基于GIS技術(shù)和C-A分形方法的淺層地溫能定量適宜性評(píng)價(jià)

李崇博 宋玉 郝應(yīng)龍

摘 ? 要：淺層地溫能利用前景廣闊。據(jù)實(shí)際勘查資料和測試數(shù)據(jù)，采用層次分析法及C-A分型方法對(duì)烏魯木齊市北部城區(qū)進(jìn)行淺層地溫能定量適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，地下水源熱泵適宜，較適宜區(qū)面積196.35 km2，分布在第四系卵礫石厚度適中、含水層富水性好、單井涌水量1 000～5 000 m3/d、地下水徑流速度0.1～0.2 m/d的地帶;土源熱泵適宜、較適宜區(qū)總面積284.50 km2，分布在黃土、粉土、砂礫卵石厚度大于30 m的地帶，研究區(qū)其它地方不適宜淺層地溫能的建設(shè)。評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)該區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用具有良好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：淺層地溫能;適宜性;層次分析法;C-A分型方法

淺層地溫能具取用方便、無污染、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，是全球各國特別是歐美發(fā)達(dá)國家正在大面積推廣利用的綠色環(huán)保能源[1-2]。目前主要用于淺層地溫能資源評(píng)價(jià)的方法有體積法（熱儲(chǔ)法）、自然放射量推算法、數(shù)值法、類比法、水文地質(zhì)學(xué)法、現(xiàn)代試井法等[3]。淺層地溫能作為清潔環(huán)保資源，受到廣泛關(guān)注，對(duì)其合理開發(fā)利用，需研究烏魯木齊市淺層地溫能的開發(fā)利用條件。利用層次分析法及數(shù)學(xué)模型定量評(píng)價(jià)并進(jìn)行適宜性分區(qū)具重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?自然地理、水文地質(zhì)條件及地溫場特征

研究區(qū)位于烏魯木齊市北部城區(qū)，東經(jīng)87°30′00″～87°45′00″，北緯43°50′00″～44°00′00″。地形地貌復(fù)雜，地勢由東南向西北降低，大致分為兩個(gè)梯級(jí)：第一級(jí)為低山與丘陵，海拔600～1 000 m;第二級(jí)為平原，海拔在600 m以下。屬中溫帶大陸性干旱氣候。夏季較涼爽，冬季漫長寒冷，具晝夜溫差大，寒暑變化劇烈，春秋轉(zhuǎn)瞬即逝，降水少且時(shí)空分布極不均勻等氣候特征。多年平均氣溫7.88℃;多年平均降水量311.06 mm;蒸發(fā)量1 351.33 mm/a。水磨河、鐵廠溝河和蘆草溝河是區(qū)內(nèi)主要河流。

研究區(qū)在大地構(gòu)造上隸屬天山-興蒙造山系，準(zhǔn)噶爾-吐哈地塊之準(zhǔn)噶爾地塊南緣與博格達(dá)裂谷帶過渡地區(qū)，丘陵山地及平原邊界、基底褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育。平原周邊及基底主要為古生界二疊系粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖;中生界三疊系礫巖、砂礫巖、泥巖、粉砂巖，侏羅系長石巖屑砂巖、粉砂巖夾煤線、泥巖夾煤層、粉砂巖、泥巖組成;北部平原區(qū)廣泛分布數(shù)百米厚的第四系松散巖類，其間賦存極豐富的孔隙水。

松散巖類孔隙水從南到北進(jìn)一步劃分為單一結(jié)構(gòu)潛水-雙層結(jié)構(gòu)承壓水、潛水-多層結(jié)構(gòu)承壓水、潛水（圖1）。地下水隨地形坡度由南向北徑流，水力坡度8‰～30‰;水位埋深在八鋼-石化斷裂以南低山丘陵，一般為10～30 m，八鋼-石化斷裂以北平原區(qū)為20～100 m處，其中北站一帶受斷裂控制形成的跌水帶，水位埋深大于100 m;含水層以卵礫石、圓礫為主，厚20～60 m，單井涌水量1 000～5 000 m3/d;低山丘陵區(qū)地下水礦化度為1～3 g/L，化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca2+-Mg2+型、Cl·SO4-Ca2+-Mg2+型;北部平原區(qū)礦化度為0.5～2 g/L，地下水類型以SO4·Cl-Ca2+-Mg2+型為主。地下水主要來源于雪山融水、河流徑流入滲和山區(qū)基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，以蒸發(fā)、人工開采、 泉水溢出和地下潛流方式排泄。研究區(qū)內(nèi)煤田采空區(qū)引發(fā)的地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害極發(fā)育，淺層地溫能的開發(fā)利用需充分考慮該不利條件影響。淺層地溫場在垂向上的變化特征受地層巖性、結(jié)構(gòu)、孔隙度等多種因素影響[4]，研究區(qū)200 m埋深的平均地溫基本在9.0℃～14.0℃，巖土體比熱容大致在2.27～3.11 MJ/（m3·℃） ，綜合導(dǎo)熱系數(shù)大致在1.11～2.41W/（m·℃）1。

2 ?評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

科學(xué)合理確定淺層地溫能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)極重要。本次選取地下水源熱泵型評(píng)價(jià)指標(biāo)10個(gè)，由含水層出水能力、含水層結(jié)構(gòu)、有效含水層厚度、含水層回灌能力、地下水位埋深、含水層滲透系數(shù)、地下水補(bǔ)給模數(shù)、地下水位變化值、地下水腐蝕性和地下水結(jié)垢程度要素指標(biāo)構(gòu)成;土源（地埋管式，下同）熱泵的評(píng)價(jià)指標(biāo)8個(gè)，由

