基于GIS的鎮(zhèn)江市淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)研究*

陳 玲，陳鎖忠，何 亮，，呂文雅，劉晟錦

(1.南京曉莊學(xué)院 環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211171；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023)

0 引言

淺層地溫能是指蘊(yùn)藏在地表之下200 m范圍內(nèi)的巖土體和地下水中有開發(fā)利用價(jià)值的熱能，溫度一般低于25 ℃，比較恒定，通常通過地源熱泵系統(tǒng)來對(duì)其進(jìn)行開發(fā)和利用[1-3].受區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、淺層地溫條件控制，不同區(qū)域的淺層地溫能利用方式和可利用規(guī)模存在差異，開發(fā)利用時(shí)首先需進(jìn)行適宜性區(qū)劃，確定各區(qū)段適宜的開發(fā)利用方式[4].淺層地溫能利用方式適宜性分區(qū)屬于多目標(biāo)決策問題，層次分析法(APH)是能夠解決具有多目標(biāo)的復(fù)雜問題，并對(duì)其進(jìn)行定性和定量分析，最終計(jì)算出決策權(quán)重的方法，適用于解決較為復(fù)雜、較為模糊、難以用定量分析方法求解的問題.層次分析法將要決策的目標(biāo)、考慮因素和對(duì)象分解為最高層、中間層與最底層，將各個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較，進(jìn)而形成判斷矩陣表格來求解特征向量、特征根以及權(quán)重計(jì)算.層次分析法用于解決具有層次結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的問題，能夠有效地處理難以用定量的方法解決的問題[5-6].

鎮(zhèn)江市水文地質(zhì)研究程度較高，根據(jù)地下水的賦存介質(zhì)條件、水動(dòng)力性質(zhì)等基本特征，可將區(qū)內(nèi)地下水劃分為孔隙水、巖溶水與裂隙水3大類型.其中松散巖類孔隙水和碳酸鹽巖類巖溶水是區(qū)內(nèi)地下水賦存的主要類型.區(qū)內(nèi)以往的水文地質(zhì)工作局限于水文地質(zhì)調(diào)查、評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，幾乎未開展200 m以內(nèi)的淺巖土體和地下水中地溫能的調(diào)查評(píng)價(jià)與開發(fā)利用研究.然而，淺層地溫能開發(fā)及利用是發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的必然趨勢(shì).因此，開展淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)研究，大力開發(fā)利用淺層地溫能是積極探索具有時(shí)代特征和鎮(zhèn)江特色的生態(tài)文明發(fā)展模式.

基于GIS的鎮(zhèn)江市淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)研究是將區(qū)內(nèi)影響淺層地溫能開發(fā)利用方式的各因素按相互之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu).根據(jù)層次結(jié)構(gòu)，分析各層之間及層次內(nèi)各個(gè)因素的相對(duì)重要性，確定各因素的權(quán)重，并對(duì)各因素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化賦值，然后按權(quán)重和賦值計(jì)算得出綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，從而確定地下水熱泵應(yīng)用的適宜性分區(qū)等級(jí)，從而進(jìn)行適宜性分區(qū)，為淺層地溫能開發(fā)利用提供空間輔助決策支持.

1 測(cè)試數(shù)據(jù)與空間分布特征分析

1.1 研究區(qū)范圍

本論文研究區(qū)范圍為鎮(zhèn)江市全域，地跨北緯31°37′～32°19′，東經(jīng)118°57′～119°58′.下轄京口、潤(rùn)州、丹徒3區(qū)和丹陽、句容、揚(yáng)中3縣級(jí)市，總面積約3 847 km2.

1.2 淺層地溫特征

淺層地溫能開發(fā)利用的主要層位即為自然條件下溫度變化較小的恒溫帶與增溫帶.本次分別在不同的地質(zhì)條件區(qū)布設(shè)了地溫測(cè)試孔，鉆孔深度大于100 m.基于測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出地溫在淺部地質(zhì)空間的分布規(guī)律[7].

(1)淺層地溫水平分布特征

100 m以內(nèi)的平均溫度(僅對(duì)恒溫帶與增溫帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì))表現(xiàn)出沖積平原高，高亢平原(崗地)低的特征，沖積平原50 m處的地溫一般在18～18.5 ℃，低山丘陵地區(qū)平均地溫為17.5～18 ℃， 高亢平原平均地溫一般在17～17.5 ℃.沖積平原zjzk076孔50 m深度處的地溫為18.7 ℃，而位于高亢平原崗地區(qū)的zjzk027孔平均地溫僅為17.3 ℃.導(dǎo)致這種差異的主要原因在于巖性、熱物性與水文地質(zhì)條件等的差異.

