蘭州新區(qū)淺層地溫能賦存條件及土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分析

范 斌， 丁宏偉， 張霖鑫， 張凌鵬， 張永軍

（1.甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，甘肅 蘭州 730050；4.甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

淺層地溫能是指地表以下一定深度范圍內(nèi)（一般指恒溫帶至200 m埋深），溫度低于25 ℃，廣泛存在于巖石、包氣帶土壤及地下水等介質(zhì)中，在當(dāng)前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下具備開發(fā)利用價(jià)值的熱能資源。是一種通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低品位能源（如地溫等）向高品位能源轉(zhuǎn)移的熱泵空調(diào)系統(tǒng)工程，具有取用方便、可循環(huán)再生、清潔環(huán)保、分布廣泛、儲(chǔ)量巨大、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)，是全球各國特別是歐美日等發(fā)達(dá)國家正在大面積推廣利用的綠色環(huán)保能源［1-2］。根據(jù)利用熱源的不同，淺層地溫能系統(tǒng)主要可分為地下水源熱泵系統(tǒng)和土壤源熱泵系統(tǒng)2種形式［3-5］。

我國對(duì)淺層地溫能系統(tǒng)的研究及應(yīng)用始于20世紀(jì)80 年代，40 多年來，通過眾多科研單位不懈地探索研究，在工程理論和實(shí)踐應(yīng)用等方面均取得了一大批科研成果［6-12］，為國家節(jié)能減排效益的實(shí)現(xiàn)作出了積極的貢獻(xiàn)。甘肅省淺層地溫能系統(tǒng)的勘查及工程應(yīng)用始于20世紀(jì)末，目前應(yīng)用的主要類型為地下水源熱泵系統(tǒng)，并在蘭州、張掖、天水、隴南等城市顯示出良好的應(yīng)用效果［13-15］；而土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐尚處于起步階段，目前僅在蘭州市、蘭州新區(qū)等少數(shù)地區(qū)有應(yīng)用實(shí)例。對(duì)于蘭州新區(qū)這種在建型城市而言，具有開發(fā)利用土壤源熱泵系統(tǒng)的土地資源優(yōu)勢(shì)，這是省內(nèi)其他城市所無法比擬的。但由于對(duì)區(qū)域內(nèi)淺層地溫能賦存條件不甚了解，致使在應(yīng)用過程中存在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、安裝乃至運(yùn)行等方面的諸多問題，影響了地源熱泵系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。因此，深入研究蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)淺層地溫能的開發(fā)利用條件，定量評(píng)價(jià)在區(qū)內(nèi)不同地帶應(yīng)用的適宜性，對(duì)于蘭州新區(qū)進(jìn)一步推廣利用土壤源熱泵系統(tǒng)，改善大氣環(huán)境質(zhì)量，助力“碳達(dá)峰、碳中和”，乃至提升城市品位，創(chuàng)造宜居宜業(yè)的生活與投資環(huán)境等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)的歷史意義。

目前，國內(nèi)普遍采用層次分析法進(jìn)行淺層地溫能的適宜性評(píng)價(jià)［9,12］，但傳統(tǒng)層次分析法的標(biāo)度系統(tǒng)和無量綱方法在確定權(quán)重和隸屬度時(shí)往往存在“平均化”和“失真”等問題［16-17］，為此本文在該方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，采用指數(shù)標(biāo)度確定各層次的判斷矩陣，優(yōu)化了要素指標(biāo)賦值方法，有效克服了傳統(tǒng)層次分析法存在的問題，取得了較為可信的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 自然地理概況

蘭州新區(qū)是國務(wù)院2012 年8 月批復(fù)設(shè)立的全國第5個(gè)、西北第1個(gè)國家級(jí)新區(qū)，位于蘭州市主城區(qū)以北約60 km 的秦王川盆地，海拔1800～2300 m，規(guī)劃總面積1744 km2，2020 年已建成約250 km2，現(xiàn)常住人口約50×104人。

