天津市區及新四區地下水地源熱泵適宜性分區研究

劉景蘭，杜紅梅，范麗平

(1.天津華北地質勘查局地質研究所，天津300170;2.冀東油田勘查設計研究院，河北 唐山063004)

淺層地熱能廣泛存在于地下淺層(數百米以內)恒溫帶中的土壤和地下水里，是低品位(＜25℃ )的可再生能源，基本不受地域和氣候的影響;其溫度相對恒定，儲量巨大，是不應被忽視的新能源[1]。地下水地源熱泵是目前天津市淺層地熱能開發利用的主要方式之一，據不完全統計，截止到2010年5月天津市地下水地源熱泵系統項目有42個，主要集中在市內六區(26個)和新四區(6個)。隨著城市建設和科學技術的發展，天津市地下水地源熱泵系統的應用越來越多，因此開展地下水地源熱泵適宜性分區研究，對淺層地熱能可持續利用，合理開發利用地下水資源，提高熱泵系統效率等有重要的意義。

研究區位于天津市范圍內，包括市內六區(河東區、河西區、河北區、和平區、南開區、紅橋區)和新四區(東麗區、津南區、西青區、北辰區)，共10個區。地理坐標為東經116°51'～ 117°33'，北緯 38°10'～ 39°51'，總面積約 2120.34 km2。境內地勢低平，河道縱橫。研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，春旱多風沙，夏熱多雨水，秋爽溫差大，冬冷少雨雪。

1 水文地質、環境地質條件

1.1 水文地質條件

研究區400m以淺第四系孔隙水分為四個含水組，第Ⅰ含水組屬于淺層地下水系統，第Ⅱ～Ⅳ含水組屬深層地下水系統。

淺層地下水類型有三種:沖湖積平原有咸水區咸水上覆的淺層淡水、沖海積平原淺層微咸水和咸水、濱海平原沖海積層咸水。淺層地下水富水性不好，單井涌水量多小于500m3/d，水化學類型主要為 Cl·SO4－ Na、Cl·HCO3－ Na。

深層地下水具有承壓性質，富水性較好，多為較富水(單井涌水量1000～3 000m3/d)和中等富水(單井涌水量500～1000m3/d)。深層水由北部向南部，含水層顆粒變細，徑流條件變差，地下水由強徑流帶過渡到徑流滯緩帶和排泄帶，呈現出由北向南的水平水化學分帶規律，反映出水化學類型由 HCO3－ Na→HCO3·Cl－ Na→Cl·HCO3－ Na→Cl·SO4－Na型，礦化度由北部＜0.5g/L，向南增高至近2g/L。

1.2 環境地質

本文主要分析與地下水地源熱泵開發利用密切相關的地質環境問題——地面沉降。天津市地面沉降伴隨著地下水開采而產生，據1967～2009年地面沉降累計量數據，除津南區和天津市區沉降量大于2000 mm以外，研究區大部分累計沉降量1000～2000 mm。2009年度地面沉降的監測結果顯示，津南區、西青區、北辰區、東麗區、中心城區年平均沉降量在20～50 mm，其中前兩個區沉降量比近三年平均水平減少2～6 mm，后三個區沉降量與近三年平均水平持平。因此，本文將地面沉降作為影響地下水地源熱泵開發利用的主要環境地質問題，并參照專家的意見，將累計沉降量大于2000 mm的區域劃分為地下水地源熱泵不適宜區，不再進行以下評價。

2 評價方法概述

2.1 層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱 AHP)是對一些較為復雜較為模糊的問題做出決策一種有效的分析方法，它特別適用于難于完全定量分析的問題[2－3]。層次分析法把評價系統中相互關聯的各個要素按隸屬關系分解成為若干層次，并按照上一層的準則對其下屬層次的各個要素進行分別比較，確定各要素的相對重要性，給出定量指標，然后求解各層次各要素相對重要性權值，最后作出綜合分析和評判。