(2)垂向分帶特征

沖積平原地區(qū)的變溫帶厚度一般為16～20 m；恒溫帶分布深度范圍一般為16～35 m，厚度約為20 m；恒溫帶與增溫帶的年平均溫度約為18～18.3 ℃.地溫場(chǎng)特征曲線如圖1(a)所示.高亢平原(崗地)的變溫帶厚度較沖積平原薄，一般為12～16 m，恒溫帶分布深度范圍一般為12～32 m，厚度約為20 m，恒溫帶與增溫帶的年平均溫度約為17.2～17.3 ℃.地溫場(chǎng)特征曲線如圖1(b)所示.低山丘陵的變溫帶厚度介于沖積平原與高亢平原(崗地)之間，約為16～18 m；恒溫帶較沖積平原區(qū)和高亢平原(崗地)薄，分布深度范圍一般為16～28 m，厚度約為12 m，變溫帶與恒溫帶之間的過渡不明顯；恒溫帶與增溫帶的年平均溫度約為17.5～17.9 ℃.地溫場(chǎng)特征曲線如圖1(c)所示.

1.3 巖土體熱物理特征

熱物理性質(zhì)對(duì)巖土體的換熱能力具有重要影響，是評(píng)估淺層地溫能開發(fā)利用的關(guān)鍵指標(biāo).主要的熱物理參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù).一般而言，巖土體導(dǎo)熱系數(shù)越大、比熱容越大、熱擴(kuò)散系數(shù)越小，越有利于其開發(fā)利用.根據(jù)本次采集樣品的物性與熱物理性質(zhì)分析測(cè)試成果，巖土體的比熱容與密度大致成反比關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)與密度大致成正比關(guān)系(如圖2(a)～(c)所示).

對(duì)于同一類飽和巖土而言，含水量的差異也會(huì)使得熱物理性質(zhì)參數(shù)存在一定的差異(如圖2的(d)與(e)所示).對(duì)研究區(qū)的粉質(zhì)黏土與粉砂這兩種主要飽和的松散土體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)同一類型飽和土體，含水量差異直接影響到了熱物理性質(zhì)的差異，含水量越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小，即飽和巖土體的導(dǎo)熱系數(shù)與含水量呈反比.如飽和粉質(zhì)黏土，當(dāng)含水量由約20%增加至約40%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)則由約1.7 W/(m·℃)減至約1.3 W/(m·℃)；又如粉砂，當(dāng)含水量由約15%增加至約40%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)則由約 2.1 W/(m·℃)減至約1.5 W/(m·℃).

1.4 巖土體熱響應(yīng)特征

熱響應(yīng)試驗(yàn)是獲取巖土體熱響應(yīng)特征和地埋管地源熱泵開發(fā)利用參數(shù)的重要原位試驗(yàn).本文應(yīng)用8個(gè)熱響應(yīng)試驗(yàn)孔的測(cè)試數(shù)據(jù)研究鎮(zhèn)江地區(qū)巖土體在不同加熱功率下的熱響應(yīng)特征.根據(jù)熱響應(yīng)試驗(yàn)成果，100 m以內(nèi)的地溫梯度一般在1.2～3.0 ℃/100 m之間，平均地溫一般在18～19 ℃，巖土體的平均導(dǎo)熱系數(shù)一般在1.9～2.2 W/(m·℃)之間.

2 淺層地溫能利用方式適宜性分區(qū)

當(dāng)前，對(duì)其開發(fā)的技術(shù)主要有地埋管地源熱泵與地下水地源熱泵兩種.利用地埋管地源熱泵開發(fā)的方法是使用地埋管換熱系統(tǒng)，其原理是在密閉的環(huán)境中，傳熱介質(zhì)(主要是水)在水平或豎直地埋管里循環(huán)，通過傳熱介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)其與巖土體的熱交換.地下水地源熱泵是通過地下水進(jìn)行熱交換的熱泵系統(tǒng).

2.1 適宜性分區(qū)原則與方法

淺層地溫能利用方式適宜性分區(qū)原則為：以地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性的同時(shí)兼顧地質(zhì)環(huán)境保護(hù)，做到即開發(fā)利用資源又保護(hù)環(huán)境相結(jié)合、平面劃分與垂向控制相結(jié)合.由于影響其開發(fā)利用方式的因素很多，每種因素對(duì)適宜性的影響程度也不盡相同，為了解決這一復(fù)雜問題，本次采用層次分析法把淺層地溫能開發(fā)適宜性劃分為三級(jí)：適宜、較適宜和不適宜.

