安徽省六安市城區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性評價(jià)

摘 要：隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市建設(shè)對能源的需求與日俱增，發(fā)展城市地區(qū)淺層地?zé)崮?，減少化石能源的使用，拓寬城市地區(qū)淺層地?zé)崮苁袌鲆咽谴髣菟?。以六安市城區(qū)為例，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)/水文地質(zhì)條件、地層屬性、施工條件及熱物性，采用層次分析的方法綜合確定各評價(jià)因子的權(quán)重值，采用綜合指數(shù)法進(jìn)行量化分析，針對地源型（地埋管）開發(fā)利用方式，利用MapGIS軟件實(shí)現(xiàn)六安市城區(qū)淺層地?zé)崮苓m宜性評價(jià)的可視化。

關(guān)鍵詞：淺層地?zé)崮?；適宜性評價(jià)；層次分析法；綜合指數(shù)法；可視化

Suitability evaluation of shallow geothermal energy development and utilization in Lu'an， Anhui Province

DING Meiqing

（313 Geological Team，Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development of Anhui Province， Lu'an 237000， Anhui， China）

Abstract： With the advancement of urbanization in China， the demand for energy in urban development is increasing steadily. It is an inevitable trend to develop shallow geothermal energy， reduce fossil energy use， and expand the shallow geothermal energy market in urban areas. Taking Lu'an City as an example， based on its geological/hydrogeological conditions， stratum attributes， construction conditions and thermophysical properties， this paper uses the analytic hierarchy process to comprehensively determine the weight value of each evaluation factor. Quantitative analysis is carried out with the comprehensive index method. In accordance with the development and utilization mode of ground source type （buried pipe）， MapGIS software is used to realize visualization of the suitability evaluation of shallow geothermal energy in the urban area of Lu'an City.

Keywords： shallow geothermal energy; suitability evaluation; analytic hierarchy process; comprehensive index method; visualization

城市及其周邊由于建筑物密集，人口密度大，加之城市化進(jìn)程的縱深推進(jìn)，城市發(fā)展對能源的需求與日俱增，發(fā)展城市地區(qū)淺層地?zé)崮?，減少化石能源的使用，拓寬城市地區(qū)淺層地?zé)崮苁袌鲆咽谴髣菟叄ㄐl(wèi)萬順等，2021；朱巍，2021；李寧波等，2020）。張建瑞等（2018）通過對焦作市淺層地?zé)崮艿馁x存條件和分布規(guī)律進(jìn)行分析，評價(jià)了焦作市淺層地?zé)崮苜Y源量，對淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜區(qū)進(jìn)行了劃分，并提出合理開發(fā)、可持續(xù)利用淺層地?zé)崮艿慕ㄗh；?？?qiáng)等（2012）通過分析淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用過程中出現(xiàn)的各種問題及對策，促進(jìn)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用健康有序的發(fā)展，提出了寶貴的建議。在淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性評價(jià)領(lǐng)域，鄒鵬飛等（2020）對宿遷城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用進(jìn)行適宜性評價(jià)；時(shí)國凱等（2022）在查明淮安城市規(guī)劃區(qū)淺層地?zé)崮苜x存條件的基礎(chǔ)上采用層次分析法進(jìn)行了淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性評價(jià)，得出區(qū)內(nèi)適宜采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)開發(fā)利用淺層地?zé)崮?；王道山等?020）選取含水層富水性、補(bǔ)給模數(shù)、地下水開采潛力、含水層巖性、地下水位埋深、含水層回灌能力、礦化度、總硬度和地下水的腐蝕性共9個(gè)要素指標(biāo)進(jìn)行賦值計(jì)算，對漯河市淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性評價(jià)分析；趙季初等（2020）為了解決魯北平原區(qū)農(nóng)村冬季清潔供暖問題，總結(jié)了魯北平原區(qū)內(nèi)4個(gè)水文地質(zhì)勘探孔抽水試驗(yàn)與回灌試驗(yàn)成果，對區(qū)內(nèi)地下咸水淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用條件進(jìn)行研究和分析；李小等等（2021）通過研究分析延安市淺層地?zé)岈F(xiàn)狀，概化地層物性和相關(guān)參數(shù)，采用熱儲法對地?zé)崮軣崛萘亢蛽Q熱功率進(jìn)行計(jì)算，對區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用進(jìn)行適宜性分區(qū)和評價(jià)。這些研究成果為淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

