合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)

許雪潔，李莉莉

（1. 安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000；2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，合肥 230001）

合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)

許雪潔1，李莉莉2

（1. 安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000；2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，合肥 230001）

本文以合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)為例, 采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，合肥大部分地區(qū)都適宜于應(yīng)用地埋管地源熱泵系統(tǒng)，除少數(shù)基巖裸露區(qū)外，其余都為適宜區(qū)和較適宜區(qū)，其中適宜區(qū)面積為597km2，較適宜區(qū)面積為141km2。評(píng)價(jià)結(jié)果與客觀情況基本吻合，分區(qū)結(jié)果合理可靠。

合肥市；地源熱泵；層次分析法；適宜性分區(qū)

0 引言

淺層地溫能是一種可再生的能源, 是改善各地能源結(jié)構(gòu)的一種本地資源, 這種資源普遍存在于地下不同的地質(zhì)體中，具有總量大、可再生、安全可靠、環(huán)境效益顯著的特點(diǎn),但是它受到區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)條件（即研究區(qū)地層沉積組合、巖性特征、地下水動(dòng)態(tài)等）等影響。淺層地溫資源利用通過(guò)地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),服務(wù)于生活和生產(chǎn)。在開(kāi)發(fā)、利用淺層地溫資源時(shí)，我們應(yīng)該結(jié)合區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件，選用科學(xué)的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行適宜性分區(qū)，以確定合理的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用方式。

合肥市應(yīng)用地源熱泵工程較晚，但是發(fā)展較快，目前為止已經(jīng)建成地源熱泵項(xiàng)目20家，服務(wù)面積193萬(wàn)m2。合肥市位于江淮之間，為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，具有四季分明，冬寒夏熱、春秋溫和特點(diǎn)，夏季利用地源熱泵工程向地下排熱，冬季利用地源熱泵工程從地下取熱，可以較好地使地下熱量保持一個(gè)均衡狀態(tài)。合肥市埋深200m以淺地下水資源貧乏，80%的區(qū)域單位涌水量小于1m3/h·m，地下水回灌量占出水量的20%～30%，開(kāi)發(fā)利用方式較適宜于應(yīng)用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。本文采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)合肥市地埋管地源熱泵進(jìn)行適宜性分區(qū)。

1 淺層地溫能地質(zhì)條件

1.1 淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

合肥市地形北高南低、西高東低，地形坡度集中在0.5%～3%。海拔高程小于50m的國(guó)土面積為736.5 km2，占全區(qū)總面積的96.9%，僅大蜀山呈錐狀凸起?？傮w上研究區(qū)呈崗、谷相間地貌，崗地呈緩坡，谷地呈平緩的地形特征。區(qū)域地貌單元上屬于江淮波狀平原區(qū)。區(qū)內(nèi)除大蜀山錐狀火山孤峰外，其余均以崗坳相間、壟畈起伏的波狀平原為主，南淝河下游河谷地帶為平坦的沖積平原。合肥市地處中生代合肥斷陷盆地的東南部，區(qū)域構(gòu)造單元屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)南緣江淮臺(tái)隆。合肥市屬于晉冀魯豫地層區(qū)華北南緣地層分區(qū)，地層由老到新為中生代侏羅系上統(tǒng)周公山組(J3z)，白堊系下統(tǒng)新莊組(K1x)，白堊系上統(tǒng)張橋組(K2z)；新生代第三系定遠(yuǎn)組(E1dy)和第四系（Q）。中新生代沉積了巨厚的陸源碎屑巖類(lèi)堆積物，受斷裂構(gòu)造和地下水的共同作用，巖石風(fēng)化、膠結(jié)物的流失嚴(yán)重特別是白堊系膠結(jié)差，主要巖性為鈣質(zhì)泥巖、泥鈣質(zhì)粉細(xì)砂巖。地表絕大部分被第四系棕黃、褐黃色粘土、亞粘土所覆蓋。

1.2 水文地質(zhì)條件

本區(qū)的地下水共三種類(lèi)型，松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)（紅層）裂隙孔隙水、基巖裂隙水。

