基于組合賦權(quán)法的廣安市地源熱泵適宜性分區(qū)

黃露玉， 梁金龍， 劉斌， 文發(fā)楊， 余毅， 孫梽軒

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 成都 610059)

為減少二氧化碳排放，歐盟、美國(guó)、日本和冰島等國(guó)家和地區(qū)均推行了相關(guān)節(jié)能減排政策[1]，其中大力開發(fā)綠色能源是減少二氧化碳排放的重要措施之一。世界范圍內(nèi)建筑體耗能占總能耗的40%以上[2]，淺層地?zé)崮茏鳛橹匾木G色能源是解決建筑體耗能的重要措施之一[3]，是賦存于地下200 m以內(nèi)的巖土體、地下水和地表水中且溫度一般小于25 ℃的可再生能源[4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)336個(gè)地級(jí)以上城市的淺層地?zé)崮苜Y源的利用，每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2.5億t[5]。地源熱泵是淺層地?zé)崮茏钪饕哪茉刺崛》绞剑瑧?yīng)用于各類建筑的采暖和制冷[6-7]。對(duì)區(qū)域淺層地?zé)崮苓M(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，是支撐其高效、可持續(xù)、大規(guī)模開發(fā)利用的前提[5， 8-9]。但近年來部分地區(qū)由于淺層地?zé)崮艿卦礋岜瞄_發(fā)過于粗獷，適宜性評(píng)價(jià)不合理，不僅未能達(dá)到利用目標(biāo)，反而對(duì)環(huán)境造成較大破壞[8]，在開發(fā)利用淺層地?zé)崮苤埃虻刂埔藙澐诌m宜區(qū)刻不容緩。

國(guó)外適宜性評(píng)價(jià)方法大多基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)平臺(tái)，常見的有多準(zhǔn)則決策分析法(multi-criteria decision analysis，MCDA)[10]、指數(shù)重疊法(index overlay，IO)[11]、證據(jù)權(quán)重法(weight of evidence，WofE)等[12]。最常用的方法是MCDA，Rahmati等[13]用MCDA中的層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)結(jié)合GIS為伊朗部分地區(qū)進(jìn)行了淺層地?zé)崮芊謪^(qū)。Ramos-Escudero等[14]運(yùn)用MCDA結(jié)合GIS大致劃分了整個(gè)歐洲地區(qū)的淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)圖。國(guó)內(nèi)評(píng)價(jià)方法通常也與GIS結(jié)合，但評(píng)價(jià)種類較國(guó)外更多，常用兩種方法相互證明進(jìn)行計(jì)算。基本方法有AHP、模糊層次分析法、熵權(quán)法、指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等方法，其中最常用到的方法同樣為AHP[15-19]。一些國(guó)家或地區(qū)已經(jīng)完成了基本的淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)，擁有較詳細(xì)的數(shù)據(jù)，開始利用三維模型進(jìn)一步對(duì)適宜地埋管埋深深度進(jìn)行分區(qū)，如日本[20]。中國(guó)的淺層地?zé)崮艽蟛糠值貐^(qū)只有可利用資源量，很多地區(qū)均無具體適宜利用的區(qū)域圖與相關(guān)數(shù)據(jù)[21]，更無法進(jìn)行下一步研究與利用。

基于此，現(xiàn)運(yùn)用層次分析法和非結(jié)構(gòu)賦權(quán)法確定地源熱泵適宜性分區(qū)。將主觀-客觀的方法同時(shí)運(yùn)用，增加分區(qū)的可行性。首先，依據(jù)調(diào)查測(cè)試數(shù)據(jù)選擇適合研究區(qū)的地源熱泵類型；再者，分析影響地源熱泵的指標(biāo)，判斷其重要性，建立計(jì)算權(quán)重的模型，運(yùn)用兩種方法分別算出權(quán)重；然后，綜合分析得到指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，代入權(quán)重，通過計(jì)算得出各地區(qū)總評(píng)分，按分值劃出適宜性分區(qū)；最后，計(jì)算該地區(qū)換熱效率，為廣安市淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 基礎(chǔ)地質(zhì)特征