本文以安徽省六安市城區(qū)為例，綜合調(diào)查區(qū)內(nèi)淺層地?zé)崮?、地質(zhì)鉆探、巖土熱響應(yīng)室內(nèi)測試及現(xiàn)場試驗(yàn)、地溫場監(jiān)測和水質(zhì)分析等基礎(chǔ)資料，采用層次分析-綜合指數(shù)法模型確定權(quán)重值，進(jìn)行量化分析，實(shí)現(xiàn)城市地區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分區(qū)，為日后城市基建、淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)和利用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

1? 淺層地溫場分布特征

采用測量水溫的方式測量地溫，測量數(shù)據(jù)精確到0.1℃。利用安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測孔及巖土現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)孔進(jìn)行1個(gè)氣候年的地溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測，分析天然地溫場在空間、時(shí)間上的變化規(guī)律。

1.1? 地溫場垂向分布特征

受巖石和土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，地溫?zé)o時(shí)無刻不在變化，地球內(nèi)部熱量主要控制著恒溫帶以下的地溫（張利偉等，2022；趙鑫鑫等，2022）。在200 m以淺范圍，地溫場隨著深度的增加，可分為變溫帶、恒溫帶和增溫帶。據(jù)本次地溫監(jiān)測資料，選取能代表區(qū)內(nèi)環(huán)境地質(zhì)特征的，且地溫測量穩(wěn)定的LDW01監(jiān)測孔，總結(jié)地溫場垂向變化特征，見圖1和圖2。

變溫帶：該層地下3.5 m處年最高溫度21.5℃，最低溫度13.8℃，變化幅度7.7℃；地下5 m處年最高溫度20.1℃，最低溫度16.2℃，變化幅度3.9℃。區(qū)內(nèi)變溫帶下限深度9～13 m。

恒溫帶：該層熱能相對平衡，溫度一般18.1～18.5℃，恒溫帶上限埋深9～11 m，下限深度19～45 m，厚8～26 m。

增溫帶：研究區(qū)增溫帶上限深度為19～44 m，其下由淺至深溫度逐漸增加為增溫帶，平均增溫率為1.4℃·（100 m）-1。

1.2? 地溫場平面分布特征

研究區(qū)在平面上地層巖性及結(jié)構(gòu)和地下水動(dòng)力等地質(zhì)條件存在明顯差異，其地溫場特征也有所迥異。恒溫帶平面分布特征的劃分主要依據(jù)區(qū)內(nèi)13個(gè)地溫監(jiān)測孔的實(shí)測地溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合淺層地?zé)崮芫C合調(diào)查、巖土現(xiàn)場熱響應(yīng)試驗(yàn)和本地城區(qū)年平均氣溫資料而綜合確定（李騰超等，2020；張鵬等，2007）。區(qū)內(nèi)西側(cè)位于淠河周邊，恒溫帶上限深度小于東側(cè)區(qū)域，上限深度一般9～17 m；東側(cè)及中部地區(qū)，恒溫帶上限深度約為21 m；區(qū)內(nèi)中心城區(qū)及東部地帶恒溫帶平均溫度大于17.6℃，北側(cè)地帶恒溫帶平均溫度小于17.3℃，剩余部分大范圍地區(qū)恒溫帶平均溫度為17.3～17.6℃（圖 3）。恒溫帶厚度約9～25 m。

2? 評價(jià)方法研究

適宜性評價(jià)分析方法有很多，目前廣泛應(yīng)用的有綜合指數(shù)法、層次分析法、權(quán)重分析法、專家打分法、主成分分析法以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法。此外，上述分析方法并非獨(dú)立參與評價(jià)的，往往是將上述兩種及兩種以上的方法互相結(jié)合，構(gòu)建指標(biāo)體系后再使用。

研究區(qū)適宜性分析主要為地源型（地埋管）開發(fā)利用方式，選取安徽省六安市城區(qū)，采用層次分析法綜合確定各評價(jià)因子的權(quán)重值，運(yùn)用綜合指數(shù)法進(jìn)行量化分析，借助MapGIS軟件實(shí)現(xiàn)六安市城區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性分析的可視化。