松散巖類(lèi)孔隙水：主要分布在南淝河沿岸漫灘一帶，主要含水層巖性由第四系全新統(tǒng)粉砂、亞砂土組成，含水砂層厚度2～5m，呈長(zhǎng)條狀和透鏡狀分布。地下水的水力性質(zhì)以潛水—微承壓水為主，地下水位埋深一般在2～4m不等，年變幅在1～2m，單井出水量小于100m3/d。水質(zhì)類(lèi)型以HCO3-Na·Ca型和HCO3－Ca·Na型為主，溶解性總固體小于lg/L占95%。Ⅲ類(lèi)占92%，總體上水質(zhì)良好。

碎屑巖類(lèi)（紅層）裂隙孔隙水：主要儲(chǔ)存在中生代白堊紀(jì)以及新生代早第三紀(jì)的“紅層”中，含水巖組呈多層（泥巖與砂巖）交互分布，泥巖結(jié)構(gòu)密實(shí)、膠結(jié)的較好。含水層的巖性為鈣質(zhì)砂礫巖和鈣質(zhì)砂巖，砂巖的顆粒以粉細(xì)砂為主。單井涌水量一般為50～100m3/d，在張性斷裂帶附近富水性較好，單井涌水量100～500m3/d。水質(zhì)類(lèi)型為HCO3-Na·Ca型和HCO3－Na型，侏羅系和白堊系中地下水溶解性總固體均小于lg/L；Ⅲ類(lèi)占90%以上，水質(zhì)良好。

基巖裂隙水：僅分布于大蜀山，基巖出露面積約2.5km2，主要巖性為輝綠玢巖，屬于新生代早第三紀(jì)的基性火山巖。由于巖石裂隙不發(fā)育，缺少地下水必要的儲(chǔ)水空間，單井涌水量小于50m3/d。

本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水，其次為地下徑流和水庫(kù)、塘、灌渠等。另外，河流在豐水季節(jié)對(duì)地下水也有一定的補(bǔ)給作用；天然狀態(tài)下，地下水徑流方向與地表水流方向基本一致，從北西向東南；排泄形式主要為季節(jié)性補(bǔ)給河水，其次是人工開(kāi)采。

1.3 巖土體熱物性特征

巖土體熱物性特征：第四系土樣導(dǎo)熱系數(shù)范圍為1.14～2.4W/m·K，熱擴(kuò)散系數(shù)在0.45～1.69mm2/s之間，體積比熱容在0.79～3.19MJ/m3·K之間；基巖巖樣導(dǎo)熱系數(shù)范圍為1.01～2.53W/m·K，熱擴(kuò)散系數(shù)在0.3～1.25mm2/s之間，體積比熱容在0.94～4.5MJ/m3·K之間。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)小排列如下：第四系（1.56 W/m·K）＜白堊系(1.69 W/m·K)＜第三系(2.02 W/m·K)＜侏羅系（2.46 W/m·K）。熱擴(kuò)散系數(shù)為：第四系（0.72 mm2/s）＜白堊系(0.74 mm2/s)＜第三系(0.90 mm2/s)＜侏羅系（1.20 mm2/s）。比熱容大小排列規(guī)律為：侏羅系（2.10 MJ/m3K）＜第三系 (2.27 MJ/m3K)＜第四系(2.36 MJ/m3K)＜白堊系（2.37 MJ/m3K）。區(qū)內(nèi)東南和西北部分的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)其他區(qū)域較大，南部的比熱容相對(duì)其他區(qū)域較大。