1.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)為渠江水系，干流自廣安區(qū)肖溪入境，沿華鎣山脈西側(cè)向南流至岳池賽龍鄉(xiāng)出鏡，區(qū)域內(nèi)主要有3條大支流，分別為消溪河、西溪河和驢溪河。區(qū)域地下水含水系統(tǒng)主要為裂隙含水系統(tǒng)和孔隙含水系統(tǒng)，層間裂隙水主要分布于裂隙發(fā)育的砂巖中，泥巖常作為相對(duì)隔水層，研究區(qū)內(nèi)的層間水多具有承壓性。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽水測(cè)試，淺層地?zé)峋克吭?0.835～76.314 m3/d，地下水位埋深小于10 m的調(diào)查點(diǎn)占54.03%。

1.3 熱物性特征

通過現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)得到該地區(qū)地層初始溫度處于19.8～20.5 ℃，恒溫層深度范圍基本在21～73 m，平均熱導(dǎo)率1.98～2.54 W/(m· ℃)。由熱物性特征參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，巖樣中平均比熱容最高的是泥質(zhì)粉砂巖[0.95×103J/(kg·K)]，導(dǎo)熱系數(shù)最高的是砂巖[2.24 W/(m· ℃)]。土樣中平均比熱容最高的是含碎石粉質(zhì)黏土[1.33×103J/(kg·K)]，導(dǎo)熱系數(shù)最高是沙土[1.71 W/(m· ℃)]。

2 地源熱泵類型的選擇

地源熱泵主要分為3類：地下水地源熱泵、地表水地源熱泵和地埋管地源熱泵。如表1所示，不同的地質(zhì)因素是影響其安裝與運(yùn)作的關(guān)鍵。地下水地源熱泵適宜性分區(qū)主要從水層巖性、分布、埋深等來考慮[22]，其中單位涌水量是最基本的判斷指標(biāo)。通過抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，研究區(qū)單位涌水量最大為127.25 m3/h，遠(yuǎn)低于地下水地源熱泵適宜區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。層間滲透系數(shù)較小，在0.005 8～ 0.089 9 m3/d，結(jié)合區(qū)域地下水含水系統(tǒng)、鉆孔分布和鉆孔中巖層特征，研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)為多層含水結(jié)構(gòu)。

圖例中，1為褶皺構(gòu)造，2為正斷層，3為逆斷層，4為工作區(qū)范圍，5為政府駐地(市縣)，6為構(gòu)造代號(hào)；構(gòu)造代號(hào)中，(1)為廣安背斜，(2)為大石橋背斜，(3)為鮮渡河背斜，(4)為斗灣寨向斜，(5)為月山向斜，(6)為王家坪向斜，(7)為龍女寺背斜，(8)為天池向斜，(9)為田灣向斜，(10)為綠水洞背斜，(11)為老龍洞背斜，(12)為李子埡向斜，(13)為碑石崖背斜，(14)為大盛場(chǎng)向斜，(15)為銅鑼灣背斜，(16)為中心場(chǎng)背斜，(17)為古樓場(chǎng)向斜，(18)為合川向斜，(19)為龍風(fēng)場(chǎng)向斜，(20)為望溪場(chǎng)向斜，(21)為華鎣山斷層，(22)為養(yǎng)天灣斷層，(23)為河壩斷層，(24)為蘇家?guī)r斷層，(25)為代市背斜，(26)為天池?cái)鄬訄D1 區(qū)域構(gòu)造綱要圖Fig.1 Regional structure outline map

表1 廣安市城市規(guī)劃區(qū)地源熱泵基本判斷指標(biāo)值Table 1 Ground source heat pump basic judgment index value of Guang’an City planning district

綜合以上條件判斷，研究區(qū)不適宜利用地下水地源熱泵進(jìn)行淺層地?zé)豳Y源開采。研究區(qū)地表3條渠江支流流量均大于150 m3/s，動(dòng)態(tài)變化較小，但其大部分支流水深在0.2～0.6 m，不符合地表水地源熱泵的建設(shè)基本條件。因此，研究區(qū)不適宜利用地表水地源熱泵進(jìn)行淺層地?zé)豳Y源開采。由鉆孔所得研究區(qū)巖層分布，該地區(qū)第四系厚度在0.9～3.9 m，卵石厚度為0，含水層厚度大于30 m，且實(shí)驗(yàn)測(cè)得地層初始溫度、鉆井平均熱導(dǎo)率值、巖土的比熱容和熱導(dǎo)率均顯示研究區(qū)適宜利用地埋管地源熱泵進(jìn)行淺層地?zé)豳Y源開采。