2.1? 構(gòu)建評價(jià)體系

適宜性劃分層次結(jié)構(gòu)模型：根據(jù)圖4所示層次結(jié)構(gòu)，建立開發(fā)利用適宜性劃分層次結(jié)構(gòu)模型。

要素層共有9項(xiàng)指標(biāo)。1）第四系厚度：區(qū)內(nèi)第四系為較固結(jié)及固結(jié)類地層，第四系松散層厚度小于35 m，統(tǒng)一劃分為單一基巖地層結(jié)構(gòu)。2）地下水水位：區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水埋深多為1.9～3.0 m，承壓水埋深多為2.0～4.1 m；碎屑巖類孔隙裂隙潛水單井涌水量10～100 m3·d-1，承壓水單井涌水量10～100 m3·d-1，含水層頂板埋深小于100 m。3）地下水徑流條件：區(qū)內(nèi)地下水徑流條件主要體現(xiàn)在地下水的徑流強(qiáng)度，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位過水?dāng)嗝娴乃俊獫B透速度來表征，計(jì)算公式為：滲流速度=水力梯度×巖土體滲流系數(shù)。4）地下水水質(zhì)：區(qū)內(nèi)松散巖和碎屑巖類孔隙水及承壓水水質(zhì)均較好，均為HCO3-Ca·Na型，溶解性總固體小于1 g·L-1。5）地層巖性：區(qū)內(nèi)地層屬華北地層大區(qū)淮河地層小區(qū)，根據(jù)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用特點(diǎn)，結(jié)合安徽省地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)地層巖性主要?jiǎng)澐譃樗缮r類、半固結(jié)及固結(jié)巖類地層。6）鉆進(jìn)條件：巖類較松散，利于鉆進(jìn)；巖類固結(jié)堅(jiān)硬，不利于鉆進(jìn)。按照區(qū)內(nèi)較固結(jié)及固結(jié)巖類評價(jià)鉆進(jìn)條件，可將地層巖性固結(jié)程度分為兩大類別。其一是新生界第三系及中生界白堊系的較固結(jié)地層，其二是中生界侏羅系的固結(jié)巖類地層。7）城市功能分區(qū)：分為城市地區(qū)土地現(xiàn)狀和城市周邊土地兩部分，描繪出城市地區(qū)功能分區(qū)范圍。8）地層熱傳導(dǎo)系數(shù)：結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件，地層綜合熱導(dǎo)系數(shù)可分為松散巖類和固結(jié)巖類。9）地層比熱容：評價(jià)方法與綜合熱導(dǎo)率相同。

2.2? 權(quán)重的確定

按照層次分析法的要求，基于評價(jià)體系的從屬關(guān)系，通過現(xiàn)場調(diào)查、樣品檢測試驗(yàn)及理論分析，運(yùn)用1-9標(biāo)度法，對屬性層和要素層中各個(gè)因素分別進(jìn)行比較，確定其相對重要性。各個(gè)因素的重要性與對適宜性劃分影響程度呈正相關(guān)，據(jù)此構(gòu)建比較矩陣。通過對比較矩陣的不斷計(jì)算，檢驗(yàn)和調(diào)整，使其達(dá)到一致性。最終求出各要素在目標(biāo)層中的權(quán)重值。

各要素重要程度比較及有效權(quán)重表的確定見表1至表5。

2.3? 繪制各要素圖件

運(yùn)用MapGIS軟件繪制各要素圖件，分別對圖件中的各個(gè)影響因素賦值（越有利于換熱系統(tǒng)的條件賦值越高）。隨后采用網(wǎng)格剖分法對研究區(qū)進(jìn)行剖分（1 000 m × 1 000 m網(wǎng)格），把剖分好的網(wǎng)格圖與各因素已賦值圖件進(jìn)行疊加分析并獲得賦值。

1）繪制地質(zhì)/水文地質(zhì)條件要素圖件及賦值：結(jié)合第四系松散層厚度等值線圖，確定賦值。第四系松散層厚度小于35 m，統(tǒng)一劃分為單一基巖地層結(jié)構(gòu)。見表6。