本次研究范圍為蘭州新區(qū)的建成區(qū)和核心規(guī)劃區(qū)，北至下古山，南到喻家梁，東達(dá)山字墩，西鄰尹家莊，面積約440.0 km2（圖1），地理坐標(biāo)介于103°33′00″～103°43′26″E、36°26′40″～36°43′00″N之間。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Traffic location map of the study area

本區(qū)地處黃河流域上游的隴西黃土高原西北部，屬典型的大陸性冷溫帶半干旱氣候，具有四季分明、陽光充足，冬季寒冷干燥、春季多風(fēng)少雨、夏季濕潤炎熱、秋季溫涼等氣候特征。年均氣溫6.9 ℃（中川站，下同），年均降水量261 mm，年均蒸發(fā)量1879.8 mm，年均無霜期139 d，年均日照時(shí)數(shù)2659 h，最大凍土深度約1.1 m（12 月—翌年2 月）；冬、春季盛行西北風(fēng)，年均風(fēng)速2.3 m·s-1。境內(nèi)無常年性流水的地表水分布，僅少數(shù)溝谷在夏、秋季暴雨時(shí)有洪水流經(jīng)；地貌可劃分為剝蝕黃土梁峁丘陵、侵蝕堆積盆地和沖洪積堆積溝谷3種類型；土壤類型主要有灌淤土、鹽土、草甸土、灰褐土、黑壚土等，生長有篙草、針茅、冰草、檸條等旱生、鹽生植被，覆蓋率小于20%。

1.2 地質(zhì)環(huán)境條件

由此可以看出，蘭州新區(qū)淺部地層巖性以第四系松散巖類、新近系碎屑巖類為主，尤以后者分布廣、厚度大，對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用具有較好的適宜性；而區(qū)內(nèi)地下水埋深大、富水性弱且分布極不均勻，加之TDS高、水質(zhì)差等因素的限制，對(duì)地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用的適宜性差。

2 研究區(qū)淺層地溫能賦存條件

2.1 地層結(jié)構(gòu)

研究區(qū)深度200 m 以內(nèi)自上而下主要為第四系、新近系地層。其中，第四系厚度20～40 m，多位于恒溫層以上，對(duì)淺層地溫能資源的賦存意義不大；下伏新近系碎屑巖類因厚度較大、分布穩(wěn)定，成為淺層地溫能資源的主要賦存部位。據(jù)地質(zhì)勘探資料，新近系分布于整個(gè)盆地及其外圍，并構(gòu)成第四系基底，在盆地內(nèi)以中新統(tǒng)咸水河組（N1x）為主，巖性中上部為褐黃、淺桔紅、銹紅色砂質(zhì)泥巖夾砂礫巖，底部為灰綠色礫巖或砂巖，厚度大于淺層地溫能的開發(fā)利用普遍深度200 m。研究區(qū)內(nèi)這種上部第四系松散層、下部新近系碎屑巖的地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在甘肅省中東部半干旱區(qū)分布較為普遍。

2.2 巖土體熱物性特征

2.2.1 巖土體熱物性參數(shù)定義土壤源熱泵系統(tǒng)的整體性能和當(dāng)?shù)貛r土的熱物理性能密切相關(guān)，根據(jù)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366—2009），以下幾個(gè)參數(shù)主要反映了巖土熱物理性能對(duì)于地埋管換熱器的影響。

（1）導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)（λ，W·m-1·K-1）在很大程度上影響巖土的傳熱性能，是指在單位時(shí)間、單位溫度差下單位面積巖土傳導(dǎo)的熱量，反映的是巖土傳熱的綜合性能，表達(dá)式為：