淺層地溫能適宜性分區(qū)是通過將鎮(zhèn)江市3 847 km2的區(qū)域進(jìn)行1 km×1 km的網(wǎng)格化空間離散，形成計(jì)算評(píng)價(jià)的網(wǎng)格圖層，對(duì)各單元格進(jìn)行計(jì)算得出適宜性指數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)研究區(qū)的適宜性分區(qū).基于ArcGIS平臺(tái)將評(píng)價(jià)因子分區(qū)圖矢量化，對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因子分區(qū)的屬性進(jìn)行賦值.根據(jù)式(1)計(jì)算出每個(gè)單元格的適宜性分值.

(1)

式中：Gi為適宜性分值；Wi為第i個(gè)因子的權(quán)重；Si為單元格第i格因子的賦值；m為評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù).應(yīng)用ArcGIS的空間分析功能模塊，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)屬性的區(qū)合并分析，再依據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，將疊加后的各個(gè)適宜性分區(qū)的值進(jìn)行權(quán)重計(jì)算.

2.2 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)

2.2.1 分區(qū)評(píng)價(jià)因子與指標(biāo)體系鎮(zhèn)江市地下水地源熱泵應(yīng)以松散孔隙水為目標(biāo)，其利用方式適宜性評(píng)價(jià)分區(qū)對(duì)象是孔隙地下水豐富的沿江沖積平原.綜合考慮因素包括水化學(xué)條件、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境條件等因素[8-9].首先構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)體系由目標(biāo)層(O，Object)、屬性層(即準(zhǔn)則層)(A，Attribute)和要素指標(biāo)層(即方案層)(F，F(xiàn)actor)3個(gè)層次構(gòu)成.O層是淺層地?zé)崮艿叵滤卦礋岜眠m宜性分區(qū).A層是屬性指標(biāo)層，由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、水化學(xué)條件和環(huán)境地質(zhì)條件3個(gè)因素構(gòu)成.F層是要素指標(biāo)層，由含水層出水能力、含水層厚度、地下水硬度、地下水Fe含量、黏土層厚度和基巖埋深共6個(gè)指標(biāo)構(gòu)成(如圖3所示).

地質(zhì)水文地質(zhì)條件分為含水層出水能力和含水層厚度.含水層中地下水的富集程度可以由含水層單井涌水量的大小來體現(xiàn)，含水層厚度決定了供水能力，其厚度越大，也就具有越強(qiáng)的供水能力，所以賦值越大.水化學(xué)條件主要考慮地下水硬度和Fe含量.地下水質(zhì)差，如鐵含量過高等，容易造成堵塞和腐蝕，會(huì)影響到地源熱泵工程的運(yùn)行.因此，越好的水質(zhì)，賦值就會(huì)越大.地質(zhì)環(huán)境條件重點(diǎn)考慮了松散層厚度(基巖埋深)與黏土層(相對(duì)易壓縮的松散層)厚度兩個(gè)指標(biāo).地面沉降產(chǎn)生的重要物質(zhì)基礎(chǔ)是松散層，松散層厚度越大，發(fā)生地面沉降的可能性也就越大.由于黏土層的軟弱特性，在地面沉降過程中，其最易發(fā)生壓密釋水，壓縮量遠(yuǎn)較砂性土層大，對(duì)沉降量貢獻(xiàn)最大.

2.2.2 指標(biāo)權(quán)重確定按照層次分析法的要求，在評(píng)價(jià)體系的層次隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過調(diào)查統(tǒng)計(jì)和室內(nèi)研究分析，采用1-9標(biāo)度法，分別比較屬性層和要素層中各因素的相對(duì)重要性，構(gòu)造比較矩陣.通過計(jì)算，檢驗(yàn)比較矩陣的一致性，必要時(shí)對(duì)比較矩陣進(jìn)行修改，以達(dá)到可以接受的一致性，最后求出要素層中各個(gè)要素在目標(biāo)層中所占的權(quán)重(如表1至表5所示).