2）繪制地下水徑流條件要素圖件及賦值：由地下水位埋藏深度等值線圖和巖土體滲流系數(shù)表示，在相同類別地層中，徑流條件與熱交換效率成正比，徑流條件越好，賦值越大。研究區(qū)內(nèi)地勢相對平坦，水力梯度約為1∶5 000，幾乎不影響地?zé)崮艿慕粨Q效率，因此沒有將地下水水位、地下水徑流條件和地下水水質(zhì)納入評分賦值系統(tǒng)中去。見表6。

3）繪制施工條件要素圖件及賦值：通過整理以往工作所得松散層厚度等值線圖、區(qū)域基巖地質(zhì)圖以及現(xiàn)場編錄所得鉆孔柱狀圖，綜合表示巖土體固結(jié)程度，固結(jié)程度越高，賦值越小。見表7。

4）城市覆蓋率：覆蓋率與施工條件成反比，其值越小，賦值越高。見表7。

5）繪制熱物性要素圖件及賦值：通過測試巖土體熱物性參數(shù)并進(jìn)行巖性類比，在評價(jià)深度范圍內(nèi)，垂直方向上采用加權(quán)平均值法求得各地層綜合熱傳導(dǎo)率，其值越大，賦值越高。見表8。

6）平均比熱容：評價(jià)方法與綜合熱導(dǎo)率相同。見表8。

3? 適宜性評價(jià)結(jié)果

3.1? 分區(qū)方法

通過上述網(wǎng)格剖分（1 000 m × 1 000 m網(wǎng)格）及對每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行賦值，運(yùn)用綜合指數(shù)法將所得賦值與其相對應(yīng)的權(quán)重值相乘后求和，可得到各網(wǎng)格點(diǎn)分值。根據(jù)分值確定適宜性分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，劃分出不同的適宜性分區(qū)。

3.2? 分區(qū)評價(jià)結(jié)果

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)適宜性評價(jià)主要為地埋管地源熱泵開發(fā)利用方式，分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)為：分值在0～5范圍內(nèi)為不適宜區(qū)，>5～7范圍內(nèi)為較適宜區(qū)，>7～9范圍內(nèi)為適宜區(qū)（許雪潔等，2017；陳玲等，2022；趙立敏等，2022）。適宜性分區(qū)評價(jià)結(jié)果見圖5。

適宜區(qū)：區(qū)內(nèi)無分布。

較適宜區(qū)：主要分為2種類型。1）較固結(jié)巖類：主要分布在區(qū)內(nèi)中、西部地區(qū)，第四系松散層厚度小于35 m，下伏地層為下新生界第三系及中生界白堊系細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖；2）固結(jié)巖類亞區(qū)：主要分布在區(qū)內(nèi)東、東南部地區(qū)，第四系松散層厚度小于10 m，下伏地層為中生界侏羅系砂巖、礫巖及中細(xì)砂巖夾粉砂巖。

不適宜區(qū)：分布于區(qū)內(nèi)三十里鋪局部地區(qū)，范圍較小。為高丘地貌，開發(fā)利用適宜性較差。

4? 結(jié)論

安徽省六安市城區(qū)淺層地?zé)崮艿卦葱停ǖ芈窆埽╅_發(fā)利用適宜性劃分為較適宜區(qū)和不適宜性區(qū)兩種類型。其中較適宜區(qū)面積共519.96 km2，占評價(jià)區(qū)總面積的92.85%；不適宜區(qū)面積共40.04 km2，占評價(jià)區(qū)總面積的7.15%。因此，六安市城區(qū)大部分范圍內(nèi)均適宜地源型（地埋管）地?zé)岬拈_發(fā)利用。

在建立評價(jià)體系過程中未考慮城市地質(zhì)災(zāi)害因素，在以后的工作和實(shí)踐中應(yīng)詳細(xì)調(diào)查地面沉降、裂縫城市地質(zhì)災(zāi)害，完善評價(jià)體系。

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收稿日期：2022-12-05；修回日期：2023-01-19

基金項(xiàng)目：安徽省公益性地質(zhì)工作項(xiàng)目（2009-11）資助

作者簡介：丁美青（1993- ），男，碩士，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。E-mail：dmq110750113@163.com

引用格式：丁美青，2023.安徽省六安市城區(qū)淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用適宜性評價(jià)［J］.城市地質(zhì)，18（1）：55-61