圖3 秦王川盆地典型水文地質(zhì)剖面Fig.3 Typical hydrogeological section of Qinwangchuan Basin

式中：ρ表示巖土的密度（kg·m-3）。

2.2.2 研究區(qū)巖土體熱物性參數(shù)通過對(duì)區(qū)內(nèi)5個(gè)鉆孔200 m以淺不同地層的巖芯取樣測(cè)試結(jié)果研究（表1、圖2），發(fā)現(xiàn)新近系碎屑巖類地層（泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂礫巖）的熱物性參數(shù)（密度、含水率、熱導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散系數(shù)）值平均高于第四系松散地層（中砂、粉土、粉質(zhì)黏土、角礫）熱物性參數(shù)值24.8%，而地層的熱物性參數(shù)越大，則熱儲(chǔ)能越高，說明相對(duì)于第四系松散地層而言，新近系碎屑巖類地層更適宜于土壤源熱泵系統(tǒng)的開發(fā)利用；統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，新近系碎屑巖類地層的熱物性參數(shù)中的熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)與密度之間以及比熱容與含水率之間呈現(xiàn)高度的變化一致性，平均相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.975。說明本次測(cè)試的巖土體熱物性參數(shù)真實(shí)可靠，具有很好的應(yīng)用前景。

圖2 秦王川盆地地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Qinwangchuan Basin

表1 蘭州新區(qū)巖土體熱物性參數(shù)Tab.1 Thermal physical parameters of rock and soil mass in Lanzhou New District

2.3 淺層地溫場(chǎng)特征

研究區(qū)所在的秦王川盆地是地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的地帶，地殼活動(dòng)較少，地球內(nèi)部熱對(duì)流活動(dòng)弱，大地?zé)崃髦迪鄬?duì)較低，平均為64.99 mW·m-2，屬低地溫場(chǎng)。200 m以內(nèi)不同深度的地溫在平面分布上均呈現(xiàn)出南高北低的趨勢(shì)。其中，深度50 m處地溫介于10.40～12.89 ℃之間，100 m 處地溫介于12.18～15.20 ℃之間，150 m 處地溫介于13.54～17.95 ℃之間，200 m 處地溫介于15.43～20.49 ℃之間。恒溫層分布位置基本介于18～35 m深度之間，平均為25.14 m，層內(nèi)溫度一般為9.82～11.60 ℃，平均為10.70 ℃。恒溫層以下至200 m深度間的地溫梯度同樣存在南高北低的特點(diǎn)，溫梯度最高的區(qū)域主要分布于南部何家梁一帶，達(dá)0.36～0.40 ℃·km-1；其次為中部中川鎮(zhèn)周邊，地溫梯度為0.30～0.36 ℃·km-1；北部大面積地區(qū)地溫梯度小于0.30 ℃·km-1。

綜上，研究區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且以大厚度的新近系泥巖、砂巖等地層為主，巖體熱導(dǎo)率相對(duì)較高、比熱容適中、熱擴(kuò)散系數(shù)大，再加上淺層地溫場(chǎng)具有較高的溫度和地溫梯度，使得區(qū)內(nèi)具有土壤源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用的優(yōu)越條件，是本文的重點(diǎn)研究對(duì)象。

3 土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分析數(shù)學(xué)模型建立

3.1 評(píng)價(jià)方法及步驟

采用層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）和綜合指數(shù)法對(duì)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。AHP 方法是一種集系統(tǒng)化和層次化為一體的多目標(biāo)決策分析方法，能夠?qū)?shí)測(cè)數(shù)據(jù)、專家評(píng)分及分析者的客觀判斷有效地結(jié)合起來［18-20］。其特點(diǎn)是能夠?qū)Q策者的經(jīng)驗(yàn)判斷給予量化，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。首先，依據(jù)所分析問題的性質(zhì)及要達(dá)到目標(biāo)（體系目標(biāo)層），將各評(píng)價(jià)指標(biāo)及因子按照其屬性和隸屬關(guān)系建立指標(biāo)評(píng)價(jià)體系；其次，將同層（屬性準(zhǔn)則層）不同評(píng)價(jià)指標(biāo)（要素指標(biāo)層）相互比較，并對(duì)各指標(biāo)的相對(duì)重要性予以量化，構(gòu)造判斷矩陣；然后，由判斷矩陣計(jì)算要素指標(biāo)層各指標(biāo)的相對(duì)重要性次序值（權(quán)重），并做一致性檢驗(yàn)；最終，依據(jù)建立的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型確定要素指標(biāo)層影響因子對(duì)體系目標(biāo)層的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果［21-25］。