表1 屬性層判斷矩陣的建立及對(duì)總目標(biāo)權(quán)值的確定Tab.1 The establishment of the attribute level judgment matrix and the determination of the total target weight

表2 地質(zhì)、水文地質(zhì)條件判斷矩陣的建立及對(duì)總目標(biāo)權(quán)值的確定Tab.2 The establishment of the judgment matrix of geological, hydrological and geological conditions傳熱和變形的計(jì)算采用有限元法 and the determination of the weight of the total target

表3 水化學(xué)條件判斷矩陣的建立及對(duì)總目標(biāo)權(quán)值的確定Tab.3 The establishment of the judgment matrix of water chemistry conditions傳熱和變形的計(jì)算采用有限元法 and the determination of the weight of the total target

表4 地質(zhì)環(huán)境條件判斷矩陣的建立及對(duì)總目標(biāo)權(quán)值的確定Tab.4 The establishment of the judgment matrix of geological environment conditions and the determination of the weight of the total target

表5 各因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果Tab.5 The calculation result of the weight of each factor

從表1中可以得到，屬性層(準(zhǔn)則層)中權(quán)重最大的是地質(zhì)環(huán)境條件.地下水屬于一種地質(zhì)資源，大量利用地下水源熱泵，如無可靠的回灌會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的后果，地下水大量開采引起的地面沉降等地質(zhì)問題日漸顯著.

2.2.3 適宜性分區(qū)指標(biāo)與結(jié)果地下水地源熱泵各個(gè)適宜指數(shù)范圍值為：分值0～5.5為地下水地源熱泵不適宜區(qū)；5.5～7為地下水地源熱泵較適宜區(qū)；7～9為地下水地源熱泵適宜區(qū)(表6與表7).

表6 各指標(biāo)賦值表Tab.6 Assignment table of each indicator

表7 地下水地源熱泵適宜性分區(qū)指標(biāo)值Tab.7 The suitability index value of groundwater ground-source heat pump

根據(jù)表6與表7的分區(qū)指標(biāo)，鎮(zhèn)江市地區(qū)適宜和較適宜進(jìn)行地下水地源熱泵開發(fā)利用的區(qū)域均分布在沿江的沖積平原地區(qū)，不適宜區(qū)主要分布在高亢平原(崗地)和低山丘陵地區(qū).

2.3 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)

2.3.1 分區(qū)評(píng)價(jià)因子與指標(biāo)體系結(jié)合鎮(zhèn)江市的區(qū)域地質(zhì)條件，選擇地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、地層熱物理性質(zhì)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)鎮(zhèn)江市進(jìn)行地埋管地源熱泵系統(tǒng)適宜性分區(qū)[10-12].根據(jù)層次分析法原理，O層是地埋管式地源熱泵適宜性區(qū)劃.A層由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，溫度場(chǎng)及地層熱物性2個(gè)指標(biāo)構(gòu)成.F層由含水層富水性、含水層厚度、平均地溫、地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)、巖土平均比熱容5個(gè)因子構(gòu)成(如圖4所示).

對(duì)埋管換熱性能有著重要影響的是地下埋管處巖土的平均地溫和熱物理性質(zhì)參數(shù)(綜合導(dǎo)熱系數(shù)、平均地溫、平均比熱容)，其也決定了單位井深換熱量，會(huì)影響到施工綜合設(shè)計(jì)和開發(fā)利用換熱孔深等.

2.3.2 權(quán)重確定分別比較屬性層和要素層中各因素的重要性，構(gòu)成比較矩陣(表8至表10).通過計(jì)算，檢驗(yàn)比較矩陣的一致性，最后求出要素層中各個(gè)要素在目標(biāo)層中所占的權(quán)重(表11).

表8 屬性層判斷矩陣的建立及對(duì)總目標(biāo)權(quán)值的確定Tab.8 The establishment of the attribute level judgment matrix and the determination of the total target weight

表9 地質(zhì)水文地質(zhì)條件判斷矩陣的建立及對(duì)總目標(biāo)權(quán)值的確定Tab.9 The establishment of the judgment matrix of geological, hydrological and geological conditions and the determination of the weight of the total target

表10 溫度場(chǎng)及地層熱物性判斷矩陣的建立及對(duì)總目標(biāo)權(quán)值的確定Tab.10 The establishment of temperature field and formation thermophysical property judgment matrix and the determination of the total target weight

表11 各要素指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)有效權(quán)重Tab.11 The effective weight of each element index to the overall goal

在要素指標(biāo)層中，地層綜合導(dǎo)熱系數(shù)和容積比熱容這兩個(gè)指標(biāo)的權(quán)重最高，其次為含水層出水能力和含水層厚度.因?yàn)樵跓岜每照{(diào)運(yùn)行期間，周期性變化的空調(diào)負(fù)荷是系統(tǒng)的輸入，加上過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的停運(yùn)，引起了土壤換熱器周圍的土壤溫度場(chǎng)總處在“升溫→降溫→升溫”的循環(huán)變化過程.而土壤的散熱包括兩方面，一方面為地下水遷移帶走的，另一方面為土壤的熱傳導(dǎo)所耗散的熱量.