3 廣安市淺層地?zé)崮苓m宜性評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

3.1 指標(biāo)選取

《淺層地?zé)崮芸辈樵u(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 225—2009)[22]中選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為第四系厚度、卵石厚度和含水層厚度。研究區(qū)第四系厚度均小于30 m、卵石厚度均小于10 m、在抽水實(shí)驗(yàn)中顯示所有測(cè)井含水層均在30 m以上，實(shí)測(cè)值的數(shù)值分布區(qū)間太小，不能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)因素[23]。

除區(qū)域地層熱物性參數(shù)特征和水文地質(zhì)特征外，地埋管地源熱泵施工時(shí)的難易程度也是重要影響因素。除研究區(qū)東部靠近華鎣山脈，地形地貌較為陡峭，其余地帶地形地貌較為平緩，但部分地區(qū)穿插有中丘、高丘和低山地貌，影響地埋管地源熱泵的鋪設(shè)。實(shí)驗(yàn)以“U”形地埋管為研究對(duì)象，地下巖層的分布對(duì)其鉆井安裝有著重要影響。

綜上所述，研究指標(biāo)主要分為三大類：水文地質(zhì)特征、地層熱物性參數(shù)和施工條件。其中水文地質(zhì)特征可以細(xì)分為地下水水位埋深和地下水水質(zhì)；地層熱物性參數(shù)包括地層初始溫度、平均熱導(dǎo)率和平均比熱容；施工條件包括分為地貌分區(qū)和鉆進(jìn)程度。經(jīng)過數(shù)據(jù)整理得出指標(biāo)關(guān)系樹狀圖(圖2)，并分別用GIS軟件為7個(gè)指標(biāo)插值出圖，并對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類(圖3)。

圖2 地埋管地源熱泵指標(biāo)體系Fig.2 Index system of ground source heat pumps

3.2 評(píng)價(jià)方法

在淺層地?zé)崮苓m宜性分區(qū)中，層次分析法(AHP)是最常用到的權(quán)重方法，它是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家薩蒂(Saaty T L)于19世紀(jì)70年代提出的，通過構(gòu)建判斷矩陣對(duì)比指標(biāo)之間重要程度，并以數(shù)字化的形式直觀表示[27]。AHP是一種主觀性較強(qiáng)的計(jì)算方法，需要一種較為客觀的計(jì)算方法來佐證其計(jì)算所得的正確性。非結(jié)構(gòu)性賦權(quán)法便是較為客觀的一種計(jì)算方法，根據(jù)指標(biāo)兩兩對(duì)比其重要性，來構(gòu)建其重要性二元對(duì)比一致性標(biāo)度矩陣計(jì)算其權(quán)重[28]。盡量減小主觀因素的影響。對(duì)比分析兩組權(quán)重，在差異較小的情況下通過乘法合成歸一化法算得最終權(quán)重大小。為每一個(gè)指標(biāo)建立獨(dú)有的評(píng)級(jí)賦值標(biāo)準(zhǔn)，并用綜合指數(shù)法將單指標(biāo)評(píng)分與權(quán)重有機(jī)結(jié)合得到總分。

3.2.1 層次分析法

AHP是利用線性代數(shù)中的矩陣特征值的思想分解問題，劃分為目標(biāo)層、屬性層和要素層[29]。矩陣借鑒文獻(xiàn)[30-33]對(duì)不同類型標(biāo)度所使用范圍和一致性。分析選取了指數(shù)標(biāo)度e0/4～e8/4[31]。按標(biāo)度建立判斷矩陣，并檢驗(yàn)其一致性比例(CR)，若CR<0.10，則認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以被接受的，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)修正。計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，根據(jù)n值大小選擇RI值，n為矩陣的階數(shù)，如表2所示；CI為一致性指標(biāo)，計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：λmax為最大特征值，由MATLAB計(jì)算。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI與n對(duì)應(yīng)值Table 2 The corresponding value of random consistency index RI and n

在確定判斷矩陣一致性可被接受后，用幾何平均法計(jì)算權(quán)重大小，在計(jì)算出所有指標(biāo)的權(quán)重之后，為計(jì)算出要素層每個(gè)指標(biāo)在影響地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)中的具體權(quán)重，計(jì)算公式為

(3)

式(3)中：w為最終所得權(quán)重；bni、ai分別為屬性層矩陣所得權(quán)重、目標(biāo)層矩陣所得權(quán)重。

3.2.2 非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法

非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法[28]可以根據(jù)所選指標(biāo)的實(shí)際情況形成構(gòu)建其重要性二元對(duì)比一致性標(biāo)度矩陣F，將矩陣F各行和數(shù)由大到小排列，即按最重要、次重要、…、最不重要排列，并編上編號(hào)。應(yīng)用表3的語(yǔ)氣算子，用所有編號(hào)與編號(hào)1進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過認(rèn)真考慮實(shí)際因素的重要性和排序序號(hào)給予語(yǔ)言描述，將對(duì)應(yīng)相對(duì)隸屬度組成一組向量，并進(jìn)行歸一化得到權(quán)重向量ui。