3.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

合理確定土壤源熱泵系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是對(duì)其適宜性進(jìn)行正確評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。根據(jù)蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)影響因素的特點(diǎn)，并通過對(duì)國內(nèi)已有研究成果的分析研判［9,12,13］，建立了蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)體系（圖4）。評(píng)價(jià)體系由3 個(gè)層次構(gòu)成，第1層次為體系目標(biāo)層，即土壤源熱泵適宜性評(píng)價(jià)體系（X）；第2 層次為屬性準(zhǔn)則層，對(duì)應(yīng)的是水文地質(zhì)條件（X1）、地溫場(chǎng)特征（X2）、巖土體熱物性（X3）；第3 層次為要素指標(biāo)層，對(duì)應(yīng)的是3 個(gè)準(zhǔn)則層下屬的地下水埋深（X11）、含水層厚度（X12）、地下水流速（X13）、初始平均地溫（X21）、地溫梯度（X22）、平均熱導(dǎo)率（X31）、平均比熱容（X32）7個(gè)要素指標(biāo)。

圖4 土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)體系Fig.4 Suitability evaluation system of soil source heat pump

3.3 各層次判斷矩陣確定

在層次結(jié)構(gòu)中，對(duì)隸屬于（或影響）上一層的每個(gè)因素的同一層諸因素進(jìn)行兩兩比較，比較其對(duì)于準(zhǔn)則的重要程度，并按事前規(guī)定的標(biāo)度定量化，構(gòu)成判斷矩陣。判斷矩陣中各元素的數(shù)值由多名經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)技術(shù)人員集中群體智慧對(duì)其相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)估打分［18-20］。鑒于傳統(tǒng)的“1～9標(biāo)度法”在使用中存在諸多缺點(diǎn)，本文采用了指數(shù)標(biāo)度法［16-17,26-27］（表2）構(gòu)建研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)屬性準(zhǔn)則層、要素指標(biāo)層判斷矩陣（表3、表4）。

表2 指數(shù)標(biāo)度an（a=1.316）Tab.2 Index scale of an(a=1.316)

表3 土壤源熱泵系統(tǒng)屬性準(zhǔn)則層對(duì)比矩陣Tab.3 Contrast matrix of attribute criteria layer of soil source heat pump

表4 土壤源熱泵系統(tǒng)要素指標(biāo)層對(duì)比矩陣Tab.4 Contrast matrix of factor index layer of soil source heat pump

3.4 影響因素權(quán)重確定及判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

根據(jù)判斷矩陣，精確求出判斷矩陣最大特征根所對(duì)應(yīng)特征向量。所求特征向量即為各評(píng)價(jià)因素的重要性排序，經(jīng)歸一化處理后即為同一層次相應(yīng)因素對(duì)于上一層次某因素相對(duì)重要性的排序權(quán)值。為檢驗(yàn)根據(jù)判斷矩陣求出的特征向量的合理性，需對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)公式為：

式中：RC表示一致性比例；IC表示一致性指標(biāo)，IC=(λmax-n)/(n-1)；λmax表示判斷矩陣最大特征值；n表示判斷矩陣對(duì)應(yīng)的要素指標(biāo)數(shù)量；IR表示平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其取值見表5。當(dāng)RC＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性滿足要求，否則需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正；RC值越小，判斷矩陣一致性越高，建立的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型越合理。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.5 Average random consistency index

由此，最終確定了調(diào)查區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)要素指標(biāo)層對(duì)屬性準(zhǔn)則層和體系目標(biāo)層權(quán)重，并通過了一致性檢驗(yàn)（表6）。計(jì)算結(jié)果表明，研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)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RC值為0.013，說明所建立的蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系屬性準(zhǔn)則層、要素指標(biāo)層符合實(shí)際，構(gòu)建的判斷矩陣及計(jì)算的各層次權(quán)重值可信度較高。