1.4 淺層地溫場(chǎng)特征

區(qū)內(nèi)恒溫帶溫度在17.4℃左右，恒溫層深度在12～32m左右，恒溫帶和增溫帶的溫度在一年內(nèi)基本保持恒定、無(wú)變化。埋深20m地溫由西部向東部逐漸升高，由17.0℃升至17.4℃，溫度由北向南遞增，由17.2℃升至17.6℃，最高達(dá)到17.8℃；埋深50m地溫由西南向東北逐漸升高，在中北部達(dá)到最高溫度18.4℃；100m埋深處的溫度平面分布變化較大，從19.0℃升至20.2℃，也遵從由西向東遞增的規(guī)律，東北部及東南部溫度都較高。區(qū)內(nèi)地層每百米的增溫率在2.2℃～4.1℃之間，其中東北部和南部地溫梯度較大，分別達(dá)到4.0℃/100m和3.6℃/100m，而西部則較低，為2.4℃/100m。

2 評(píng)價(jià)方法的選取

針對(duì)合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模（圖1）。層次分 析 法 ( Analytic Hierarchy Process 簡(jiǎn) 稱(chēng)AHP) 是由美國(guó)匹茲堡大學(xué)教 A.L.Saaty 于 20 世紀(jì)70 年代提出的一種系統(tǒng)分析方法（朱茵等，1999）。它根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和最終目標(biāo)，將問(wèn)題劃分為相關(guān)聯(lián)的有序?qū)樱瑯?gòu)成系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)，依據(jù)人們對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的判斷，對(duì)各因素的相對(duì)重要性給予定量表示，利用數(shù)學(xué)方法確定各因素的層次單權(quán)重和總權(quán)重（董殿偉等，2010；金婧等，2012）。運(yùn)用層次分析法建模，大體上可按下面5個(gè)步驟進(jìn)行（宋小慶等，2015）：

（1）建立系統(tǒng)遞階層次結(jié)構(gòu)。把問(wèn)題進(jìn)行分解組合，建立遞階層析結(jié)構(gòu)，清楚表明各層次之間的關(guān)系。

（2）建立兩兩比較矩陣。采用1-9標(biāo)度對(duì)同一元素進(jìn)行兩兩比較后建立比較矩陣。

（3）構(gòu)造判斷矩陣。采用極比法構(gòu)造判斷矩陣，得到一致性判斷矩陣。

（4）按一致性檢驗(yàn)指標(biāo) CI 進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。CI 越小，判斷矩陣的一致性就越好。

（5）進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。權(quán)重越大，表明參數(shù)對(duì)適宜性分區(qū)的影響越大、對(duì)分區(qū)結(jié)果的貢獻(xiàn)越大。

3 考慮因素

地質(zhì)、水文地質(zhì)條件：考慮因素主要有第四系松散層厚度、含水層的劃分及分布、地下水類(lèi)型、地下水位埋深，地下水補(bǔ)、徑、排條件及水質(zhì)狀況等。

地層屬性：地層巖性的分布直接影響施工成本及巖土體導(dǎo)熱性能，地層巖性、地層厚度參數(shù)決定地埋管的適宜性和取熱層位。

施工條件：鉆進(jìn)條件及城市功能分區(qū)，影響著地埋管成井費(fèi)用和初投資。因此，鉆進(jìn)條件是影響地埋管適宜性的重要因素。

地層熱物性參數(shù)：地下埋管處巖土的熱物性參數(shù)，對(duì)埋管換熱性能有著重要影響。鉆孔地點(diǎn)的巖土物性參數(shù)，對(duì)埋管單位井深換熱量的影響非常大。

圖1 地埋管熱泵層次分析法模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of model structure analysis of buried pipe heat pum p

4 評(píng)價(jià)步驟

4.1 建立層次分析結(jié)構(gòu)模型

本次評(píng)價(jià)體系由三層構(gòu)成, 從頂層至底層分別由系統(tǒng)目標(biāo)層 (0, Object)、屬性層 (A , Attribute) 和要素指標(biāo)層(F，F(xiàn)actor ) 3 級(jí)層次結(jié)構(gòu)組成。O 層是系統(tǒng)的總目標(biāo), 即淺層地溫能地源熱泵適宜區(qū)劃分。A 層是屬性指標(biāo)層, 由地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、地層屬性、施工條件、熱物性四部分構(gòu)成。F 層是要素指標(biāo)層,由第四系厚度、地下水位、地下水徑流條件、地下水質(zhì)、地層巖性鉆進(jìn)條件、城市功能分區(qū)、地層熱傳導(dǎo)系數(shù)、地層比熱容等9個(gè)指標(biāo)構(gòu)成(圖1)。

