利用層次分析法評價東營市淺層地熱能適宜性

胡松濤，孫云川，胡思敬

(1.山東省地礦工程集團有限公司，山東濟南250014;2.山東省地礦工程勘察院，山東濟南250014)

0 引言

東營市淺層地熱能勘查開發(fā)始于1999年，現(xiàn)已施工地源熱泵項目146處，建成投入使用面積達308.34萬m2，開發(fā)利用規(guī)模走在了全省前列。但以往未進行專門的淺層地熱能勘查評價工作，該文采集了大量實測資料進行分析，研究成果對于合理引導今后淺層地熱能的開發(fā)利用具有重要意義。

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是美國運籌學家A.L.Saaty等人于20世紀70年代提出的一種能有效地對較為復雜、模糊的問題作出決策的方法，是一種定性與定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法［1］。這種方法將決策者的經(jīng)驗判斷給予量化，較適用難于完全定量分析的問題。特別是在目標因素結(jié)構復雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下使用更為方便，因其簡便、靈活而又實用，在實踐中得到廣泛應用。應用層次分析法評價東營市淺層地熱能適宜性，具有較高的可行性和有效性。

鑒于東營市地下水資源不豐富，以往開發(fā)利用工程以地埋管換熱系統(tǒng)為主，占總工程數(shù)量的97.1%，在此只針對地埋管換熱方式進行適宜性評價。

1 東營市淺層地熱能背景條件

東營市位于黃河沖擊平原，總面積7 923 km2，地形平坦無起伏，氣候冬冷夏熱。經(jīng)濟發(fā)達、社會發(fā)展程度較高，具備大力開發(fā)淺層地熱能的經(jīng)濟社會條件。市域范圍內(nèi)被厚達168～420 m的第四系覆蓋，巖性以粉土、粉質(zhì)粘土和砂層互層為主。屬魯西北平原松散巖類水文地質(zhì)區(qū)，北部海積沖積平原地下水以咸水為主，在南部沖積洪積平原淡水水文區(qū)地下水超采嚴重，存在降落漏斗，除降落漏斗外水位埋深普遍小于4 m。主要地質(zhì)環(huán)境問題為地下水降落漏斗和地面沉降［2］。在黃河河道兩側(cè)及三角洲沖擊平原同一深度的地下溫度普遍低于其他地區(qū)。綜合熱導率在1.61～1.97 W/m·℃之間，平均為1.78 W/m·℃;平均孔深換熱量在 50.50 ～57.10 W/m之間。

2 適宜性評價指標及體系

2.1 適宜性評價指標選取

根據(jù)《淺層地熱能勘查評價規(guī)范DZ/T0225－2009》分區(qū)要求，結(jié)合工作區(qū)實際情況，東營市地埋管換熱方式適宜性分區(qū)考慮地埋管換熱條件、工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件等因素［3］。

(1)地埋管換熱條件。不同巖土體的物理、熱物理性質(zhì)影響工程總體換熱功率的大小，決定單孔換熱量。巖土體熱導率則反映了能量傳遞與交換的快慢，直接決定了地埋管換熱器換熱能力的高低。因此，將地埋管綜合熱導率作為主要評價指標。

(2)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件。包括成孔難易程度、地面沉降，不僅影響著換熱孔施工難度和工程初投資，還影響著換熱孔有效深度。在此將地面沉降作為主要因子。

(3)水文地質(zhì)條件。主要包括地下水位埋藏深度和砂層厚度。水位埋深影響著地埋管換熱器換熱功率，水位埋藏淺，流動速度大，換熱器釋放的冷熱負荷被地下水迅速帶走，與地下水及巖土體間的能量交換快。根據(jù)淺層地熱能調(diào)查規(guī)范，含水層厚度越厚地埋管換熱條件越好，在此，以砂層厚度代表含水層厚度，砂層厚度為淺層地熱能的賦存提供了條件，厚度越大換熱條件越好。

2.2 評價體系及因子權重

地埋管換熱系統(tǒng)評價體系層次結(jié)構模型由3層構成，從頂層至底層分別為目標層、屬性層和要素指標層3級。評價目標是地埋管換熱方式適宜性分區(qū);屬性指標由水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)條件和地埋管換熱條件3項構成;要素指標由地下水位埋藏深度、砂層厚度、成孔難易程度、地面沉降、熱擴散率、比熱容、綜合熱導率7個指標構成(圖1)。

采用賦權法確定因子權重［4］。按照層次分析法(AHP)的要求，在評價體系層次隸屬關系的基礎上，通過統(tǒng)計和研究分析，首先比較屬性層和要素層中各因素的重要性，計算指標權重(表1，表2)，然后確定各要素因子最終權重。

表1 屬性層各個指標重要性對比及權重

表2 要素層各個指標重要性對比及在屬性層中權重

最終確定各個要素指標因子在目標層中所占的權重(表3)。

表3 要素層中各要素在目標層的權重

3 適宜性評價結(jié)果

3.1 網(wǎng)格剖分方式

以1∶10萬地理底圖為基礎進行評價網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格大小4 000 m×4 000 m。