表6 土壤源熱泵各層次所占權(quán)重及一致性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Weight and consistency test results of soil source heat pump at different levels

3.5 建立評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

（1）土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系、選取的要素指標(biāo)因子和確定的要素指標(biāo)因子權(quán)重，按照綜合指數(shù)法形成的土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

式中：Yijw為指標(biāo)層各影響要素處理后值；Xij為指標(biāo)層各影響要素實(shí)測(cè)值；Xmax=max［Xij］；Xmin=min［Xij］。

（3）要素指標(biāo)分區(qū)賦值

研究表明，土壤源熱泵系統(tǒng)的長效應(yīng)用主要依賴于本次列舉的7 個(gè)要素指標(biāo)，由于以上指標(biāo)具有不同的值域范圍，且其值在區(qū)內(nèi)的變化并非呈均勻線性，如地下水埋深、地下水流速等要素，不同的含水層之間其大小差值甚至達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)以上；另外，本次提出的7 個(gè)要素指標(biāo)并非全部為正效應(yīng)指標(biāo)（即數(shù)值越大越有利于目標(biāo)層），如地下水埋深為負(fù)效應(yīng)指標(biāo)。因此，以上要素指標(biāo)在進(jìn)行無量綱化處理時(shí)采用式（6）并不能完全準(zhǔn)確表達(dá)其數(shù)值與土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性的真實(shí)關(guān)系。故本文將以上參數(shù)的無量綱化方法進(jìn)行了優(yōu)化，收集研究區(qū)內(nèi)及省內(nèi)地質(zhì)條件相似地區(qū)已有的32 處土壤源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用實(shí)例參數(shù)［13-15］，分析研究了適宜于土壤源熱泵開發(fā)利用的各參數(shù)閥值，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合研究區(qū)以上各要素指標(biāo)參數(shù)的分布區(qū)間，以閥值對(duì)應(yīng)的參數(shù)賦值為5，按照1～10 分值對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行賦值分區(qū)，要素指標(biāo)所賦分值Yj越高表示對(duì)于土壤源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用越有利，本文按照非常有利（Yj=10）、有利性良好（Yj=7～9）、有利性一般（Yj=5～7）、有利性較差（Yj=3～5）、有利性極差（Yj=1～3）共5個(gè)級(jí)別對(duì)各要素指標(biāo)進(jìn)行了賦值（表7）。

表7 土壤源熱泵指標(biāo)要素賦值標(biāo)準(zhǔn)Tab.7 Assignment standard of index element of soil source heat pump

（4）土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)式（5）、（6）適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)（B）計(jì)算結(jié)果，結(jié)合蘭州新區(qū)及蘭州市已建成的土壤源熱泵工程，并參考北京市、天津市等發(fā)達(dá)地區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)［7,9］和本文要素指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)，將蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性劃分為適宜（B＞7）、較適宜（B=5～7）和不適宜（B＜5）共3個(gè)區(qū)。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)

本次評(píng)價(jià)所采用的數(shù)據(jù)資料來源：地質(zhì)資料包括區(qū)內(nèi)最新的1:200000、1:50000 地質(zhì)圖及說明書；水文地質(zhì)資料包括區(qū)域1:200000 農(nóng)田供水水文地質(zhì)普查、1:50000 地下水與地質(zhì)環(huán)境勘查評(píng)價(jià)、區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查等最新成果報(bào)告、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖件資料；淺層地溫能資料包括近年來在本區(qū)開展的淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)工作成果報(bào)告［13-15］及其中5個(gè)勘查測(cè)試鉆孔（RX1～RX5，圖2）共157 組巖芯的熱物性測(cè)試數(shù)據(jù)。以上資料均經(jīng)過了專家評(píng)審，本次評(píng)價(jià)時(shí)又通過進(jìn)一步篩選、分析，力求所采用的數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確且具有代表性。