第系松散層厚度、地下水位埋深、地下水徑流速度、地下水礦化度、地層熱傳導(dǎo)系數(shù)、地層加權(quán)平均比熱容、城市植被覆蓋率和鉆進(jìn)條件要素指標(biāo)構(gòu)成[5-10]。

編制各評(píng)價(jià)指標(biāo)平面分區(qū)圖，將調(diào)查區(qū)按250 m×250 m網(wǎng)格剖分為6 075個(gè)單元，提取中心網(wǎng)格點(diǎn)坐

標(biāo)并編號(hào)。據(jù)平面分區(qū)圖系分別計(jì)取每個(gè)單元中心點(diǎn)的各要素指標(biāo)值，形成數(shù)據(jù)庫備用[7]。

3 ?評(píng)價(jià)方法及數(shù)學(xué)模型建立

3.1 ?評(píng)價(jià)方法

采用層次分析法對(duì)淺層地溫能適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)[11-12]。本文采用1-9標(biāo)度構(gòu)建研究區(qū)地下水源和土源熱泵要素指標(biāo)層判斷矩陣（表1）。研究區(qū)地下水水源和土源熱泵要素指標(biāo)層對(duì)屬性準(zhǔn)則層

和體系目標(biāo)層權(quán)重，并全部通過了一致性檢驗(yàn)。計(jì)算結(jié)算顯示，地下水水源熱泵要素指標(biāo)層所占體系目標(biāo)層權(quán)重的一致性檢驗(yàn)結(jié)果為0.012 1，土源熱泵要素指標(biāo)層所占體系目標(biāo)層權(quán)重的一致性檢驗(yàn)結(jié)果

為0.006 8，各比較矩陣的一致性比例小于0.1，說明

所建立的淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、構(gòu)建的判斷矩陣及計(jì)算的各層次權(quán)重合理。

3.2 ?建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)淺層地溫能場地適宜性進(jìn)行正確評(píng)價(jià)是合理確定淺層地溫能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)[5-7]。據(jù)烏魯木齊市北部城區(qū)淺層地溫能影響因素特點(diǎn)，及當(dāng)前國內(nèi)外已有研究成果，分別建立地下水源熱泵和土源熱泵淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)體系（圖2，3）。該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系由3個(gè)層次構(gòu)成，第一層次為體系目標(biāo)層（A），即地下水源熱泵和土源熱泵適宜性評(píng)價(jià);第二層次為屬性準(zhǔn)則層（A1），對(duì)地下水源熱泵而言對(duì)應(yīng)的是水文地質(zhì)條件、地下水動(dòng)力場條件和地下水化學(xué)場條件，對(duì)土源熱泵而言對(duì)應(yīng)的是地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地層熱物 理性質(zhì)系數(shù)、施工條件;第三層次為要素指標(biāo)層（A11），對(duì)地下水源熱泵而言對(duì)應(yīng)的是3個(gè)準(zhǔn)則層下屬的含水 層出水能力等10個(gè)要素指標(biāo)，對(duì)土源熱泵而言對(duì)應(yīng)的是3個(gè)準(zhǔn)則層下屬的第四系松散層厚度等8個(gè)要素指標(biāo)。

3.3 ?評(píng)價(jià)因子量化

4 ?淺層地溫能適宜性分區(qū)結(jié)果及 ? ? 評(píng)價(jià)

在對(duì)研究區(qū)運(yùn)用層次分析法研究分析后，利用C-A分形法分別定量劃定水源熱泵和土源熱泵淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)閾值，劃分為3個(gè)類別，地下水水源熱泵淺層地溫能適宜區(qū)（大于7.126 6），較適宜區(qū)（4.726 6～7.126 6），不適宜區(qū)（小于4.726 6）;土源熱泵淺層地溫能適宜區(qū)（大于6.859 7），較適宜區(qū)（5.059 7～6.859 7），不適宜區(qū)（小于 5.059 7）。在MapGIS軟件中，結(jié)合反距離權(quán)重（IDW）插值方法繪制地下水源熱泵和土源熱泵淺層地溫能適宜性分區(qū)圖（圖4，5）。其中，地下水水源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積為196.35 km2，占研究區(qū)總面積的52.80%，土源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積為284.50 km2，占研究區(qū)總面積的76.50%。

5 ?結(jié)論

（1） 烏魯木齊市北部城區(qū)具豐富的淺層地溫能資源，良好的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，為開發(fā)利用提供了優(yōu)越的環(huán)境。（2） 利用層次分析法所得各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，結(jié)合C-A分型定量計(jì)算，成功的劃定了地下水水源熱泵和土源熱泵淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)有利地段的閾值，并進(jìn)行了研究區(qū)淺層地溫能適宜性分區(qū)。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際條件相符，對(duì)類似地區(qū)淺層地溫能適宜性評(píng)價(jià)具一定的指導(dǎo)作用。

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Abstract：The shallow geothermal energy has a broad prospect. Based on the actual exploration data and test data， this paper uses the analytic hierarchy process and C-A classification method to evaluate the quantitative suitability of shallow geothermal energy in the northern urban area of Urumqi. The evaluation results show that the suitable and suitable area of ground water source heat pump is 196.35 km2， which is distributed in the zone with moderate thickness of Quaternary gravel， good water-rich aquifer， 1000-5000 m3/d single well water inflow and 0.1～0.2 m/d groundwater runoff velocity. The total area of ground source heat pump is suitable and suitable for284.50km2， which distributes in the areas of loess， silt， gravel thickness more than 30m. The other places in the study area are not suitable for the construction of shallow geothermal energy. The evaluation results have good guidance for the development and utilization of shallow geothermal energy in this area.

Key words： Shallow geothermal energy;Suitability;Analytic Hierarchy Process;C-A typing method