點進行賦值，這樣所有的指標層中的因素都通過結點疊加到一起。再乘上各因素的權重系數(shù)。進行累加求和。其評價公式：

式中：

P-適宜性區(qū)劃評價分值

p_i-參與評價的第i項要素的賦值

W_i-第i項要素的權重系數(shù)

n一評價因子的個數(shù)

根據(jù)評價公式求出各評價單元的總積分值P。根據(jù)P值的大小，進行適宜性分區(qū)。

3.3適宜性評價

根據(jù)此次評價工作實際計算結果的分值分布情況，0-5為地埋管式地源熱泵不適宜區(qū)：5-7為地埋管式地源熱泵較適宜區(qū)：7-9為地埋管式地源熱泵適宜區(qū)。其中適宜區(qū)面積為8945.5km²，較適宜區(qū)面積為975.1km²，不適宜區(qū)面積為435.7km²。最后的評價結果見圖2。

4結語

在大量的實測資料基礎上，通過層次分析法對德州市淺層地熱能地埋管換熱方式進行適宜性評價，第四系（第三系松散層）厚度、水位埋深、含水層厚度、鉆進條件、綜合熱傳導系數(shù)、平均比熱容等6個指標的選取，是符合當?shù)貙嶋H和評價要求的。

通過評價分區(qū)，德州市地埋管換熱方式適宜性劃分為適宜、較適宜、不適宜3個區(qū)。結果顯示，德州市大部分地區(qū)淺層地熱能條件優(yōu)越，適宜大力開發(fā)淺層地熱能。總體看德州市淺層地熱能適宜性好，開發(fā)潛力巨大。

[責任編輯：王偉平]