4.2 構(gòu)造成對(duì)比較矩陣

從結(jié)構(gòu)模型的屬性層（即第2層）開(kāi)始，對(duì)于從屬于（或影響）上一層的同一層各個(gè)因素，用兩兩比較矩陣法和1-9標(biāo)度建立起比較矩陣，直到最底層，構(gòu)造判斷矩陣C，各要素層相對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣見(jiàn)表1 。

表1 要素層成對(duì)比較矩陣及權(quán)重Tab.1 Pairw ise comparison matrix and weight of element layer

4.3 計(jì)算權(quán)向量并檢驗(yàn)一致性并確定權(quán)重

根據(jù)層次分析法（AHP），在評(píng)價(jià)體系的三級(jí)層次結(jié)構(gòu)隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)造兩兩比較矩陣，利用極比法構(gòu)造判斷矩陣，得到一致性判斷矩。通過(guò)計(jì)算，檢驗(yàn)兩兩比較矩陣的一致性,最終確定要素指標(biāo)層中，各個(gè)要素在評(píng)價(jià)目標(biāo)的有效權(quán)重（表2）。

4.4 基礎(chǔ)圖件的制作和指標(biāo)的提取

圖件準(zhǔn)備：在MapGIS制圖軟件中，制作各要素指標(biāo)的圖件，包括第四系厚度等值線圖、基巖地質(zhì)圖、城市功能分區(qū)圖、地層熱傳導(dǎo)系數(shù)平面分布圖、地層比熱容平面分布圖等圖件。

表2 各要素的有效權(quán)重Tab.2 The effective weight of each element

圖件賦值：對(duì)第四系厚度等值線圖、基巖地質(zhì)圖、城市功能分區(qū)圖、地層熱傳導(dǎo)系數(shù)平面分布圖、地層比熱容平面分布圖等圖件賦值，賦值遵循越有利于地源熱泵條件的屬性層給分越高的規(guī)則。對(duì)可定量的指標(biāo)圖形根據(jù)取值范圍進(jìn)行賦值，如第四系厚度等值線圖、地層熱傳導(dǎo)系數(shù)分布圖、地層比熱容平面分布圖根據(jù)厚度、大小賦以不同的值；對(duì)不能定量獲得的指標(biāo)圖件如基巖地質(zhì)圖、城市功能分區(qū)圖等則定性賦值，白堊系及第三系巖性主要為泥巖、頁(yè)巖及粉砂巖，巖性較松散，利于鉆進(jìn)，所以賦值較高，侏羅系巖性主要為石英砂巖夾粉砂巖、安山巖，巖性較堅(jiān)硬，不利于鉆進(jìn)，所以賦值較低；城市功能分區(qū)里建成區(qū)不利于使用地源熱泵，所以賦值也較低。各因素賦值情況見(jiàn)表3至表6。

表3 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件因子等級(jí)劃分及評(píng)分值Tab.3 Geological and hydrogeological condition factor grade and score

表4 地層巖性因子等級(jí)劃分及評(píng)分值Tab.4 Stratigraphic lithologic factor grading and scoring

表5 施工條件各要素等級(jí)劃分及評(píng)分值Tab.5 Construction conditions of the elements of the classif cation and evaluation

表6 熱物性各要素等級(jí)劃分及評(píng)分值Tab.6 Thermal physical properties of the elements of the classif cation and evaluation