依據(jù)本文評(píng)價(jià)模型，將各要素參數(shù)按照賦值標(biāo)準(zhǔn)制作矢量數(shù)據(jù)，采用ArcGIS 空間分析方法［28-29］，利用加權(quán)總和分析模塊，即可得到研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)結(jié)果（圖5）。研究區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)面積為249.52 km2，占研究區(qū)總面積的56.71%，B值介于7.0007～8.9543 之間；較適宜區(qū)面積為109.94 km2，占研究區(qū)總面積的24.99%，B值介于5.0023～6.9981 之間；不適宜區(qū)面積為80.54 km2，占研究區(qū)總面積的18.30%，B值介于2.5487～4.9695之間。土壤源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積共有359.46 km2，占研究區(qū)總面積的81.70%。

圖5 蘭州新區(qū)土壤源熱泵適宜性分區(qū)Fig.5 Suitability division of soil source heat pump in Lanzhou New District

4.2 蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)

土壤源熱泵系統(tǒng)適宜區(qū)主要分布于賴家坡-上華家井-五墩子-羅圈灣一線以南及曾家莊-達(dá)家灣-陶家墩-秦川鎮(zhèn)-石溝門一線以北的盆地平原區(qū)，地層上部第四系厚度一般20～40 m，下部為新近系泥巖、砂巖互層，含水層厚度10～30 m，地下水流速0.2～0.5 m·d-1，初始平均地溫14.0～16.0 ℃，地溫梯度0.35～0.50 ℃·km-1，地層平均熱導(dǎo)率3.2～3.8 W·m-1·K-1，平均比熱容0.92～1.04 kJ·kg-1·K-1；土壤源熱泵系統(tǒng)較適宜區(qū)分布于盆地中部偏北的上華家井-秦川鎮(zhèn)之間的平原區(qū)，地層上部第四系碎石厚度約10～30 m，下部為新近系泥巖、砂巖，含水層厚度5～20 m，地下水流速0.1～0.2 m·d-1，初始平均地溫13.0～14.5 ℃，地溫梯度0.30～0.40 ℃·km-1，地層平均熱導(dǎo)率2.4～3.2 W·m-1·K-1，平均比熱容0.88～0.92 kJ·kg-1·K-1；土壤源熱泵系統(tǒng)不適宜區(qū)分布于秦王川盆地兩側(cè)的黃土丘陵及基巖山地，上覆第四系風(fēng)積物厚度15～30 m，基本不含水，下部為新近系碎屑巖類和少量志留系變質(zhì)巖類，巖土體熱物性參數(shù)及地溫場(chǎng)溫度偏低，部分地帶發(fā)育崩塌、黃土濕陷等地質(zhì)災(zāi)害，故不適宜于淺層地溫能的開發(fā)利用。

5 討論

本文建立的土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，其內(nèi)涵就是采用多要素賦值加權(quán)求和而得到的綜合指數(shù)后進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，由于各要素參數(shù)的分布特點(diǎn)差異較大，本次在傳統(tǒng)層次分析法的基礎(chǔ)上又作了一定的改進(jìn)優(yōu)化。

（1）傳統(tǒng)的層次分析法采用的是“1～9標(biāo)度法”，而通常情況下影響土壤源熱泵系統(tǒng)在區(qū)內(nèi)的適宜性的要素是從眾多要素和參數(shù)中優(yōu)選而出的，其本身兩兩之間對(duì)于目標(biāo)的重要性之比不會(huì)相差太大，更無法達(dá)到9:1的程度，因此采用“1～9標(biāo)度法”不能真實(shí)、準(zhǔn)確地反映土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性與各要素指標(biāo)之間的關(guān)系，并且會(huì)造成矩陣一致性與思維一致性的脫節(jié)等問題。本文采用了指數(shù)標(biāo)度法，不僅能較好地避免構(gòu)造的各層次指標(biāo)判斷矩陣失真的問題，并且加快了一致性檢驗(yàn)的速度。因此，指數(shù)標(biāo)度法在土壤源熱泵系統(tǒng)的適宜性評(píng)價(jià)中具有較好的可行性和科學(xué)性。