2.2 非結構性模糊賦權法

非結構性模糊賦權法是典型的模糊數學方法，屬于客觀賦權法，是根據所選擇指標的實際信息形成決策矩陣，在此矩陣基礎上通過客觀運算形成權重，該方法盡量避免了主觀賦權法的人為因素。

3 評價體系的構建及其評價步驟

3.1 評價體系的構建

評價體系由三層構成，系統目標層(O，Object)為地下水地源熱泵系統適宜分區。屬性層(A，Attribute)是屬性指標層，由賦存條件、動態特征、水化學特征三部分構成。要素指標層(F，Factor)由地下水富水性、回灌能力、導水系數、地下水位、地下水位年降幅、地面沉降年沉降量、地面沉降累計沉降量、地下水水質類型、地下水氯離子含量等9個指標構成。評價結構圖如圖1所示。

圖1 地下水地源熱泵系統適宜性分區評價結構圖

3.2 評價步驟

3.2.1 評價因子權重確定

本文分別采用層次分析賦權法和非結構性模糊賦權法兩種方法進行因子權重計算，然后采用線性加權法求得綜合權重作為最后結果。

1)層次分析法

按照層次分析法的要求，通過統計和研究分析，采用1－9標度法，分別比較屬性層和要素層中各因素的重要性，構造成對比較矩陣，對成對比較矩陣進行層次單排序及一致性檢驗(計算一致性比例CR)，不一致時將成對比較矩陣進行必要的修改，直至達到可以接受的一致性;如表1中，目標－屬性層判斷矩陣單層次排序一致性比例計算結果為CR=0.0089＜0.10，一致性可以接受。層次單排序符合一致性檢驗后，進行層次總排序及一致性檢驗，確定每個因素的權重。從表2中可以看出，層次總排序一致性比例 CR=0.0089＜0.10，說明層次總排序結果具有較滿意的一致性，該分析結果準確可靠。從權重計算結果可以看出，回灌能力和地下水富水性是地下水地源熱泵適宜性分區影響最大的指標因子。

表1 屬性層判斷矩陣及其權重計算表

表2 總排序一致性檢驗及其要素層權重計算成果表

2)非結構性模糊賦權法

非結構性模糊賦權法計算權重分三個步驟:

(1)根據因素集進行重要性定性排序，本文重要性排序依次為回灌能力、地下水富水性、導水系數、地下水位、地下水水質類型、地下水位年降幅、地下水氯離子含量、地面沉降累計沉降量、地面沉降年沉降量，構成其重要性的二元對比一致性標度矩陣。

(2)根據重要性排序一致性標度矩陣，按最重要、次重要、…、最不重要的順序，結合語氣算子與定量標度的關系(表3)，構建因素集對重要性的有序二元比較矩陣:

表3 語氣算子與定量標度的關系

(3)將二元比較矩陣(式1)按公式2運算，可得9個因子權重。

各因子權重計算結果:W=(w1，w2，…，wm)T=(0.3471，0.2759，0.0956，0.0956，0.0686，0.0447，0.0321，0.0202，0.0202)。

將兩種求權法計算結果對比(表4)可知，層次分析法和非結構性模糊賦權法這兩種數學模型所求結果近似，具有一定的可靠性。

表4 兩種求權法計算結果

3)綜合評價權重

綜合賦權法是通過把主觀與客觀賦權法有機集成起來，從而在一定程度上克服了主、客觀賦權法的不足之處[4]。而綜合賦權法又可歸納為兩大類，本文采用線性加權組合法來確定評價因子的綜合權重。線性加權法的計算公式為:

本文認為主觀賦權法和客觀賦權法的重要性一致，即a=0.5，將兩種方法所得的各項因子權重(表4)代入式3，得到基于綜合賦權法的綜合權重(表5)。由評價結果可以看出，影響地下水地源熱泵系統適宜性分區的因素主要有三個:回灌能力、地下水富水性、導水系數。