顏色由淺至深分為5個(gè)等級(jí)，顏色越深的區(qū)域代表該指標(biāo)在該區(qū)域越適宜地埋管的開發(fā)與利用圖3 各指標(biāo)分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of each index

表3 語(yǔ)氣算子與相對(duì)隸屬度關(guān)系Table 3 Relation of tone operator and relative membership degree

3.2.3 綜合指數(shù)法

結(jié)合前人對(duì)各指標(biāo)的評(píng)分[24-25， 29， 34-35]、行業(yè)規(guī)范[22， 36-37]和專家意見，對(duì)廣安市實(shí)際情況按照9分制對(duì)指標(biāo)進(jìn)行賦值，運(yùn)用綜合指數(shù)法將權(quán)重與評(píng)分進(jìn)行計(jì)算得到總分B，計(jì)算公式為

(4)

3.3 指標(biāo)權(quán)重

按層次分析法步驟將所選指標(biāo)列為樹狀圖(圖3)，其A、B、C層分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)層、屬性層和要素層。收集所選指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并整理出圖。共建立有4個(gè)矩陣，目標(biāo)層1個(gè)、屬性層3個(gè)，經(jīng)檢驗(yàn)均符合一致性CR<0.1。將所得結(jié)果整合于表4，按式(1)～式(4)計(jì)算得到權(quán)重。

表4 層次分析法組合權(quán)重結(jié)果Table 4 AHP combined weight results

為指標(biāo)重要性進(jìn)行定性排序，按照非結(jié)構(gòu)性賦權(quán)法構(gòu)建其重要性二元對(duì)比一致性標(biāo)度矩陣F：

(5)

經(jīng)檢驗(yàn)，F(xiàn)符合優(yōu)越性排序一致性標(biāo)度矩陣條件。將矩陣F各行求和后，由大到小排列，其排序?yàn)椋篊4=C7>C5>C3>C1>C6>C2。根據(jù)排序編號(hào)：綜合熱導(dǎo)系數(shù)和鉆進(jìn)條件為1；地層初始溫度和平均比熱容為2；地下水水位埋深為3；地貌分區(qū)為4；地下水水質(zhì)為5。用所有編號(hào)與編號(hào)1進(jìn)行對(duì)比，并且結(jié)合表2的語(yǔ)氣算子得到相對(duì)隸屬度向量h。排序1中的C4和C7“同樣”重要，與排序2的C5相比重要性在“較為”和“明顯”重要之間，與排序3的C3相比處于“明顯”和“顯著”重要之間，與排序4的C1相比“顯著”重要，與排序5的C6地貌分區(qū)相比處于“顯著”和“十分”重要之間，與排序6的C2相比處于“非常”和“極端”重要之間。

將相對(duì)隸屬度向量進(jìn)行歸一化即為各因素所對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w為

w=(C4，C7，C5，C3，C1，C6，C2)

=(0.275 8， 0.275 8， 0.132 7， 0.104 5，

0.091 8， 0.080 0， 0.039 4)

(6)

對(duì)比層次分析法和非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法權(quán)重計(jì)算結(jié)果，指標(biāo)權(quán)重差值較小，具有較高的可信度，可以進(jìn)行總權(quán)重的計(jì)算，得到具體對(duì)比結(jié)果如圖4所示。根據(jù)以上分析，研究區(qū)中對(duì)地埋管地源熱泵影響最大的指標(biāo)為C4與C7，其次重要性排序大致為C5、C1、C3、C6與C2。

圖4 層次分析法與非結(jié)構(gòu)性模糊賦權(quán)法權(quán)重對(duì)比及總權(quán)重Fig.4 Weight comparison and total weight of AHP and non-structural fuzzy weighting method

4 適宜性分區(qū)結(jié)果

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)地質(zhì)特征、水文地質(zhì)特征和地層熱物性參數(shù)特征，結(jié)合前人對(duì)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)研究[24-25， 29， 34-35]和行業(yè)規(guī)范[22， 36-38]，對(duì)研究區(qū)實(shí)際情況按照9分制賦值(表5)。研究區(qū)地層熱物性性質(zhì)普遍較好[35]，對(duì)其進(jìn)行了更為精細(xì)的劃分。