指標(biāo)提?。豪镁W(wǎng)格剖分法，將合肥市網(wǎng)格化，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的適宜性指數(shù)，從而計(jì)算出合肥市行政區(qū)域內(nèi)區(qū)的適宜性分區(qū)。為提高計(jì)算準(zhǔn)確度, 首先對(duì)合肥市大約760km2的范圍進(jìn)行剖分,對(duì)剖分網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。除去裸露基巖山包, 對(duì)具有相似指標(biāo)值的網(wǎng)格進(jìn)行整合，最后本次參與計(jì)算評(píng)價(jià)的網(wǎng)格點(diǎn)的個(gè)數(shù)為36個(gè)。然后將指標(biāo)要素圖形與剖分區(qū)域點(diǎn)進(jìn)行疊加。最終, 各個(gè)圖件中的屬性賦值對(duì)應(yīng)到了相應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)上，將各個(gè)圖形分析的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格點(diǎn)指標(biāo)計(jì)算。

5 適宜性分區(qū)

對(duì)評(píng)價(jià)體系中要素指標(biāo)層的因子，采用綜合指數(shù)法進(jìn)行加權(quán)疊加，計(jì)算出適宜性綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。

將綜合評(píng)價(jià)指數(shù)0～5 的區(qū)域劃分為地埋管地源熱泵不適宜區(qū)、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)5～7 的區(qū)域劃分為地埋管地源熱泵較適宜區(qū)、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)7～9的區(qū)域劃分為地埋管地源熱泵適宜區(qū)（圖2）。

地層巖石相對(duì)較松散、利于鉆進(jìn)的白堊系及第三系巖石分布地區(qū)及巖土體導(dǎo)熱系數(shù)較好的廣大地區(qū)都為地埋管地源熱泵適宜區(qū)，面積為597km2。

地層巖石較堅(jiān)硬、不利于鉆進(jìn)的侏羅系巖石分布地區(qū)、巖土體導(dǎo)熱系數(shù)較差的地區(qū)都為地埋管地源熱泵較適宜區(qū)，面積為141km2。

大蜀山等裸露基巖區(qū)為地埋管地源熱泵不適宜區(qū)，面積為22km2。

圖2 合肥市地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)圖Fig.2 Suitability zoning map of ground source heat pum p in Hefei

6 結(jié)論

地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)的主要依據(jù)是淺層地溫能資源賦存的地質(zhì)條件，以地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，以施工條件為依托，運(yùn)用層次分析法、綜合指數(shù)法對(duì)合肥市地埋管地源熱泵適宜性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，合肥市紅層地區(qū)地埋管地源熱泵適宜區(qū)面積為597km2，較適宜區(qū)面積為141km2，不適宜區(qū)面積為22 km2，合肥市大部分區(qū)域都適宜地埋管地源熱泵系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用。

董殿偉，江 劍，王立發(fā)，等，2010. 北京市平原區(qū)地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)[J]．北京水務(wù)，2010(2)：12-14．

金婧，席文娟，陳宇飛，等，2012．基于 AHP 的淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)評(píng)價(jià)[J]．水資源與水工程學(xué)報(bào)，23(3)：91-93．

宋小慶，彭欽，2015. 基于層次分析法的貴陽(yáng)市地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)[J]. 地下水，37(3)：48-49

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

Study on the Suitability Evaluation M ethod of Ground Source Heat Pum p in Hefei City

XU Xuejie1, LI Lili2

(1. No.1 Hydrogeology and Engineering Geology Institute of Anhui Bureau of Geology and Mineral Exploration, Bengbu 233000; 2. Geological Environment Monitoring Station of Anhui Province, Hefei 230001)

By the analysis hierarchy process, the ground source heat pump system in Hefei is taken an example to evaluate whether the system is applicable in Hefei. Results show ground source heat pump system is suitable for most parts of Hefei, except for a few bedrock exposed areas. The suitable area is up to 597km2, the relative suitable area is 141km2. The result is consistent w ith the reality, and the zoning result is reasonable and reliable.

Hefei; Ground source heat pump; Analysis hierarchy process; Suitability zoning

A

1007-1903（2017）02-0082-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.016

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2011年地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)專(zhuān)項(xiàng)“全國(guó)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)”計(jì)劃項(xiàng)目（水[2011]01-17-10、 水[2012]02-036-010）

許雪潔（1981- ），女，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)。E-mail：xuxuejie812@126.com