（2）在進(jìn)行要素指標(biāo)分區(qū)賦值時(shí)，一般的無量綱化處理方法不能真實(shí)準(zhǔn)確地反映各要素對(duì)于土壤源熱泵的適宜性，因此，對(duì)于值域分布跨越較大、并非正態(tài)分布的幾個(gè)參數(shù)，如地下水埋深、地下水流速等要素，本文未采用式（6）進(jìn)行簡(jiǎn)單、機(jī)械化的賦值分區(qū)，而是采用了統(tǒng)計(jì)分析臨近和相似地區(qū)已有應(yīng)用實(shí)例的方法來確定賦值范圍和等級(jí)，使賦值結(jié)果更加貼近實(shí)際，模型評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確可信。

（3）本文采用層次分析法建立的蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)體系，基本包含了影響土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性的各主要因素，不僅反映了各影響因子與評(píng)價(jià)指標(biāo)間的邏輯關(guān)系，而且體現(xiàn)了土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)過程中要素指標(biāo)的重要性和全面性。將土壤源熱泵評(píng)價(jià)體系劃分為3個(gè)屬性準(zhǔn)則層和7 個(gè)要素指標(biāo)層，構(gòu)建了評(píng)價(jià)體系各層次的判斷矩陣和各要素指標(biāo)對(duì)屬性準(zhǔn)則層、體系目標(biāo)的權(quán)重，并全部高精度通過了一致性檢驗(yàn)，說明選擇的評(píng)價(jià)體系屬性準(zhǔn)則層和要素指標(biāo)層齊全，相對(duì)重要性量化合理，所占權(quán)重計(jì)算準(zhǔn)確。本文通過改進(jìn)層次分析法的標(biāo)度體系和賦值方法，使得構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型更具真實(shí)性和可靠性，對(duì)于我國西北干旱氣候區(qū)及地質(zhì)條件類似地區(qū)淺層地溫能資源的科學(xué)規(guī)劃與利用具有借鑒意義。

6 結(jié)論

在系統(tǒng)分析蘭州新區(qū)淺層地溫能賦存條件的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用改進(jìn)的層次分析法，對(duì)區(qū)內(nèi)土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了適宜性評(píng)價(jià)，并得出以下結(jié)論：

（1）蘭州新區(qū)地處我國西北部冷溫帶半干旱氣候區(qū)，地下水資源相對(duì)匱乏，不適宜建設(shè)地下水源熱泵系統(tǒng)，而相對(duì)優(yōu)越的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土體熱物性及地溫場(chǎng)條件為土壤源熱泵系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用提供了有利條件。

（2）通過層次分析法權(quán)重計(jì)算，發(fā)現(xiàn)影響區(qū)內(nèi)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性的要素以平均熱導(dǎo)率和地溫梯度所占權(quán)重最大。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，蘭州新區(qū)土壤源熱泵適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積為359.46 km2，占研究區(qū)總面積的81.07%，主要分布于廣大的秦王川盆地平原區(qū)，其他地帶巖土體熱物性參數(shù)及地溫場(chǎng)溫度偏低，部分地帶發(fā)育崩塌、黃土濕陷等淺表地質(zhì)災(zāi)害，故不適宜于淺層地溫能的開發(fā)利用。

（3）從本次評(píng)價(jià)結(jié)果看，改進(jìn)后的層次分析法對(duì)于蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果與區(qū)域水文地質(zhì)條件、地溫場(chǎng)特征、巖土體熱物性高度吻合，并且克服了主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的片面影響。說明選擇的評(píng)價(jià)方法合理，評(píng)價(jià)要素齊全，建立的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型具有較強(qiáng)的科學(xué)性、實(shí)用性和合理性。評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)蘭州新區(qū)土壤源熱泵系統(tǒng)建設(shè)及開發(fā)利用具有重要的指導(dǎo)作用。