用表5賦值規(guī)則為各指標(biāo)的實(shí)際測(cè)量或計(jì)算數(shù)值分別賦值，結(jié)合所得權(quán)重計(jì)算，疊加得到各區(qū)域總評(píng)分，為更精細(xì)劃分研究區(qū)的淺層地?zé)崮苓m宜性，將適宜性分區(qū)評(píng)分分為4個(gè)等級(jí)(表6)，再通過GIS將研究區(qū)適宜性分區(qū)情況可視化，得到圖5。可以看出，最適宜區(qū)、適宜區(qū)和較適宜區(qū)域占絕大部分，與研究區(qū)水文地質(zhì)特征、熱物性特征和施工條件

表5 各指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Scoring standard of each index

表6 不同類型分區(qū)面積Table 6 Area of different types of zoning

圖5 廣安市地埋管地源熱泵淺層地溫能適宜性分區(qū)Fig.5 Suitability zoning of shallow ground temperature and energy of ground source heat pump in Guang’an City

較好區(qū)域基本吻合。其中最適宜區(qū)主要分布于研究區(qū)北西部和北東部，建議該區(qū)域建筑物可優(yōu)先考慮采用地埋管地源熱泵供暖制冷。地埋管地源熱泵適宜性較差區(qū)顯示主要分布于中南部地區(qū)，其綜合導(dǎo)熱率較低，且附近為渠江官盛鎮(zhèn)段沿河床一帶，該區(qū)域雨季易發(fā)生洪澇災(zāi)害，不適合建造建筑物，故被劃分為不適宜區(qū)。

5 當(dāng)?shù)氐芈窆苄蜏\層地?zé)崮苜Y源利用評(píng)價(jià)

利用現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)取得傳熱系數(shù)ks，單孔換熱功率[39]計(jì)算公式為

D=ksL|t1-t4|

(7)

式(7)中：ks為地埋管換熱傳熱系數(shù)，W/(m· ℃)；L為地埋管換熱器長(zhǎng)度，m；t1為地埋管內(nèi)流體的平均溫度， ℃；t4為溫度影響半徑之外巖土體的溫度， ℃。

在此，L選取100 m，|t1-t4|中夏季取12 ℃，冬季取10 ℃。計(jì)算出單孔換熱功率后，區(qū)域換熱功率[22]計(jì)算公式為

Qh=Dnh×10-3

(8)

式(8)中：nh為計(jì)算面積內(nèi)換熱孔數(shù)，這里取鉆孔間距為5 m計(jì)算。廣安市規(guī)劃主城區(qū)最適宜區(qū)、適宜區(qū)和較適宜區(qū)面積為603.88 km2(計(jì)算時(shí)考慮土地利用系數(shù)為100%)。由此，計(jì)算出制冷期換熱總功率為7.99×107kW，供暖期換熱總功率為6.65×107kW。

6 結(jié)論

(1)綜合水文地質(zhì)特征、地層熱物性參數(shù)特征以及施工條件分析顯示，該地區(qū)更適合地埋管地源熱泵建設(shè)。

(2)通過層次分析法和非結(jié)構(gòu)性賦權(quán)法計(jì)算權(quán)重，研究區(qū)地埋管地源熱泵適宜性分區(qū)主要是受到鉆井難易程度和綜合熱導(dǎo)系數(shù)的影響。

(3)在廣安市規(guī)劃主城區(qū)內(nèi)，地埋管地源熱泵最適宜區(qū)具體面積約為189.301 km2；適宜區(qū)具體面積為230.363 km2，圍繞最適宜區(qū)分布；地埋管熱泵的較適宜區(qū)具體面積約為181.293 km2；極個(gè)別地區(qū)為地埋管地源熱泵不適宜地區(qū)，區(qū)域面積約為4.102 km2。

(4)依據(jù)求得最適宜區(qū)、適宜區(qū)和較適宜區(qū)的面積計(jì)算，制冷期換熱總功率為7.99×107kW，供暖期換熱總功率為6.65×107kW。

(5)由于研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有淺層地?zé)崮茔@孔較少，導(dǎo)致熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)較少，成圖區(qū)域劃分不夠準(zhǔn)確。建議研究區(qū)增加淺層地?zé)崮茔@孔，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，為地埋管地源熱泵適宜性評(píng)價(jià)提供更詳盡的數(shù)據(jù)。