表5 綜合權重計算結果

3.2.2 空間分析和網格點適宜性指數計算

首先在GIS軟件中，分別制作9個因子圖件，將每幅圖件按表6對其進行屬性賦值[5];之后對研究區進行網格剖分，并將網格剖分圖和已經賦值完畢的圖件進行疊加，通過空間分析功能將圖件中的賦值對應到相應的網格點上;最后采用綜合指數法(式4)，將每個網格點上的屬性賦值與其相對應的權重值相乘求和，得出每個點上的綜合評價指數，并以屬性的形式賦予網格點，通過GIS提取該屬性制作等值線圖，做出適宜性分區評價圖。

綜合評價指數法計算公式:

式中:Rk為綜合評價指數;i為指標要素的權值;Xi為指標要素屬性賦值;n為指標要素個數。

4 適宜性分區

4.1 適宜性分區標準的制定

根據專家意見并考慮實際情況，將分值＜5的區域設定為地下水地源熱泵系統不適宜區，分值5～7的區域設定為地下水地源熱泵系統較適宜區，分值＞7的區域設定為地下水地源熱泵系統適宜區。

4.2 適宜性分區評價結果

評價結果表明(圖2和表7):研究區內各含水層組均不存在地下水地源熱泵系統適宜區，較適宜區和不適宜區的分布在不同含水層組存在著較大的差異。

從圖2可以看出:較適宜區在第Ⅲ含水層組分布范圍較廣，占全區總面積的61.2%;而在第Ⅱ含水層組和第Ⅳ含水層組分布范圍小，第Ⅱ含水層組較適宜區僅占全區面積的9.6%，第Ⅳ含水層組適宜區也只有26.2%。這一評價結果與淺層地熱能地質條件相對應，研究區第Ⅱ、Ⅳ含水層組大多區域不利于地下水回灌，單井出水量均小于1 000m3/d，地下水中氯離子的含量基本上都大于100 mg/L，從水量和水質上均不能滿足熱泵系統的要求;而第Ⅲ含水層組大部分地區以粉細砂為主，水文地質條件較好，回灌能力較強，導水系數在100m2/d以上，單井出水量在地水回灌～2 000m3/d左右，基本上可以滿足地下水地源熱泵系統對水量的要求，較適宜利用地下水地源熱泵系統。

表6 評價因子分區賦值表

表7 地下水地源熱泵系統適宜性分區評價成果表

5 結語

(1)本文針對研究區缺乏地下水地源熱泵開發利用指導規劃的特點，結合當地的水文地質、環境地質條件，構建了地下水地源熱泵適宜性評價體系，并對深層地下水的各含水層組的適宜性進行了評價，評價結果與實際情況相符，可作為當地政府開發淺層地熱能的技術依據。

(2)淺層地熱能資源雖有明顯的節能減排優勢，但其開發利用同樣受到當地環境水文地質條件的限制，且研究區地下水地源熱泵不適宜區分布范圍較大。因此，應科學合理地開發利用地下水地源熱泵系統。

[1]韓再生，冉偉彥，佟紅兵，等.淺層地熱能勘查評價[J].中國地質.2007，20(6):1115－1121.

[2]許苗娟，姜媛，謝振華等.基于層次分析法的北京市平原區水源熱泵適宜性分區研究[J].分析研究.2009(4):18－21.

[3]王國良.層次分析法在地質災害危險性評估中的應用[J].西部探礦工程.2006(9).

[4]葉飛，張紅.基于綜合賦權基礎上的灰色關聯綜合評價法及其在工業經濟效益評價中的應用[J].南京航空航天大學學報(社會科學版).1999(4):28－31.

[5]張寶華.劉景蘭.石文學等.天津市新四區、寶坻新城、團泊新城淺層地熱能資源調查與評價報告[R].天津:天津華北地質勘查局地質研究所.2011.