3.2 要素賦值

借助GIS制圖軟件中，制作各要素指標的圖件，包括:地下水位埋藏深度分區(qū)圖、綜合熱導率分區(qū)圖、砂層厚度分區(qū)圖、地面沉降分區(qū)圖等［5］。再以是否適宜建設地埋管換熱系統(tǒng)為比較標準，結(jié)合巖土樣品分析、熱響應試驗等得到的大量實測數(shù)據(jù)，對各個要素的范圍值在1～9之間打分，越有利于地埋管換熱系統(tǒng)應用則所獲分值越高，從而將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為介于1～9之間可以互相比較運算的無量綱數(shù)值(表4)。

表4 適宜性評價各要素指標賦值

然后將網(wǎng)格剖分圖與已經(jīng)賦值完畢的圖件進行疊加，把各要素圖件中的賦值對應到了相應的網(wǎng)格上。采用綜合指數(shù)法公式計算，將每個網(wǎng)格點上的屬性賦值與其相對應的權重值相乘，通過求和得出每個點上的初步分值。綜合評價指數(shù)法計算公式如下:

式中:Rk—綜合評價指數(shù);ai—要素的目標層權重;Xi—要素賦值;n—要素指標個數(shù)。

3.3 適宜性評價

結(jié)合東營市淺層地熱能地質(zhì)條件，將分值大于6.0的區(qū)域設定為地埋管換熱方式適宜區(qū)(Ⅰ區(qū))，分值小于等于6.0的區(qū)域設定為較適宜區(qū)(Ⅱ區(qū))(圖2)。

適宜區(qū)(Ⅰ區(qū)):包括河口區(qū)、利津縣大部，東營區(qū)的東部，面積4 704.595 km2，約占全市總面積的57.10%。區(qū)內(nèi)巖性主要為第四紀粉質(zhì)粘土、粉土和粉砂層，砂層厚度變化自20～40 m不等，地下水位埋深一般小于1 m，地面沉降量在－150～－50 mm之間，綜合熱導率一般大于1.8 W/m·℃。

較適宜區(qū)(Ⅱ區(qū)):面積3 538.405 km2，占全市總面積的42.90%，包括Ⅱ1～Ⅱ6六個亞區(qū)。

Ⅱ1亞區(qū)位于黃河三角洲，包括東營港、仙河鎮(zhèn)、孤東油田、黃河入海口等地區(qū)。砂層厚度普遍小于30 m，地下水位埋小于5 m，綜合熱導率在1.76～1.78 W/m·℃左右。

圖2 東營市地埋管換熱方式適宜性分區(qū)圖

Ⅱ2亞區(qū)位于墾利—東營區(qū)—廣饒地區(qū)，包括墾利縣城、東營區(qū)東西城區(qū)、六戶鎮(zhèn)、勝坨鎮(zhèn)、丁莊鎮(zhèn)及廣饒縣全境。砂層厚度普遍小于30 m，在六戶—丁莊—廣饒一帶小于20 m。在廣饒縣有地面沉降，沉降量小于350mm。綜合熱導率普遍小于1.7 W/m·℃。

Ⅱ3亞區(qū)位于東營市西城區(qū)—六戶一帶，砂層厚度小于30 m，在西城區(qū)附近有小規(guī)模地面沉降發(fā)生，綜合熱導率1.61 W/m·℃左右。

Ⅱ4，Ⅱ5，Ⅱ6亞區(qū)分別位于廣饒縣城、李鵲鎮(zhèn)、大王鎮(zhèn)，砂層厚度普遍小于20 m，綜合熱導率1.82左右。均有地下水降落漏斗存在，地下水位埋深最大可達35.93 m。

4 結(jié)語

在大量利用實測資料的基礎上，通過層次分析法對東營市淺層地熱能地埋管換熱方式進行適宜性評價，地下水埋藏深度、砂層厚度、成孔難易程度、地面沉降、熱擴散率、比熱容、綜合熱導率等7個指標的選取，是符合當?shù)貙嶋H和評價要求的。

通過評價分區(qū)，東營市地埋管換熱方式適宜性劃分為適宜、較適宜2個區(qū)。結(jié)果顯示，在河口區(qū)、利津縣大部、東營區(qū)東部淺層地熱能條件優(yōu)越，適宜大力開發(fā)淺層地熱能，其余地區(qū)在合理勘查設計的條件下較適宜建設地埋管換熱系統(tǒng)。總體來看東營市淺層地熱能適宜性好、開發(fā)潛力巨大。

［1］趙艷娜，馬小全.層次分析法在淺層地熱能適宜性評價中的應用［J］.地下水，2012，(6):61 －63.

［2］王小剛，鄒祖光，王秀芹，等.東營市城區(qū)地面沉降影響因素［J］.山東國土資源，2006，22(5):50 －53.

［3］衛(wèi)萬順，鄭桂森，冉偉彥，等.北京淺層地溫能資源［M］.北京:中國大地出版社，2008.

［4］朱茵，孟志達，闞權愚.用層次分析法計算權重［J］.北方交通大學學報，1999，23(5):119 －122.

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