2.3.3 適宜性分區(qū)指標(biāo)與結(jié)果根據(jù)綜合評(píng)價(jià)所得適宜性分區(qū)指標(biāo)值的分布情況，將地源熱泵各個(gè)適宜區(qū)的分?jǐn)?shù)范圍值劃定為：0～5為地埋管不適宜區(qū)，5～6為地面管較適宜區(qū)，6～9為地埋管適宜區(qū)(如表12所示).

表12 地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)指標(biāo)值Tab.12 The index value of the suitability zone of the buried pipe ground source heat pump

鎮(zhèn)江市地埋管地源熱泵系統(tǒng)的適宜性較為廣泛，鎮(zhèn)江市開發(fā)規(guī)劃劃定的區(qū)域基本都適宜進(jìn)行地埋管地源熱泵系統(tǒng)建設(shè).適宜和較適宜進(jìn)行地埋管地源熱泵開發(fā)利用的區(qū)域均分布在沿江的沖積平原地區(qū)和高亢平原(崗地)區(qū)，不適宜區(qū)主要分布在低山丘陵地區(qū).

2.4 綜合適宜性分區(qū)

采用相同的空間離散格網(wǎng)(1 km×1 km單元格)，基于ArcGIS對(duì)地下水地源熱泵適宜性分區(qū)和地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)圖空間離散后進(jìn)行疊加分析，提取地下水地源熱泵與地埋管地源熱泵均適宜、較適宜、不適宜的單元格，通過矢量化得到了鎮(zhèn)江市地區(qū)淺層地溫能開發(fā)利用的綜合適宜性分區(qū).

3 結(jié)語

基于GIS，利用層次分析法對(duì)鎮(zhèn)江市淺層地溫能開發(fā)利用方式進(jìn)行適宜性分區(qū)，克服了傳統(tǒng)方法中很難確定因子之間相對(duì)重要性的問題，可較準(zhǔn)確地獲得每一個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)所得到的適宜性分區(qū)的影響權(quán)重值，適宜性分區(qū)結(jié)果較為科學(xué)，客觀地反映了鎮(zhèn)江市淺層地溫能地下水地源熱泵、地埋管地源熱泵與綜合開發(fā)利用方式適宜性空間分布情況.

鎮(zhèn)江市地下水地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用的適宜與較適宜區(qū)域均分布在沿江的沖積平原地區(qū)，不適宜區(qū)主要分布在高亢平原(崗地)和低山丘陵地區(qū).適宜區(qū)主要分布在世業(yè)洲等江心洲、長(zhǎng)江北岸的高橋以及南岸的姚橋—丁崗一帶，較適宜區(qū)主要分布在長(zhǎng)江南岸的鎮(zhèn)江市區(qū)西北及大路—丁崗一線等沿江地區(qū).地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用適宜區(qū)主要分布在沿江地區(qū)、丁崗—姚橋等沖積平原地區(qū)以及南部的谷陽—辛豐、上黨—寶堰等高亢平原地區(qū).韋崗—市區(qū)—新區(qū)的部分低山丘陵和高亢平原地區(qū)是較適宜區(qū)的主要分布地區(qū).不適宜區(qū)主要為韋崗—蔣喬的低山丘陵區(qū)，該區(qū)域多為丘陵地區(qū)，地形復(fù)雜，第四系厚度均小于5 m，松散層下伏的基巖鉆進(jìn)難度很大，不適合大規(guī)模布置地埋管.地埋管地源熱泵與地下水地源熱泵系統(tǒng)都適宜的區(qū)域主要位于長(zhǎng)江漫灘地區(qū)的世業(yè)洲等江心洲、長(zhǎng)江北岸的高橋以及南岸的姚橋—丁崗一帶，面積約182 km2；地埋管適宜、較適宜而地下水不適宜的地區(qū)則廣泛分布在長(zhǎng)江以南的崗地和丘陵地區(qū)，面積約為735 km2.上述淺層地溫能開發(fā)利用方式適宜性分區(qū)結(jié)果可作為鎮(zhèn)江市淺層地溫能開發(fā)利用方式規(guī)劃方案編制的輔助決策依據(jù).